Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 503, № 2, стр. 118-125

Среди глубинных включений в кимберлитах значительную роль играют эклогиты, среди которых преобладают биминеральные высокобарические разности, состоящие из граната и омфацита, в то время как кианитовые и коэсит-кианитовые эклогиты являются более редкими разновидностями [1]. Типичным акцессорным минералом в этих эклогитах является рутил, который является главным минералом-концентратором высокозарядных элементов (HFSE). Наряду с рутилом, другим акцессорным минералом является значительно более редкий титанит (сфен), [Ca(Ti,Al,Fe³⁺)SiO₄(O,F,OH)], который также является минералом-концентратором HFSE. До настоящего времени титанит в ксенолитах эклогитов из кимберлитов, насколько нам известно, в литературе описан не был. В отличие от других титансодержащих фаз, титанит играет важную роль в распределении редкоземельных элементов (РЗЭ; преимущественно Sm, Eu, Gd и Nd) в породе, а при отсутствии рутила также Ta и Nb. Присутствие рутила и титанита в эклогитах может указывать на их субдукционную природу (например, [2]).

Субдукция пород океанической и континентальной литосферы на мантийные глубины играет ключевую роль в процессах корово-мантийного рециклинга. В результате метаморфических преобразований пород мафического состава в процессе субдукции в высоко- и ультравысокобарических условиях формируются эклогиты, являющиеся важным компонентом литосферной мантии в основании древних кратонов. В ряде работ было показано, что эклогиты из кимберлитов в большинстве случаев имеют архейский возраст [2–5], что дает возможность оценить роль субдукции в раннем докембрии и вклад корового и мантийного компонентов при формировании глубинных частей литосферы.

В представленной работе мы приводим результаты детального минералого-геохимического исследования породообразующих и акцессорных минералов из редкого титанит- и рутилсодержащего коэсит-кианитового эклогита из кимберлитовой трубки “Удачная-Восточная”. Нами показано, что значительное метасоматическое воздействие флюида/расплава на изученный эклогит привело к образованию редкой минеральной ассоциации при 3.5 ± 0.32 ГПа и 920 ± 65°С.

Ксенолит эклогита овальной формы Uv-180 (7.5 × 5 × 5 см) найден в свежем кимберлите трубки “Удачная-Восточная”. Главные минералы эклогита представлены бледно-оранжевым гранатом (20 об. %), серовато-зеленым моноклинным пироксеном (57 об. %) и ярко-голубым кианитом (17 об. %), среди которых присутствуют розовые зерна титанита (6 об. %) (рис. 1а). Первичные акцессорные минералы представлены рутилом, кальцитом и коэситом. Следует отметить неоднородное распределение породообразующих минералов в пределах ксенолита. В левой части отмечается скопление кианита и коэсита, при этом в остальной части образца коэсит/кварц не диагностирован. Титанит распределен равномерно в пределах изучаемого образца. В породообразующих минералах диагностированы следующие минеральные твердофазные включения: в гранате – омфацит, рутил, кианит и кальцит; в омфаците – кианит, рутил и гранат; в кианите – гранат, омфацит и рутил (рис. 1б). Включения титанита не диагностированы в неизмененных порфиробластах граната, кианита и омфацита. Коэсит, частично замещенный кварцем, представлен зернистыми агрегатами неправильной формы, расположенными в межзерновом пространстве. Породообразующие минералы в разной степени изменены, что выражается в развитии келифитовых кайм вокруг граната, замещении омфацита симплектитовым агрегатом клинопироксена, плагиоклаза и калиевого полевого шпата, формировании плагиоклаз-корундового и/или плагиоклаз-шпинелевого симплектита вокруг кианита, развитии вокруг титанита кальцит-плагиоклаз-ильменитового или рутил-ильменит-альбитового симплектита. Кроме того, для рутила отмечаются каймы (~2 мкм) и субмикронные ламели ильменита (рис. 2а), а реликты коэсита окружены частоколоподобным (“palisade texture”) поликристаллическим кварцевым обрамлением.

Рис. 1.

