Crystallization temperatures of vetreny belt komatiitic basalts, Karelia, based on partition of alumina between olivine and chromite

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Коматииты – это высокомагнезиальные породы (>18 мас. % MgO), образование которых связано со значительным плавлением мантии при высоких температурах и давлениях. Поэтому они предоставляют ценную информацию о геохимии и температурном режиме мантии Земли [1]. Распределение коматиитов в истории неравномерно, большинство известных проявлений коматиитового магматизма приурочены к архейскому времени. Редкие находки коматиитов и связанных с ними высокомагнезиальных пород протерозойского возраста, такие как высокотитанистые коматииты в зеленокаменном поясе Карасйок, Норвегия [2], коматииты и коматиитовые базальты в поясе Циркум-Супериор, Канада [3], подчёркивают редкость этих пород в протерозое. И наконец, к единичным известным проявлениям фанерозойского возраста относятся коматииты о. Горгона, Колумбия [4] и рифта Сонг-Да, Вьетнам [5].

В данной статье рассматриваются коматиитовые базальты Ветреного пояса, Карелия, возрастом 2.41 млрд лет [6, 7]. Получены составы равновесных оливина и хромита, и температуры их кристаллизации. На основании этих данных проведена реконструкция условий кристаллизации. Продемонстрировано, что в процессе кристаллизации произошли дегазация и подъём температур коматиитовых магм.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ОБРАЗЦЫ

Ветреный Пояс представляет собой внутрикратонный палеорифт протяжённостью около 250 км и шириной до 85 км, расположенный в ЮВ-части Фенноскандинавского щита в пределах Карельского кратона на границе с Беломорским мобильным поясом. Это осадочно-вулканогенный комплекс протерозойского возраста, с несогласием, залегающим на архейском фундаменте Водлозерского блока, представленном формацией ТТГ (тоналит-трондьемит-гранодиорит). Ультрамафитовый магматизм комплекса, представленный в том числе коматиитовыми базальтами, относится к наиболее молодой части разреза – свите Ветреного пояса возрастом 2.41 млрд. лет [6].

В данной работе рассматриваются коматиитовые базальты лавового озера Виктория (рис. 1), [6, 7], расположенного в центральной части Ветреного пояса в окрестностях г. Большая Левгора. Образование лавового озера связано с тем, что расплав коматиитовых базальтов при извержении заполнил топографическую низменность. В процессе кристаллизации произошла дифференциация лавового озера на базальную кумулятивную часть, зону пироксенового и оливинового спинифекса и верхнюю закалочную зону. Для исследования был использован образец кумулатов 12103 из базальной части разреза. Кумулаты представляют собой существенно оливиновую породу, содержащую крупные фенокристаллы оливина и клинопироксена размером до 0.5 мм (рис. 2). Основная масса представлена девитрифицированным изменённым стеклом. Хромит представлен акцессорными зёрнами размером до 50 мкм. Породы претерпели метаморфизм зеленосланцевой фации, в результате чего вулканическое стекло полностью заместилось девитрифицированной основной массой.

 

Рис. 1. Схематический разрез лавового озера Виктория, Ветреный пояс, Карелия [7]. Стрелками на разрезе показаны участки отбора образцов из кумулятивной зоны, использованных в работе.

 

Рис. 2. Микрофотография оливина из образца оливинового кумулата 12103: а) изображение в отражённых электронах, б) карта распределения Р демонстрирует характерную для оливина магматическую зональность. Ol – оливин, cpx – клинопироксен.

 

МЕТОДЫ

Образец оливинового кумулата коматиитовых базальтов 12103 был использован для приготовления прозрачно-полированных шлифов. Исследование химического состава оливина и хромита было выполнено в Лаборатории локальных методов исследования вещества кафедры петрологии геологического факультета МГУ с использованием электронно-зондового микроанализатора “JEOL” JXA-8230. Для работы использовались прозрачно-полированные шлифы, предварительно покрытые углеродной плёнкой толщиной около 25 нм.

Аналитические измерения проводились при ускоряющем напряжении 20 кВ и силе тока электронного зонда 70 нА и диаметре пучка 1 мкм, как для оливина, так и для хромита. Детали аналитического протокола и стандартные образцы, использованные во время анализа, описаны в [8, 9]. Для каждого оливинового и хромитового зерна производилось до 3 анализов, усреднённые значения приведены в Приложении 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Оливин. Средние составы 25 зёрен оливина из образца 12103 представлены в Приложении 1 и нанесены на рис. 3 в сравнении с составами оливина из архейско-протерозойских коматиитов [10]. Краевые части зёрен обогащены железом. В рамках работы были проанализированы только центральные магнезиальные зоны оливина. Содержания Fo в оливине находится в диапазоне 87.5–82.2 мол. % (Fo = MgO/[MgO+FeO]*100, мол. %). Содержания Al₂O₃ в оливине находятся в диапазоне 0.027–0.049 мас. %. В центральных частях зёрен не наблюдается зональности по Mg#, но наблюдается зональность по содержанию Р (рис. 2). Концентрации Ti и Mn в оливине демонстрируют отрицательную корреляцию с содержанием Fo, в то время как для Ni наблюдается положительная корреляция (рис. 3). Наличие сильных корреляций в оливине между содержанием Fo и другими элементами свидетельствуют о том, что при анализе удалось успешно избежать изменённых областей, обогащённых железом. Не наблюдаются корреляции содержаний Fo в оливине с Cr, Al и Ca. Полученные данные согласуются с составами оливина из изученного ранее образца 12105 оливиновых кумулатов лавового озера Виктория [11]. В целом, состав оливинов из коматиитов Ветреного пояса продолжает тренд коматиитов архейского возраста в железистой части (Fo <89 мол. %, рис. 3).

