Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 2, стр. 253-261

Лейкократовые гранитоиды и риолиты типа S являются продуктами эволюции расплавов, которые генерируются в ходе частичного плавления коровых метаморфических субстратов, обогащенных мусковитом и биотитом [1–6]. Образование таких расплавов контролируется разнообразными реакциями инконгруэнтного плавления с участием слюд. Согласно наиболее принятым моделям эти реакции проходят без участия свободного флюида (dehydration melting) [1–8]. Эти реакции обычно обладают положительными dP/dT-наклонами и в интервале давлений 6–15 кбар охватывают температуры 700–900°С [7, 8]. Температуры начала этих реакций и количество расплава, образующегося в их результате, определяется преимущественно количественными отношениями мусковита и биотита, а также магнезиальностью ассоциаций. Экспериментальные исследования частичного плавления двуслюдяных ассоциаций ([1–6], а также обзоры [7, 8]) при параметрах континентальной коры проводились в синтетических или природных системах, содержащих различное количество плагиоклаза. Анализ результатов этих работ демонстрирует, что плагиоклаз непосредственно участвует в перитектических реакциях плавления, а его состав и количественные отношения к слюдам и кварцу оказывают заметное влияние как на РТ-условия этих реакций, так и на состав гранитных расплавов, прежде всего на содержания Al₂O₃ и Nа₂O в них. Расплавы, образующиеся при плавлении двуслюдяных ассоциаций с плагиоклазом, хорошо воспроизводят составы лейкократовых гранитов и аляскитов, содержащих не менее 2 мас. % Na₂O при отношении K₂O/Na₂O < 3 (напр., [9]). Однако помимо этих гранитоидов известны ультракалиевые риолиты с очень высоким отношением K₂O/Na₂O при содержании Na₂O < 1 мас. %, которые некоторыми исследователями относятся к продуктам высокотемпературного анатексиса в коре (напр., [10–12] и ссылки в этих работах). Возможность образования таких магм в ходе частичного плавления субстратов, бедных плагиоклазом, подтверждается результатами изучения включений ультракалиевых расплавов в минералах мигматитов [13]. Согласно экспериментам [2] даже в системе, содержащей всего 4 об. % плагиоклаза при 40 об. % слюд, плагиоклаз является ведущей фазой при инициации плавления. При этом образуются расплавы с K₂O/Na₂O < 7.5 при 0.8–3 мас. % Na₂O. Эти результаты побуждают к экспериментальному исследованию двуслюдяных ассоциаций без плагиоклаза как возможных источников ультракалиевых кислых магм. Экспериментальному изучению плавления такой минеральной ассоциации посвящена данная работа.

В качестве стартового материала для экспериментов был выбран образец гранат-двуслюдяного сланца из зеленокаменного пояса Гияни (Сазерленд) кратона Каапвааль, ЮАР. Порода состоит из мусковита (43%), кварца (30%), биотита (13%) и граната (10%), содержит ~1.5% апатита (до 3 мас. % F) и ~1.5% ильменита. В центральных частях порфиробластов граната встречаются включения ставролита. Валовый состав породы, измеренный методом РФА (в ИГЕМ РАН), следующий (мас. %): SiO₂ – 56.57, TiO₂ – 1.76, Al₂O₃ – 21.51, Fe₂O₃ – 10.38, MnO – 0.285, MgO – 0.91, CaO – 1.43, Na₂O – 0.36, K₂O – 5.44, P₂O₅ – 1.05.

