Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 510, № 2, стр. 174-180

ВВЕДЕНИЕ

Кимберлитовая трубка Обнаженная расположена на Оленекском поднятии на северо-восточной окраине Сибирского кратона [1–3]. Эта трубка относится к Куойкскому кимберлитовому полю, формирующему самую северную часть Якутской кимберлитовой провинции. Куойкское поле включает наиболее молодые трубки юрского возраста (171–156 млн лет) [1, 4, 5], которые не содержат алмазов в отличие от палеозойских и триасовых трубок Далдын–Алакитского кимберлитового поля Якутии. Кимберлиты Обнаженной выходят на поверхность и содержат обломки мантийных и осадочных пород.

Гранаты, клино- и ортопироксены из гранатовых пироксенитов и эклогитов трубки Обнаженная содержат большое количество ламелевидных структур, представляющих собой линейно ориентированные включения амфибола, граната, ильменита, кварца, клинопироксена, кричтонита, оливина, ортопироксена, рутила и хромита; клинопироксены (детальному изучению этого породообразующего минерала посвящена настоящая работа) содержат все перечисленные минералы за исключением кварца [6–11]. Появление подобных структур в образцах из трубки Обнаженная, как и во многих мантийных ксенолитах по всему миру, связывается исследователями со ступенчатой декомпрессией и стадийным охлаждением пород верхней мантии [8, 11]. Состав вебстеритов из мантийных ксенолитов трубки Обнаженная (с учетом продуктов распада) показывает, что они происходят из сверхглубинных обстановок (>6.0 ГПа), где стабилен мейджорит [8, 11]. Таким образом, высокотемпературные предшественники пироксенитов должны были образоваться в условиях, близких к сухому солидусу [11]. Перидотитовые ксенолиты содержат свидетельства в пользу двухстадийного прогрева мантийных пород в Куойкском поле [3] и неоднократной метасоматической переработки [12, 13]. Разогрев мантии в этом регионе мог быть связан с несколькими этапами рифтогенеза, приведшим к формированию хорбосуонских базальтов в раннем кембрии, Вилюйской магматической провинции в девоне и сибирских траппов в перми-триасе. Последнее наиболее масштабное магматическое событие было инициировано Сибирским суперплюмом [14, 15]. Этапы прогрева верхней мантии чередовались стадиями охлаждения и декомпрессии [9]. Как следствие, мантийные ксенолиты, вынесенные трубкой Обнаженная, содержат большое количество различных типов ламелевидных структур (минеральный состав фаз распада перечислен выше) [6–11].

Однако влияние наложенных мантийных процессов, таких как метасоматическое изменение и перекристаллизация (в том числе под действием кимберлитового расплава), на минеральные парагенезисы со структурами распада изучено недостаточно. Мантийный метасоматоз – важнейший геологический фактор, приводящий не только к изменению химического состава первичных минералов, но и к образованию новых минеральных ассоциаций в мантийных породах.

Настоящая работа посвящена исследованию гранатовых пироксентиов из кимберлитовой трубки Обнаженная, которые содержат новые ранее неописанные ламелевидные структуры в клинопироксенах. Появление этих ламелевидных структур связано с наложенным метасоматическим событием. Цель настоящего исследования – показать, что метасоматическая перекристаллизация повлияла на минералы, уже включающие структуры распада, и привела к появлению новых минеральных ассоциаций, замещающих исходные эксолюционные фазы и воспроизводящих (наследующих) морфологию структур распада.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Трубка Обнаженная представляет собой выход кимберлитовых пород 30 × 45 м и высотой около 20 м на берегу реки Куойка, левом притоке реки Оленек. Породы трубки прорывают доломиты туркутской свиты хорбусунской серии [1], представляющей кровлю венда [16]. Трубка содержит брекчиевидные класты преимущественно осадочных и метаморфических пород, а также небольшое количество ксенолитов мантийных пород до 1% от объема кимберлитовой брекчии, из которых более половины – пироксениты (44%) и эклогиты (12%) [2]. Остальные мантийные и ультраосновные ксенолиты представлены гарцбургитами, лерцолитами и флогопит-ильменитовыми гипербазитами [2]. Цементирующий матрикс представлен перетертым материалом кластов и карбонатным цементом.

Для нашего исследования были отобраны монофракции клинопироксена и граната из мантийных ксенолитов Об-28, Об-149 и Об-138. Изучение указанных образов было проведено ранее Ухановым и др. [2], который определил их как гранатовые пироксениты с равномернозернистой текстурой, где клино- и ортопироксен присутствуют в примерно равной пропорции. Пироксениты представляют из себя крупнозернистую породу с размером зерен породообразующих минералов ~5 мм. Более полное петрографическое описание, а также валовые силикатные составы изученных образцов приведены в работе Уханов и др. [2].

