Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 493, № 1, стр. 37-42

В настоящее время считается общепризнанным, что ксенолиты деформированных перидотитов из мантийных ксенолитов представляют собой фрагменты метасоматизированной нижней части литосферы кратонов [1, 2]. Зональность, устанавливаемая в гранатах ксенолитов деформированных лерцолитов в кимберлитовых трубках, интерпретируется как следствие метасоматоза, произошедшего незадолго до попадания ксенолитов на поверхность [3–5].

Агашев и др. [6] пришли к заключению, что деформированные перидотиты из кимберлитовой трубки Удачная претерпели сложную эволюцию и были подвергнуты трем стадиям метасоматической модификации. Согласно этим авторам, гранаты с синусоидальным спектром распределения РЗЭ образовывались на первой стадии метасоматоза при взаимодействии гарцбургитов с флюидом/расплавом карбонатитового состава. Со стадией силикатного метасоматоза связано образование клинопироксена и граната с высоким содержанием железа, имеющего распределение РЗЭ, аналогичное таковому в ксенокристаллах граната из кимберлитов. Для этой стадии метасоматоза предполагается астеносферный источник силикатного расплава. Карбонатно-силикатный метасоматический агент предполагается для формирования деформированных перидотитов из трубки им. В. Гриба (Архангельская алмазоносная провинция) [7]. По мнению этих авторов, центральные части гранатов, имеющие синусоидальный характер распределения РЗЭ, относятся к реликтовой гарцбургитовой ассоциации, а образование внешних кайм гранатов, обогащенных легкими РЗЭ, и клинопироксенов связывается с карбонатно-силикатным агентом.

Метасоматоз в ксенолитах деформированных гарцбургитов проявляется не только в появлении зональности минералов. Проведенные исследования показывают, что имеется несоответствие между расчетными данными, основанными на содержаниях несовместимых элементов в минералах ксенолитов, и значениями прямых измерений валового состава ксенолитов. Измеренные концентрации могут на 70–99% превышать расчетные [8, 9]. Эти несоответствия могут объясняться разными причинами. Одна из них – инфильтрация вмещающего кимберлитового расплава. Однако не только контаминация расплавами, выносящими ксенолиты, может приводить к таким несоответствиям. Зиндлер и Ягоутц [10] сравнили содержания рассеянных компонентов в ксенолитах шпинелевых лерцолитов после выщелачивания с их содержаниями в реконструированном составе, используя концентрации этих элементов в минералах ксенолитов, не содержащих включений. Авторы пришли к заключению, что в ксенолитах присутствуют содержащие рассеянные элементы фазы, которые могут находиться во флюидных включениях и межзерновом пространстве.

Хирага и Колстедт [11] рассмотрели распределение несовместимых элементов не только среди минералов, но также в породе в целом на основании предложенной ими модели структуры породы. Проведенные расчеты с использование данных по химическому составу мантийных ксенолитов позволили им прийти к заключению, что фазы, обогащенные несовместимыми элементами, существуют как внутри зерен, так и в межзерновом пространстве во всех мантийных породах.

Таким образом, имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о сложной эволюции деформированных перидотитов, РТ-параметры которых свидетельствуют о том, что они представляют нижние части литосферы кратонов.

В последние годы появился ряд работ, касающихся разных аспектов происхождения и эволюции деформированных ксенолитов кимберлитовой трубки Удачная. Это связано с промышленной отработкой горизонта трубки, содержащей уникально свежие ксенолиты мантийных пород. Агашев и др. [6] показали, что рассчитанные на основании редкоэлементного состава минералов концентрации несовместимых элементов в ксенолитах всегда меньше измеренных в породах. По мнению этих авторов, несовместимые элементы могут присутствовать в микрофазах размером меньше 1 мкм и небольших включениях расплава в силикатных минералах.

С целью определения баланса несовместимых элементов нами проведены эксперименты по выщелачиванию ксенолитов деформированных лерцолитов из кимберлитовой трубки Удачная.

