|
Взаимодействие карбонат и
хлоридсодержащего эклогита с пиролитом в условиях «горячей» субдукции
Сафонов О.Г. *,
Кисеева Е.С.**, Бутвина В.Г.*
*Институт
экспериментальной минералогии РАН, Черноголовка, Россия
oleg@iem.ac.ru
**Department of Earth
Sciences, Oxford University, Oxford, UK
kate.kiseeva@earth.ox.ac.uk
Согласно обобщенным данным (напр.
Staudigel
et
al.,
1996) измененные океанические базальты, погружающиеся в верхнюю мантию в
зонах субдукции, содержат более 2.5 мас. %
H2O
и примерно такое же количество
CO2.
Помимо этого, с океаническими базальтами в верхнюю мантию попадает
значительное количество хлоридов (напр.
Phillipot
et
al.,
1998). Поэтому не удивительно, что базальтовый материал океанической
коры в зонах субдукции при метаморфизме и частичном плавлении становится
мощнейшим источником сложных водно-углекисло-солевых флюидов и
расплавов, преобразующих верхнюю мантию.
С целью изучения
процессов переноса компонентов между материалом океанической коры и
веществом мантии были проведены эксперименты по взаимодействию
модельного эклогита, содержащего
H2O,
карбонаты и хлориды, с модельным пиролитом при 4 ГПа/1000ОС,
3 ГПа/900ОС и 2 ГПа/750ОС. Эти Р-Т условия
находятся в пределах оценок температур на различных уровнях глубинности
поверхностей погружающихся плит в горячих зонах субдукции, таких как
вдоль западного побережья Северной и Южной Америки (Syracuse
et
al.,
2010). В качестве силикатной составляющей «эклогитовой» части стартового
вещества была использована синтетическая смесь
Volga
(Kiseeva,
2012), представляющая собой состав измененного базальта СОХ (в мас. %):
SiO2
– 46.91, TiO2
– 1.59; Al2O3
– 17.68; FeO
– 10.52; MnO
– 0.17; MgO
– 8.49; CaO
– 10.27; Na2O
– 3.73; K2O
– 0.47. К ней были добавлено 20 мас. % карбонатно-хлоридной смеси,
состоящей из 50 мас. %
CaCO3,
25 мас. % KCl
и 25 мас. % NaCl,
щевелевая кислота в расчете 3 мас. %
H2O
в системе и смесь (TR3)
компонентов 32 редких элементов.
Перидотитовая часть стартового вещества представляла собой также
синтетическую смесь
MPY90 (Falloon,
Green,
1987) пиролитового состава (в мас.
%): SiO2 –
44.74, TiO2 – 0.17, Al2O3 – 4.37, Cr2O3
– 0.45, FeO – 7.55, MnO – 0.11, MgO – 38.57, CaO – 3.38, Na2O
– 0.4, NiO – 0.26. Эксперименты
проводились в Ag-Pd
капсулах диаметром 2.4 мм и
длиной 6.6-6.9 мм. Примерно половина объема капсул заполнялась
гомогенной эклогит-карбонат-хлоридной смесью, поверх которой помещалась
пиридотитовая составляющая. Эксперименты проводились на ½-дюймовом
аппарате «цилиндр-поршень» в Исследовательской Школе по Наукам о Земле
Австралийского Национального Университета (Канберра, Австралия) с
использованием ячеек из
NaCl,
оснащенных графитовыми нагревателями и вставками из керамики
MgO
в качестве передающей давление
среды. Длительность экспериментов составляла 120 часов для опытов при 4
ГПа/1000ОС и 3 ГПа/900ОС и 192 часа для опыта при
2 ГПа/750ОС.
В результате
перераспределения компонентов между эклогитовой и перидотитовой частями
в экспериментальной ампуле возникла достаточно четкая зональность. Судя
по характеру этой зональности, она отражает в большей мере воздействие
летучих компонентов, изначально содержащихся в эклогите, на перидотит,
чем воздействие перидотита, изначально лишенного летучих, на эклогитовую
часть. Тем не менее, воздействие перидотита на эклогитовую часть
довольно активно прослеживается в опыте при 4 ГПа и 1000ОС.
