ГЕОХИМИЯ, 2009, № 9, с. 910-936
ПРИРОДА ХИМИЧЕСКОМ НЕОДНОРОДНОСТИ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ
ЛИТОСФЕРНОЙ МАНТИИ
© 2009 г. В. А. Глебовицкий, Л. П. Никитина, А. Б. Вревский, Ю. Д. Пушкарев,
М. С. Бабушкина, А. Г. Гончаров
Институт геологии и геохронологии докембрия РАН 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2 E-mail: lpn@ln10839.spb.edu Поступила в редакцию после доработки 18.07.2008 г.
Сообщаются результаты изучения химического состава мантийных перидотитовых ксенолитов из кимберлитов и щелочных базальтов, представляющих соответственно континентальную литосферную мантию (КЛМ) под раннедокембрийскими и позднепротерозойскими-кайнозойскими структурами. Для того, чтобы установить закономерности изменения химического состава примитивного вещества при плавлении и выявить наиболее достоверные критерии условий и степени этого процесса, проведен анализ опубликованных экспериментальных данных по плавлению шпинелевых и гранатовых перидотитов в широком диапазоне температур и давлений. Установлено, что показателями степени плавления (F%) исходного перидотита, близкого по составу к примитивной мантии (ПМ), могут служить величины Mg/Si и Al/Si в рестите и предложено уравнение для оценки F по величине Mg/Si. Отношение Ca/Al в ре-ститах в условиях низких давлений (1-1.5 ГПа) и степени плавления от 2-3 до 20-25% увеличивается в несколько раз, а при давлениях выше 3 ГПа с ростом F оно уменьшается. Коэффициент распределения Na между расплавом и реститом уменьшается при повышении давления, приближаясь к единице около 20 ГПа. Реститы при низких степенях плавления сильно обедняются Ti, Zr, Y, Nb и обогащаются Cr. Применение этих критериев к наблюдаемому составу ксенолитов, выносимых из мантии под разновозрастными тектоническими структурами, позволило сделать вывод о том, что неоднородности состава КЛМ, особенно по содержанию главных и некоторых сидерофильных элементов, определяются, в первую очередь, процессами плавления мантийного субстрата. Эти процессы протекали в различных термодинамических условиях (Т, Р, f0 ) и проявлялись с различной интенсивностью, что и обусловило разнообразие состава реститовой мантии по содержанию главных (Mg, Al, Si, Ca, Na, K) и рассеянных (Ni, Co, V, Cr) элементов. Полученные результаты не противоречат гипотезе существования магматического океана. Предполагается, что на ранней стадии его солидификации определенную роль играли процессы фракционирования минералов, в частности осаждение мейджорита. Кроме того, неоднородности в распределении сидерофильных элементов могут быть обусловлены изменением их свойств в условиях сверхвысоких температур и давлений. Процессы парциального плавления проявились наиболее интенсивно в ранний период эволюции мантии (ранний докембрий?), поэтому химический состав мантии, подстилающей архейские кратоны и фанерозойские складчатые структуры, различается.
Различие состава континентальной литосфер-ной мантии (КЛМ), подстилающей архейские, протерозойские и фанерозойские структуры, по содержанию окислов СаО, А1203, MgO, Бе0 и отношениям Mg0/Si02, Са0^Ю2 и А1203^Ю2 показано во многих обобщающих работах [1-7]. Тем не менее, происхождение химической неоднородности мантии остается фундаментальной проблемой современной науки о Земле [8]. Ключевыми вопросами этой проблемы являются:
(1) когда произошла химическая дифференциация мантии в геологической истории и насколько она была интенсивна;
(2) существенно ли отличалась архейская мантия от современной;
(3) как много из того, что мы наблюдаем в современной мантии, является результатом ранней планетарной дифференциации;
(4) возрастает ли степень химической неоднородности мантии со временем.
Теоретически можно представить несколько процессов, приводящих к формированию химической неоднородности мантийного вещества:
- гетерогеннная аккреция, определяющая неоднородности на уровне геосфер;
- кристаллизационная дифференциация магматического океана (образование кумулатов);
- парциальное плавление примитивной мантии (ПМ) и всех других разновидностей мантийного вещества;
- рефертилизация;
ПРИРОДА ХИМИЧЕСКОИ НЕОДНОРОДНОСТИ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ Таблица 1. Химический и минералогический состав лерцолитов [12, 13]
Образец
Окисел, мас. % Отношение элементов Минералогический состав
SÍÜ2 A12O3 MgO CaO FeOtot Mg/Si Al/Si Ca/A1 OI Cpx Opx Sp
INTA INTB
46.19 45.65
2.58 2.60
38.43 34.64
4.00 8.87
6.85 6.06
1.0 ГПа [13] 1.07 0.98 1.0 ГПа [12]
0.06 0.06
2.10 4.61
0.50 0.50
0.17 0.40
0.30 0.07
0.03 0.03
FERB 44.97 4.55 33.77 7.88 6.55 0.97 0.12 2.41 0.50 0.40 0.07 0.03
FERC 46.03 3.85 40.32 0.63 7.81 1.30 0.11 0.22 0.50 0.01 0.46 0.03
FERD 41.95 7.48 38.06 2.25 7.60 1.17 0.20 0.41 0.50 0.10 0.30 0.10
FERE 45.40 4.26 36.52 4.82 7.08 1.10 0.11 1.53 0.50 0.24 0.24 0.03
- мантийный метасоматоз;
- субдукция корового вещества и взаимодействие расплавленного корового вещества с веществом мантии;
- поступление в мантию элементов, отторгаемых ядром при его кристаллизации.
