Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 2, стр. 156-166

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время считается, что в процессе метасоматоза гранаты из перидотитовых ксенолитов с синусоидальным распределением РЗЭ развиваются в сторону типично магматических гранатов [1]. Согласно [2], деформированные гранатовые лерцолиты Каапвальского кратона претерпели многостадийный метасоматоз. Предполагается, что протолитами этих пород были шпинелевые перидотиты, претерпевшие высокие степени частичного плавления на малых глубинах. Впоследствии, в архее, эти реститы подверглись метасоматозу в зоне субдукции. Незадолго до внедрения они были метасоматизированы расплавом, подобным кимберлиту. В ходе этого этапа образовался клинопироксен и новообразованный гранат.

У зональных зерен гранатов в ксенолитах деформированных гранатовых лерцолитов может наблюдаться нормальное и синусоидальное распределение редкоземельных элементов (РЗЭ), что свидетельствует о том, что микрогетерогенность появилась незадолго до внедрения кимберлита [3, 4]. Это подтверждается широким интервалом неодимовой изотопной систематики этих гранатов [5]. Помимо значительных вариаций РЗЭ, у гранатов могут наблюдаться широкие вариации в содержаниях циркония, иттрия, галлия и стронция как в пределах одного зерна граната, так и в разных зернах одного образца [5]. Вариации  РЗЭ приводят к вариациям Sm/Nd- и Lu/Hf-отношений.

При изучении ксенолитов деформированных гранатовых лерцолитов трубки Удачная нами были установлены значительные вариации состава гранатов как в пределах отдельных зерен, так и в породе в целом. С целью определения причин выявленной микрогетерогенности нами проведены детальные минералого-геохимические исследования образца деформированного гранатового лерцолита Уд 11–04, размером 20 × 15 см, отобранного из уникально свежего кимберлита восточного тела трубки Удачная [6].

МЕТОДЫ

Определение содержаний редких элементов в минералах проводилось методом масс-спектрометрии с использованием квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой XSERIES2 (“Thermo Scientific”), объединенного с устройством лазерного пробоотбора (абляции) с длиной волны 213 нм (New Wave Research), диаметр лазерного пучка 50 мкм (Новосибирский государственный университет). Химический состав (концентрации главных элементов) определяли в Центре коллективного пользования многоэлементных и изотопных исследований (ИГМ СО РАН) с помощью метода рентгеноспектрального микроанализа с использованием электронного микрозонда “JEOL” JXA 8100 (локальность пучка 2 мкм при силе тока 20 нA и напряжении 15 кВ), а также помощью метода энергодисперсионной спектрометрии (ЭДС) на сканирующем электронном микроскопе “Tescan” MIRA3 LMU с использованием программного обеспечения для микроанализа Aztec Energy/Xmax 50 EDS.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Гранатовый лерцолит Уд 11–04 характеризуется мозаично-порфирокластической структурой (10% < порфирокластов оливина) [7]. Порфирокласты представлены редкими зернами оливина (2–4 мм), ортопироксеном (0.5–3 мм) и округлыми зернами граната (1–4 мм). Размер необластов оливина не превышает 0.5 мм. Клинопироксен и гранат неравномерно распределены в объеме ксенолита. Содержание отропироксена составляет 7–8 об. %, граната – 2 об. %, клинопироксена – <1–2 об. %.

В ксенолите установлены вариации в составе зерен граната как в пределах одного зерна, так и в объеме ксенолита. С целью установления масштабов неоднородности состава гранатов в шлифах, выпиленных из разных частей ксенолита, было исследовано 30 зерен граната. У гранатов наблюдаются вариации в содержаниях TiO₂ (0.09–1.25 мас. %), Cr₂O₃ (4.57–7.46 мас. %), CaO (5.04–5.99 мас. %), FeO (6.89–8.42 мас. %), MgO (19.3–20.9 мас. %), Al₂O₃ (16.4–18.1 мас. %). Магнезиальность (#Mg=100*MgO/(MgO+FeO)) варьирует от 81 до 82%. На диаграмме CaO–Cr₂O₃ [8] точки состава гранатов ложатся вдоль лерцолитового тренда (рис. 1).

Рис. 1.

Состав гранатов из деформированного перидодита Уд11–04 на диаграмме Cr₂O₃–CaO.