Главные элементы определялись методом рентгенофлуоресцентного анализа на спектрометре S4 Pioneer (“Bruker”, AXS) в ЦКП “Изотопно-геохимических исследований” ИГХ СО РАН. Определение микроэлементного состава выполнено методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИCП-МC) на маcc-cпектpометpе выcокого pазpешения c магнитным cектоpом ELEMENT (“Finnigan” MАТ) в ЦКП “Многоэлементных и изотопных исследований” СО РАН и квадрупольном масс-спектрометре Agilent 7700 в ЦКП “Байкальский центр нанотехнологий” ИрГТУ (ИРНИТУ).

На первом этапе нами было отобрано 19 образцов наиболее свежих ксенолитов деформированных перидотитов. Размер отдельных ксенолитов превышает 20 см по длинной оси. С целью минимизации влияния процессов контаминации кимберлитом на состав главных и редких элементов ксенолитов для анализа валового состава использовались пластины, выпиленные из центральных частей ксенолитов. У образца уникального по размеру ксенолита УД-1-07 (27 см по длинной оси), а также в образцах УД-11-04 и УД-8-07 были исследованы краевые и центральные части.

Магнезиальность (Mg#) исследованных ксенолитов составляет от 90 до 92%, за исключением образца УД-05-05, в котором Mg# 87%. Содержания СаО варьируют от 0.86 до 2.56%, содержания TiO₂ – от 0.01 до 0.18%, Al₂O₃ – от 0.65 до 4%.

На рис. 1 приведено распределение несовместимых элементов в исследованных ксенолитах деформированных перидотитов. Как видно из графика, распределение несовместимых элементов ксенолитов не может быть объяснено контаминацией вмещающим кимберлитом. Значительная часть ксенолитов имеет положительную Sr-аномалию. В отличие от кимберлита ксенолиты либо не имеют отрицательной аномалии по Zr и Hf, либо демонстрируют положительные аномалии. Кроме того, в отличие от кимберлита большинство ксенолитов демонстрируют ровный характер распределения в области тяжелых РЗЭ. Часть ксенолитов имеет положительную Eu-аномалию (7 из 19). Наиболее сильная положительная Eu-аномалия наблюдаются в образце УД-8-07 (Eu/Eu* +7.3).

Рис. 1.

Распределения несовместимых элементов, нормированных на примитивную манию [15], в ксенолитах деформированных перидотитов.

У трех ксенолитов был определен редкоэлементный состав центральных и краевых частей. Как видно на графике (рис. 2), в образце УД-1-07 в краевой части присутствует положительная Eu-аномалия, в то время как в центральной части эта аномалия отсутствует. В образце УД-8-07 положительная Eu-аномалия присутствует как в центральной, так и в краевой части ксенолита. В образце УД-11-04 Eu-аномалия отсутствует.

Рис. 2.

Распределения РЗЭ, нормированные на хондрит [15], в центральных и краевых частях ксенолитов УД-1-07, УД-8-07 и УД-11-04.

Для экспериментов по выщелачиванию нами отобрано 2 образца деформированных гранатовых лерцолитов, демонстрирующих положительную Eu-аномалию (УД-8-07) и без аномалии (УД-11-04). Были взяты центральные и краевые части образцов, из которых после измельчения были выделены фракции < 0.25 мм. В качестве реагентов использовались слабый раствор 1% HCl, который не является селективным по отношению к РЗЭ и растворяет достаточно много микроакцессорных фаз, таких как карбонаты, апатиты, оксигидроксиды Fe(Mn) и сорбированные на них элементы [12].

Для оценки доли перешедших при выщелачивании в раствор элементов по отношению к исходному веществу были выполнены определения макро- и микроэлементов в исходном веществе фракций < 0.25 мкм из навесок ~100 мг. Пробы были разложены по стандартной процедуре смесью HF + HClO₄ в соотношении 5 : 1 в стаканчике с закрытой крышкой из PTFE фирмы “Savillex”. После выпаривания и растворения в 6 М HCl пробы были перенесены в пробирки. После соответствующего разбавления РЗЭ и другие микроэлементы были определены методом ИСП-МС.