 

Рис. 3. Состав оливина из коматиитовых базальтов Ветреного пояса образца 12103 (эта работа) в сравнении с составами оливина из типичных архейско-протерозойских коматиитов [10] и образца 12105 [11].

 

Хромит. Средние составы хромитов образца оливиновых кумулатов 12103 приведены в Приложении 1. Анализируемые зёрна находятся в виде включений в оливине, имеют Cr# (атомное отношение Cr/[Cr+Ti+Al+Fe³⁺]) в диапазоне 0.64–0.67, что согласуется с калибровочным диапазоном Al-геотермометра [12] (Cr# 0.00–0.69). Содержание Fe³⁺, определённое в предположении идеальной стехиометрии как 0.05–0.07 катионов на формульную единицу, также соответствует калибровочному диапазону геотермометра (0.00 до 0.11 ф.е., [12]). Проанализированные зёрна хромита характеризуются Mg# [=Mg/(Mg+Fe²⁺)] в диапазоне 0.12–0.25 и сильной линейной корреляцией между содержанием MnO и Mg#, что указывает на неизменённый характер проанализированных зёрен.

Термометрия по содержанию Al в оливине. Оценки температуры на основе Al-геотермометра в оливине [12] были проведены для диапазона составов оливина от 82.2 до 87.5 мол. % Fo. Данный диапазон является продолжением кристаллизационного тренда коматиитовых базальтов Ветреного пояса, которые начали кристаллизацию с Fo 89.5 мол. % [6], и для которых были опубликованы температуры кристаллизации [11]. Результаты термометрии приведены в Приложении 1 как среднее из трёх определений для каждой пары оливин-хромит. Средняя погрешность для выборки составляет ±11°C, (здесь и далее погрешности указаны для 95% доверительного интервала), что ниже опубликованной ошибки метода ±25°C [12]. Главным источником ошибки является погрешность в измерениях концентраций Al в оливине. Средняя погрешность определения Al₂O₃ в оливине составила ±0.011 мас. %.

Средняя температура для N = 25 составляет 1253±11°C, что в пределах ошибки соответствует ранее опубликованным оценкам для более магнезиального образца 12105–1240±25°C [11]. Полученные температуры изображены на рис. 4 как функция содержания Fo в оливине. Корреляции между содержанием Fo в оливине и температурой не наблюдается. Для сравнения нанесены линии кристаллизации родоначального расплава Ветреного пояса с номинально безводным составом и при исходном содержании 1 мас. % H₂O.

ДИСКУССИЯ

Вторичные преобразования. Архейские и протерозойские коматииты подвержены воздействию вторичных преобразований, которые затрудняют изучение первичных геохимических характеристик этих пород. Метаморфизм дополнительно усугубляет эту проблему, изменяя первичные минеральные ассоциации и приводя к перераспределению элементов.

Горные породы в разрезе лавового озера Виктория, являющегося частью ультрамафической свиты Ветреного пояса, обладают высокой степенью сохранности. Они испытали метаморфизм зеленосланцевой фации, что привело к полной девитрификации и изменению вулканических закалочных стёкол, а также к частичному замещению первичных минералов вторичными. Тем не менее, породы содержат большое количество реликтов оливина, клинопироксена и хромита. Высокую степень сохранности пород подтверждает наличие магматической зональности по Р в оливине (рис. 2) и наличие значимых корреляций между содержанием MgO в породах и многими элементами, несовместимыми с оливином [7] – т.е. линии оливинового контроля, которые отражают эволюцию состава расплава при фракционной кристаллизации оливина.

Субсолидусное переуравновешивание. Прежде чем начать обсуждение условий кристаллизации опираясь на данные оливиновой термометрии, необходимо сказать несколько слов о равновесности системы применительно к изученным кумулатам лавового озера Виктория. Применение Mg–Fe-обменного оливин-шпинелевого геотермометра [13] к изученным парам оливина и хромита даёт температурные оценки в диапазоне 400–900°С. Очевидно, что полученные температуры демонстрируют наличие твердофазного субсолидусного переуравновешивания Mg–Fe между оливином и хромитом на пост-кристаллизационном этапе. Это широко известный эффект, т. к. FeO/MgO-отношения в шпинелидах подвержены субсолидусному переуравновешиванию [12, 13]. Наличию субсолидусного переуравновешивания способствует также длительная история остывания, характерная для крупных тел (глубина озера Викторя превышал 100 м, рис. 1).

