ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 452, № 6, с. 664-668
= ГЕОХИМИЯ
УДК 549.621.98:552.323.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СУБКАЛЬЦИЕВЫХ ХРОМИСТЫХ ПИРОПОВ © 2013 г. А. А. Чепуров, Н. С. Тычков, академик Н. В. Соболев
Поступило 27.06.2013 г.
БО1: 10.7868/80869565213310149
Субкальциевые хромистые пиропы с содержанием СаО порядка 3 мас. % или менее и значительно изменяющимся содержанием Сг2О3 от 5 мас. % и выше встречаются в качестве включений перидотитовой серии в алмазах, в ксенолитах гарцбургитов (дунитов) и лерцолитов, а также в виде отдельных зерен в тяжелой фракции кимберлитов [1—3]. Особый интерес вызывают хромистые пиропы с содержанием СаО менее 2 мас. %. В этих минералах независимо от способа пересчета анализов фиксируется существенная примесь М§Сг-компонента (кноррингита). В ходе длительной дискуссии об условиях образования таких пиропов, не завершившейся и в настоящее время, главным вопросом обсуждения остался состав протолита. Авторы одной из гипотез [4] предположили, что субкальциевые хромистые гранаты, которые, как и алмазы, встречаются только в пределах кратонов, являются акцессорными минералами реститовых пород коматиито-вого процесса глубинного плавления. Эту гипотезу поддержали данные об архейском модельном 8ш-Мё-возрасте субкальциевых пиропов, включенных в алмазы некоторых кимберлитов Южной Африки. Тем не менее эксперименты, выполненные при высоком давлении [5], показали, что субкальциевые высокохромистые пиропы алмазной ассоциации [1] не могут быть в равновесии с кома-тиитовым расплавом и содержат слишком много Сг2О3. Кроме того, показано, что в целом ряде случаев неоднородное распределение примеси 8г во многих субкальциевых гранатах из алмазов Якутии может свидетельствовать о возрасте этих гранатов, сопоставимом с возрастом кимберлитов [6].
В [7] сделано предположение: океанические серпентиниты, богатые М§О и истощенные СаО, метаморфизованные при высоких Р— Т-парамет-рах, могли быть протолитами субкальциевых пиропов при субдуцировании серпентинитов на
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
большие глубины. Экспериментально из серпен-тинитового состава были получены гранаты [5], что частично подтверждает данную гипотезу, хотя последние не были высокохромистыми и содержали около 4 мас. % СаО. На низкое Сг/А1 в серпентинитах было обращено внимание в [8], где также поддерживается гипотеза образования субкальциевых гранатов из субдуцирующего слэба.
Данная работа посвящена экспериментальному моделированию условий кристаллизации субкальциевых хромистых пиропов и предпринята с целью выяснения влияния состава протолита на их образование. В соответствии с [5] мы исходим из предположения, что материнские породы для образования субкальциевых гранатов должны быть обеднены СаО. Для получения хромистых пиропов необходимы давление порядка 4—6 ГПа [9, 10] и присутствие в системе М§О и Сг2О3. Кроме того, протолит должен быть обеднен 8Ю2, но содержать некоторое количество А12О3. Наиболее близким природным аналогом такого протолита может быть серпентинит, содержащий Сг-шпи-нель [7]. Поэтому в качестве модельной системы для изучения особенностей кристаллизации субкальциевых хромистых пиропов был выбран природный серпентин (антигорит) с добавками Сг-шпинели.
Экспериментальная часть исследования проведена на многопуансонном аппарате высокого давления типа "разрезная сфера" (БАРС-300) в рабочих ячейках на основе оксидов ZrO2 и М§О с трубчатым графитовым нагревателем. Параметры опытов: 4-5.5 ± 0.2 ГПа, 1100-1200 ± 25°С. Длительность опытов 2-24 ч. Вначале осуществляли подъем давления, затем температуры и после выдержки при заданных Р—Т-параметрах охлаждение образцов проводили закалкой [11].