Полученные аналитические данные по микроэлементному составу выщелочек были пересчитаны по отношению к концентрациям элементов в соответствующих фракциях валовых проб и выражены в %. Данные для образцов УД-8-07 и УД-11-04 приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 3.

Распределение редкоземельных РЗЭ в ксенолитах УД-8-07 и УД-11-04 из фракций < 0.25 мм в центральной и краевых частях, а также в выщелочках.

Рис. 4.

Количество выщелоченных элементов, выраженное  в процентах, для образцов УД-8-07 и УД-11-04.

Как видно на рис. 3, краевая и центральная части образца УД-8-07 имеют одинаковый характер распределения РЗЭ, однако абсолютные концентрации в краевой части на порядок выше. Распределения РЗЭ в выщелочках аналогичны распределению в породе. Разные части ксенолита и выщелочек демонстрируют сильную Eu-аномалию. Другая картина наблюдается в образце УД-11-04 (рис. 3). Центральная часть и выщелочка имеют близкое распределение РЗЭ без отчетливой Eu-аномалии, при этом краевая часть и выщелочка из нее характеризуются положительной Eu-аномалией.

На рис 4. приведены количества выщелоченных элементов в процентах. У обоих образцов наблюдается тенденция увеличения количества выщелоченного элемента от тяжелых к легким РЗЭ. Так в образце УД-8-07 выщелачивается около 3% тяжелых РЗЭ и около 20% легких. В образце УД-11-04 эти величины больше – ~20 и ~40% соответственно. Из краевой части образца УД-11-04 выщелачивается 40% Eu и 37% La.

Тот факт, что значительная часть ксенолитов демонстрирует положительную Eu-аномалию, свидетельствует об участии корового компонента на одной из стадий модификации ксенолитов. Возможно два варианта появления Eu-аномалии. Согласно первому из них гранатовые перидотиты унаследовали положительную Eu-аномалию от протолитов. Как показывают результаты исследования абиссальных перидотитов срединно-океанических хребтов в процессе серпентинизации гарцбургитов при их взаимодействии с горячими флюидами, появляется сильная положительная Eu-аномалия [13]. Предполагается, что флюиды имеют РЗЭ-характеристики, аналогичные флюидам черных курильщиков. Такие серпентиниты, попавшие в зону субдукции, могут рассматриваться в качестве протолитов ксенолитов деформированных перидотитов, имеющих положительную европиевую аномалию. Согласно второму варианту положительная Eu-аномалия у мантийных перидотитов может появляться при взаимодействии гарцбургитов с силикатными расплавами, унаследовавшими Eu-аномалию от габброидов или перидотитов субдуцированной океанической коры.

Эксперименты по выщелачиванию показывают, что значительная часть легких РЗЭ в исследованных нами ксенолитах присутствует в межзерновом пространстве. Хирага и др. [14] методом растровой просвечивающей электронной микроскопии показали, что химическая сегрегация на границах зерен – универсальное явление, устанавливаемое в природных и синтетических образцах. Хирага и Колстедт [11] предположили существование внутри зерен и на границах зерен фазы, подобной расплаву, в которой аккумулируются несовместимые элементы.

Важно понять время происхождения этого межзернового компонента. Характер распределения несовместимых элементов и, в особенности, наличие положительной Eu-аномалии ясно указывает, что появление межзернового компонента не связано с контаминацией кимберлитовым расплавом. Если появление Eu-аномалии связано с предложенным нами первым сценарием, то появление межзернового компонента может относиться ко времени трансформации серпентинитов в гранатовые перидотиты в зоне субдукции. Если принять во внимание второй сценарий, то появление аномалии связано с тектоно-термальным этапом при котором происходит плавление присутствующих в литосфере фрагментов субдуцированной океанической коры. Второй сценарий является предпочтительным, учитывая вероятную модификацию редкоэлементного состава серпентинитов при их дегидратации в зоне субдукции. Однако тот или иной сценарий должен учитывать установленный факт, что часть ксенолитов деформированных гранатовых перидотитов несут следы присутствия субдукционного компонента.