ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 427, № 3, с. 365-369
= ГЕОХИМИЯ =
УДК 550.89
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАВЛЕНИЯ ЭКЛОГИТА С УЧАСТИЕМ ФЛЮИДА H2Ö-C02-KC1 ПРИ 5 ГПа © 2009 г. В. Г. Бутвина, О. Г. Сафонов, Ю. Ä. Литвин
Представлено академиком A.A. Маракушевым 03.02.2009 г. Поступило 06.02.2009 г.
В отличие от перидотитов эклогитовые ноду-ли в кимберлитах часто несут структурные, минералогические и геохимические признаки частичного плавления [1-6]. В последние годы появились прямые доказательства связи частичного плавления в нодулях эклогитов с кристаллизацией в них микроалмазов [1, 6]. Включения алюмо-силикатных расплавов, ассоциирующие с минералами эклогитового парагенезиса, известны также в отдельных кристаллах алмаза (см., например, [7]). Эти данные указывают на тесную взаимосвязь процессов частичного плавления в эклоги-товых нодулях с алмазообразованием. Ранее эти процессы рассматривались как результат воздействия на них самой кимберлитовой магмы [8]. Однако в настоящее время многие исследователи склоняются к мнению о том, что они происходили еще до захвата эклогитов магмой и связаны с воздействием на эклогиты внешних глубинных флюидов [1-6]. Минеральные ассоциации, возникающие при частичном плавлении и последующем преобразовании продуктов плавления, в ряде случаев позволяют делать выводы об особенностях состава этих флюидов. Так, в эклогитовых нодулях нередко сохраняются реликты закаленных расплавов, возникших при частичном плавлении. При содержании БЮ2 от 45 до 65 мас. % во многих случаях в этих расплавах К20 резко преобладает над Ка20, варьируясь в пределах 4-15 мас. %. Наряду с этим присутствие в зонах частичного плавления санидина, джерфишерита, флогопита, содалита, разнообразных карбонатов и сульфатов [2, 6] указывает на активную роль С02, Н20, щелочных хлоридов и серы, а также на высокую активность калия во флюидах, способствовавших частичному плавлению эклогитов при давлениях 4-5 ГПа и температурах 1150-1250°С [2, 6]. Находки щелочных хлоридно-карбонатных включений сложного состава в алмазах эклогитового ксенолита трубки Удачная (Якутия), подвергшегося частичному плавлению [5], подтверждают вывод о
Институт экспериментальной минералогии Российской Академии наук, Черноголовка Московской обл.
значительной роли щелочных хлоридных компонентов в этих флюидах.
Из экспериментов при 3-6 ГПа известно, что как при "сухом" плавлении, так и при плавлении в присутствии H2O на солидусах эклогитов образуются расплавы, содержания SiO2 и Al2O3 в которых сравнимы с концентрациями этих компонентов в продуктах частичного плавления природных эклогитов (см., например, [9-11]). Однако в этих расплавах концентрация K2O + Na2O не превосходит 5 мас. %, а отношение K2O/Na2O в них меньше 1.0. Очевидно, что для образования расплавов с высокими концентрациями щелочей, особенно калия, необходимо присутствие во флюиде дополнительных щелочесодержащих компонентов. Участие K-Na-хлоридов в этом процессе является чрезвычайно привлекательной гипотезой. Исследования модельной системы Jd(±Di)-KCl при 5 ГПа [12] показали, что благодаря активному K-Na-обмену хлоридного расплава с жадеито-вой составляющей пироксенов возникают очень богатые калием низкотемпературные хлорсодер-жащие силикатные расплавы. При этом сами хло-ридные жидкости остаются несмесимыми с образующимися алюмосиликатными расплавами [12]. Очевидно, что одновременное воздействие H2O, CO2 и KCl окажет еще большее влияние на процессы плавления эклогитов. Задача данной работы состояла в изучении фазовых соотношений и состава расплавов, возникающих при плавлении модельного и природного эклогитов с участием флюида H2O-CO2-KCl при 5 ГПа.