а – Микрофотография плоскополированной пластинки эклогита Uv-180 в кимберлите; б – Микрофотографии в режиме обратно-рассеянных электронов (BSE) фрагмента эклогита Uv-180, демонстрирующего положение породообразующих и акцессорных минералов в породе. Условные обозначения: Grt – гранат; Opx – ортопироксен; Ol – оливин; Ttn – титанит; Ky – кианит; Omp – омфацит; Сpx+Pl+Kfs – диопсид-плагиоклаз-калишпатовый симплектит.

Рис. 2.

BSE-микрофотографии отдельных участков из эклогита Uv-180: а – Кианит с включением рутила; б – Реликт титанита, частично замещенный рутил-ильменит-титанитовым симплектитом; в – Зерно кианита с неизмененными включениями граната и омфацита; г – Ксеноморфные зерна титанита на границе зерен кианита и омфацита. Условные обозначения: Grt – гранат; Rt – рутил; Ttn – титанит; Ky – кианит; Omp – омфацит; Сpx+Pl+Kfs – диопсид-плагиоклаз-калишпатовый симплектит; Crn+Pl+Kfs – корунд-плагиоклаз-калишпатовый симплектит; Rt-Ilm-Ttn – рутил-ильменит-титанитовый симплектит.

Аналитические работы выполнены в “ЦКП многоэлементных и изотопных исследований СО РАН” (г. Новосибирск) и Франкфуртском изотопно-элементном исследовательском центре FIERCE; институт им. Гете, Франкфурт, Германия. Состав минералов ксенолита определен на рентгеноспектральном микроанализаторе “Jeol” JXA-8100; для анализа породообразующих силикатов (граната, омфацита и титанита) использовались ускоряющее напряжение 15 кВ и ток зонда 20 нА, время набора сигнала на пике и фоне при определении концентраций петрогенных элементов и микропримесей (P, Mn, Ti, Cr) составляло 80 и 40 с (табл. 1) соответственно. Концентрации редких и рассеянных элементов в гранате, омфаците, рутиле и титаните были определены с использованием лазерной абляции (ArF Excimer) индуктивно-связанной плазмы (LA-ICPMS) ELEMENT XR (“Thermo Fisher Scientific”) с лазером 193 нм (CompexPro 102, Coherent) в институте им. Гете (Франкфурт-на-Майне, Германия). В качестве стандарта использовалось синтетическое стекло NIST SRM 612 с дальнейшим нормированием на содержание SiO₂, предварительно определенном на рентгеноспектральном микроанализаторе. Детальное описание параметров измерений представлено в работе [5].

Гранаты по химическому составу относятся к пироп–гроссуляр–альмандиновому ряду (Prp₁₇Grs₅₄Alm₂₃Adr₄) и, согласно классификации Колмана [6], соответствуют группе C. Гранат демонстрирует очень высокие содержания CaO, достигающие 22.8 мас. %. Содержания Na₂O и TiO₂ варьируют от 0.1 до 0.2 мас. % и от 0.2 до 0.3 мас. % соответственно. Гранат из образца Uv-180 характеризуется повышенным содержанием тяжелых РЗЭ относительно легких РЗЭ (La_n/Sm_n 0.01; Dy_n/Lu_n 1.5 2; La_n/Lu_n 0.02) и наличием положительной европиевой аномалии (Eu/Eu* = 1.23) (табл. 1; рис. 3а). Содержания никеля и ванадия в гранате составляют 35 и 139 гр/т соответственно.

Рис. 3.

(а) – Распределение редкоземельных элементов в гранате, омфаците и титаните в эклогите Uv-180; (б) – Реконструированный валовой состав Uv-180. Составы N-MORN и E-MORB согласно [9]. Спектры нормированы на хондрит C1 [9].

