ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 3, с. 227-241
УДК 551.24/25
РЕАКЦИОННО-ИНФИЛЬТРАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ФРОНТА ГРАНИТИЗАЦИИ ПРИ ЗАРОЖДЕНИИ И РАЗВИТИИ ГРАНИТОГНЕЙСОВЫХ КУПОЛОВ © 2012 г. А. А. Пэк, В. И. Мальковский, С. П. Кориковский
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН Старомонетный пер., 35, Москва, 119017, Россия; e-mail:pek@igem.ru Поступила в редакцию 11.11.2011 г.
Происхождение гранитогнейсовых куполов традиционно ассоциируется с гравитационной тектоникой — "всплыванием" гранитогнейсовых диапиров в поле силы тяжести, предпосылкой чего является относительное уменьшение плотности гранитизированных пород по сравнению с трансформируемым протолитом. В обычно рассматриваемом случае двуслойной среды с нижним слоем гра-нитизированных пород и верхним более плотным слоем протолита в системе возникает гравитационная неустойчивость, развитие которой и приводит к всплыванию гранитогнейсового диапира. Однако для инициации диапирового процесса нужно, чтобы архимедовы силы плавучести в кровле гранитогнейсового слоя могли преодолеть сопротивление пород протолита, обусловленное их долговременной прочностью. В условиях пластической деформации для этого необходимо наличие крупномасштабной неоднородности в рельефе границы между слоями, а именно — антиформного выступа кровли гранитогнейсового слоя. В основу модели выдвигается предположение, что формирование таких антиформ происходит вследствие реакционно-инфильтрационной неустойчивости морфологии фронта гранитизации из-за увеличения флюидопроницаемости грани-тизированных пород по сравнению с проницаемостью пород протолита. Приведенные результаты компьютерного моделирования свидетельствуют о геологической реалистичности реакционно-ин-фильтрационного механизма зарождения и развития "протодиапировых" форм фронта гранитизации, инициирующих развитие диапирового процесса гравитационного всплывания гранитогнейсовых куполов. Представление о протодиапировом этапе формирования куполов позволяет рассматривать их формирование как результат развития двух последовательно сопряженных неустойчивостей: сначала реакционно-инфильтрационной неустойчивости фронта гранитизации, обусловленной увеличением проницаемости трансформируемой породы, затем гравитационной неустойчивости, обусловленной относительным уменьшением ее плотности.
ФОРМИРОВАНИЕ ГРАНИТОГНЕЙСОВЫХ КУПОЛОВ ПРИ РЕГИОНАЛЬНОМ МЕТАМОРФИЗМЕ
Гранитогнейсовыми куполами называются округлые или овальные тела гранитоидов (Летников, 1975; Летников и др., 2000), формирующиеся на заключительном этапе синметаморфической гранитизации пород любого состава. Д.С. Кор-жинский (1952, 1972), разработавший петрологическую модель гранитизации, показал, что это — неизохимический анатексис в условиях открытой системы, регулируемый потоками кремне-ще-лочных флюидов (рассолов) глубинного происхождении. Мольная доля NaCl достигает в рассолах 0.3, а KCl — 0.15 (Кориковский, Аранович, 2010; Ходоревская, 2009). Инфильтрационный характер их воздействия наиболее очевиден при гранитизации основных пород, первоначально неравновесных с кремне-щелочными рассолами, что является причиной интенсивной метасомати-ческой переработки метабазитов до начала их плавления. В ходе ее в основные породы привно-
сится K, Na, Si, REE, Cl, H2O с компенсирующим выносом Mg, Fe и Ca до начала плавления (Кор-жинский, 1952; Engel, Engel, 1958; Жариков, 1987; Гаврикова, Жариков, 1984; Кориковский, Ходоревская, 2006; Кориковский, 2010; Кориковский, Аранович, 2010). Сочетание ощелачивания и де-базификации приводит к тому, что даже самые меланократовые породы путем нарастающих ме-тасоматических реакций in situ превращаются в лейкократовые породы: либо в Bt ± Hbl-Kfs-Pl-Qtz теневые мигматиты в амфиболитовой фации, либо в Opx-Bt ± Hbl-Kfs-Pl-Qtz теневые чарнокитои-ды в гранулитовой фации. Параллельно с метасо-матической лейкократизацией метабазитов (или любых других пород) в них начинается и усиливается частичное плавление с образованием бесформенных участков сначала полужидкой гранитной или чарнокитоидной мигмы с множеством биотитизированных скиалитов первичных пород, а затем — гомогенной кислой магмы.
Первоначально плавление ощелоченных мета-морфитов локализуется в виде небольших жило-
образных бескорневых выделений, параллельных гнейсовидности пород, или вблизи проницаемых для флюидов тектонических каналов. Если циркуляция рассолов продолжается в течение длительного времени, локальные новообразования гранитогнейсов сливаются в небольшие, затем средние и крупные по размеру тела, и, наконец, на месте полосчатых мигматитов путем нарастающей аккреции формируются гранитогнейсовые купола.
Очевидно, что синметаморфические гранито-гнейсовые купола обладают особенностями, сильно отличающими их от автономных магматических гранитных массивов, не связанных с региональным метаморфизмом, которые также могут иметь купольную или батолитовую форму.