Эксперименты проводились с двумя видами стартовых смесей (табл. 1): 1) смесью 50:50 по массе гелей состава граната Prp80Grs20 и пироксена Di60Jd40 и 2) смесью 50:50 по массе граната и клинопироксена из крупнозернистого эклогито-вого нодуля из кимберлитов трубки Удачная. Средние составы граната и клинопироксена, мас. %: гранат^Ю2 41.04, Al2O3 22.38, FeO 13.46, MgO 14.10, CaO 9.18; клинопироксен^Ю2 54.56, Al2O3 7.37, FeO 2.57, MgO 12.78, CaO 19.73, Na2O 3.01. В качестве источника флюида H2O-CO2 использовалась щавелевая кислота марки о.с.ч., а в качестве хлоридного компонента - кристаллический
Таблица 1. Средние составы алюмосиликатных расплавов в продуктах некоторых экспериментов в системе эк-логит-Н20-С02-КС1 при 5 ГПа
Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп. Оп.
1632 1627 1642 1644 1645 1664 1661 1654 1651 1694 1682 1695 1699
(8) (11) (3) (3) (3) (7) (5) (6) (6) (2) (5) (6) (4)
нент состав флюидной смеси, мае. %
6/0 8/0 18/0 8/0 15/0 5/3 3/9 19/19 7/23 2/15 3/3 3/7 10/7
1300°C 1300°C 1300°C 1300°C 1300°C 1200°C 1200°C 1300°C 1300°C 1200°C 1300°C 1300°C 1300°C
SiÜ2 50.41 48.92 51.50 45.87 48.60 42.02 46.11 39.79 43.26 44.85 45.66 42.09 42.53
A12O3 14.28 16.16 18.20 13.41 16.56 14.91 14.27 15.65 14.78 14.92 15.69 15.15 14.88
FeO 0.00 0.00 0.00 1.32 1.71 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.02 2.85 0.68
MgO 10.78 15.50 17.02 0.65 8.35 16.78 10.96 19.62 14.08 11.75 12.37 11.92 11.88
CaO 9.20 9.87 11.05 6.01 12.75 8.93 7.57 6.93 6.79 7.88 13.30 12.61 13.25
Na2O 3.62 2.69 2.24 1.38 2.52 2.06 2.4 1.06 0.89 1.26 1.36 1.36 1.12
K2O 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.76 9.8 8.65 10.19 8.23 3.86 4.89 6.14
C1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.38 5.61 3.17 3.82 3.28 2.07 3.86 4.30
Сумма 88.28 93.14 100.01 68.34* 90.49 89.84 96.72 94.87 93.81 92.17 96.33 94.94 94.78
Примечание. Номера опытов с природными минералами выделены жирным шрифтом; в скобках - число индивидуальных анализов. Продолжительность опыта: опыт 1664 и 1661 - 120 мин, опыт 1694 - 45 мин, остальные - 60 мин. Слева от черты - щавелевая кислота, справа - KCl. Низкие концентрации Fe в расплавах из опытов с природным эклогитом связаны с его абсорбцией стенками платино-родиевых ампул. Звездочкой отмечен сильно флюидизированый пленочный расплав между кристаллами граната и клинопироксена.
KCl. В экспериментах использовались сферические ампулы из сплава Pt60Rh40 диаметром 6 мм и с толщиной стенок 0.1 мм. Использование таких ампул обусловлено тем, что платино-родиевый сплав обладает меньшей способностью к абсорбции Fe [13]. Однако этого все же не удалось избежать в опытах с участием расплавов (табл. 1). При заполнении ампул на дно предварительно помещались кристаллики щавелевой кислоты и KCl, а поверх засыпалась силикатная смесь. Соотношение составляющих определялось последовательным взвешиванием. Такой способ загрузки оказался эффективным с точки зрения сохранности щавелевой кислоты от разложения при заварке ампул с помощью электродуговой сварки. Однако он в то же время обусловил достаточно неравномерное распределение флюида в объеме ампулы в ходе опыта, особенно в экспериментах
с использованием смесей природных минералов*.
