Геодинамика докембрийской земной коры (стр. 2 из 4)

На рис. 1 приведены РТ-тренды остывания магматических пород в верхней мантии Земли. Они основаны на достаточно представительной коллекции свежих крупнокристаллических ксенолитов гранатовых лерцолитов (Grt+Cpx+Opx+Spl Ol) из алмазоносных кимберлитовых трубок Сибирской платформы (Россия) и Южной Африки [4, стр.207]. На рис. 1 линия, проведенная по точкам 5, достаточно четко определяет изменение температуры с давлением (глубиной). Более того, она почти совпадает с теоретической геотермой под континентами до глубины около 250 км. Иными словами, ксенолиты 5, подобно "черному ящику", записали информацию о той физико-химической обстановке, в которой составы слагающих их минералов окончательно достигли равновесных соотношений в мантии. И лишь значительно позже они были вынесены кимберлитовыми магмами почти на дневную поверхность. Весь их путь от места захвата кимберлитовой магмой до поверхности Земли не отмечен изменением составов сосуществующих минералов и, следовательно, снижением ТР-параметров их равновесий.

Рис. 1. РТ - тренды остывания глубинных магматических расплавов и твердых горных пород в верхней мантии Земли и земной коре.

Вместе с тем, в некоторых ксенолитах из кимберлитовых трубок Южной Африки наблюдается иная картина. Представленные на рис. 1 тренды 1 и 2 отражают условия кристаллизации гранатовых лерцолитов, которые в отличие от описанных выше (тренд 4 на рис.1) заметно деформированы и имеют порфировидную структуру - следы быстрого охлаждения в динамических условиях. Не исключено, что гранатовые лерцолиты представляют собой продукты кристаллизации еще более глубинных и очень высокотемпературных магм (Т > 1800 0С) магм, внедрившихся в породы верхней мантии на уровне 150-180 км. Согласно рис. 1 (геотерма 4) на этой глубине температура пород верхней мантии составляет около 1100 -1150 0С. Следовательно, градиент температуры в 650-700 0С, возникший между внедрившейся лерцолитовой магмой и вмещающими породами мантии обеспечивает быстрое ее охлаждение, почти закалку. Это и проявилось в образовании порфировидных структур гранатовых лерцолитов. Быстрое их остывание вдоль трендов 1 и 2 при Р >> const уровня нормального РТ-градиента 4 на рис.1 привело к возникновению химической зональности в минералах переменного состава. Зональность отражает смещение химических равновесий в ходе субизобарического (P>>const) остывания. Скорость такого охлаждения во многом обусловлена местонахождением образца в глубинном интрузивном теле. Чем ближе образец к контакту, тем выше скорость его охлаждения. Из сопоставления трендов 1 и 2 с трендом 4 на рис.1 можно заключить, что деформированные гранатовые лерцолиты недолго пребывали в верхней мантии. Едва достигнув геотермы 4 (рис.1) на глубине 150-180 км, они были захвачены и вынесены в земную кору кимберлитовыми магмами.

2. Близкую по смыслу к трендам 1 и 2 информацию несут ультраосновные и основные магматические расплавы 3 (рис.1), внедрившиеся в континентальную кору и окончательно в ней сформировавшиеся. Кристаллизация минералов (в том числе и алмаза) в них началась в верхней мантии, на глубинах порядка 90-100 км. при температуре около 1600 0С (см. пересечение тренда 3 с солидусом [2] - линией затвердевания перидотита 6). Затем они достаточно быстро поднимались вверх, внедряясь в породы земной коры и охлаждаясь до температуры ~780 0С на глубине около 40 км. Приблизительно 520 миллионов лет тому назад они были вовлечены в региональный метаморфизм вместе с вмещающими их коровыми породами.

Таким образом минералогическая термобарометрия в отношении первично магматических пород позволила решить две задачи: (1) восстановить РТ- режим мантийного минералообразования и (2) вывести древний геотермический градиент в верхней мантии Земли. Этот градиент весьма близок к рассчитанному для континентальной земной коры на основе геофизических данных [8]. Таким образом, полученный результат важен не только для петрологии, но и для физики Земли, поскольку большинство ее задач связано с распределением температуры в недрах нашей планеты.

Эволюция метаморфических комплексов в земной коре.