Для исследования использовали природные образцы серпентина. Состав серпентина, мас. %: 8Ю2 - 41.53; 1Ю2 - 0.02; А12О3 - 0.95; Fe2O3 - 2.74; МпО - 0.14; М§О - 42.15; СаО - 0.05; №2О - 0.30; К2О - 0.02; Р2О5 - 0.00; ппп - 12.42; сумма -100.32 (состав определен методом РФА).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ
665
Эксперименты проведены с ассоциацией серпентина и шпинели в герметичных платиновых ампулах. Платиновые ампулы герметизировали с помощью электродуговой сварки. Часть опытов с серпентином проведены без платиновой ампулы: они были запрессованы в капсулу из MgO (марка Ч, ГОСТ 4526-75), что обосновано необходимостью создания высокомагнезиальной среды.
Продукты экспериментов в образцах и изготовленных из них шлифах исследовали с помощью оптических микроскопов МБС-10, МБИ-15. Рентгенографический анализ фаз проводили на аппарате ДРОН-3. Анализ составов продуктов опытов производили с помощью микрорентгено-спектрального анализа на микроанализаторе JXA-8100 (Аналитический центр ИГМ СО РАН). Микрофотографии и дополнительные анализы зональных гранатов получены с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA LMU.
Ранее было установлено [12], что серпентин при параметрах опытов разлагается по реакции 2Mg3[Si2O5](OH)4 ^ ^ 2Mg2SiO4 + Mg2Si2O6 + 4H2O. Таким образом, в закрытой системе при разложении серпентина при температуре ниже ликвидуса кристаллизуется в основном ультраосновная ассоциация (форстерит + ортопироксен) + вода с небольшим количеством второстепенных фаз. Добавление в систему Cr2O3, Al2O3 (в виде шпинели) приводит к кристаллизации граната. Шпинели имели разный состав: с преобладанием Al и преобладанием Cr.
В ходе проведенных экспериментов при высоких Р-Т-параметрах (табл. 1) в системе серпентин—шпинель в продуктах опытов обнаружены следующие основные фазы: оливин, ортопирок-сен, гранат и хромит, а среди второстепенных фаз — сульфиды. В табл. 2 приведены составы оливина, энстатина, которые являются высокомагнезиальными и содержат соответственно: 1.90—5.42 мас. % и менее FeO.
В синтезированных гранатах содержание TiO2 и MnO не превышает 0.7 мас. %: TiO2 — 0.03—0.56, MnO — 0.23—0.69 (табл. 2). Характерно высокое содержание в гранатах MgO (24.1—29.4 мас. %), с которым коррелирует содержание FeO (2.85— 8.16 мас. %). Например, гранат с минимальным содержанием MgO (24.1 мас. %) содержит 8.16 мас. % FeO, а гранат с максимальным содержанием MgO (29.4 мас. %) содержит 4.15 мас. % FeO или гранат с 27.3 мас. % MgO содержит лишь 2.9 мас. % FeO.
Содержание CaO в синтезированных гранатах 0.04—1.10 мас. % (среднее около 0.3 мас. %) и является очень низким, хотя оказывается несколько выше по сравнению с исходным серпентином (0.05 мас. %). По-видимому, этот факт можно объяснить тем обстоятельством, что CaO не входит в
Таблица 1. Параметры экспериментов по кристаллизации субкальциевых хромистых пиропов
№ опыта P, ГПа (±0.2) T, °C (±25) т, ч
4-5-12 4.0 1100 2
4-6-12 4.0 1100 2
4-14-12 5.5 1200 5
4-15-12 5.5 1200 5
4-46-12 5.5 1200 24
состав кристаллизующихся совместно с гранатом других фаз (оливин, хромит) и незначительно входит в состав ортопироксена (до 0.02 мас. %).
В табл. 2 приведен средний состав граната ме-гакристаллических пироповых перидотитов трубки Удачная в сопоставлении с составом синтезированных гранатов. По всем компонентам, кроме Сг203 и А1203, отмечается хорошая корреляция составов природных и синтезированных субкальциевых гранатов.
Наиболее интересными представляются вариации в содержании Сг203 и А1203 в синтезированных гранатах. Соответственно минимальным содержаниям Сг203 в гранатах соответствуют максимальные содержания А1203 и наоборот (табл. 2). Синтезированные гранаты содержат переменную примесь кноррингитового компонента 4.8—38.5 мол. % (табл. 2), что объясняется неравновесными условиями экспериментов.
