научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОДЕЛЬНОГО ПЕРИДОТИТА С ФЛЮИДОМ H2O-KCL: ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИ ДАВЛЕНИИ 1.9 ГПА И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЕ К ПРОЦЕССАМ ВЕРХНЕМАНТИЙНОГО МЕТАСОМАТОЗА Геология

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОДЕЛЬНОГО ПЕРИДОТИТА С ФЛЮИДОМ H2O-KCL: ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИ ДАВЛЕНИИ 1.9 ГПА И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЕ К ПРОЦЕССАМ ВЕРХНЕМАНТИЙНОГО МЕТАСОМАТОЗА»

ПЕТРОЛОГИЯ, 2013, том 21, № 6, с. 654-672

УДК 550.89

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОДЕЛЬНОГО ПЕРИДОТИТА С ФЛЮИДОМ H2O-KCl: ЭКСПЕРИМЕНТ ПРИ ДАВЛЕНИИ 1.9 ГПа И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЕ К ПРОЦЕССАМ ВЕРХНЕМАНТИЙНОГО МЕТАСОМАТОЗА © 2013 г. О. Г. Сафонов*, **• ***, В. Г. Бутвина*

*Институт экспериментальной минералогии РАН ул. Институтская, 4, Черноголовка, Московская обл., 142432, Россия; oleg@iem.ac.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический ф-т Воробьевы Горы, Москва, 119899, Россия ***Department of Geology, University of Johannesburg, Auckland Park, Johannesburg 2006, South Africa

Поступила в редакцию 14.02.2013 г.

Получена после доработки 28.04.2013 г.

Минералогические и геохимические данные указывают на активную роль хлоридных компонентов в процессах преобразования и парциального плавления перидотитов верхней мантии. С целью изучения влияния KCl на преобразование богатого Al2O3, CaO, Na2O водосодержащего перидотита проведены эксперименты при давлении 1.9 ГПа и температурах 900—1200°С по взаимодействию модельного NCMAS перидотита с флюидами H2O-KCl с различными исходными соотношениями H2O/KCl. Эксперименты показали, что KCl понижает температуру солидуса водосодержащего перидотита: при 1.9 ГПа она составляет <900°С, что более чем на 100°С ниже температуры солидуса водосодержащего перидотита без KCl (1000—1025°С). Понижение температуры плавления обусловлено тем, что процессы химического взаимодействия KCl с силикатами превалируют над влиянием хлорида на активность воды во флюиде. Выявлена важная роль Al2O3 как компонента, определяющего весь процесс взаимодействия перидотита с флюидом H2O-KCl. Гранат, шпинель и паргасит-эденитовый амфибол в ассоциации с глиноземистым ортопироксеном нестабильны в присутствии флюида H2O-KCl уже при содержаниях хлорида в системе ~2 мас. %. Вместо них образуется хлорсодержащий флогопит (0.4—1.1 мас. % Cl). Однако реакции с флюидом H2O-KCl не затрагивают клинопироксен и форстерит — наименее глиноземистые фазы в изученной системе. Хлор стабилизирует флогопит в равновесии с расплавом при температурах значительно выше солидуса (более 1200°С). Эволюция состава расплавов, образующихся при плавлении модельного перидотита в присутствии флюидов H2O-KCl, определяется, с одной стороны, растворимостью флюида H2O-KCl в них, а с другой — стабильностью флогопита выше солидуса. В температурном интервале до 1050°С, где флогопит не принимает активного участия в реакциях плавления, растворение флюида приводит к образованию недосыщенных SiO2 (35—40 мас. %) и обогащенных MgO (до 45 мас. %) расплавов, содержащих до 4—5 мас. % K2O и 2—3 мас. % Cl. Однако при более высоких температурах в результате активного растворения флогопита и, возможно, отделения несмесимой водно-хло-ридной жидкости, формируются расплавы, содержащие более 10 мас. % K2O, но 0.3—0.5 мас. % Cl. Результаты экспериментов проиллюстрированы литературными данными о процессах преобразования перидотитов верхней мантии, приведших к формированию флогопитсодержащих ассоциаций, ультракалиевых и высокомагнезиальных расплавов.