Первичный клинопироксен, слагающий основную массу породы, является омфацитом [7] и, согласно классификации Тэйлора и Нила [8], относится в группе C (Jd₅₀Di₄₀Hd₉) с небольшими вариациями содержания Na₂O от 6.5 до 6.9 мас. %. Химический состав включений омфацита в кианите значительно отличается от омфацита в матриксе (табл. 1). Содержание K₂O в омфаците из матрикса и во включениях в кианите незначительно и варьирует от 0.01 до 0.05 мас. %. Омфацит характеризуется повышенным содержанием средних РЗЭ относительно тяжелых РЗЭ (La_n/Sm_n 0.4; Dy_n/Lu_n 3.9–8; n = нормированный на хондрит [7]) и демонстрирует слабоположительную европиевую аномалию (Eu/Eu* = 1.02; рис. 3). Концентрация стронция составляет 103–108 гр/т при Sr/Sr*, равном 5–8 (Sr/Sr* = Sr_n/$\sqrt {\left( {{\text{S}}{{{\text{m}}}_{{\text{n}}}}{\kern 1pt} *{\kern 1pt} {\text{N}}{{{\text{d}}}_{{\text{n}}}}} \right)} $) (табл. 1).

Распространение титанита в пределах образца неравномерное, без каких-либо пространственных закономерностей. Ксеноморфные зерна титанита (100–300 мкм) диагностированы в межзерновом пространстве между гранатом, омфацитом и кианитом (рис. 2б), в то время как включения титанита в породообразующих минералах отсутствуют. Титанит содержит примеси Al₂O₃ (~3 мас. %), F (0.7–1.0 мас. %), P₂O₅ (0.5–0.60 мас. %), Zr (260 гр/т) и Sr (717 гр/т) (табл. 1). Редкоэлементный спектр титанита, нормированный к составу хондрита [7], демонстрирует значительное обогащение легкими РЗЭ (~1000 хондритовых единиц) с плавным уменьшением к промежуточным и тяжелым РЗЭ (~10 хондритовых единиц). Европиевая аномалия в титаните практически отсутствует Eu/Eu* = 1.04.

Валовый состав породы был рассчитан согласно методике, описанной в работе [10], и показывает следующие содержания петрогенных элементов:   47.6 мас. % SiO₂, 2.3 мас. % TiO₂, 23.3 мас. % Al₂O₃, 3.9 мас. % FeO, 4.9 мас. % MgO, 13.3 мас. % CaO и 4 мас. % Na₂O. Согласно реконструированному составу, эклогит Uv-180 характеризуется дифференцированным спектром распределения РЗЭ с понижением от легких РЗЭ к тяжелым (ΣLREE =104 гр/т; ΣHREE = 2.7 гр/т; La_n/Lu_n = 30.5) (рис. 3б). Согласно редкоземельному спектру валового состава породы можно сделать вывод о том, что распределение РЗЭ и форму спектра контролирует титанит. Эклогит Uv-180 (табл. 1) показывает высокие содержаниям ванадия (188 гр/т), никеля (242 гр/т) и стронция (117 гр/т), при этом стронциевая (Sr/Sr* = = 0.24) и европиевая (Eu/Eu* = 1.06) аномалии в реконструированном составе эклогита Uv-180 отсутствуют.

Геотермобарометр Равна и Терри [11] позволяет получить независимые оценки температуры и давления для гранат-пироксен-кианит-коэситовой минеральной ассоциации. Рассчитанные значения (3.5 ± 0.32 ГПа и 920 ± 65°С) соответствуют полю стабильности коэсита.

Титанит является преобладающим минералом в породах умеренных ступеней метаморфизма, преимущественно амфиболитовой фации, в то время как рутил образуется на фоне повышения давления при PT-параметрах, соответствующих условиям гранулитовой-эклогитовой фации [12], в результате реакции (1).

Модельная реакция образования титанита в метаморфических породах может быть записана в следующем виде TiO₂ + SiO₂ + CaO = CaTiSiO₅. В исследуемом образце, как и большинстве метаморфических пород, рутил и кварц/коэсит являются весьма распространенными минералами, тогда как СaO (известь) является крайне редким минералом, встречающимся в исключительных обстановках.