Эти процессы могут накладываться друг на друга и приводить к появлению полигенных мантийных неоднородностей.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы оценить роль парциального плавления и кристаллизационной дифференциации гипотетического магматического океана в формировании химической неоднородности (КЛМ). Процесс кристаллизационной дифференциации магматического океана был установлен на Луне и, строго говоря, нет никаких оснований исключать его для Земли, хотя результаты локального изучения циркона с возрастом 4.4 млрд. лет из австралийских кварцитов [9], как будто бы противоречат этой гипотезе.
Источниками информации о процессах плавления в мантии служат, как известно, мантийные ксенолиты и вулканиты (коматииты, базальты средин-но-океанических хребтов, базальты океанических островов и островных дуг, а также базальты внут-риконтинентальных магматических провинций). В этой статье сообщаются результаты анализа химического состава перидотитовых ксенолитов из кимберлитов и щелочных базальтов, представляющих соответственно верхнюю мантию под раннедокем-брийскими и позднепротерозойскими-кайнозойски-ми структурами. Здесь же приводится анализ опубликованных экспериментальных данных по плавлению в широком диапазоне РГ-условий шпинелевых и гранатовых перидотитов, имеющих состав, близкий к примитивной мантии (ПМ). Это необходимо для выявления основных закономерностей изменения химического состава примитивного вещества и критериев степени и условий плавления образующихся при этом реститов. Применение этих критериев к составу верхней мантии под разновозрастны-
ми тектоническими структурами позволяет оценить роль процессов плавления в формировании химической неоднородности КЛМ после сегрегации ядра и силикатной оболочки Земли, а также оценить, изменяется ли характер неоднородности со временем. Кроме того, для выяснения природы мантийной гетерогенности весьма информативным оказывается сравнение распространенности некоторых сидерофильных элементов в ксенолитах из верхней мантии, подстилающей архейские крато-ны, и в вулканитах из мантийных источников.
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ ПО ПЛАВЛЕНИЮ ШПИНЕЛЕВЫХ И ГРАНАТОВЫХ ПЕРИДОТИТОВ
В этом разделе обобщены экспериментальные данные, представленные в работах [10-14], по составам расплавов и реститов, образующихся при различных степенях плавления (F%) шпинелевых и гранатовых перидотитов в широком диапазоне РГ-условий.
Плавление шпинелевых перидотитов при 1.0-1.5 ГПа
Химический и минеральный состав лерцолитов, подвергнутых плавлению в интервале температур от 1270 до 1390°C и давлении в 1.0 ГПа [12, 13], представлен в табл. 1. Среди них образцы INTA1, FERE наиболее близки по химическому составу к ПМ. Другие отличаются либо повышенным содержанием Al2O3 (FERD), либо пониженным содержанием CaO (FERC). В таблице также приведены отношения элементов Al/Si, Mg/Si и Ca/Al.
Температурные условия плавления, % расплава (F), его состав и состав рестита (определен на-
1 В настоящей работе используются авторские [12, 13] обозначения образцов шпинелевых перидотитов (INTA, INTB, FERB, FERC, FERD, FERE), подвергнутых плавлению.
Таблица 2. Температурные условия (°С), % расплава Б и пределы изменения содержания главных окислов (мае. %) в расплавах и реститах, образовавшихся при плавлении перидотитов
Характеристика INTA INTB FERB FERD FERC FERE
T —Т min ± max 1285—1390 1290—1390 1270—1390 1270—1390 1270—1390 1300—1390
F —F min max 2.9—21.3 2.2—19.5 5—47.9 3.7—30.1 2.3—11.7 10.3—35.9
Расплав [12, 13]
(SiO2)min—(SiO2)max 50.30—51.29 52.27—50.11 53.13—49.5 50.43—48.69 54.69—48.23 50.88—50.66
(Al203)max—(Al203)min 17.42—10.79 16.65—9.74 19.79—9.91 19.19—17.22 19.15—16.46 19.09—11.57
(MgO)min—(MgO)max 11.51—16.22 10.48—15.93 7.81—15.25 9.57—17.50 7.93—19.16 8.52—15.84
(CaO)max—(CaO)min 12.4—12.9 11.69—15.46 8.69—15.49 10.87—6.89 8.59—3.97 9.8—12.17
Рестит (масс балансовый расчет)
(Si02)max—(Si02)min 46.07—44.82 45.65—44.57 44.54—40.8 41.62—39.05 45.83—45.74 50.66—50.09
(AI2O3W—( Al2O3)min 2.14—0.36 2.28—0.78 3.75—0.0 7.03—3.29 3.49—2.18 2.72—0.17
(MgO)min—(MgO)max 39.23—44.45 34.67—39.17 35.13—50.8 39.2—47.69 41.08—43.12 39.47—48.1
(CaO)max—(CaO)min 3.75—1.59 8.87—7.28 7.84—0.88 1.92—0.25 0.44—0.19 4.02—0.7
Примечание. Индексы min и max соответствуют минимальной и максимальной степени плавления.
ми в результате масс балансовых расчетов) показаны в табл. 2.
Изменение величин Al/Si, Mg/Si и Ca/Al в составе реститов при повышении температуры и степени плавления показано на рис. 1.
На диаграмме Al/Si-Mg/Si фигуративные точки состава реститов для каждого из исходных материалов образуют индивидуальные тренды, которые описываются полиномами различной степени.
С повышением степени плавления в реститах уменьшается отношение Al/Si и увеличивается отношение Mg/Si. Характер трендов и их положение на диаграмме зависят от содержания CaO и Al2O3 и, соответственно, отношения Ca/Al, а также минералогического состава исходного вещества. По мере уменьшения отношения Ca/Al (от 4.6 до 0.4) и увеличения отношения Mg/Si в исходном составе тренды
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.