DOI: 10.7868/S0869590313060071

ВВЕДЕНИЕ

Исследования плавления перидотитов под воздействием флюидов различного состава — это одно из важнейших направлений в эксперимен-

Символы минералов и миналов: Атрк — амфибол, СаТ — Са-молекула Чермака, Срх — клинопироксен, Б1 — диопсид, Еп — энстатит, ¥о — форстерит, Огъ — гроссуляр, Ог1 — гранат, 1с1 — жадеит, Ь — расплав, М^- Ts — М^-молекула Чермака, 01 — оливин, Орх — ортопироксен, РЫ — флогопит, Рщ — паргасит, Ргр — пироп, 8р1 — шпинель.

Термодинамические параметры и параметры состава: Хка =

КС1/(КС1 + Н20) — мольная доля КС1 в водно-солевом флюиде; Хн о = Н20/(КС1 + Н2О) — мольная доля Н2О в водно-солевом флюиде; йн о — активность Н2О в водно-солевом флюиде.

тальной петрологии мантии, поскольку преобразование вещества мантии не может осуществляться без добавления в него компонентов, так или иначе снижающих температуру его плавления. Подавляющее большинство экспериментальных работ в этом направлении сконцентрировано на влиянии компонентов системы С-О-Н (см. обзор в работе и1шег, 2001). Однако наряду с ними флюиды в мантии несут разнообразные солевые компоненты, среди которых особая роль отводится хлоридам К и На. Включения С1-со-держащих флюидов и расплавов в алмазах (см. обзоры в статьях 8аЮпоу е! а1., 2009, 2011) и в минералах кимберлитов (например, Кашепе18ку е! а1., 2009, 2012) указывают на присутствие щелоч-

ных хлоридов в зонах генерации кимберлитовых магм на глубинах более 100 км. Находки хлорсо-держащих апатитов, амфиболов и слюд в нодулях шпинелевых перидотитов в базальтах (Smith et al., 1981; Ионов и др., 1987; O'Reilly, Griffin, 2000; Pati no Douce et al., 2011) и тектонически внедренных в кору перидотитовых массивов (например, Agrinier et al., 1993) дают основание предполагать, что щелочные хлориды активны в процессах преобразования перидотитовой мантии и магмооб-разовании на глубинах 30—80 км. Экспериментальные данные и термодинамический анализ перераспределения галогенов между флюидами и апатитом показывает, что хлорсодержащие апатиты в метасоматизированных мантийных пери-дотитовых ксенолитах кристаллизовались в равновесии с водными флюидами, богатыми хлором (Brenan, 1993; Patino Douce et al., 2011). Этот вывод согласуется с находками водно-солевых включений в минералах нодулей шпинелевых перидотитов в базальтах различных геотектонических обстановок (Canil, Scarfe, 1989; Andersen etal., 1984; Frezzotti et al., 2010, 2012; Тимина и др., 2012). Анализ закономерностей изменения содержания хлора в слюдах и апатитах из шпине-левых и шпинель-гранатовых перидотитов указывает на то, что роль хлоридных компонентов в этих флюидах возрастает с глубиной (Ионов и др., 1987).

Итак, в условиях стабильности алмаза и кимберлитовых расплавов KCl и NaCl переносятся, главным образом, сложными карбонатно-сили-катными, карбонатитовыми и карбонатно-соле-выми жидкостями (high-density fluids, HDF; Weiss et al., 2009). На более высоких же уровнях мантии в условиях фаций шпинелевых перидотитов хлориды составляют водно-углекисло-солевые флюиды, которые могут представлять собой гетерогенные флюидные системы, состоящие из несме-симых углекислых и водно-солевых порций.

