Особенности минералообразующих процессов при метаморфизме сверхвысоких давлений Корсаков, Андрей Викторович

Введение к работе

Актуальность. Породы метаморфических комплексов сверхвысоких давлений (UHPM) являются уникальными природными объектами, изучение которых способствует пониманию процессов, протекающих в глубинных частях литосферы. Особый интерес представляет состав флюидной фазы, существующей в экстремальных условиях (Р>2.8ГПа и T > 600С). Отделение флюида из субдуцируемых осадков приводит к частичному плавлению как нижнекоровых, так и мантийных пород и является одним из ключевых факторов дифференциации Земли. В отличие от флюида, существование которого в UHPM комплексах признано всеми исследователями, существование силикатных и уж тем более карбонатных расплавов встречает решительные возражения со стороны геологов (Parkinson et al., 2002). Вместе с тем карбонатные и карбонатно-силикатно±сульфидные расплавы были достоверно установлены в мантийных ксенолитах (Schiano 1994, Frezzotti et al., 2002), но возможность образования подобного рода расплавов в глубоко субдуцированных коровых породах все еще недостаточно изучена. Карбонатные породы практически всегда присутствуют в субдуцируемых осадках и могут служить источником для образования карбонатно- силикатных расплавов. Установить следы присутствия этих расплавов очень сложно, поскольку они являются весьма агрессивными реагентами и могут полностью исчезнуть в результате взаимодействия с вмещающими породами. Наиболее глубинные ассоциации коровых метаморфических пород формировались в поле стабильности алмаза (4.5-6.0 ГПа и 950-1000С) (Sobolev and Shatsky, 1990; Massonne, 1999) и могут рассматриваться как эталонные объекты для доказательства существования карбонатных, карбо- натно-силикатных и силикатных расплавов в глубоко субдуцированных осадках. Эти расплавы могут выступать в роли минералообразующей среды как для породообразующих минералов, так и полиморфных модификаций углерода. Их изучение очень важно для понимания процессов минералооб- разования (и алмаза в частности) в зонах субдукции.

Цель работы — охарактеризовать особенности протекания минерало- образующих процессов при метаморфизме сверхвысоких давлений и воссоздать историю развития углеродсодержащих систем в условиях алмазной субфации метаморфизма. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.

Реконструировать агрегатное состояние среды кристаллизации минералов в метаморфических породах сверхвысоких давлений и сформулировать минералого-геохимические критерии идентификации высокобарических расплавов и флюидов.

Определить влияние высоко барических флюидов и расплавов на масштаб массопереноса петрогенных, редкоземельных и рассеянных элементов в ходе метаморфизма сверхвысоких давлений в присутствии флюидов и расплавов.

Охарактеризовать изотопно-геохимические характеристики турмалина из высокобарических пород как минерала-индикатора, позволяющего реконструировать особенности взаимодействия флюид/расплав - порода, и проанализировать возможность использования турмалина в качестве

40 а /39 А

Ar/ Ar геохронометра.

Оценить вклад высокобарических флюидов и расплавов в процессы образования полиморфных модификаций углерода (графита/алмаза).

Фактический материал. В основу диссертации положен фактический материал, собранный лично автором в ходе полевых исследований Кокче- тавского массива в 1994-2008 г. (587 образцов), а также в 2002 г. - высокобарических пород массива Эрцгебирге (37 образцов). Четыре образца пород Родопского массива любезно предоставлены проф. М. Перраки (Афинский Политехнический Университет).

Научная новизна. В рамках данной диссертационной работы впервые предложены минера- лого-геохимические критерии, позволяющие идентифицировать продукты раскристаллизации высокобарических карбонатных и силикатно- карбонатных расплавов. Образование этих расплавов происходит за счёт частичного плавления терригенно-осадочных толщ в поле стабильности алмаза (950-1000С и 4.5-6 ГПа).

На материале минеральных ассоциаций Кокчетавского массива установлено, что образование К-содержащего клинопироксена происходит в результате реакционного взаимодействия водосодержащих силикатных расплавов с карбонатами в метаморфических породах.

Получены первые и единственные на сегодняшний день данные о составе флюидных включений из высокобарических породообразующих минералов. Состав этих флюидных включений является преимущественно водным с низкими концентрациями растворенного вещества. Впервые выполнено изотопно-геохимическое исследование турмалинов из пород коэситовой и алмазной субфации метаморфизма, доказывающее, что К-содержащий турмалин не является индекс-минералом сверхвысоких давлений, несмотря на возможные включения алмаза. Впервые для природных объектов показана возможность образования метастабильного графита в поле стабильности алмаза. Кристаллизация алмаза и графита в метаморфических породах происходит в кинетическом режиме.

Практическое значение. Предложен комплекс минералого- геохимических критериев, позволяющих реконструировать состав высокобарических флюидов и расплавов. Доказана возможность использования K- содержащего турмалина в качестве нового ⁴⁰Аг/³⁹Аг геохронометра. Приведены убедительные доказательства того, что, в отличие от находок коэсита, находки алмаза в других минералах не являются однозначным свидетельством высокобарического происхождения минерала-хозяина. Разработана методика, позволяющая диагностировать метаморфогенные алмазы. Основные защищаемые положения.

1. 1. Находки первичных преимущественно водных флюидных включений в ядрах кристаллов граната и К-содержащего клинопироксена из силикат- но-карбонатных пород Кокчетавского массива свидетельствуют о существовании Н2О в виде самостоятельной флюидной фазы при P-T параметрах пика метаморфизма (Т = 950-1000С и P = 4.5-6 ГПа). Присутствие воды понижает температуру плавления метапелитов, метабазитов и мета- карбонатов и может приводить к появлению силикатных, силикатно- карбонатных и карбонатных расплавов уже на пике метаморфизма.