1. Главная особенность гранитогнейсов — это то, что их образование сопровождается инфильтрацией очень больших объемов флюидов, циркулирующих в метаморфических толщах до начала выплавления первых порций гранитного расплава и являющихся главными подготовительными генераторами плавления. Это доказывается присутствием большого количества мета-соматических жилок и прожилков кварц-полевошпатового состава, признаков экстенсивного привноса щелочей и кремнезема на самых ранних стадиях мигматизации, реакциями новообразования минералов, богатых К и На (Рх и ел — НЪ1 и Ы, ЬЪг и ЛП1 —- Ок и ЛЬ, Р1—
Р1 —»► Бар и т.д.).
2. Гранитогнейсы генетически всегда связаны с региональным метаморфизмом, их тела сосредоточены в наиболее высокотемпературных зонах соответствующего метаморфического комплекса (не ниже амфиболитовой фации), а Р-Т параметры их выплавления и кристаллизации идентичны параметрам пика метаморфизма и никогда его не превышают.
3. Контакты гранитогнейсов с окружающими породами расплывчатые, нерезкие, прослеживаются через зону полосчатых и теневых мигматитов, в которых сохраняются реликтовые минералы и парагенезисы ранних стадий гранитизации. Остатки окружающих пород, за счет которых возникали гранитогнейсы, представлены не четко очерченными магматическими ксенолитами, а скиалитами с неясными контурами и признаками резорбции. Несмотря на свидетельства их растворения в мигме или магме, никакой ассимиляции и появления эндоконтактовых меланократовых (т.е. более высокотемпературных) гибридных фаций в гранитогнейсах не наблюдается, что доказывает инфильтрационный характер процесса с выносом избыточных количеств М§, Fe и Са за пределы зоны гранитизации. Экзоконтактовые термальные роговики, накладывающиеся на ре-
гионально-метаморфические породы, полностью отсутствуют.
4. В эндоконтактовой зоне гнейсограниты имеют линейную ориентировку зерен, совпадающую с гнейсовидностью окружающих метаморфических пород. При движении к центру купола их гнейсовидная структура постепенно сменяется гипидиоморфнозернистой, а скиалиты исчезают, что означает переход гранитогнейсовой внешней фации купола во внутреннюю гранитную.
Таким образом, синметаморфические гранито-гнейсы петрологически отличаются от автономных тел магматических гранитов. Последние не связаны с коровым региональным метаморфизмом и могут внедряться в породы любых фаций, в том числе неметаморфизованные. Они часто перегреты и потому склонны к гибридизации, вплоть до появления у них диоритовых краевых фаций, имеют резкие контакты с вмещающими породами и окружены не мигматитами, а узкими ореолами "горячих" контактовых роговиков шириной от первых десятков или сотен метров. Все это свидетельствует о том, что внедрение гранитов такого рода не сопровождается потоками глубинных флюидов. Их выплавление происходит в глубинных частях коры, недоступных наблюдению, а процессы внедрения в верхние части коры отличаются от модели всплывания флюидонасыщенных синметаморфических гранитогнейсовых куполов.
Традиционно происхождение гранитогнейсо-вых куполов ассоциируется с гравитационной тектоникой — гравитационной неустойчивостью, которая приводит к "всплыванию" гранитогнейсовых диапиров в поле силы тяжести (Рамберг, 1976; 1985; Гончаров, 1988; Хаин, 1995; Перчук, Ван Ринен, 2008 и др.).
Общим критерием гравитационной устойчивости в недрах Земли является условие Радо (Ви-кулин, 2004)
d p/dz > 0, (1)
где г — координата от поверхности геоида вдоль радиуса Земли; pr — плотность пород.
Очевидный смысл этого критерия — в гравитационно устойчивой системе плотность не должна уменьшаться с увеличением глубины.
Процесс гранитизации приводит к нарушению критерия (1) и, соответственно, к возникновению в разрезе коры гравитационной неустойчивости, за которой в литературе закрепилось наименование "неустойчивость Рэлея—Тейлора" (Полянский, 1988; Gerya, Yuen, 2003 и др.). В гравитационно неустойчивой системе более тяжелое вещество стремится занять нижнее положение в поле силы тяжести, а более легкое — подняться наверх. В настоящее время можно считать определенно установленным, что процесс такого гравитационного перераспределения материала коры с всплы-
ванием разуплотненных гранитизированных пород играет ведущую роль в формировании мор-фоструктур (куполов, валов, овалов) гранитогнейсовых диапиров (Летников, 1975; Рамберг, 1976; Рамберг, 1985; Perchuk et al., 1992; Bittner, Schmeling, 1995; Летников и др., 2000; Перчук, Ван Ринен, 2008; Полянский, 1989; Полянский и др., 2009; Полянский и др., 2010 и др.).
Для начала роста диапира в простейшем варианте гравитационно метастабильной системы, представленной двухслойной средой с более плотным верхним слоем, необходимо наличие инициирующих неоднородностей в рельефе границы раздела между слоями. При исследовании неустойчивости Рэлея—Тейлора аналитическими методами для определения условий возникновения таких неоднородностей решается задача гидродинамики для горизонтальных слоев вязких жидкостей с инверсией плотности (Ramberg, 1968a; 1968b; Полянский, 1988). При этом, поскольку жидкости не обладают пределом текучести, т.е. начинают течь при приложении бесконечно малы
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.