Здесь необходимо отметить, что мы поддерживаем определение породы как гранатовый вебстерит, предложенное Ухановым и др. [2] на основании модального содержания минералов в породе, несмотря на то, что для двух образов химический состав породообразующего клинопироксена, как будет показано ниже, соответствует омфациту – типичному минералу эклогитового парагенезиса. Подобная дискуссия уже имела место для мантийных ксенолитов из трубки Обнаженная, когда одни и те же образцы с одним и тем же модальным содержанием минералов в породе и одним и тем же химическим составом породообразующих минералов, сначала были названы Qi, et al. [6] эклогитами, а затем пересмотрены Taylor, et al. [7] как вебстериты. Это может напрямую повлиять на интерпретацию происхождения породы. Однако для целей настоящей статьи, где мы рассматриваем процессы метасоматического изменения исходной минеральной ассоциации вне зависимости от ее происхождения, не является существенным.

Минеральные зерна были вмонтированы в эпоксидные шайбы, на которые наносилось графитовое напыление. Морфология и химический состав минералов изучены на сканирующем электронном микроскопе “Hitachi” S-3400N с энергодисперсионным спектрометром Oxford X-Max 20 (Ресурсный центр “Геомодель” СПбГУ) и на электронно-зондовом микроанализаторе “JEOL” JXA-8230 (ЦКП “АИРИЗ”, ИГГД РАН [17]). Калибровка спектрометров произведена с использованием стандартов из природных и синтезированных материалов. Алгоритм ZAF применялся для коррекции матричного эффекта. Минимальный предел обнаружения элементов на энергодисперсионном спектрометре Oxford X-Max 20 составил <0.3 мас. %, а на микроанализаторе “JEOL” JXA-8230 < 0.05 мас. % (<0.08 мас. % для TiO₂).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Породообразующий клинопироксен (Cpx I) в образцах Об-28 и Об-149 является омфацитом с низким (25–26%) содержанием жадеитового минала (табл. 1). Клинопироксен (Cpx I) из обоих образцов содержит фазы распада, представленные новообразованным клинопироксеном (Cpx II), рутилом и иногда ильменитом (рис. 1 а и б). В образце Об-28 клинопироксен в эксолюционных ламелях (Cpx II) является омфацитом, но с более   высоким содержанием MgO (до 16.2 vs 12.8 мас. %), Al₂O₃ (до 10.8 vs 6.6 мас. %), и пониженным содержанием CaO (12.8 vs 17.8 мас. %) по сравнению с вмещающим породообразующим омфацитом (Cpx I) (табл. 1). В образце Об-149 состав клинопироксена в ламелях отвечает пижониту (рис. 1 а и табл. 1), он содержит еще больше MgO (26.6 мас. %) и FeO (2.6 vs 5.4 мас. %) и меньше CaO (7.4 мас. %) (табл. 1). Магнезиальность [Mg# = Mg/(Mg + Fe), моль. %] во всех описанных разновидностях клинопироксена, включая породообразующий, практически не меняется и колеблется в диапазоне 88.9–89.7. В составе рутила присутствуют примеси FeO, Cr₂O₃, Al₂O₃, суммарно <2.2 мас. % (табл. 1).

Рис. 1.

Структуры распада в породообразующих клинопироксенах из мантийных ксенолитов трубки Обнаженная (BSE-изображения). (а) Рутил (Rt), ильменит (Ilm) и клинопироксен (пижонит – Cpx II (Pgn)) в виде ламелей во вмещающем клинопироксене (Cpx I) из ксенолита Об-149. Sec. Amp – вторичный амфибол. (б) Омфацит (Cpx I (Omp)), содержащий в качестве продуктов распада рутил (Rt), и новообразованный омфацит (Cpx II (Omp)). Образец Об-28. (в) Ламели граната (Grt) светло-серого цвета и ортопироксена (Opx) темно-серого цвета в клинопироксене из вебстрита Об-138. Самые темные ламелеподобные структуры, секущие ламели ортопироксена, – частично серпентинизированные трещины. (г) Мультиэлементная карта отдельного фрагмента (красная область на рис. 1 в) с фазами распада во вмещающем клинопироксене из вебстрита Об-138. Цвета, указанные для Al, Fe, Ca, Si и Mg, – их относительные концентрации. Чем ярче цвет, тем выше относительная концентрация элемента.

Пироксенит Об-138 содержит клинопироксен с фазами распада, представленными гранатом, ортопироксеном, рутилом и шпинелью (рис. 1 в и г). Этот клинопироксен показывает следы поздней перекристаллизации. По морфологическим признакам и содержащимся в нем фазам распада, он может быть разделен на две части (рис. 2). Исходная неизмененная часть I сложена диопсидом (табл. 1). Перекристаллизованная часть II сложена диопсидом с меньшим содержанием Al₂O₃ (3.4 vs 6.0 мас. %) и Na₂O (1.8 vs 2.8 мас. %) и повышенным – MgO (15.8 vs 14.5 мас. %) и CaO (22.0 vs 20.5 мас. %). Амфибол – паргасит занимает около 50% в перекристаллизованной части зерна (часть II на рис. 2). Кроме того, в измененной части II рутил обогащен Cr₂O₃ (3.1 мас. %, табл. 1). Из-за малых размеров зерен рутила из части I (рис. 2) представительных анализов получить не удалось; однако спектры элементов, полученные на электронном микроскопе с энерогодисперсионным спектрометром, показали отсутствие Cr₂O₃ в рутиле.

