Роль экспериментального моделирования в литологических реконструкциях метаморфических пород докембрия

В связи со значительной ролью первично осадочных пород в метаморфических комплексах докембрия особое значение приобретает построение соответствующих модельных представлений о начальных этапах эволюции вещества земной коры и его метаморфизма, а также задача «снятия» процессов метаморфизма и восстановления первичной литологии глубокометаморфизованных пород. В то же время прямое перенесение результатов петрохимических и экспериментальных исследований на сложные геологические объекты иногда приводит к парадоксальным выводам, несовместимым с геологической картиной процесса. Это обстоятельство в особой мере относится к температурным границам фаций, наблюдаемым в виде смены характерных парагенезисов.

Экспериментальное моделирование процесса на осадочных породах, как показали исследования Г. Винклера и фон Ллатена, может внести значительные коррективы в схему фациальных взаимоотношений для конкретных типов пород. Исследования рассматриваемого направления в последнее время получают все более широкое развитие, несмотря на то, что проведение их сталкивается с многочисленными методическими трудностями.

В частности, затруднена кинетика метаморфических реакций в осадочных породах в области температур ниже 600° С. Это приводит к необходимости увеличения времени эксперимента до 1—2 месяцев и применению средств, катализующих ход реакций: исследования в условиях избытка воды, дублирование опытов на синтетических смесях соответствующего состава, введение катализующих добавок. Co значительными трудностями сопряжена диагностика твердых продуктов экспериментов. Невысокая степень раскристаллизации их, как правило, ограничивает применение оптических методов и вызывает необходимость использования рентгеновских методов, наиболее эффективных при числе фаз менее 4—5. Этот этап исследований в настоящее время является наиболее трудоемким. Значительные трудности возникают также при попытках изучения флюидной фазы (раствора), равновесной с продуктами метаморфических реакций, хотя принципиально подобные исследования возможны, как показали работы Е. Альтхауза. Необходимым этапом при анализе данных, полученных в моделирующем эксперименте с породами, является экспериментальное изучение реакций, описывающих смену минеральных ассоциаций в изученном интервале параметров. Изучение моновариантных реакций позволит выявить влияние вариаций состава на температурные границы фаций. Очевидно, наиболее интересными объектами для экспериментов являются осадочные породы, которые по комплексу геологических и геохимических признаков могут быть отнесены к аналогам метаморфических пород.

Нами были проведены экспериментальные исследования, моделирующие процесс метаморфизма карбонатсодержащей глины, предполагаемого аналога амфиболита. Образец для исследований описываемого цикла был любезно предоставлен в наше распоряжение О.М. Розеном и Н.А. Созиновым. Исследования проводились в интервале температур 400—500°С при РН2О = 2000 бар ампульным методом в присутствии дистиллированной воды и 0,25N при неконтролируемом значении окислительно-восстановительного потенциала. Смена составов твердых фаз в интервале заданной температуры приведена на рис. 47. Ассоциация фаз при t = 400° С соответствует низкотемпературной субфации фации зеленых сланцев: карбонат, кварц, хлорит, альбит (рис. 48). Ассоциация фаз при t = 450° С (рис. 49) является переходной к среднетемпературной субфации фации зеленых сланцев: присутствует амфибол актинолитового типа, хлорит, эпидот, альбит, калиевый полевой шпат, но нет биотита. Ассоциация альмандин, хлорит, амфибол, характерная для высокой ступени фации зеленых сланцев, в наших опытах не наблюдалась. При t = 500° С равновесная ассоциация минеральных фаз соответствует низкотемпературной ступени амфиболитовой фации: биотит, кислый плагиоклаз, роговая обманка (рис. 50). Интересно сравнить полученные нами данные с данными Г. Винклера в аналогичном цикле экспериментов с карбонатными глинами. Исходный состав этих глин (ил-лит 60%, кварц 25%, каолинит 10%) близок к составу нашего образца, если исключить из последнего карбонат. Ассоциация фаз, наблюдавшаяся в опытах Г. Винклера, в интервале температуры от 400 до 560° С при РН2О = 2000 бар (хлорит, мусковит, кварц) соответствовала нижней температурной ступени фации зеленых сланцев. Только при t = 550° С Г. Винклером наблюдалась смена этой ассоциации ассоциацией фаз амфиболитовой фации (мусковит, хлорит, биотит).

Присутствие карбонатного вещества в нашем образце способствовало смещению нижней границы амфиболитовой фации почти на 100°C. Если рассматривать результаты с точки зрения фациальных взаимоотношений в природном объекте, то совместное залегание этих двух типов глин при температуре метаморфизма, равной 500° С, могло быть причиной отклонения от нормальных фациальных взаимоотношений в разрезе метаморфических пород. Даже самый общий анализ реакций, описывающих смену парагенезиса в заданном температурном интервале, в обоих случаях позволяет понять причину различия в температурных границах: понижение температурной границы амфиболитовой фации в случае карбонатсодержащей глины, по-видимому, обусловлено участием хлорита в реакциях с образованием амфибола (декарбонатизации и дегидратации) и биотита (реакция: калиевый полевой шпат + хлорит). В случае бескарбонатной глины (в экспериментах Г. Винклера) смена ассоциаций фаз определяется одной реакцией — между мусковитом и хлоритом. Усложнение состава системы (увеличение числа компонентов и числа фаз) приводит к увеличению числа возможных реакций, вследствие чего температурные границы фаций и субфаций могут значительно варьировать. Более детальное исследование влияния состава на температурные границы фаций требует экспериментального моделирования условий моновариантного равновесия в соответствующих реакциях.