ГЕОХИМИЯ, 2007, № 6, с. 579-598
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЙОКО-ДОВЫРЕНСКОГО РАССЛОЕННОГО ИНТРУЗИВА, СЕВЕРНОЕ ПРИБАЙКАЛЬЕ
© 2007 г. С. В. Болиховская, А. А. Ярошевский, Е. В. Коптев-Дворников
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Геологический факультет, 119992 Москва, Воробьевы горы, МГУ, e-mail: androniks@mail.ru
Поступила в редакцию 15.12.2005 г.
Проведено компьютерное моделирование процесса внутрикамерной дифференциации расслоенного дунит-троктолит-габбро-габброноритового Иоко-Довыренского массива с использованием программы COMAGMAT-3.5, реализующей принципы конвективно-кумуляционной модели кристаллизации интрузивов. Состав исходной магмы принят равным средневзвешенному составу пород интрузива (SiO2 43.92; Al2O3 9.72; FeO 10.53; MgO 27.88; CaO 6.99; Na2O 0.59; K2O 0.07; TiO2 0.11 вес. %). Результаты расчета кристаллизации этого состава в интервале давлений от 0 до 10 кбар показали, что установленный для пород интрузива порядок кристаллизации минералов Ol + Chr —- Ol + Pl + + Chr —- Ol + Pl + CPx —► ±Ol + Pl + CPx + LowCaPx, в безводной системе реализуется в диапазоне давлений от 0 до 2 кбар. На основе серии моделирующих расчетов в закрытой по кислороду системе получены оценки фазового и химического составов внедрившейся магмы, определены параметры оптимальной модели, с удовлетворительной точностью воспроизводящей геохимическую структуру Иоко-Довыренского интрузива - природные распределения минералов и компонентов в вертикальном разрезе массива. Коэффициенты корреляции между наблюдаемыми в природе содержаниями окислов и рассчитанными в модели составили rMgO, Al O , Cao - 0.9; rFeO, SiO , N O > 0.6). Определен фазовый состав магмы в момент внедрения: расплав + оливин (Fo^). Получено, что степень закристаллизованности исходной магмы была около 40 об. %, при принятой плотности кумулуса у нижнего контакта - 90% и 70% - у верхнего контакта. Температура магмы в момент внедрения составляла около 1340°С, давление 1 кбар. В модели плагиоклаз появляется на ликвидусе при Т = 1255°С, клинопи-роксен при Т = 1210°С, порядок кристаллизации кумулусных минералов соответствует наблюдаемому в природе. Жидкая фаза (расплав) исходной магмы в момент внедрения содержала: SiO2 - 45.95; Al2O3 15.93; MgO - 14.49; FeO - 10.88; СаО - 11.46; Na2O - 0.97; K2O - 0.11; TiO2 - 0.18 вес. %. Полученные результаты показали реалистичность гипотезы о формировании особенностей внутреннего строения Ио-ко-Довыренского интрузива в результате внедрения и дифференциации одной порции магмы, закристаллизованной не менее, чем на 40 об. %.
Проблема интерпретации внутренней структуры и механизма формирования расслоенных интрузивов является одной из наиболее интересных, давно исследуемых в петрологии, так как прямо связана с проблемами магматической эволюции, причинами разнообразия наблюдаемых изверженных пород. Для объяснения минеральной и скрытой расслоен-ности интрузивных тел основных и ультраосновных пород разными авторами привлекались различные концепции, такие, как внедрение уже расслоенной магмы, гравитационная диффузия, магматическое замещение, ликвация силикатных расплавов, многоактное внедрение магмы, различные варианты кристаллизационной дифференциации и другие. Полноценное сравнение перечисленных гипотез, выявление среди них наиболее петрологически реалистичной требует детального физико-химического анализа, построения количественных моделей и их верификации. Модели должны воспроизводить основные закономерности строения
расслоенных массивов: во-первых, химическое разнообразие пород, слагающих интрузивные комплексы, которое определяется составами твердых фаз и сосуществующих с ними расплавов в зависимости от температуры, давления, и степени фракционирования; и, во-вторых, закономерности пространственной геохимической структуры, определяемые динамикой процесса. К последним относятся подразделение всего объема пород интрузивов на расслоенную серию, верхнюю и нижнюю прикон-тактовые зоны, в которых эволюция составов пород противоположна эволюции в расслоенной серии; резкая асимметрия строения, выражающаяся в строгой последовательности смены минеральных парагенезисов породообразующих минералов в породах от высокотемпературных у подошвы интрузива к низкотемпературным у его кровли [1-4]. Моделирование процесса формирования расслоенных базит-гипербазитовых интрузивов дает важную информацию для проверки гипотез о направ-
лении магматической эволюции, происхождении разнообразия изверженных пород и механизмах дифференциации, приводящих к образованию пространственной геохимической структуры этих объектов, а также открывает возможности для установления связи процессов рудообразования с механизмом затвердевания.
