научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ РАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ УЛЬТРАМАФИТОВ В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОБЛЕМАМ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОЙ РАССЛОЕННОСТИ ДОВЫРЕНСКОГО ПЛУТОНА (СЕВЕРНОЕ ПРИБАЙКАЛЬЕ, РОССИЯ) Геология

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ РАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ УЛЬТРАМАФИТОВ В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОБЛЕМАМ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОЙ РАССЛОЕННОСТИ ДОВЫРЕНСКОГО ПЛУТОНА (СЕВЕРНОЕ ПРИБАЙКАЛЬЕ, РОССИЯ)»

ГЕОХИМИЯ, 2003, № 2, с. 131-155

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ УЛЬТРАМАФИТОВ В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОБЛЕМАМ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОЙ РАССЛОЕННОСТИ ДОВЫРЕНСКОГО ПЛУТОНА (СЕВЕРНОЕ ПРИБАЙКАЛЬЕ, РОССИЯ)

© 2003 г. А. А. Арискин*, Э. Г. Конников**, Е. В. Кислов***

*Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19 **Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Черноголовка, Московская обл. ***Геологический институт СО РАН 670047 Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Поступила в редакцию 31.05.2001г.

На основе ЭВМ-программы КОМАГМАТ-3.52 (2000) выполнены расчеты, моделирующие фазовые равновесия и химические характеристики исходной магмы Довыренского расслоенного дунит-троктолит-габбрового плутона. Для вычислений использованы составы эндоконтактовых пород, плагиоперидотитов приподошвенной зоны и средневзвешенный состав интрузива. Моделирование проводилось при термодинамических параметрах, приближенных к реальным условиям затвердевания (Р = 0.5 кбар, буфер WM) с шагом кристаллизации 1 мол.%. Результаты расчетов указывают на анхиэвтектическую (01 + Р1 ± Срх ± Орх) природу довыренской магмы, температура которой в момент внедрения составляла 1180-1190°С, а количество интрателлурических кристаллов не менее 40%. Состав жидкой части этой суспензии отвечал пересыщенному БЮ2 (54-55 мас. %) и относительно обогащенному М§0 (~8 мас. %) расплаву, который в силу высокой вязкости (~104-105 П) и закристаллизованности системы не мог фракционировать по конвекционно-кумуляционному механизму. Это подтверждается незначительными вариациями состава породообразующих минералов в разрезе расслоенной серии и присутствием неперемещенных ксенолитов апокарбонатных магнезиальных скарнов. В качестве главного механизма формирования расслоенности предполагается уплотнение первичного кристаллического осадка, адкумулятивный рост и инфильтрация остаточной жидкости к кровле с ее частичным захоронением у подошвы магматического резервуара.

Расслоенные мафит-ультрамафитовые комплексы изверженных пород представляют пространственно-временные геохимические структуры [1], сформированные в условиях определенных градиентов температуры, гравитационных сил и (возможно) сейсмического воздействия [2]. Термический аспект затвердевания резервуаров магмы связан с выносом тепла во вмещающие породы и является главным фактором, определяющим появление и распределение кристаллического материала в пространстве магматической камеры в зависимости от времени. Последовательный физический анализ термической и фазовой эволюции этих расплавно-кристаллических масс [35] иногда заменяют обсуждением строения интрузивов как диссипативных структур, представляющих результат самоорганизации магматических систем в соответствии с принципами термодинамики необратимых процессов [6]. Эти методологические подходы не противоречат друг другу и могут быть совместимы в рамках построения общей теории затвердевания интрузивных тел. Однако в настоящее время взаимосвязи физических

и химических параметров внутрикамерной дифференциации разработаны полнее и конкретнее, чем концепция структурирования магматических систем в результате производства энтропии или диссипации энергии. На основе анализа термических и динамических характеристик затвердевания магмы в камере возможна расшифровка строения и последовательности образования расслоенных комплексов, что позволяет перейти к решению проблем происхождения широкого спектра интрузивных пород, генетически связанных с базальтовым источником. Эти проблемы включают вопросы, касающиеся направленности фазовой и химической эволюции магмы (последовательность и состав дифференциатов) и механизмов дифференциации, ответственных за относительные объемы различных типов пород и положение в разрезе массивов.

Для многих мафит-ультрамафитовых комплексов характерны значительные и систематические вариации минерального состава пород по вертикали в первичном залегании. Крупномасштабные проявления этой фазовой или модаль-

ной расслоенности (modal layering [7]) требуют эффективного разделения расплава и кристаллов в магматической камере. Поэтому не случайно, что существующая петрологическая парадигма связывает внутрикамерную дифференциацию с фракционной кристаллизацией магмы на фоне ее глобального (конвективного) перемешивания, см. обзоры [4, 8]. Большинство петрологов согласны с тем, что это фракционирование сопровождалось образованием кумулуса, который заполнял магматическую камеру снизу вверх, эволюционируя от высоко- к низкотемпературным минеральным па-рагенезисам. При этом взгляды на механизмы разделения вещества в камере, влияние термического режима, роль летучих и образование кумулусных минералов различаются кардинальным образом. В течение многих лет эти дискуссии концентрировались вокруг гипотезы "оседания кристаллов" и направленной (in situ) кристаллизации.