Эксперименты проводились на установке цилиндр-поршень (ЦП-40) в ИЭМ РАН в интервале температур 700°C–900°С при 6 и 10 кбар и 800–900°С при 15 кбар (табл. 1). В опытах использовались ячейки из NaCl (+ пирекс-стекло для опытов выше кривой плавления NaCl) диаметром 3/4 и 1/2 дюйма со вставками из керамики MgO и графитовыми нагревателями. Образец породы был измельчен до порошка размерностью около 5 мкм. Порошок породы помещался в золотые цилиндрические ампулы с толщиной стенки 0.2 мм, заваренные c помощью электродуговой сварки PUK-04 в среде аргона. Длительность опытов составляла 5–7 сут. Летучесть кислорода в опытах специально не контролировалась, предполагая, что этот параметр буферировался фазовыми ассоциациями в продуктах опытов.

Исследования составов продуктов экспериментов выполнялись с использованием сканирующего электронного микроскопа “Tescan” VEGA-II XMU, оснащенного энергодисперсионной аналитической приставкой “INCA”-Energy-350 и волновой аналитической приставкой Oxford “INCA” Wave 700, в ИЭМ РАН. Во избежание потерь Na и исключения диффузионных эффектов в пленках стекла на контактах с кристаллическими фазами, стекла анализировались сканированием по площадкам 20 × 20–180 × 180 мк в наиболее обширных участках на удалении от кристаллов. Количество расплава в продуктах опытов оценивалось на основе обработки и анализа изображений, полученных на сканирующем электронном микроскопе, с помощью программного комплекса ImageJ.

Эксперименты при 6 кбар. При 700 и 750°C в породе не отмечены какие-либо изменения. В продуктах опыта при 800°C отсутствует мусковит, но появляется около 15 об. % стекла в виде пленок вокруг зерен граната, ильменита, апатита и кварца (рис. 1 а). На контактах стекла с зернами альмандинового граната образуются цепочки мелких зерен герцинит-магнетитовой шпинели, а в стекле присутствуют листочки новообразованного биотита, игольчатые кристаллы силлиманита и таблитчатые кристаллы калиевого полевого шпата (рис. 1 а). Фазовые взаимоотношения в продуктах опыта при 800°С указывают на реакцию

где Bt₁ – первичный биотит, Bt₂ – новообразованный биотит, а твердый раствор белой слюды (Ms) содержит алюмоселадонитовый и парагонитовый компоненты. При 850°C биотит все еще стабилен, причем его магнезиальность и содержание TiO₂ возрастают. При этой температуре и далее при 900°C количество шпинели, образующейся за счет граната, возрастает, а в продуктах опытов присутствует большее количество калиевого полевого шпата, чем при 800°C. В зернах ильменита появляются ламели (структуры распада) и внешние каймы, обогащенные FeO и V₂O₃.

Эксперименты при 10 кбар. При 700°C в породе не выявлены какие-либо изменения. При 750°C в биотите появляются выделения богатой Fe фазы (вероятно, магнетита), а в зернах ильменита – ламели, обогащенные гематитом. На контакте мусковита с гранатом и ильменитом образуется более богатый Ti биотит. Стекло в продуктах опыта при 750°С отсутствует. Оно появляется в продуктах опыта при 800°C в виде пленок, образующих агрегаты с новообразованным биотитом вокруг листочков мусковита (рис. 1 б). Также, как и при 6 кбар, магнезиальность и содержание TiO₂ в новообразованном биотите увеличиваются. Текстурных признаков участия граната в реакциях плавления в продуктах опыта нет. Так что начало частичного плавления при 10 кбар и 800°C можно представить в виде реакции

которая аналогична реакции в работе [5]

В отличие от эксперимента при 6 кбар и 800°С, в продуктах которого отсутствует мусковит и присутствует примерно 15 об. % расплава (табл. 1), в продуктах опыта при 10 кбар и 800°С мусковит присутствует, а количество расплава не превышает 5 об. % (рис. 1 б). При 850 и 900°C исчезновение мусковита и уменьшение количества биотита привели к образованию бóльшего количества расплава (20–25 об. %). Активное разложение биотита и образование новых более магнезиальных (X_Mg = 0.26–0.30; X_Ca = 0.03–0.04 ) зон на зернах граната (рис. 1 в) указывают на реакцию [2, 5, 6]:

Новообразованный гранат характеризуется содержанием TiO₂ до 0.7 мас. % (в отличие от изначального граната, содержащего <0.01 мас. % TiO₂), что обусловлено участием Ti-компонента биотита и ильменита в реакциях плавления.

