Экспериментальное исследование кристаллизации гранатового серпентинита из Кокчетавской глыбы (Северный Казахстан)

Экспериментальные исследования осадочных пород докембрия начинают развиваться лишь в последнее время. Одной из новых перспективных задач в этой области является моделирование процессов метаморфизма с целью выявления первичной природы кристаллических пород докембрия. С этой точки зрения представляет интерес решение проблемы генезиса эклогитового комплекса Кокчетавского массива. Предполагают, что эклогиты — суть будинированные пласты метаморфизованных карбонатно-глинистых пород, а встречающиеся среди них гранат-серпентиновые породы представляют собой метаморфизованные дайки ультраосновного состава. В то же время высказывается гипотеза, что эклогиты являются отторженцами верхней мантии, а гранатовые перидотиты внедрены еще с гораздо больших глубин.

Целью настоящего исследования явилось моделирование образования пироповых серпентинитов, отобранных из керна скважины у оз. Кумды-Куль с глубины 137 м. Пироповые серпентиниты здесь представлены плотными, скрытослоистыми микрокристаллическими разностями буровато-серого темного цвета с переменным содержанием основных минералов.

Анализированный нами образец состоит из граната (35%), клино-гумита (8%), магнетита (15%), хлорита (6%) и небольшого количества оливина и зеленой шпинели. Гранат пиральспитового состава: пироп 60%, альмандин 24%, гроссуляр 8%, андрадит 8,5%, по Ефимову, в отдельных прослоях слагает от 5 до 70% породы. Представлен мелкими (0,3—0,8 мм) ксеноморфными зернами бледнорозового цвета. Химический и нормативный составы породы приведены в табл. 50.

Эксперименты проводились в интервале давлений 12—50 кбар при температурах 1000—1800° С по методу закалки на аппаратуре, описанной ранее. Минеральные фазы определялись петрографическими методами и методом рентгеновского анализа. Результаты экспериментов сведены на РТ-плоскости на рис. 51. По минеральным парагенезисам можно выделить три области кристаллизации. В интервале давлений 12—24 кбар первыми из расплава выделяются магнезиальный оливин и шпинель, по составу близкая MgAl2O4. В близликвидусных зонах шпинель значительно преобладает над оливином и образует почти мономинеральные зоны. Вблизи солидуса при давлениях 12 и 20 кбар и температурах 1200 и 1300°С соответственно определена кристаллизация ромбического пироксена, который при помощи рентгеновского анализа диагностирован как энстатит. В субсолидусной области при температурах выше 850—900° С в шлифах можно обнаружить оливин, развивающийся по серпентину и хлориту. При этом ориентировка новообразованных кристаллов оливина в общем повторяет структуру вторичных минералов. В этой области температур среди реликтовых фаз отмечаются клиногумит, шпинель; гранат сохраняется только при давлениях, превышающих 20 кбар.

Как новообразованный минерал гранат кристаллизуется из расплава при давлениях выше 20 кбар. В интервале давлений 25—37 кбар он образуется вместе с оливином и рудным минералом и вблизи ликвидуса заметно преобладает над последними. При давлении свыше 37 кбар наблюдается прогрессивная гранатизация всей породы. Первым из расплава кристаллизуется гранат пиропового состава. В интервале температур 1530—1560°С порода состоит из граната, оливина и рудного минерала.

Химический состав изученной породы позволяет рассматривать особенности образующихся минеральных парагенезисов в свете данных по трехкомпонентной системе (Mg, Fe)O — Аl2О3—SiO2. На рис. 52 представлена диаграмма составов этой системы, на которую нанесены фигуративные точки оливина, ромбического пироксена, пиропа, сапфирина и шпинели, а также состав исходного образца. Состав образца попадает в треугольник оливин — ортопироксен — шпинель около точки пересечения линий оливин — пироп и ортопироксен — шпинель. Этому вполне соответствуют наши результаты: при низких РГ-параметрах кристаллизуются оливин, ортопироксек, шпинель. При высоких давлениях кристаллизация расплава может пойти с образованием оливина, пиропа и шпинели или оливина, пиропа и сапфирина. Судя по наблюдениям за природными парагенезисами, скорее следует ожидать образования первой минеральной ассоциации. В любом случае содержание сапфирина или шпинели настолько незначительное (менее 10%), что они не диагностируются.

Нормативный состав (см. табл. 50) грубо соответствует приповерхностной фации плагиоклазового перидотита. Поле существования плагиоклазового перидотита ограничивается возможными реакциями:

Реакция (2), по-видимому, осуществляется в породах, относительно богатых железом. В нашем случае поле плагиоклазовой породы отделяется от поля шпинелевого перидотита граничной линией реакции (1), показанной на рис. 52.

Переход к гранатовому перидотиту происходит согласно следующим реакциям:

Очевидно, что в общем случае реакция гранатизации глиноземсодержащей породы ультраосновного состава будет осуществляться в РТ-условиях, ограниченных снизу реакциями (3) и (4), а сверху реакцией (5) (см. рис. 51). Для конкретных объектов эти граничные условия зависят от таких петрохимических факторов, как железистость, обогащенность алюминием по отношению к другим трехвалентным катионам, отношения CaO/MgO+FeO. Как видно на рис. 51, РТ-условия гранатизации изученного образца находятся вблизи пограничной линии реакции (4). Сдвиг вправо можно объяснить особенностями состава — низким содержанием кальция и влиянием летучих в наших условиях эксперимента.

В субсолидусной области кристаллизацию граната можно представить через ряд последовательно протекающих реакций:

По литературным данным известно, что серпентин устойчив только до температуры около 500° С при давлениях воды до 35 кбар. При более высоких температурах происходит распад серпентина по одной из приведенных реакций. Следует отметить, что в наших экспериментах наблюдалась устойчивость серпентина при значительно более высоких температурах. Полное замещение серпентина (антигорита) оливином происходило вдоль пограничной кривой, показанной на рис. 51. Определенные нами параметры устойчивости хлорита хорошо согласуются с известными экспериментальными данными.

Рентгеновские и оптические измерения не показали кристаллизацию из расплава клиногумита. Также не установлены условия одновременного существования граната и шпинели. Независимые определения верхнего предела устойчивости монокристальной фракции клиногумита показали, что образование этого минерала в породе до давления 40 кбар могло происходить вблизи солидуса, а при более высоких давлениях — в субсолидусной области при температурах ниже 1300° С.

Результаты исследования кристаллизации гранатового серпентинита из Кокчетавской глыбы свидетельствуют о том, что парагенетические ассоциации минералов этой породы не могли образоваться одновременно из расплава данного химического состава при давлениях до 50 кбар, т. е. при интрузивном внедрении на больших глубинах. На относительно низкие термодинамические условия образования пироповых серпентинитов указывает также и состав граната, обогащенного альмандиновой компонентой и бедного кальцием.

Экспериментальные исследования и петрографические наблюдения ряда аналогичных природных объектов показывают принципиальную возможность образования пород основного и ультраосновного составов при автометасоматических процессах глубинного метаморфизма в условиях высокого содержания летучих и высокого общего давления.

Совокупность таких процессов близка глубинному магнезиальному скарнированию, для которого характерно развитие гранатизации при относительно низких температурах и давлениях, а также появление форстерита, шпинели, серпентина, хлорита, гумита и других минералов почти одновременно.

Таким образом, следует полагать, что изученные пироповые серпентиниты могли быть образованы вне связи с магматизмом на границе гранулитовой и эклогитовой фаций при региональном метаморфизме.