ПЕТРОЛОГИЯ, 2011, том 19, № 2, с. 205-224
УДК 552.111(470.21)
РОЛЬ ОБЩЕЙ КОНВЕКЦИИ РАСПЛАВА В ОБРАЗОВАНИИ СКРЫТОЙ РАССЛОЕННОСТИ КРАТОННЫХ ИНТРУЗИВНЫХ КОМПЛЕКСОВ
© 2011 г. Ж. А. Федотов
Геологический институт Кольского научного центра РАН ул. Ферсмана, 14, Мурманская обл., Апатиты, 184209, Россия; e-mail: fedotov@geoksc.apatity.ru
Поступила в редакцию 11.04.2009 г.
Получена после доработки 20.06.2010 г.
Обсуждается роль течения расплава в образовании фазовой и скрытой магматической расслоенности. Различия в эволюции неподвижного и движущегося расплава определяются типом локального равновесия — мозаичного и объемного соответственно. Неподвижный расплав испытывает кристаллизацию в краевой градиентной суспензионной зоне, постепенно распространяющейся на весь объем расплава в камере. Нуклеация зерен происходит в гомогенном расплаве перед фронтом кристаллизации. Вокруг каждого центра кристаллизации сразу же возникает локально равновесная изолированная диффузионная ячейка, поэтому в неподвижном расплаве возможно только комплементарное гравитационное фракционирование твердой фазы из расплава постоянного состава. Этим определяется отсутствие скрытой расслоенности в продуктах кристаллизации. Фазовая расслоенность формируется в результате наложения порционного фракционирования с участием фазовой конвекции, нарушающей равномерность последнего, на непрерывный процесс равновесной кристаллизации расплава в изолированных диффузионных ячейках. Движущийся расплав испытывает направленную фракционную кристаллизацию в узком граничном градиентном слое. Его состав и температура последовательно изменяются в ходе консолидации, что приводит к образованию скрытой расслоенности продуктов кристаллизации. Фазовую расслоенность определяют последовательность появления фаз на ликвидусе расплава при снижении температуры и автоколебательный процесс нуклеации зерен в переохлажденном расплаве при котектической кристаллизации. Показано, что становление расслоенных серий пород Мончетундровского и Мончегорского массивов, а также одного из крупнейших в мире интрузивного комплекса Стиллуотер происходило при кристаллизации неподвижного расплава. Формирование интрузивных массивов Имандровского габброидного комплекса в Мончегорском и Пильгуярвинского габбро-верлитового комплекса в Печенгском районах Кольского полуострова, а также Бураковского в Южной Карелии и интрузивного комплекса Бушвельд в Южной Африке происходило в обстановке общей конвекции расплава. Вариации состава пород трещинных тел корневой зоны Мончегорского плутона связаны с фракционной кристаллизацией мантийного расплава на стенках магмоводов при его подъеме в верхнюю кору и отражают изменение скорости его движения.
ВВЕДЕНИЕ
Влияние перемешивания расплава на характер его кристаллизации исследовано металлургами в середине прошлого века. Согласно Брюсу Чалмерсу (Чалмерс, 1968), неподвижный расплав у охлаждаемой стенки капсулы испытывает устойчивую кристаллизацию, признаком которой является равенство концентрации примеси в застывшей его части и в исходном расплаве (С8 = С0), т.е. при кристаллизации неподвижного расплава его состав в основном объеме не изменяется. Общий состав расплава изменяется только при перемешивании во время кристаллизации. Петрология в качестве базовых понятий рассматривает равновесную и фракционную кристаллизацию расплава безотносительно к его динамике. Главным условием равновесной кристаллизации является равновесие жидкости со всей массой образовавшейся из нее твердой фазы, а фракционная кристаллизация происходит при удалении образующейся твердой фазы из равновесной системы. Содержание элементов-примесей в расплаве изме-
няется согласно уравнениям: Сь = С0/(! + Б — Б!) при равновесной кристаллизации и Сь = С0!(Б - 1) при фракционной, где Б — общий коэффициент распределения и ! — доля остаточного расплава (ЯоШпзоп, 1993).
В петрологической теории нет строгого разделения кристаллизации движущегося и неподвижного расплава. Это сдерживает ее развитие, так как создает широкий простор для спекулятивных заключений. Уравнение равновесной кристаллизации иногда используется для анализа эволюции состава реальных серий магматических пород. Это не правильно, так как остаточный расплав в магматической камере не может находиться в равновесии со всей массой образовавшихся из него пород. По отношению к процессу фракционной кристаллизации допускается другая ошибка. Микрофракционная кристаллизация в локально равновесной ячейке неподвижного расплава, определяющая зональность состава зерен породообразующих минералов, и фракционная кристаллизация перемешиваемого
расплава, приводящая к образованию пород разного состава, различаются масштабом равновесных объемов и механизмом фракционирования. Уравнение же описывающее изменение концентрации элементов-примесей в них одно: CL = C0F(D - При обсуждении фракционной кристаллизации в петрологии не принято уточнять о каком из отмеченных ее видов идет речь. Это вносит неопределенность в наши представления об условиях фракционирования. Магматическую эволюцию традиционно связывают с частичной кристаллизацией расплава при его остановке в промежуточном магматическом очаге, хотя фракционная кристаллизация может идти и, скорее всего, происходит в магмоводе при движении расплава от мантийного источника к земной поверхности.