В опытах 4-5-12, 4-6-12 были добавлены зерна шпинели различного состава — с преобладанием А1 (41.0 мас. % А1203; 17.0 мас. % Сг203) и с преобладанием Сг (5.07 мас. % А1203; 43.2 мас. % Сг203). Вокруг обоих зерен образовалась реакционная кайма. Гранат образовался лишь в кайме глиноземистой шпинели. Кайма вокруг хромистой шпинели состоит практически полностью из менее железистой и за счет этого — более хромистой и глиноземистой шпинели (табл. 2). Гранат кристаллизовался в кайме глиноземистой шпинели и в основной массе. Его состав по содержанию Сг203 0.89-9.88 мас. % Сг203.
Кроме того, в состав кайм вокруг исходных зерен шпинели входят отдельные зерна оливина (табл. 2). Вероятно, образование граната и оливина происходит по реакции [8]
4(Ы§, Fe)Si03 + (Ы§, Fe)(Cr, А1)204 ^ ортопироксен шпинель ^ (Ы§, Fe)3(Cr, А1)^3012 + (Ы§, Fe)2Si04 гранат оливин
Существенно, что кристаллизация субкальциевого хромистого граната в среде серпентин + + шпинель зависит от состава шпинели, а точнее -от ее хромистости (Сг/(Сг + А1)). Как показал эксперимент, гранат кристаллизуется при хромистости
Таблица 2. Составы фаз в продуктах опытов
Гранат
8Ю2 Т1О2 А12О3 Сг2О3 FeO МпО МБО СаО Кн. Сумма № опыта
43.5 0.13 23.2 0.90 3.45 0.23 27.7 0.42 4.8 99.53 4-5-12
43.1 0.16 22.1 1.71 4.01 0.33 27.5 0.19 8.9 99.10 4-5-12
42.1 0.14 21.0 3.81 5.84 0.33 26.2 0.23 12.4 99.65 4-5-12
41.7 0.11 20.4 4.96 5.28 0.36 26.1 0.17 14.5 99.08 4-5-12
44.0 0.13 17.7 5.11 3.42 0.42 28.3 0.14 26.5 99.22 4-5-12
42.2 0.09 18.3 5.88 4.15 0.40 29.4 0.18 24.2 100.60 4-5-12
43.3 0.13 22.4 1.24 3.55 0.36 28.0 0.15 8.1 99.13 4-15-12
41.7 0.07 20.5 4.95 3.65 0.36 27.3 0.12 14.3 98.65 4-15-12
41.7 0.05 16.7 8.72 4.67 0.36 26.7 0.04 29.4 99.04 4-15-12
42.3 0.04 14.6 9.88 3.61 0.41 28.6 0.06 38.5 99.50 4-15-12
42.1 0.56 19.3 5.01 8.16 0.69 24.1 0.10 18.8 100.02 4-6-12
43.5 0.08 23.3 0.89 3.99 0.31 27.5 0.14 5.0 99.71 4-46-12
42.6 0.10 20.1 4.81 3.66 0.47 27.1 0.25 16.1 99.09 4-46-12
43.6 0.04 18.3 5.73 2.87 0.39 27.3 0.63 22.5 98.86 4-46-12
42.8 0.03 19.2 6.45 2.85 0.44 26.5 0.94 18.0 99.21 4-46-12
42.1 0.07 17.4 8.42 3.03 0.46 26.3 1.10 24.1 98.88 4-46-12
41.9 0.05 18.4 6.75 6.87 0.43 22.7 2.17 16.4 99.37 МП
Оливин* №О
41.8 0.09 3.82 0.12 53.4 0.00 0.40 99.63 4-5-12
41.1 0.11 5.42 0.13 51.5 0.00 0.35 98.61 4-6-12
41.7 0.12 3.14 0.09 53.2 0.01 0.44 98.70 4-15-12
42.1 0.08 2.84 0.12 54.0 0.00 0.28 99.42 4-46-12
41.25
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.