Опыты проводились при 5 ГПа и 1300 и 1200°C на аппарате типа "наковальня с лункой - тороид" НЛ-13Т [13], который является модификацией аппаратов типа наковален Бриджмена. В экспериментах использовались ячейки, изготовленные из литографского камня, с графитовыми трубчатыми нагревателями длиной 7.2 мм, диаметром 7.5 мм и толщиной стенок 0.75 мм. Передающей
* Индексы минералов и фаз: Di - диопсид, Cpx - клинопирок-сен, Grs - гроссуляр, Ort - гранат, Jd - жадеит, Lc - хлоридный расплав, Ls - силикатный расплав, Prp - пироп. Параметры
состава: = 100Ca/(Ca+Mg), = 100 Na/(Na+Ca).
давление средой служила смесь MgO и BN в соотношении 3:1 [13]. Давление достигалось с помощью 500-тонного гидравлического пресса, а калибровалось с точностью ±0.2 ГПа по стандартным переходам в Bi (2.55 и 7.7 ГПа) и Ba (5.5 ГПа). Температура задавалась по ее зависимости от мощности тока, построенной на основе показаний термопары Pt70Rh30/Pt94Rh06 без коррекции на давление, а контролировалась с точностью ±20°С при помощи термоконтроллера MINITHERM-300.31. Скорость закалки образцов составляла 250-300°С/с.
Текстурные особенности продуктов экспериментов исследовались в полированных образцах, помещенных в эпоксидную смолу. Составы фаз определялись на электронном микроскопе "CamScan MV2300" (VEGA TS 5130MM), оснащенном энергодисперсионным рентгеновским спектрометром INCA Energy-350 (в лаборатории электронной микроскопии и микроанализа ИЭМ РАН). Продукты закалки расплавов анализировались методом сканирования по площадям размером от 500 до 20 мкм2. Анализы закаленных расплавов, с учетом "стехиометрического" кислорода, дают пониженные суммы, отличающиеся от 100% на содержание CO2 + H2O (табл. 1).
Прежде всего были исследованы фазовые соотношения при плавлении модельного эклогита (Prp80Grs20)50(Di60Jd40)50 под воздействием флюида H2O-CO2 без участия KCl при 1300°С. При 6 мас. % флюида стабильна ассоциация алюмосиликатно-
го расплава с гранатом (N^ = 15-18 мол. %) и клинопироксеном ( NNpx = 20 мол. %) (оп. 1632),
тогда как уже при 8 мас. % флюида с расплавом сосуществует только гранат, N Са в котором снижается до 10-11 мол. % (оп. 1627). Гранат, по-видимому, сохраняется как ликвидусная фаза вплоть до содержания флюида в системе 17 мас. %, а при 18 мас. % Н20 + С02 наблюдается полное плавление (оп. 1642). Составы расплавов образуют закономерный композиционный тренд в зависимости от степени плавления. При близком среднем содержании БЮ2 (49-51 мас. %) расплавы обогащаются СаО и М§О (табл. 1). Содержание Ка20 в расплавах, сосуществующих с гранатом и клинопироксеном, достигает 3.5-4.5 мас. %, но снижается до 2.0-2.5 мас. % при полном плавлении. Фазовые соотношения при плавлении смеси природных минералов отличаются от таковых при плавлении модельной системы. При 5 мас. % Н20 + С02 появляются лишь пленки сильно флю-идизированного расплава (низкие суммы в анализах стекол; см. оп. 1644) между кристаллами кли-нопироксена и граната. В контакте с ними гранат становится более кальциевым (до 12 мас. % Са0), а клинопироксен теряет Ка20 (2-2.5 мас. %) в сравнении со стартовыми составами этих минералов (см. выше). По мере увеличения содержания флюида наряду с пленочным плавлен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.