Рис. 2.

Перекристаллизация клинопироксена (Cpx I) с эксолюционными ламелями ортопироксена (Opx) и рутила (Rt) (часть I) с образованием нового клинопироксена (Cpx II) и амфибола (Amp) (часть II). Grt – гранат. Вебстерит Об-138, BSE-изображение.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Проведенное нами исследование показывает, что охлаждение и декомпрессия мантии на глубине не являются единственным фактором появления ламелевидных структур в пироксенитах. В мантийных породах Куойкского поля были широко проявлены процессы карбонатного и силикатного метасоматоза, следы которых выявлены, главным образом, в перидотитах [12–14]. Подобная широкомасштабная метасоматическая активность не могла не затронуть другие породы литосферной мантии – пироксениты и эклогиты. Часть срастаний, морфологически похожих на ламелевидные структуры распада, может являться следствием метасоматической перекристаллизации минералов, в которых до этого уже находились фазы распада (напр., [18]). Хорошей иллюстрацией этому служит изученный гранатовый пироксенит Об-138 (рис. 2). Перекристаллизация диопсида с ламелями ортопироксена и рутила приводит к образованию нового диопсида с повышенным содержанием MgO и CaO, в котором вместо ортопироксена появляется большое количество закономерно ориентированных вростков паргасита, а рутиловые вкрапления обогащаются хромом (рис. 2 и табл. 1).

В клинопироксене-хозяине Об-28 и Об-149 ламели клинопироксена имеют неясное происхождение, нередко они приурочены к зонам трещиноватости. Составы породообразующих омфацитов, вмещающих ламели, в пироксенитах Об-28 и Об-149 очень близки – разница в содержании главных элементов не превышает 0.4 мас. %, за исключением Al₂O₃ (Δ = 0.9 мас. %) (табл. 1). Этот факт наряду с сильно различающимся составом клинопироксеновых ламелей, который варьирует от пижонитового до омфацитового (табл. 1), позволяет предположить, что различный состав ламелей в близких по составу вмещающих клинопироксенах обусловлен наложенным метасоматическим процессом. Такая картина, в отношении изменения химического состава, подобна повсеместно встречаемым “губчатым” структурам в клинопироксенах мантийных эклогитов [19, 20], образование которых происходит в результате совокупного воздействия декомпрессии при подъеме и кимберлитового расплава/флюида, пропитывающего ксенолиты по трещинам [20]. Здесь следует подчеркнуть, что сходство заключается в тенденции изменения химического состава клинопироксена “минерал-хозяин → ламель” в сторону составов, обогащенных MgO и FeO (табл. 1). Морфологически “губчатые” структуры и наблюдаемые нами фазы распада с ламелями клинопироксена в клинопироксене (Об-28 и Об-149) не имеют ничего общего. Однако мы полагаем, что метасоматически вызванное изменение состава клинопироксена могло происходить в обоих случаях по похожему сценарию. Возможно, присутствие расплава/флюида могло привести к фрагментарной перекристаллизации клинопироксена с его замещением и образованием ламелевидных участков нового омфацита или пижонита вдоль ослабленных зон (рис. 1 а). Кроме того, зерна клинопироксена с ламелями клинопироксена могут представлять из себя уже перекристаллизованные фрагменты, где разный состав ламелей (пижонит или омфацит) во вмещающем омфаците образцов Об-28 и -149, предположительно, связан с составом метасоматизирующего флюида, нежели контролируется составом вмещающего клинопироксена. Тем не менее это предположение относительно геологической истории образцов Об-28 и -149 остается дискуссионным, и, как мы убеждены, гранатовые пироксениты со структурами распада из трубки Обнаженная, особенно с ламелями или ламелеподобными фазами “клинопироксен-в-клинопироксене”, требуют дальнейшего комплексного и всестороннего изучения. Несмотря на это, уже полученные нами результаты, базирующиеся главным образом на изучении ксенолита Об-138 (рис. 2), достаточно хорошо демонстрируют еще один, ранее не описанный, путь образования ориентированных лемелевидных структур, морфологически схожих с первичными структурами распада. Таким образом, формирование, по крайней мере части вторичных ламелевидных структур в клинопироксенах из ксенолитов кимберлитовой трубки Обнаженная, происходило в результате замещения первичных мантийных минералов в структурах распада под воздействием метасоматического флюида/расплава. Наилучшей иллюстрацией этому процессу служит образец Об-138, содержащий первичную и перекристаллизованную части в одном зерне клинопироксена (части I и II на рис. 2).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что охлаждение мантии и различные пути образования мантийных пород – не единственные факторы, определяющие разнообразие ламелевидных структур в мантийных минералах Сибирского кратона, а вероятно, и в мантии других кратонов по всему миру. Наложенная метасоматическая перекристаллизация, затронувшая минералы, уже содержащие структуры распада, может привести к появлению новых минеральных ассоциаций, замещающих исходные эксолюционные фазы и наследующих морфологию структур распада.