ГЕОХИМИЯ, 2010, № 4, с. 357-365
ПОВЕДЕНИЕ ПРОТОНА ПРИ ДЕФОРМАЦИИ "МОКРОГО" ОЛИВИНА В УСЛОВИЯХ КИМБЕРЛИТОВОГО ПРОЦЕССА
© 2010 г. Н. Р. Хисина*, Р. Вирт**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
119991 Москва, ул. Косыгина, 19; e-mail: khisina@geokhi.ru **Геологический научный Центр Потсдам GeoForschungZentrum Potsdam Поступила в редакцию 20.10.2008 г.
В настоящей работе приведены результаты оптических наблюдений и электронно-микроскопического исследования мантийных образцов оливина с содержанием Н2О порядка десятков — сотен вес. ррт, представленных ксенолитами и ксенокристами из трубки Удачная. На уровне оптических увеличений в шлифах, изготовленных параллельно плоскости (010) оливина, наблюдается необычная полосчатая микроструктура, образованная взаимно пересекающимися полосами в четырех кристаллографических направлениях структуры оливина: [100], [001], [101] и [—101]. На уровне электронно-оптических увеличений полосчатая микроструктура проявляется в форме нанонеоднородности разного типа, которая обусловлена деформацией оливина: (а) плоские дефекты, параллельные (100) и (001), которые отвечают системам дислокационного скольжения (100)[010] и (001)[100] соответственно, и иногда преобразованы в ламелярные выделения или декорируются нановключениями; (б) нанонеоднородность в форме не связанных с плоскими дефектами цепочек нановключений, которые ориентированы вдоль тех же направлений структуры оливина, что и оптически наблюдаемые полосы. Деформационные структуры декорирированы точечно-сопряженными ОН-содержащими дефектами, изначально присутствовавшими в оливине. Кристаллографически ориентированные цепочки нановключений, состоящих из гидросиликатных фаз высокого давления, рассматриваются как результат депротонизации оливина (очищения оливина от ОН-содержащих дефектов) в зонах предшествовавшего деформационного сжатия кристалла. Оптический эффект преломления света на нановключениях делает эти зоны оптически видимыми, и в оливине проявляется полосчатая микроструктура, которая является следствием предшествовавшей деформации.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время известно, что номинально безводный оливин содержит малые количества "воды". Об этом свидетельствуют данные инфракрасной и рамановской спектроскопии [1—16]. Наиболее высокие содержания "воды", составляющие десятки—сотни вес. ррт Н2О, наблюдаются в мантийных оливинах из перидотитовых нодулей в кимберлитах [4, 9, 12, 14]. Количество воды, которое может быть "захвачено" структурой оливина, зависит от Р—Т условий и химической среды кристаллизации и возрастает с увеличением давления, температуры, фугитивности Н2О и фугитивности кислорода [5, 8, 13].
Присутствие воды в оливине может быть связано с наличием или структурно связанного гидрок-сила (intrinsic OH-) или включений ОН-содержа-щих фаз (extrinsic OH-) [3, 4, 17, 18]. Вхождение воды в структуру оливина (собственная, или intrinsic, форма ОН-) рассматривается как гидроксил-со-держащие комплексные дефекты , ассоциирующие
или с металлической вакансией (2H)Mg [5, 8, 13] или с вакансией в позиции Si (4H)S [19, 20].
Присутствие гидроксила в форме наноразмер-ных включений ОН-содержащих фаз (несобственная, или extrinsic, форма нахождения ОН-) установлено в мантийных оливинах с оптически видимой полосчатой микроструктурой при их изучении методами просвечивающей электронной микроскопии [10, 18, 21, 22]. Образование нановлючений, состоящих из гидросиликатных фаз высокого давления, рассматривается как результат депротони-зации оливина, которая была инициирована деформационными процессами в мантии [21]. Наблюдавшаяся полосчатая микроструктура ранее не была описана в литературе; предполагается, что ее происхождение связано с деформационными процессами [10].
В настоящей работе приведены результаты оптических наблюдений и электронно-микроскопического исследования образцов оливина, представленных ксенолитами и ксенокристами из трубки Удачная. Результаты наблюдений свидетельствуют о том, что полосчатая микроструктура достаточно типична для мантийных ксенокристов и ксенолитов из кимберлитовой трубки Удачная. Результаты подтверждают деформационную природу оптически видимой полосчатой микроструктуры и пока-
Рис. 1. Оптически видимая полосчатая микроструктура оливина (макрокристалл из кимберлита трубки Удачная). Шлиф ориентирован параллельно плоскости (010) оливина. Наблюдается четыре системы полос, ориентированных параллельно плоскостям (100), (001), (101) и (-101) оливина.
зывают, что депротонизация оливина с сегрегацией в нем ОН--содержащих дефектов в форме нанов-ключений приурочена к деформационным структурам.
ОБЪЕКТЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования были ксенолиты и ксе-нокристы из кимберлитовой трубки Удачная. Ксе-нокристы представлены мономинеральными зернами оливина размером 0.5-1 см, которые рядом авторов рассматриваются как продукты дезинтеграции мантийных пород различных петрогенетических серий [23-26]. Ксенолиты имеют размер от нескольких сантиметров и больше [27] и являются обломками вмещающих мантийных пород, захваченных кимберлитовой магмой при подъеме к поверхности. Все исследованные образцы содержат Н2О; по данным инфракрасной спектроскопии, содержания Н2О составляют от нескольких десятков до нескольких сотен вес. ррт [12,14].
Образцы были препарированы в виде двояко-полированных пластин параллельно плоскостям (010) оливина и исследованы в оптическом микроскопе и в просвечивающем электронном микроскопе (ТЕМ). Препарирование для просвечивающей электронной микроскопии заключалось в дополнительном утонении пластин, которое осуществлялось методом ионного утонения. Исследование проводилось с использованием следующих методик ТЕМ: получение изображений в светлопольном и темнопольном режимах; микродифракция электронов; аналитическая электронная микроскопия с использованием энерго-дисперсионной приставки; спектроскопия энергетических потерь электронов для определения присутствия воды и гидроксила; получение картин высокого разрешения решетки.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оптические наблюдения
Ряд образцов, относящихся как к ксенолитам, так и к ксенокристам, на уровне оптических увеличений обнаруживает в шлифах (010) необычную полосчатую микроструктуру, образованную взаимно пересекающимися полосами в четырех кристаллографических ориентациях: вдоль направлений [100], [001], [101] и [—101] структуры оливина (рис. 1). Как показали наши наблюдения, эти линейные особенности микроструктуры обнаруживаются только в достаточно толстых шлифах. В шлифах (001) иногда наблюдались полосы параллельно [100], [010]; в пластинах, ориентированных параллельно (100), изредка наблюдались только игловидные, короткие, плохо выраженные линии.
Предметом детального изучения были шлифы (010). В этих шлифах линейные особенности, ориентированные параллельно [001], выглядят как непрерывные, прямолинейные и четкие; линейные особенности [100], напротив, наблюдаются как прерывистые, более толстые, чем [001], иногда ступенчатые. Линейные особенности [101] и [—101] выглядят неоднородными по контрасту, линзовидными и слегка волнообразными. Промежутки между полосами [100] больше, чем между полосами [001]. Пересечения полос [101] и [—101] абсолютно типичны, тогда как пересечение полос [100] и [001] наблюдается только в случае, когда последние проявлены толстыми контрастными линиями. Пересечение в одной точке полос [001], [101] и [—101], а также полос
[100], [101] и [—101] наблюдалось редко. Не наблюдалось пересечения в одной точке полос [100], [001],
[101] и [-101].
Электронно-микроскопические наблюдения
На уровне электронно-оптических увеличений исследованные образцы оливина характеризуются исключительно низкой плотностью дислокаций. Единичные дислокации (рис. 2) наблюдались очень редко. В то же время, при исследовании образцов в просвечивающем электронном микроскопе были обнаружены определенные черты химической и механической нанонеоднородности, представленные плоскими дефектами, ламелярными образованиями и кристаллографически ориентированными рядами нановключений, а также дисторсионными нарушениями структуры.
Плоские дефекты
Плоские дефекты, насыщенные гидроксилом, наблюдались в ксенолите 9206 и в ксенокристах оливина из трубки Удачная (рис. 3). Присутствие гидроксила в области дефектов установлено методом спектроскопии энергетических потерь электронов (EELS) [10, 22]. Наблюдались два типа плос-
olivine
200 нм
Рис. 2. Единичная дислокация, огибающая при своем перемещении в кристалле ранее образованные включения. Макрокристалл оливина, трубка Удачная.
ких дефектов: ориентированные параллельно плоскости (100) оливина и ориентированные параллельно плоскости (001).
Плоские дефекты (001). Плоские (001) дефекты наблюдались в оливине из ксенолита 9206 и в ксено-кристах. Плоский (001) дефект имеет ширину двух элементарных ячеек оливина (рис. 3) и характеризуется сдвиговой компонентой в плоскости (001). В результате сдвига пространственная симметрия РЬпт в
области плоского дефекта нарушается; плоскость зеркального отражения m приобретает компоненту скольжения вдоль [100] и преобразуется в плоскость скользящего отражения а. Плоские дефекты (001) соответствуют дислокационной системе скольжения (001)[100] в оливине. Плоские (001) дефекты наблюдались в мантийном оливине из кимберлита Buell Park в Аризоне и интерпретировались как ОН-содер-жащие гидрооливиновые слои с вектором смещения R = 1/4[011] [3]. В качестве одного из возможных механизмов образования такого плоского дефекта был предложен деформационный процесс скольжения частичных дислокаций, генерирующий образование плоских дефектов при наличии в кристалле достаточного количества "воды" [3].
Плоские дефекты (100). Плоские дефекты в ориентации (100) наблюдались в оливине из ксенолита трубки Удачная [10]. На электронно-микроскопических изображениях высокого разрешения можно видеть, что плоские (100) дефекты носят черты двойникового шва. Это означает, что появление плоского (100) дефекта сопряжено с кристаллографическим сдвигом 1/4[010] в плоскости (100), в результ
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.