На рис. 2, 3 приведены профили распределения элементов в зернах двух гранатов. Наибольшие вариации наблюдаются в содержании титана и хрома. В гранате-1 (рис. 2) содержание Cr₂O₃ от центра к краю зерна уменьшается от 7.5 до 5.5 мас. %, а содержание TiO₂ увеличивается от 0.2 до 1.26 мас. %. Содержания магния и железа возрастают, при этом магнезиальность остается постоянной (82%). В гранате 2 (рис. 3) содержание Cr₂O₃ от центра к краю меняется от 7.37 до 6.7 мас. %, TiO₂ – от 0.16 до 1.03 мас. %, FeO – от 7.47 до 8.08 мас. %. Профили распределения всех элементов имеют U-образный характер. Выделяются центральные области с постоянным содержанием элементов и области, в которых наблюдается уменьшение или увеличение содержания элементов (рис. 2, 3). В гранате-1 профиль распределения хрома (рис. 2б) имеет асимметричный характер. Центральная часть с постоянным содержанием хрома имеет протяженность 1300 мкм. С одной стороны зерна, на расстоянии 430 мкм от края, отмечается плавное снижение содержания хрома. В то же время с другой стороны зерна выделяются три участка – участок плавного снижения протяженностью 320 мкм, участок с постоянным содержанием Cr протяженностью 300 мкм и краевая часть, где содержание хрома вновь резко уменьшается. Другой характер зональности наблюдается у титана (рис. 2 в). Содержание этого элемента постоянно в центральной части зерна протяженностью около 740 мкм. Следует отметить, что несмотря на значительные колебания содержаний титана и хрома, магнезиальность гранатов меняется в достаточно узком пределе (от 82.5 до 81.4%).

Рис. 2.

Распределение главных и редких элементов в зерне граната-1. (а) – зерно граната в отраженном свете с точками определения главных элементов (показаны красными кругами) и точками лазерной абляции, (б) – распределение Cr₂O₃ и (в) – распределение TiO₂; (г) – распределение несовместимых элементов, нормированных на примитивную мантию [17]; (д) – распределение Zr, (е) – распределение Y. Цифры на оси абсцисс на графиках распределения элементов (б, в, д, е) соответствуют номерам точек на рис. 4а.

Рис. 3.

Распределение главных и редких элементов в зерне граната-2. (а) – зерно граната в отраженном свете с точками определения главных элементов (показаны красными кругами) и точками лазерной абляции, (б) – распределение Cr₂O₃ и (в) – распределение TiO₂; (г) – распределение несовместимых элементов, нормированных на примитивную мантию [17]; (д) – распределение Zr, (е) – распределение Y. Цифры на оси абсцисс на графиках распределения элементов (б, в, д, е) соответствуют номерам точек на рис. 3а.

На рис. 4 приведены карты распределения элементов в гранате-1. На карте распределения хрома видно, что гранат с высоким содержанием хрома был резорбирован, а затем на него наросла кайма нового граната с пониженным содержанием хрома. Распределение титана имеет более сложный характер. Выделяются центральная область с низким содержанием титана, промежуточная область и внешняя зона. В области с постоянным содержанием хрома содержание титана меняется (рис. 4а, 4б).

Рис. 4.

Карты распределения элементов в гранате 1 (по данным рентгеноспектрального микроанализа). (а) – Cr, (б) – Ti, (в) – Fe.

Пироксены в ксенолите имеют достаточно выдержанный состав, характеризуются высокой магнезиальностью (Mg# = 91%) и содержат 0.60–0.62 мас. % примеси Al₂O₃. В клинопироксене наблюдаются относительно небольшие вариации состава. Содержание Cr₂O₃ меняется от 0.74 до 1.63 мас. %, Na₂O – от 1.31 до 1.86 мас. %, Mg# – от 91 до 93%.

В гранатах ксенолита присутствуют полиминеральные включения, размер которых достигает 250 мкм (рис. 5). Методами сканирующей электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния определен фазовый состав включений, а также минералов, присутствующих в межзерновом пространстве. Полиминеральные включения сложены ортопироксеном, клинопироксеном, оливином, хромитом, содалитом, флогопитом, калиевым полевым шпатом (рис. 5). Следует отметить большие вариации в соотношении минеральных фаз включений. В одних включениях преобладающей фазой является оливин, в других клино- и ортопироксены. Составы оливинов в этих включениях идентичны по содержаниям главных компонентов, но отличаются по концентрациям никеля и хрома. Вокруг включений развивается ореол, состоящий главным образом из зерен ортопироксена и клинопироксена с дендритными кристаллами хромита (рис. 5).

Рис. 5.

Растровые изображения в режиме обратно-рассеянных электронов: (а) – зерно граната с полиминеральными включениями; (б) – полиминеральные включения; (в) – дендриты магнезиохромита в полиминеральном включении; (г, д) – полиминеральное включение с полостью, выполненной кристаллами кальцита, калиевого полевого шпата и биотита. Аббревиатуры минералов согласно [18].