   2. Кристаллизацию К-содержащего турмалина в метаморфических породах сверхвысоких давлений контролирует специфика состава флюидной фазы (обогащенность В и К), а не температура и давление. Образование К-содержащего турмалина в метаморфических породах Кокчетавского массива происходило на рубеже 491.5±4.9 млн. лет в поле стабильности кварца и значительно (—40 млн. лет) оторвано от высокобарического этапа метаморфизма. К-содержащий турмалин не является индекс-минералом сверхвысоких давлений, несмотря на возможные включения алмаза, но

   40 л /39 л

   может использоваться в качестве надежного Ar/ Ar геохронометра для датирования метасоматических процессов.

   1. 3. Морфологические и геохимические особенности поликристаллических (Mg-кальцит) и полифазных (силикаты ± карбонаты) включений в калийсодержащем клинопироксене и высококремнистом титаните, являющихся бесспорными минералами-индикаторами сверхвысоких давлений (Р>5ГПа), свидетельствуют об образовании карбонатных, карбонат- но-силикатных и силикатных расплавов на пике метаморфизма (950- IOOO⁰C и 4.5-6 ГПа) в терригенно-осадочных толщах, субдуцированных на глубину >120 км.

      4. К-содержащий клинопироксен в метаморфических породах сверхвысоких давлений кристаллизуется при участии силикатных и карбонатных расплавов, образовавшихся в результате реакционного взаимодействия водосодержащих силикатных расплавов с доломитовыми мраморами.

      5. Широко распространенные в породах Кокчетавского массива кристаллы алмаза с вростками графита в ядрах и графитовыми «рубашками» отражают сложный тренд изменения алмазгенерирующего потенциала среды кристаллизации. Совместный рост этих фаз в ядрах кристаллов осуще-

      _п о

      ствляєтся, вероятно, в условиях максимальных пересыщении по С (элемент) вблизи пика метаморфизма. По мере падения пересыщения кристаллизовался исключительно алмаз. Формирование графитовых «рубашек» в поле стабильности алмаза может быть следствием роста степени плавления протолита, в результате чего силикатные, силикатно-карбонатные и карбонатные расплавы обеднялись флюидом, а их алмазгенерирующая способность резко падала. Кристаллизация графитовых рубашек за счет изменения P-T параметров представляется маловероятной.

      Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликованы 29 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы 100 докладов. Отдельные положения были представлены на: 4 Международном полевом эклогитовом симпозиуме (Кокчетав, Казахстан, 1999); 31, 32, 33 Международных геологических конгрессах (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2000; Флоренция, Италия, 2004; Осло, Норвегия, 2008); Международном совещании «Fluid/Slab/Mantle Interactions and Ultrahigh-P Minerals» (Токио, Япония, 2001); 6, 7, 9 Международной эклогитовой конференции (Ниихама, Япония, 2001; Сеггау, Австрия, 2005, Лочалш, Шотландия, 2007; Синин, Китай, 2009); 18 Общем собрании Международной минералогической ассоциации (Эдинбург, Шотландия, 2002); Международных конференциях GeoRaman 2004, 2006, 2008, 2010 (Гонолулу, США, 2004; Алмунекар, Испания, 2006; Гент, Бельгия, 2008; Сидней, Австралия, 2010); Международном (X Всероссийском) петрографическом совещание (Апатиты, 2005); Ассамблеях EGU (Ницца, Франция, 2003; Вена, Австрия 2006; 2008); 16 Международной конференции "Deformation mechanisms, Rheology and Tectonics "(Милан, Италия, 2007); Международной конференции Goldschmidt 2007 (Кельн, Германия, 2007); 9 Международной кимберлитовой конференции (Франкфурт, Германия, 2008).

      Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения общим объёмом 367 страниц и сопровождается 95 рисунками и 29 таблицами. Список использованной литературы составляет 469 наименований.

      Похожие диссертации на Особенности минералообразующих процессов при метаморфизме сверхвысоких давлений

      Структурно-минералогические преобразования железных метеоритов в процессах ударного метаморфизмаТертычная, Богдана Васильевна

      

      Минералообразование в процессах пирогенного метаморфизма Сокол Эллина Владимировна

      

      Содержание и особенности процесса заводнения для поддержания пластового давления с учетом особенностей водоподготовки на морских нефтяных месторождениях Гусева Ирина Олеговна

      

      Локальные преобразования вещества при метаморфизме высокого давленияДавыдова, Вероника Викторовна

      

      Особенности установления режима работы добывающей скважины при эксплуатации с забойным давлением ниже давления насыщенияСагдиев Рафис Фанисович

      

      Особенности разработки VIII горизонта месторождения Жетыбай при эксплуатации добывающих скважин с забойными давлениями ниже давления насыщенияНурумова Сара Жакиповна

      

      Экспертная оценка перспективности освоения месторождений на основе систематизации природных и технико-экономических особенностей процесса кучного выщелачиванияРысев Кирилл Викторович

      Особенности термодинамических процессов при хранении сжиженного природного газаРахимов, Вадим Олегович

      

      Влияние функциональных особенностей гумусовых веществ на процессы комплексообразования с ионами металлов : модельные эксперименты и расчетыДину, Марина Ивановна

      

      Физико-химические особенности поведения золота и серебра в процессах гидротермального рудообразованияПальянова Галина Александровна