Согласно первой концепции, большая часть кристаллического материала, ответственного за фракционирование, зарождается вблизи кровли интрузива и под воздействием гравитационных сил перемещается в нижнюю часть камеры, формируя слои кумулусных минералов [9-11]. Представления о направленном затвердевании отрицают существенный вклад гравитационной сепарации, акцентируя внимание на процессах кристаллизации вблизи подошвы и на краях камеры [12-14]. Заметим, что обе гипотезы зародились в период, когда магматические камеры трактовались как "бассейны" практически гомогенного расплава, который не содержал взвешенной кристаллической фазы и изначально был перегрет относительно ликвидуса. В результате сложилось мнение, что оседание минералов могло происходить только при условии гомогенного (объемного) зарождения кристаллической фазы в расплаве, которое в действительности невозможно из-за разности между адиабатическим градиентом (определя-щим старт температурной конвекции [15]) и реальной зависимостью температуры ликвидуса магмы от давления. Эти соображения легли в основу гипотезы о постоянной перегретости магмы на верхних горизонтах и возможности ее эффективного фракционирования за счет доминирующей кристаллизации вблизи нижнего фронта затвердевания [13, 16, 17]. В соответствии с этой схемой в нижней части интрузивных камер был реализован механизм гетерогенного зарождения кристаллов, которое приурочено к верхней части маломощной гетерофазовой зоны, отделяющей нижний фронт полного затвердевания от вышележащего слоя магмы. При этом химический состав магматической жидкости последовательно эволюционировал, поскольку между пограничным слоем, примыкающим к застойной зоне кристаллизации, и основным объемом конвектирую-

щего расплава осуществлялся обмен компонентами по механизму концентрационной диффузии.

Проблема заключалась в том, что сопоставление коэффициентов диффузии для силикатных расплавов и времени остывания интрузивных масс указывало на невозможность существенной дифференциации по механизму направленного затвердевания [18]. Это несоответствие инициировало поиск альтернативных и дополнительных механизмов, которые могли обеспечить более эффективный обмен с зоной кристаллизации и перенос компонентов в магме. Прогресс последних десятилетий в этом направлении связан с анализом разнообразных конвекционных явлений, характерных для кристаллизующихся систем. На смену температурной конвекции в гомогенной жидкости пришли более реалистичные модели, допускающие седиментацию кристаллов и обогащенных твердой фазой суспензий в основном объеме магмы и композиционную конвекцию в гетерофазовой зоне кумулуса, расположенной между фронтами кристаллизации и затвердевания [4, 8, 19-25].

Возможность взаимодействия и наложения различных конвективных движений [1], доминирования одного режима над другим в зависимости от мощности и термических условий становления интрузивов [5] заставляют по-новому взглянуть на проблемы формирования расслоенности и методы интерпретации расслоенных пород. Задачи современных исследований требуют одновременного анализа термической и динамической ситуации вблизи кровли, в придонной части и на краях камеры, что связано с поиском признаков строения интрузивных тел, которые можно достоверно интерпретировать как результат проявления конкретного типа конвективных явлений. Именно с этих позиций в данной статье рассматривается строение и результаты моделирования исходных фазовых равновесий для пород Довыренского интрузива, который можно отнести к наиболее изученным и одновременно загадочным расслоенным комплексам на территории России. Наряду с контрастной фазовой расслоенностью (от дуни-тов до лейкократовых габбро-норитов) для этого интрузива характерен узкий диапазон вариаций состава породообразующих минералов, что свидетельствует о незначительных масштабах фракционирования в камере, по крайней мере, на этапе формирования нижней и средней части расслоенной серии. Это противоречие, по-видимому, можно разрешить в рамках гипотезы о существенно изотермических условиях становления Довыренского массива, способствующих уплотнению исходных кумулатов, адкумулятивному росту и отжиму остаточного расплава в верхние горизонты. Аргументация этих выводов включает представления о влиянии конвекционных процессов в магме на характер расслоенности и сте-

пень дифференцированности интрузивных тел. Поэтому, предваряя фактическую часть работы, здесь необходимо остановиться на главных результатах анализа, касающегося последствий се-диментационной и композиционной конвекции в интрузивной камере.

КОНВЕКЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ И СТРОЕНИЕ ИНТРУЗИВОВ

Прежде всего полезно отличать ситуацию, отвечающую внедрению слабо раскристаллизован-ной магмы (при температуре близкой к ликвидус-ной), от поступления магматического материала повышенной кристалличности. Результаты реконструкции фазового состава интрузивных магм с использованием методов моделирования рас-плавно-кристаллических равновесий показывают, что исходные магматические суспензии могли содержать от первых процентов (дифференцированные траппы Сибирской платформы) до 15-25% (Талнах, Киглапейтский массив) и даже 40-65% кристаллов (силл Каменистый, интрузив Парт-ридж Ри

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.

Показать целиком