Ортопироксен включений характеризуется высоким содержанием Al₂O₃, варьирующим от 4.9 до 11.5 мас. % (табл. 1). В клинопироксене содержание Al₂O₃, достигает 11.6 мас. % (табл. 1). В то же время ортопироксен и клинопироксен матрикса породы содержат 0.61 и 1.7 мас. % Al₂O₃, соответственно. Хромит, присутствующий во включениях, демонстрирует большую неоднородность по составу (табл. 1). Центр одного зерна содержит 41.5 мас. % Cr₂O₃, в то время как краевая часть – 20.4 мас. %. В то же время от центра к краю растет магнезиальность – от 56 до 72%. Отношение 100*Cr/(Cr + Al) варьирует от 62 до 42%. Состав слюд включений отвечает флогопиту. Содержание Al₂O₃ в слюдах варьирует от 13.4 до 7.64 мас. %. Флогопит содержит примесь хрома (до 2.62 мас. %).

Методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией определены содержания рассеянных элементов в гранатах, полиминеральных включениях и келифитовых каймах. В гранате-1 содержание элементов определено в 15 точках в двух профилях, пересекающих зерно (рис. 2а). В гранате-2 выполнен один профиль, пересекающий зерно (рис. 3а).

Центральные части граната с высоким содержанием хрома имеют синусоидальное распределение редкоземельных элементов. В то же время средняя зона и краевые части имеют распределение, характерное для гранатов магматического происхождения. У них наблюдаются ровное распределение в области тяжелых РЗЭ и крутой положительный наклон от La до Eu.

Центральная область граната характеризуется низким содержанием TiO₂ (0.1–0.2 мас. %), Y (3.5– 3.7 ppm), Zr (17–27 ppm) и по этим характеристикам отвечает, согласно Гриффину и соавт. [4], деплетированным гранатам. Промежуточная зона характеризуется U-образным распределение элементов, в то время как краевая зона имеет S-образное распределение. Особенно ярко это выражено на кривых распределения циркония и титана. В профиле, в котором проанализирован редкоэлементный состав, в первой и десятой точках проанализирован состав келифитовой каймы. На графиках видно, что келифитовая кайма имеет характер распределения РЗЭ, отвечающий гранатам лерцолитового парагенезиса. В ней отмечается повышенное содержание Sr, Ba, Rb.

Отдельные участки пироксенов ксенолита содержат большое количество мелких черных включений. Эти включения расположены как по периферии зерен, так и внутри зерен, вдоль залеченных трещин. Был определен редкоэлементный состав участков зерен, не содержащих включений, и участков с большим количеством включений. Полученные данные свидетельствуют о том, что участки пироксена, содержащие включения, обогащены Sr, LREE (легкими РЗЭ), Nb, Hf, U, Th, Ba, Rb. Расчеты показывают, что наблюдаемые профили распределения редких элементов в участках, обогащенных включениями, могут объясняться добавлением 4% расплава/флюида, по составу аналогичного кимберлиту трубки Удачная Восточная [6] (рис. 6а).

Рис. 6.

(а) – распределение несовместимых элементов в областях пироксена без включений (Cpx-1) и с большим количеством черных включений (Cpx-2). Толстой линией показан состав клинопироксена при добавлении 4% кимберлита (состав кимберлита-1 и кимберлита-2 из работы [6]; (б) – распределение несовместимых элементов в гранате-1, нормированное на гранат из примитивного перидотита [11]; (в) – модельные редкоэлементные составы расплавов, равновесные с разными зонами граната-1. Использованы коэффициенты распределения из [15]. Для сравнения показан состав кимберлита из [6].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Агашев и соавт. [9] на основании исследования ксенолитов деформированных лерцолитов кимберлитовой трубки Удачная выделили три этапа метасоматоза. Первый криптовый метасоматоз флюидами/расплавами карбонатитового состава, в результате которого образовались высокохромистые субкальциевые гранаты с синусоидальным распределением РЗЭ. По мнению авторов, гранат с синусоидальным распределением РЗЭ, но с составом, отвечающим лерцолитовым гранатам, образовался при взаимодействии древнего субкальциевого граната с силикатным расплавом. Затем породы подверглись метасоматозу астеносферным силикатным расплавом, что привело к обогащению деплетированных перидотитов клинопироксеном и гранатом.

Полученные нами данные позволяют с несколько иных позиций рассмотреть процессы модификации деформированных гранатовых лерцолитов. К наиболее ранней минеральной ассоциации лерцолита могут быть отнесены порфирокласты оливина, ядра граната, демонстрирующие геохимические характеристики гранатов деплетированных перидотитов (низкие содержания Zr и Y), и, возможно, ортопироксен. Хотя тот факт, что многие зерна ортопироксена не несут следов деформации, может свидетельствовать о его более позднем происхождении.

Центральные части граната отвечают по составу главных элементов гранатам лерцолитового парагенезиса, в то же время для них характерно синусоидальное распределение РЗЭ. Согласно существующим моделям, гранаты лерцолитового парагенезиса с таким распределением могут образоваться при метасоматозе гарцбургитов CHO флюидами [10] или силикатными расплавами [4]. Однако при метасоматозе силикатным расплавом должны увеличиваться содержания Y и Zr, чего не наблюдается в центральных частях изученных нами гранатов.