Прежде всего оно выражается в значительном росте содержания
MgO
в эклогитовой части (до 15-20
мас. % в отличие от 6.8 мас. % в стартовой эклогит-карбонат-хлоридной
смеси). При 3 ГПа и 900ОС концентрация
MgO
в эклогитовой части составляет
порядка 15 мас. %, а при 2 ГПа и 750ОС она неотличима от
стартового содержания в эклогит-карбонат-хлоридной смеси.
Наиболее интересные
закономерности перераспределения наблюдаются для
K2O,
Na2O
и
Cl.
Так в опытах при 4 ГПа/1000ОС и 3 ГПа/900ОС
наблюдается резкое повышение содержания этих компонентов в контактовой
зоне между эклогитовой и перидотитовой частями. При этом внутренние зоны
эклогитовой части обедняются этими компонентами примерно на столько,
насколько ими обогащены приконтактовые зоны. Наряду с обогащением
щелочами и хлором, контактовые зоны несколько обогащены
CaO,
но обеднены SiO2.
Эти взаимоотношения указывают на активную миграцию
водно-хлоридно-карбонатных расплавов (флюидов) в контактовую зону. Во
внутренних же зонах эклогитовой части также присутствует расплав,
содержащий до 38-45 мас. %
SiO2,
9-12 мас. % CaO,
2.5-4 мас. % Na2O
и 11-18 мас. % MgO,
но обедненный K2O
и хлором. Он сосуществует с
гранатом и рутилом. Перидотитовая часть также обогащается
K2O,
Na2O
и Cl.
Концентрация K2O
2-4 мас. % здесь приводит к кристаллизации флогопита (до 0.55 мас. %
Cl
при 4 ГПа/1000ОС и до 0.7 мас. % при 3 ГПа/900ОС).
При 4 ГПа и 1000ОС в перидотитовой части преобладает
ортопироксен, присутствуют клинопироксен, гранат и магнезит, но
отсутствует оливин. Такая ассоциация формируется за счет реакций
Ol
+ CO2
= Opx
+ Ms
и 3/2Ol
+ 1/2Grt
+ 1/2K2O
+ H2O
+ 3/2CO2
= Phl
+ 3/2Ms
в результате проникновения
водно-карбонатно-хлоридного расплава из эклогитовой части. Отчетливых
признаков присутствия расплава в перидотитовой части в опыте при 4 ГПа и
1000ОС не выявлено. Однако богатый
MgO
(34-35 мас. %) расплав, содержащий до 44-50 мас. %
SiO2
и 2-2.5 CaO,
появляется в перидотитовой части в опыте при 3 ГПа и 900ОС.
Здесь он сосуществует с флогопитом и ортопироксеном.
Совершенно иное
распределение компонентов между эклогитовой и перидотитовой частями
наблюдается в эксперименте при 2 ГПа и 750ОС. Главные
компоненты (SiO2,
Al2O3,
MgO,
CaO,
FeO,
Na2O)
ступенчато распределены по профилям в соответствии с изначальными
концентрациями этих компонентов в эклогитовой и перидотитовой частях. В
удаленных от контакта зонах как эклогитовой, так и перидотитовой частей
содержания этих компонентов практически аналогичны стартовым. Этого
нельзя сказать о K2O
и
Cl,
которые достаточно равномерно распределены по всему профилю. Ни в
перидотитовой, ни в эклогитовой частях признаки частичного плавления не
выявлены. Если плавление и происходило при указанных Р-Т параметрах, то
оно было незначительным. При 2 ГПа/750ОС в эклогитовой части
образуется сложная фазовая ассоциация, включающая альбитовый плагиоклаз,
Ca-Na
амфибол, пироксен, рутил,
Ca-Mg-карбонат.
В приконтактовой зоне перидотитовой части выявлены ортопироксен, оливин,
магнезит, флогопит, а также магнезиальная фаза (~35
мас. % MgO)
с низким содержанием
SiO2
(близкая по своей стехиометрии к норбергиту). Опять же оливин
отсутствует в перидотитовой части (по крайней мере, в ее приконтактовой
зоне) Судя по характеру распределения компонентов и фазовым ассоциациям,
массоперенос в опыте при 2 ГПа и 750ОС осуществлялся водным
флюидом, обогащенным преимущественно
KCl.