Отсутствие ограничивающего фактора привело к созданию огромного количества математических и физических моделей фракционной кристаллизации. Существует два альтернативных подхода. Часть исследователей, изучающих расслоенные интрузии, рассматривает гравитационное осаждение кристаллов на дно магматической камеры как ведущий процесс фракционирования расплава (Френкель, 1995; Арискин, Бармина, 2000). Другая группа исследователей связывает магматическую эволюцию с направленной кристаллизацией расплавов "in situ" (Langmuir, 1989; O'Hara, Fry, 1996; Campbell, 1996). Сильные и слабые стороны обеих школ можно понять при строгом разделении петрологического анализа продуктов консолидации неподвижного и движущегося расплавов.
Разное понимание поведения примеси при затвердевании расплавов металлургами и геологами объясняется тем, что первые изучают экспериментально сам процесс кристаллизации и поведение примеси в нем, петрология же изучает фазовые равновесия в сложных магматических системах, а ход кристаллизации анализирует на статичных по своей природе диаграммах фазового состояния и методами численного моделирования. Поведение редких и главных породообразующих элементов исследуется разными методами, что определяет некоторый разрыв между петрохимией и геохимией. Однако поведение главных породообразующих элементов в процессах фракционной кристаллизации такое же как и рассеянных — часть из них обогащает твердую фазу, и они ведут себя как совместимые элементы, другие отторгаются в расплав как несовместимые. Особую роль в процессах магматической эволюции играет железо. С одной стороны, оно проявляет себя как несовместимый элемент в реакционном ряду Fe-Mg минералов, с другой — его трехвалентная форма является фазообразующей и вместе с титаном оно образует минералы самостоятельного реакционного ряда во главе с титаномагнетитом. Эта его роль в петрологии исследована недостаточно. Поэтому самые трудноразрешимые задачи в ее истории возникали в связи с анализом железистости пород.
К их числу относятся проблемы: боуэновского и феннеровского путей эволюции базальтовых магм ^еппег, 1929), сильной и слабой скрытой расслоен-ности крупных интрузивных массивов (Уэйджер, Браун, 1970), происхождения железистых ультраосновных магм (Рябчиков, 1987), которые не решены до конца и поныне.
К перемешиванию расплава как к фактору образования скрытой расслоенности крупных интрузивов нам пришлось обратиться при изучении магматизма Мончегорского рудного узла. Здесь наблюдается уникальный набор интрузивных образований, включающий крупные расслоенные массивы и сопровождающие их мелкие трещинные тела. Крупные массивы — Мончегорский базит-гипербазито-вый и Мончетундровский габбро-норит-анортози-товый не обладают скрытой расслоенностью пород, а в Имандровском габброидном интрузивном комплексе явно присутствует скрытая расслоенность и происходит накопление железа в породах верхней части разреза.
В настоящей статье обсуждается различный характер фракционирования неподвижного и движущегося магматических расплавов на примере интрузивных массивов Мончегорского района. Приводятся доказательства образования скрытой расслоенности крупных интрузивов в результате кристаллизации движущегося расплава и ее отсутствия при кристаллизации неподвижного. Обсуждается возможный подход к созданию динамической теории фракционной кристаллизации, в основе которой лежит идея о том, что магматическая эволюция происходит только при кристаллизации движущегося расплава.
МАГМАТИЗМ МОНЧЕГОРСКОГО РАЙОНА
Район располагается в пределах архейского ядра Балтийского щита на границе Кольского и Беломорского блоков континентальной коры в месте пересечения разделяющей их рифтообразующей системы разломов северо-западного простирания с меридиональным трансформным разломом, сместившим ее западную часть далеко на север (рис. 1). К разломам приурочены главные проявления ран-непротерозойского базит-гипербазитового магматизма Мончегорского рудного узла. В зоне разломов северо-западного простирания располагается риф-тогенная Печенгско-Варзугская синклинальная структура, выполненная породами карельского оса-дочно-вулканогенного комплекса, сформировавшегося в интервале 2.45—1.7 млрд. лет. Трансформный разлом фиксируется гигантским массивом габ-бро-норит-анортозитов Главного хребта, ветвью которого в рифтообразующей системе разломов является Мончетундровский интрузив. Целиком в ее пределах располагается габброидный Имандров-ский расслоенный интрузивный комплекс. Мончегорский никеленосный плутон залегает в архейских
Рис. 1. Карта проявлений раннепротерозойского магматизма в центральной части Кольского полуострова. Интрузивные комплексы 1—5: 1 — нефелин-сиенитовый Хибинский (PZ), 2 — сиенитовый Соустовский, 3 — норит-г
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.