Гранаты центральных частей, несмотря на деплетированность в отношении Y и тяжелых РЗЭ, демонстрируют обогащенность легкими редкими землями, Nb, Ta, Th, U относительно граната из примитивного гранатового перидотита [11] (рис. 6 б).

Центральные части гранатов характеризуются суперхондритовыми отношениями Zr/Hf и субхондритовыми Ti/Eu. Эти характеристики предполагают, что центральные части граната с синусоидальным распределением были в равновесии с карбонатитовым расплавом [12, 13].

По мнению Шу и Брея [14], гарцбургитовые гранаты с синусоидальным распределением РЗЭ появляются в результате взаимодействия деплетированных гранатовых гарцбургитов с карбонатитовыми расплавами. Проведенные ими расчеты показали, что необходимо небольшое количество карбонатитового расплава (0.3–3%) для появления синусоидального распределения РЗЭ в ранее деплетированных гранатах.

Если использовать коэффициенты распределения гранат/силикатно-карбонатный расплав, определенные в экспериментах [15], то полученные составы расплавов в равновесии c центральными и краевыми частями гранатов значительно отличаются от редкоэлементного состава кимберлита трубки Удачная (рис. 6 в). По распределению РЗЭ модельные расплавы, равновесные с краевыми частями граната, близки к кимберлиту, но значительно обогащены по сравнению с кимберлитом Nb, Ta и Hf и обеднены Sr. Расплавы, равновесные с центральными частями граната, характеризуются более крутым отрицательным наклоном в области тяжелых и средних РЗЭ, приближаясь к кимберлиту в области легких РЗЭ. Они обогащены Nb, Ta, Zr, Hf и, в большей степени, по сравнению с краевыми частями, обеднены Sr.

Как свидетельствует карта распределения хрома, зерно граната с синусоидальным распределением РЗЭ было резорбировано, а затем на него нарос новый слой. Процесс роста нового слоя граната сопровождался ростом клинопироксена. Об этом свидетельствуют включение клинопироксена в кайме граната и характер границы между гранатом и окружающими его зернами клинопироксена.

Как упоминалось выше, клинопироксены содержат большое количество черных включений по периферии зерен и вдоль залеченных трещин. Результаты моделирования показывают, что микроэлементный состав этих областей клинопироксенов может объясняться добавлением 4% расплава, по составу отвечающего свежему кимберлиту трубки Удачная Восточная [6] (рис. 6а). На основании этого можно сделать вывод, что на заключительных стадиях роста клинопироксена составы просачивающихся расплавов приближались к кимберлитовому расплаву.

На заключительном этапе происходило взаимодействие граната с флюидом и образование зон инконгруэнтного плавления граната. Об этом свидетельствуют полиминеральные включения в гранате, келифитовые каймы и минеральные ассоциации, выполняющие трещины в гранате.

О присутствии флюидной фазы свидетельствуют многочисленные полости, которые наблюдаются как в мелкозернистом агрегате келифитовых кайм, так и в полиминеральных включениях. Минеральная ассоциация, выполняющая полость в полиминеральном включении в гранате-1 (Kfs + Cal + Bt) (рис. 5д), свидетельствует, что плавление граната вызвано поступлением водно-углекислотного флюида с высоким содержанием К.

Фазы, находящиеся в полиминеральных включениях, образовались на стадии выноса при быстрой кристаллизации расплава, о чем свидетельствуют дендриты хромита и вариации в составах пироксенов и слюды, а так же присутствие содалита, фазы устойчивой при низких давлениях [16].

Таким образом, полученные нами данные позволяют выделить четыре стадии в эволюции состава деформированного гранатового лерцолита.

Первая стадия предполагает взаимодействие деплетированного перидотита с расплавом, по составу близким к карбонатитовым расплавам, и образование гранатов с синусоидальным распределением РЗЭ. Сложно определить, с каким процессом связано растворение граната с синусоидальным характером распределения РЗЭ. Этот процесс мог предшествовать или быть связан с метасоматозом силикатным расплавом, близким по составу РЗЭ к кимберлиту, но отличающемся повышенными содержаниями Nb, Ta, Hf. С этим этапом метасоматоза связаны рост краевых частей гранатов и появление клинопироксена.

На заключительном этапе, предшествовавшем выносу ксенолита кимберлитовым расплавом, наблюдались плавление граната, образование полиминеральных включений и келифитовых кайм. Этот этап сопровождался поступлением высококалиевого водно-углекислого флюида, о чем свидетельствуют полиминеральные включения, присутствующие в каймах новообразованного граната.