В работе [1] показано, что на основе принципа фазового соответствия можно решать задачи об эволюции термодинамических параметров кристаллических пород. Здесь мы рассмотрим реализацию этой возможности на примере метаморфических комплексов. Чтобы корректно решить задачу о РТ-трендах метаморфической эволюции такого комплекса, необходимо произвести его детальную геологическую съемку и отобрать систематическую коллекцию образцов горных пород. Среди них необходимо выбрать наиболее информативные минеральные ассоциации с зональными минералами, т.е. образцы, пригодные для определения температуры и давления. Это очень важный момент: нужно быть уверенным в точности отбора необходимого для геотермобарометрии материала. Поэтому обычно я рекомендую изготавливать прозрачные шлифы (их толщина составляет около 20-30 микрон) горных пород прямо в поле и внимательно изучить их на предмет равновесности минералов, наличия реакционных кайм, достаточности фаз для протекания барометрических реакций [1, 4]. После обнаружения информативных минеральных ассоциаций, эти шлифы можно отполировать в лаборатории для последующего изучения с помощью электронного микроанализатора (микрозонда). Наконец, когда определен РТ-тренд метаморфической эволюции того или иного комплекса, можно приступить к созданию модели его погружения на установленные термобарометрически глубины и последующего его подъема к поверхности.

В начальный момент времени, т.е. в самом начале РТ-тренда, составы ядер сосуществующих минералов в метаморфической породе находились в равновесии, тогда как их края достигают равновесия на конечной стадии процесса. Как показано в работе [1], приведя в фазовое соответствие составы контактирующих краев кристаллов и их центров в любом из отобранных образцов, с помощью геотермометров можно определить температуру начального и конечного этапов метаморфизма. Более того, используя зональность сосуществующих минералов и принцип фазового соответствия [1] можно рассчитать промежуточные значения температуры.

Несколько сложнее обстоит дело с оценкой давления. Из предыдущего обзора ясно [1], что двух контактирующих минералов для его расчета не достаточно. В петрографических шлифах нужно найти следы реакций между минералами - реакционные структуры, возникшие в результате спада или возрастания давления и содержащие зональные минералы - участники этих реакций.

Рис. 2. Изменение температуры и давления при метаморфизме некоторых вулканогенно - осадочных комплексов

Зональные минералы распространены во всех метаморфических породах [1, 4]. Более того, каждой зоне крупного минерала в том же прослое породы соответствует несколько очень мелких гомогенных зернышек данного минерала. Это значит: что практически каждый образец несет информацию о закономерном изменении P и T. Для многих глубокометаморфизованных комплексов корреляция между PT-параметрами оказалась линейной: P, кбар = 0.02( 3.7*10-3)T 0С + 6.8( 2.5) [3]. Это доказывает сопряженность их изменения за теологически короткий промежуток времени. К этому мы еще вернемся. Заметим лишь, что с помощью геологических термометров и барометров удалось вывести РТ -тренды для большого числа метаморфических комплексов нашей планеты. По условиям геологического залегания и метаморфической эволюции они четко подразделяются на три большие группы.

1. Относительно низкотемпературные комплексы повышенного давления из складчатых зон древних островных дуг. На рис. 2 им соответствуют РТ-тренды с индексом 1. Восходящая в область высоких значений Р и Т ветвь этих трендов соответствует прогрессивному этапу метаморфизма (РТ-параметры возрастают), а нисходящая - регрессивному (РТ-параметры снижаются). Обе ветви прекрасно выражены в так называемой инверсионной химической зональности минералов. Например, гранаты из глаукофановых сланцев и развитых по ним амфиболитов [5] имеют типичную инверсионную зональность: в одном и том же зерне граната XMg сначала возрастает, а затем снижается. Эта зональность отражает погружение и последующее всплывание породы в пределах земной коры в виде РТ-петли (группа 1 на рис. 2), вдоль которой максимум давления достигается при 12 кбар, т.е. на глубине около 35 км. Сохранность инверсионной зональности обусловлена относительно низкотемпературными условиями метаморфизма, при которых скорости диффузионного выравнивания концентраций в силикатных минералах ничтожны [6].

2. Под номером 2 на диаграмме рис. 2 приведена группа РТ-трендов для метаморфических комплексов складчатых областей, окаймляющих на континентах древние кристаллические щиты [5]. Как правило, это горные системы разного геологического возраста. Как и для пород первой группы, для них характерны обе ветви регионального метаморфизма - прогрессивная и регрессивная. В них также широко распространена инверсионная зональность минералов, сохрананеие которой обусловлено относительно низкими значениями температуры.