Эксперименты при 15 кбар. Плавление породы при 15 кбар начинается при 850°C, но при этой температуре в ней все еще устойчивы мусковит и биотит (рис. 1 г). Тонкие пленки расплава появляются в контактах мусковита, граната, кварца и биотита. На зернах граната образуются внешние более магнезиальные каймы, а в стекле – отдельные изометричные кристаллики новообразованного граната (рис. 1 г). В сравнении с гранатом при 10 кбар он характеризуется меньшей магнезиальностью (X_Mg = 0.18–0.23), но большим содержанием гроссуляровой составляющей (X_Ca = = 0.05–0.06). Он также содержит TiO₂, указывая на участие Ti-содержащих фаз в реакциях плавления. Наряду с гранатом в стекле присутствуют силикат Al (вероятно, кианит) и калиевый полевой шпат. При 15 кбар вместо ильменита становится стабилен рутил, благодаря смещению реакции

вправо с ростом давления [14]. Таким образом, частичное плавление при 15 кбар, по-видимому, начиналось при участии обеих слюд и граната согласно реакции где Grt₁ – изначальный гранат, Grt₂ – новообразованный гранат. Реакция (5 а) аналогична реакции предсказанной в [5] при давлении порядка 16 кбар между 850 и 900°С. В продуктах опыта при 900°C отсутствуют слюды, новый гранат образует каймы на реликтовых зернах и отдельные зерна в обширных участках стекла, содержащих также калиевый полевой шпат и силлиманит (рис. 1 д).

Итак, плавление бесплагиоклазового гранат-двуслюдяного метапелита начинается при температуре между 750 и 800°С при 6 кбар, около 800°С при 10 кбар и около 850°C при 15 кбар (рис. 2), отражая положительный dP/dT-наклон солидуса породы, характерного для реакций дегидратационного плавления (рис. 2, [7]). Указанные температуры находятся в интервале температур плавления плагиоклазсодержащих двуслюдяных ассоциаций [1–8] (рис. 2). Минеральные ассоциации, появляющиеся при плавлении гранат-двуслюдяного метапелита, также близки к тем, что образуются при плавлении плагиоклазсодержащих двуслюдяных ассоциаций. Появление герцинит-магнетитовой шпинели на контактах стекла с зернами альмандинового граната при 6 кбар согласуется с результатами экспериментов [3] и РТ-условиями стабильности альмандина в условиях кислородного буфера FMQ [15]. При давлении 10 кбар начало плавления контролируется инконгруэнтным плавлением мусковита (+кварц) согласно реакциям (2 а, 2 б), в которых гранат, по-видимому, не принимает участие. По своей направленности и температуре эти реакции аналогичны реакции

характерной для плагиоклазсодержащих ассоциаций [1–8]. При 10 кбар ведущую роль в плавлении метапелита также приобретает реакция (3) [2, 5, 6], которая является аналогом реакции в ассоциациях, содержащих плагиоклаз [1–8]. Именно эта реакция продуцирует наибольшее количество расплава при плавлении метапелитов и метаграувакк [1–6]. Отсутствие новообразований биотита за счет мусковита при 15 кбар указывает на стабилизацию мусковита относительно биотита. Согласно [1] “мусковитовая” реакция (6) и “биотитовая” реакция (7) имеют разный положительный dP/dT-наклон. Причем dP/dT-наклон реакции (7) заметно меняется [6], становясь отрицательным [3], что приводит к пересечению линии этой реакции с линией реакции (6) при давлениях более 10 кбар (рис. 2). Это согласуется с работой [5], где точка пересечения бесплагиоклазовых реакций (2 б) и (3) отмечена при давлении ~16 кбар. Продукты опытов при 15 кбар демонстрируют (рис. 1 д), что частичное плавление, по-видимому, начиналось при участии обеих слюд с образованием граната. Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают теоретический анализ реакций плавления в системе KFMASH [5] и указывают на близость фазовых отношений при плавлении двуслюдяных ассоциаций, содержащих и не содержащих плагиоклаз.