В то же время было показано, что в системе CMTiAS линии реакций для ассоциации гранат + + титанит + клинопироксен + рутил + коэсит пересекаются в инвариантной точке при давлении 6 ГПа и температуре 1100°С [13]:

Карбонаты кальция или карбонатитовые расплавы встречаются в природе в породах различной глубинности и геодинамических обстановок, включая породы верхней и нижней мантии. Ранее участие карбонатно-силикатного расплава в породах Кокчетавского массива предполагалось для объяснения реакционных структур [14]. Образование титанита также определяется участием углекислотного флюида в метаморфических реакциях, что было показано при изучении карбонатно-силикатных ультравысокобарических пород Кокчетавского массива (Северный Казахстан). Так, флюид, сосуществующий с минеральной ассоциацией, отвечающей пику метаморфизма, был значительно обогащен H₂O при XCO₂ < 0.1 [15]. Наиболее подходящим уравнением для определения XCO₂ в титанит-рутил-содержащей минеральной ассоциации является следующая реакция [13]:

Титанит в ксенолитах эклогитов из кимберлитов вплоть до настоящего момента, насколько нам известно, в литературе описан не был. В последнее время большинством исследователей признается, что изначально кимберлитовые расплавы могли представлять собой щелочно-карбонатитовые расплавы [16], реликты которых были установлены и в нижнемантийных алмазах [17]. Таким образом, наличие в протолите карбонатов или взаимодействие ксенолита эклогита с карбонатитовым расплавом могло привести к появлению в породе титанита. Развитие реакционных кайм вокруг зерен граната, клинопироксена, кианита и титанита указывает, что к моменту захвата кимберлитовым расплавом эта минеральная ассоциация уже существовала в изучаемом образце. Таким образом, формирование титанита в эклогитах не может быть связано с просачиванием кимберлитового расплава на стадии подъема.

Значительное метасоматическое изменение (ультра-)высокобарических пород, сформированных в результате субдукции их протолитов на глубины, превышающие 100 км, было показано на примере метаморфического комплекса в Западном Тянь-Шане (Западный Китай). В этом районе вмещающие породы голубосланцевой фации метаморфизма сечет карбонатно-кварцевая жила, содержащая также гранат, омфацит и титанит – характерные минералы для эклогитовой фации метаморфизма [18]. Предполагается, что внедрение обогащенного кальцием флюида привело к преобразованию вмещающих голубых сланцев в эклогит, со значительным перераспределением крупно-ионных литофильных и высокозарядных элементов, а также существенному увеличению содержания CaO от 6–7 мас. % в голубых сланцах до >13 мас. % в эклогите.

Считается, что коэсит-кианитовые эклогиты были образованы в результате субдукции комплексов океанической коры с их последующим преобразованием в ультравысокобарических условиях (например, [2]). Наличие европиевой аномалии (Eu/Eu* = 1.23) и низких суммарных концентраций тяжелых РЗЭ в гранате в изученном образце предполагает габброиды в качестве возможного протолита для эклогита [19]. Кроме того, существенное модальное количество кианита (~17 об. %), значение Ca# > 0.5 в гранате и валовое содержание Al₂O₃ = 23.2 мас. % в изученном эклогите, возможно, указывают на заметное обогащение протолита породы плагиоклазом.

Кристаллизация породообразующих минералов (гранат + омфацит + кианит) и акцессорного рутила на пике метаморфизма происходила совместно при 3.5 ± 0.32 ГПа и 920 ± 65°С. Согласно нашим минералого-петрографическим наблюдениям, таким, как отсутствие включений титанита в породообразующих минералах и его нахождение в межзерновом пространстве, можно сделать вывод о более позднем образовании титанита в изученном образце, вероятнее всего, в процессе метасоматического воздействия флюида/расплава. Присутствие кальцита в межзерновом пространстве, в том числе в виде включений в гранате, указывает на существенную роль карбонатного расплава/флюида при кристаллизации первичных породообразующих минералов, а образование кальцит-содержащего симплектита вокруг титанита в изученном образце, вероятнее всего, связано с транспортировкой ксенолита кимберлитовым расплавом к поверхности (например, [10, 20]).

Образование титанита в эклогите Uv-180, по-видимому, могло также происходить в результате метасоматического воздействия флюида/расплава на метаморфическую породу, обогащенную кальцием, стронцием, крупными литофильными элементами и свинцом, по механизму, схожему с описанным в работе [18]. Следует отметить, что следов перекристаллизации рутила в титанит в изученном образце не обнаружено, в отличие от пород Западного Тянь-Шаня, что заслуживает более детального и прецизионного изучения эклогита Uv-180 в дальнейшем.