2014

Щелочной калиевый магматизм в истории Земли

Когарко Л.Н.

ГЕОХИ РАН

Согласно нашим исследованиям, щелочной магматизм и связанные с ним суперкрупные редкометальные месторождения, а также карбонатиты возникли на рубеже 2.5-2.8 млрд. лет и в процессе эволюции Земли происходило непрерывное нарастание их активности. Среди щелочных магматических формаций преобладают породы натриевого ряда. Эта закономерность отражает заметное преобладание натрия над калием в мантийном субстрате. Содержание калия в мантии очень низкое - в примитивной мантии 250 ppm, в обогащенной мантии (E-MORB) 2100 ppm [1]. Отношение Na/K в примитивной и деплетированной мантии варьирует от 9 до 150 [1]. Такой мантийный субстрат вряд ли может быть источником высококалиевых первичных магм. Большинство авторов полагает, что источником высококалиевых магм является субстрат, значительно метасоматизированный флюидом, обогащенным калием, несовместимыми элементами и содержащий слюды.

Калиевые щелочные породы, так же, как и кимберлиты появились на Земле значительно позже на этапе 2000-1400 млн. лет, и их интенсивность также возрастала в течение геологического времени.

Появление щелочных пород и карбонатитов на границе архей-протерозой совпало с целым рядом крупных событий на Земле. Большинство авторов именно с этим рубежом связывают смену геодинамического режима нашей планеты - к тектонике плюмов присоединилась тектоника плит. На этом этапе развития Земли возникла кислородная атмосфера, произошло окисление океанических осадков. В качестве геохимического следствия глобальной дегазации субдуцированного материала и высвобождения окисленного флюида (воды и углекислоты) произошло окисление мантии и начался крупномасштабный метасоматоз мантии, ведущий к возникновению обогащенных редкими и рудными элементами резервуаров, щелочных пород, карбонатитов и позже кимберлитов. Более позднее развитие калиевого магматизма и кимберлитов по всей вероятности связано с появлением мощных зон утолщенной континентальной коры-кратонов, которые контролируют распространенность кимберлитов.

Исследования многочисленных флюидных включений в алмазах [2] показали, что они содержат щелочные высококалиевые карбонатно-хлоридные расплав-флюиды. На основании этих данных были сделаны выводы о том, что кимберлиты возникают в результате плавления мантийного субстрата, предварительно прореагировавшего с потоком высококалиевых щелочных солевых флюидов.

Возникает вопрос о генезисе щелочных высококалиевых флюидов. Некоторые авторы полагают, что щелочные ультракалиевые жидкости являются продуктом длительной дифференциации кимберлитовых расплавов. Согласно экспериментальным данным Шмидта [3], разложение фенгита – минерала погружающихся субдукционных плит в области высоких температур и давлений приводит к активному переходу калия (и, возможно, хлора, который замещает ОН в структуре этого минерала) во флюид. Оценки показали, что 70% изначально содержащегося хлора в субдуцированной коре может поступать в мантию с последующим отделением богатых хлором (и калием) флюидов.

Мы предлагаем иную гипотезу возникновения высококалиевых флюидов в результате фазовых переходов при подъеме мантийных диапиров с глубин границы ядро-нижняя мантия (D”) до верхних этажей верхней мантии. На глубинах D” развита минеральная ассоциация-ферри-периклаз-Mg-перовскит-Ca-перовскит. Содержание Ca-перовскита в этой зоне мантии составляет около 8%. Коэффициент распределения K в Ca-перовските довольно высокий - 0.19, а натрия еще выше - 2 [4]. Таким образом, практически весь калий и натрий находятся в Ca-перовските в верхней зоне нижней мантии. При подъеме мантийного диапира с глубин порядка 660 км Ca-перовскит становится неустойчивой фазой, и в ходе реакции с магнезиальным перовскитом и феррипериклазом возникают маджорит, рингвудит и при дальнейшем падении давления вадслеит. В ходе этого процесса только часть калия переходит в маджорит, так как коэффициент распределения калия в Ca-перовските в 26 раз превышает эту величину для маджорита [4]. Остальная часть калия, по-видимому, остается вне кристаллических решеток минералов, слагающих эту зону мантии. Исходя из соотношения величин коэффициентов распределения калия в Ca-перовските и маджорите, можно определенно утверждать, что термодинамическая активность K₂O в системе возрастает более чем на порядок при переходе ассоциации магниевый и кальциевый перовскит-феррипериклаз в парагенезис маджорит-рингвудит. Таким образом создаются условия для перехода калия в расплав либо во флюид на границе нижней и верхней мантии (около 660 км). Отделившиеся флюиды будут мигрировать в верхние структурные этажи мантии и производить метасоматическую проработку вмещающих пород. Это, в свою очередь, будет приводить к уменьшению температуры солидуса мантийного перидотита и выплавлению кимберлитовых расплавов. Присутствие маджоритовых гранатов в кимберлитах и микровключений в алмазах, содержащих высококалиевые щелочные жидкости, подтверждает выдвинутую нами модель генезиса калиевых мантийных потоков и кимберлитов. По всей вероятности, оба механизма принимают участие в генерации кимберлитов.

1. Sun S., McDonough W. // Geol. Soc. Amer. Spec. Publ. 1989. V. 42. P. 313–342

2. Schrauder M., Navon O. // Geochim. et cosmochim. acta. 1994. V. 58. P. 761–771.

3. Schmidt M.W. // Science. 1996. V. 272. P. 1927–1930.

4. Corgne A., Libeske C., Wood B.J. et al. // Geochim. Et cosmochim. acta. 2005. V. 69(2). P. 485–496.