Итак, эксперименты
продемонстрировали различные способы массопереноса между эклогитом,
обогащенным карбонатными и хлоридными компонентами и водой, и
перидотитом в зависимости от Р-Т условий. При 3 ГПа/900ОС и 4
ГПа/1000ОС стабилен хлоридно-карбонатно-силикатный расплав,
который скапливается в приконтактовой зоне, «очищая» эклогит от щелочей,
воды и хлора. Воздействие этого расплава на перидотит приводит к его
флогопитизации и карбонатизации. Перидотит обедняется оливином и
обогащается ортопироксеном и магнезитом. Подобные флогопит содержащие
ортопироксениты и вебстериты, содержащие карбонатные фазы, известны
среди перидотитов «горячих» зон субдукции (напр.
Ertan,
Leeman,
1996). При 3 ГПа/900ОС и 4 ГПа/1000ОС
K
и Na
перераспределяются совместно друг с другом и
Cl
в составе хлоридно-карбонатной жидкости. Поведение
Na
при 2 ГПа и 750ОС объясняется фиксацией этого компонента
кристаллическими фазами, образующимися в эклогитовой части. Это ведет к
заметному разделению
Na
от
K
и Cl,
которые концентрируются в водно-солевом флюиде. Этот флюид обуславливает
более равномерное распределение
K,
Cl
и воды. Однако, обуславливая «натровый характер» изменений в эклогитовой
части, исходная хлоридно-карбонатная составляющая провоцирует «калиевый
метасоматоз» в перидотитовой части. Явления калиевого метасоматоза в
натровых голубых сланцах известны в зонах «горячей» субдукции западного
побережья Америки (напр.
Bebout, Barton, 1993).
В зависимости от
сочетаний Р-Т условий в контактах эклогитовых блоков содержащих
карбонатные и хлоридные компоненты и воду, с перидотитом могут возникать
и существовать одновременно достаточно контрастные по составу расплавы.
Так в опыте при 3 и 4 ГПа в эклогитовой части образуются расплавы,
близкие по своим характеристикам к нефелинитам и меланефелинитам, тогда
как в перидотитовой части в опыте при 3 ГПа/900ОС
сформировались расплавы, состав которых напоминает пикриты. Все эти
расплавы бедны калием и хлором, которые составляют солевую нагрузку
водно-углекислых флюидов.
Работа выполнена при поддержке гранта
РФФИ (10-05-00040) и гранта Президента РФ для молодых ученых (MД-222.2012.5).
Литература:
Bebout G.E., Barton M.D.
Metasomatism during subduction: products and possible paths in the
Catalina Schist, California. Chem. Geol. V. 108. P. 61-92.
Ertan I.E.,
Leeman W.P. Metasomatism of Cascades subarc mantle: evidence from rare
phlogopite orthopyroxenite xenolith. Geology. 1996. V. 24. P. 451-454.
Falloon
T.J., Green D.H.
Anhydrous partial melting of MORB pyrolite and other peridotite
compositions at 10 kbar: implications for the origin of primitive MORB
glasses. Min. Pet. 1987. V. 37. P. 181-219.
Kiseeva
E.S. Experimental study of carbonated mid ocean ridge basalt at 3.5-21
GPa – implications for the Erth’s deep carbon cycle. PhD thesis, RSES
ANU, Canberra, Australia. 2012.
Phillipot
P., Agrinier P., Scambelluri M.
Chlorine cycling during
subduction of altered oceanic crust. Earth Planet. Sci. Lett. 1998. V.
161. P. 33-44.
Staudigel
J., Plank T., White B., Schmincke H.U., 1996, Geochemical fluxes during
seafloor alteration of the basaltic upper oceanic crust: DSDP Sites 417
and 418, in Bebout, G.E., Scholl, D.W., Kirby, S.H., and Platt,
J.P., eds., Subduction Top to Bottom: American Geophysical Union
Geophysical Monograph 96. 1996. P. 19–38.
Syracuse
E.M., van Keken P.E., Abers G.A. The global range of subduction zone
thermal models. Phys. Earth Planet. Int. V. 183. P. 73-90. |