Плавление бесплагиоклазового гранат-двуслюдяного метапелита ведет к образованию щелочных или щелочно-известковых гранитных расплавов (MALI > 7) с отношением FeO/(FeO + + MgO) > 0.7 и ASI > 1.1. При 6 кбар расплавы наиболее богаты SiO₂ (75–77 мас. %), но и наиболее бедны Al₂O₃ (12–14 мас. %) (рис. 3). При этом давлении и температурах 800–850°С образуются наименее “мафические” расплавы, содержащие <1 мас. % MgO + FeO (рис. 3). Такие характеристики расплавов при 6 кбар обусловлены следующими факторами. Во-первых, при этом давлении с расплавами равновесна шпинель (рис. 1 а), забирающая из них заметное количество Al₂O₃. Во-вторых, при этих условиях плавление определяется реакцией (1), при которой FeO и MgO фиксируются в новообразованном биотите. Более активное участие биотита в реакциях плавления при 10 кбар приводит к формированию наиболее “мафических” расплавов (1.5–2 мас. % MgO + FeO) (рис. 3). По сравнению с расплавами при 6 кбар, при давлениях 10 и 15 кбар расплавы содержат 71–73 мас. % SiO₂ и 14–15 мас. % Al₂O₃ при близком содержании K₂O + Na₂O (8–10 мас. %) (рис. 3). Вариации состава расплавов с давлением объяснимы сменой перитектических фаз – шпинели при 6 кбар на гранат при 10 и 15 кбар. Более активное образование граната при 15 кбар (рис. 1 д) приводит к тому, что расплавы становятся чуть менее богатыми MgO + FeO (1.0–1.5 мас. %) по сравнению с расплавами при 10 кбар (рис. 3).

При всех давлениях с температурой в расплавах растут содержания CaO и TiO₂. Поведение CaO определяется участием в реакциях плавления апатита. Благодаря апатиту содержание CaO в расплавах выше содержания этого компонента в расплавах, образующихся при плавлении ассоциаций с плагиоклазом [1–6] (рис. 3). Участие апатита в реакциях плавления подтверждается наличием P₂O₅ в расплавах, которое меняется от <0.1 мас. % при 6 кбар (900°С) до 1.2 мас. % при 10 кбар (900°С) в соответствии с закономерностями растворимости апатита в высокоглиноземистых гранитных расплавах [16]. При 15 кбар содержание P₂O₅ в расплавах немного понижается до 0.4–0.6 мас. %, что коррелирует с количеством апатита, участвующем в процессе плавления. Так, в продуктах опыта при 10 кбар и 900°С апатит практически отсутствует, тогда как в продуктах опытов при 15 кбар и 900°С его значительно больше. Рост концентрации TiO₂ с температурой отражает возрастающую степень участия титансодержащего биотита и ильменита в реакциях частичного плавления. Меньшее содержание TiO₂ в расплавах при 15 кбар, чем в расплавах при 10 кбар, связано с замещением ильменита рутилом (рис. 1 д) согласно реакции (4).