В настоящее время одной из наиболее разработанных является гипотеза о ведущей роли в процессах становления расслоенных комплексов механизма кристаллизационной дифференциации. Развитием этой концепции стала конвекционно-кумуляционная модель внутрикамерной дифференциации, разработанная в 80-е годы совместно сотрудниками ГЕОХИ РАН и кафедры геохимии МГУ [5, 6, 4] и реализующий ее принципы программный комплекс СОМАОМАТ [7-10], который позволяет численно моделировать процессы остывания и химической дифференциации базитовых магм, в том числе конкретных интрузивных тел. Эта программа включает в себя процедуру решения задачи кристаллизации слоя базальтовой магмы с учетом гравитационного перераспределения фаз и конвективного тепломассопереноса. Предметом моделирования в рамках этой модели являются главные характеристические параметры расслоенных интрузивов: количественные закономерности изменения в пространстве интрузива химических составов пород, выражающиеся в последовательной смене ассоциаций породообразующих минералов, изменении химических составов минералов, распределения содержаний элементов и минералов по разрезу расслоенных комплексов. Все эти данные могут быть получены при геологическом изучении реальных магматических тел, поэтому совпадение результатов моделирования с наблюдаемыми в природе параметрами, в пределах точности метода, являются веским доказательством реалистичности разработанной модели. Ранее модель была верифицирована на примере траппов Сибирской платформы [6, 4] и интрузивах Бураковский и Кивакка (Карелия) [11].
При моделировании магматических систем можно выделить два аспекта в решении проблемы - термодинамический и динамический. Термодинамический аспект связан с анализом причин эволюции расплавов: определением, какой физико-химической системой должна быть магма, чтобы в ней реализовался моделируемый процесс (например, механизм кристаллизационного разделения вещества), исследуются внепространственные характеристики системы (давление, фазовый и химический состав и т.п.), в результате чего определяется последовательность кристаллизации минеральных фаз и возможный набор пород. Динамический аспект состоит в анализе механизмов эволюции магмы, то есть поиске ответа на вопрос о том, как реализуется данный механизм дифференциации в пространстве системы. Рассматривается процесс переноса тепла и ве-
щества, протекающий в пространстве и во времени, и в итоге мы должны получить модель, воспроизводящую пространственные взаимоотношения пород.
Существенный прогресс в петрологических исследованиях был достигнут с появлением моделей кристаллизации базальтовых магм, позволяющих рассчитывать химический и фазовый состав, а также изменение фазовых пропорций при фракционной и равновесной кристаллизации в природных системах как функцию температуры и давления [12-20]. Однако эти модели, решая термодинамическую часть задачи, не позволяли напрямую воспроизводить процесс образования геохимической структуры магматических тел, поскольку не содержали описания динамики дифференциации. Достоинством модели COMAGMAT, несмотря на имеющийся ряд ограничений, описанных ниже, является ее системный характер, сочетающий термодинамическое описание фазовых равновесий с моделированием, хотя и весьма примитивным, динамики тепломассопереноса в магматической камере.
Попытки включить в математическое описание эволюции магматических систем динамику переноса вещества были предприняты в работах B.C. Го-лубева и B.H. Шарапова [21, 22] сначала в виде аналитических, а затем численных моделей. Для расчета массопереноса в формулировку моделей ими было включено лишь математическое описание диффузионного переноса отдельных компонентов. Но использование возможностей аналитического решения задачи весьма ограничивало спектр моделей, которые могли бы представлять интерес для описания реальных петрологических процессов.
Важным шагом в понимании динамики магматической эволюции стало выяснение условий возникновения конвективных движений в магматической камере. Работами И. Шимазу [23, 24], А.П. Виноградова и А.А. Ярошевского [25], А.А. Кадика и Н.И. Хитарова [26] и позже Р. Бартлетта [27], Т. Ир-вайна [28] А. Мак-Бирни [29], В.П. Трубицина и Е.В. Харыбина [30, 31] и других была показана неизбежность возникновения конвекции в крупных магматических камерах. С режимами конвекции стали связывать причины формирования ритмической расслоенности [32, 33]. Трудности, возникающие при попытках согласовать эти простые модели с реальным строением ритмически расслоенных магматических тел, заставили усложнять модели, привлекая представления о возникновении около фронта кристаллизации концентраци-онно-тепловой конвекции в пределах двойного диффузионного слоя. Разработке этой интересной идеи посвящено немало экспериментальных и теоретических работ [34-41 и др]. Однако практически во всех подобных работах уровень разработки моделей не позволяет непосредственно воспроизвести эмпирические закономерности пространственного строения расслоенных комплексов.
До настоящего времени дискуссионным остается вопрос о механизмах зародышеобразования кристаллов в магматической камере - гомогенной или гетерогенной нуклеации. Представление о гетерогенной нуклеации, в приложении к генезису расслоенных интрузивов, подразумевает зарождение кристаллов у подошвы и на стенках камеры и образован
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.