При изучении взаимодействия минеральных ассоциаций верхнемантийных пород с хлоридно-карбонатными расплавами в интервале давлений 1—7 ГПа наблюдались процессы образования щелочных силикатных и карбонатно-силикатных хлорсодержащих расплавов, включения которых известны в алмазах из кимберлитов, как продуктов взаимодействия мантийных перидотитов и эклогитов с карбонатно-хлоридными жидкостями (Safonov et al., 2009; Litasov et al., 2010). На основе экспериментальных данных были разработаны модели связи этих жидкостей с кимберлито-выми и щелочными расплавами на разных уровнях глубинности верхней мантии (Safonov et al., 2011; Сафонов, 2011). Было высказано предположение о том, что водно-углекисло-солевые флюиды, действующие на верхних уровнях мантии и проникающие в нижнюю кору, являются продуктами декарбонатизации глубинных водно-

хлоридно-карбонатных расплавов при их взаимодействии с силикатными минералами по мере подъема к поверхности. Возможность отделения водно--хлоридных флюидов от карбонатитовых расплавов была предсказана теоретически (Newton, Manning, 2010) и подтверждается данными по флюидным включениям в минералах карбонати-тов (например, Bühn, Rankin, 1999).

Процессы взаимодействия перидотитов с вод-но-хлоридными или водно-углекисло-хлоридны-ми флюидами мало изучены экспериментально. На сегодняшний день большинство выводов о влиянии хлоридных компонентов водных флюидов на фазовые соотношения в верхнемантийных ассоциациях основывается на экстраполяции результатов экспериментальных исследований при давлениях менее 2 ГПа систем, не относящихся к перидотитовым. Изучение реакций дегидратации в присутствии флюидов H2O-NaCl в интервале давлений 0.2—1.5 ГПа (Aranovich, Newton, 1996, 1997) показало, что водно-хлоридные флюиды заметно отклоняются от идеальности при давлениях более 0.2 ГПа. При 1.0—1.5 ГПа активность воды в таких флюидах в широком интервале концентрации соли зависит от состава как aH O = Х„ ., что

H2O H2O

обусловлено увеличением констант диссоциации щелочных хлоридов, которые стремятся к единице по мере приближения плотности воды к 1 г/см3 (Aranovich, Newton, 1997; Newton, Manning,

2010). KCl еще более эффективно понижает активность воды (Aranovich, Newton, 1997), по сравнению с NaCl. Без всякого сомнения, заметное снижение активности воды с добавлением щелочных хлоридов должно проявляться и при давлениях более 1.5 ГПа. Р. Сталдер с соавторами (Stalder et al., 2008) продемонстрировали, что с увеличением концентрации NaCl в водном флюиде содержание H2O в равновесном энстатите при 2.5 ГПа заметно снижается в соответствии с понижением активности воды. Эксперименты по плавлению эквимолярной смеси Mg2SiO4 + MgSiO3 в присутствии H2O + KCl при 5 ГПа (Chu et al.,

2011) показали, что температура солидуса этой ассоциации повышается с увеличением концентрации KCl в системе, что также связано с эффектом снижения активности воды (Aranovich, Newton, 1997). Авторы указывают, что увеличение концентрации KCl приводит к смене характера плавления системы Mg2SiO4 + MgSiO3 от конгруэнтного, характерного для этой системы в присутствии чистой воды, к инконгруэнтному (En = = Fo + L). Не исключено, что такое влияние связано с большей растворимостью силикатов в хло-ридсодержащих флюидах по сравнению с чистой водой (Shmulovich et al., 2001; Newton, Manning, 2010). Инконгруэнтное растворение пироксенов во флюидах H2O-NaCl с образованием форстери-

та известно при низких давлениях (Shmulovich et al., 2001). Закалочные структуры, полученные в экспериментах по распределению хлора между флюидом и кристаллическими фазами в системе Mg2SiO4-MgSiO3-H2O-MgCl2 при 2.6 ГПа и 1100°С, интерпретированы авторами (Bernini et al., 2013) как продукты закалки флюида-раствора, обогащенного Mg, Si, Cl, а не как продукты закалки расплавов. Есл

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»