Плавление бесплагиоклазового гранат-двуслюдяного метапелита приводит к образованию ультракалиевых (K₂O/Na₂O > 8) расплавов, содержащих 7–9 мас. % K₂O (рис. 3). Расплавы, образующиеся при 6 и 10 кбар, содержат менее 1 мас. % Na₂O, что, по-видимому, связано с бóльшим перераспределением этого компонента в калиевый полевой шпат. Сравнение их составов с составами расплавов, образующихся при плавлении двуслюдяных ассоциаций, содержащих плагиоклаз [1–6], демонстрирует, что даже малое присутствие плагиоклаза в породе (напр., 4 об. % в экспериментах [2]), ведет к заметному обогащению расплавов Na₂O (K₂O/Na₂O < 5), а при содержании плагиоклаза в изначальной ассоциации в количестве 11–28 об. % [1] отношение K₂O/Na₂O в расплавах становится менее 2.

Cодержания Al₂O₃, CaO, FeO, MgO, K₂O в расплавах, полученных при частичном плавлении бесплагиоклазового двуслюдяного метапелита, сопоставимы с содержаниями этих компонентов в лейкогранитах и аляскитах (рис. 3). Однако содержание Na₂O в этих гранитах заметно выше, чем его содержание в расплавах, полученных в экспериментах (рис. 3). Это подтверждает ведущую роль плагиоклаза в коровом источнике магм, формирующих лейкограниты и аляскиты (напр., [9]). По содержанию K₂O и Na₂O расплавы из продуктов экспериментов наиболее близки к составам ультракалиевых риолитов, известных в тектонических обстановках растяжения ([10–12] и ссылки в этих работах). Это согласуется с моделями образования таких магм в ходе высокотемпературного плавления коровых источников и последующим активным фракционированием плагиоклаза (и накоплением K₂O) в ходе эволюции магм ([10, 11] и ссылки в этих работах). Однако в работе [10] показано, что образование ультракалиевых кислых магм может быть связано напрямую с плавлением богатых калиевым полевым шпатом пород в нижней-средней коре при температурах более 900°С, а эволюция их состава обусловлена фракционированием не плагиоклаза, а калиевого полевого шпата. Этот вывод также согласуется с экспериментами, продукты которых характеризуются обилием реститового калиевого полевого шпата (рис. 1 а–д). Подтверждением модели [10] для образования калиевых риолитов являются находки в гранатах из хондалитов пояса Керала (Индия) включений силикатных расплавов, которые характеризуются содержаниями K₂O > 7 мас. % при низких содержаниях Na₂O (<1 мас. %) и CaO [13]. Авторы [13] интерпретируют составы этих включений как результат реакции, аналогичной (3), без участия плагиоклаза при температурах более 850°С и давлениях 6–8 кбар. Ближе всего составы калиевых риолитов [10–12] воспроизводятся составами расплавов, полученных в экспериментах при давлении 6 кбар (850 и 900°С) (рис. 3). Этот факт демонстрирует, что калиевые риолиты могут представлять собой магмы, формирующиеся в относительно малоглубинных условиях. Подтверждением тому являются находки вкрапленников кордиерита в таких риолитах (напр., [12]). Однако в продуктах наших экспериментов при 6 кбар вместо кордиерита стабильна шпинель (рис. 1 а), что может быть обусловлено более высоким давлением, более высоким отношением FeO/(FeO + MgO) или более низкой активностью H₂O, чем те, которые необходимы для кристаллизации кордиерита (напр., [19]) в экспериментальных расплавах.

Таким образом, проведенные в данной работе эксперименты подтверждают возможность генерации ультракалиевых кислых (риолитовых) расплавов при плавлении двуслюдяных ассоциаций, не содержащих плагиоклаз. Однако ограничением этой модели может быть тот факт, что беcплагиоклазовые метапелиты редки в метаморфических комплексах, и их плавление не может обеспечить образование значительных объемов ультракалиевых кислых магм. Альтернативой прямому дегидратационному плавлению беcплагиоклазовых метапелитов может быть плавление плагиоклазсодержащих пород с участием флюидов, содержащих дополнительно калиевую солевую составляющую, которая способствует не только замещению плагиоклаза калиевым полевым шпатом, но и заметному росту K/Na-отношения в образующихся расплавах [20].