Несмотря на субсолидусное низкотемпературное переуравновешивание Fe и Mg, Al или Cr в гораздо меньшей степени подвержены данным эффектам за счёт более низких скоростей диффузии, что оставляет возможность для применения Al-геотермометра в оливине [12].

Условия кристаллизации. Хорошо известен эффект понижения температур кристаллизации в магматической системе при наличии водного флюида в расплаве [14]. Поэтому независимая оценка температур кристаллизации является одним из методов для определения наличия воды в системе.

Как было показано в работе [11], температуры кристаллизации для наиболее ранних оливин-хромитовых пар, в диапазоне составов оливина 89.0–86.4 мол. % Fo образуют облако точек вокруг линии кристаллизации магмы с 1 мас. % H₂O со средним значением температуры 1240±25°C. Эти наблюдения подтверждают наличие воды в магмах Ветреного пояса и согласуются с прямыми измерениями воды в расплавных включениях в оливине на уровне не менее 0.4±0.2 мас. % H₂O [11]. Тем не менее, учитывая ранний характер контаминации расплавов веществом континентальной коры и её существенную степень (не менее 15% [11]) проблематично установить источник воды, и высока вероятность, что вода была привнесена вместе с ассимилированным материалом коры.

Настоящая работа дает оценки температур на более поздних этапах кристаллизации, в диапазоне Fo 87.5–82.2 мол. %. Температуры кристаллизации для диапазона Fo 87.5–86.0 мол. % c средним значением Т = 1240±25°C согласуются с оценками, полученными для наиболее ранних этапов кристаллизации и ложатся на линию кристаллизации с 1 мас. % H₂O (рис. 4). На более поздних этапах кристаллизации после Fo 86.0 мол. % температурные оценки смещаются в сторону линии безводного ликвидуса. Это может свидетельствовать о дегазации магм в процессе кристаллизации в поверхностных условиях, что также ранее описывалось для архейских коматиитов [15]. При этом средняя температура для этой группы данных составляет 1260±9°C, для N = 17, что на 20°С превышает температуры кристаллизации более примитивных оливин-хромитовых пар. Это систематическое различие между группами точек наблюдается несмотря на погрешность определения температур и может являться результатом эффекта выделения скрытой теплоты плавления при массовой кристаллизации магматической системы в процессе её дегазации [16]. Нами было проведено моделирование кристаллизации расплава коматиитовых базальтов Ветреного пояса с помощью программы Petrolog3 [17] на отрезке составов оливина Fo 86.4–82.4 мол. % с применением набора моделей для кристаллизации оливина [18], орто- и клинопироксена [19] и шпинели [20]. Данная модель предполагает, что основной кристаллизующейся фазой в указанном диапазоне является оливин. Хромит также кристаллизуется на этом отрезке, но является акцессорной фазой, имеющей незначительное влияние на степень кристаллизации системы. В конце заданного диапазона, начиная с Fo 82.4 мол. %, на ликвидусе появляется ортопироксен, не внося значительный вклад в массу кристаллического вещества. Степень кристаллизации в диапазоне Fo 86.4–82.4 мол. % составляет порядка 8%. Согласно оценкам, приведённым в работе [16] для андезитовых систем, 1% кристаллизации плагиоклаза+ортопироксена+магнетита приводит к подъёму температуры системы на 3.2°С. Так как фазы, кристаллизующиеся из магм Ветреного пояса, являются более тугоплавкими, то оценка [16] рассматривается нами как минимальная и согласно ей, 8% кристаллизации приведут к разогреву системы на ~26°С, что сопоставимо с наблюдаемыми данными.

 

Рис. 4. Температуры кристаллизации коматиитовых базальтов Ветреного пояса, полученные с помощью Al-термометрии в оливине [12]. Данные для образца 12105 из [11]. Пунктирными линиями показаны линии кристаллизации расплава коматиитовых базальтов без водного флюида и исходного расплава, содержавшего 1 мас. % H₂O. Крупными значками показаны средние температуры кристаллизации для образцов 12105 и 12103 (для Fo <86 мол. %). Стрелка отражает повышение температуры в расплаве.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Температуры кристаллизации коматиитовых расплавов Ветреного пояса на ранних стадиях кристаллизации, полученные по Al-термометрии в оливине, составляли 1240±25°C. Это указывают на наличие водного флюида в расплаве на ранних этапах кристаллизации (начиная с Fo 89.0 мол. %), что согласуется с прямыми измерениям воды в расплавных включениях в оливине на уровне 0.4±0.2 мас. % H₂О. На более поздней стадии кристаллизации начиная с Fo 86.0 мол. %, вероятно, произошел подъём температур кристаллизации до 1260±9°C. Это является возможным свидетельством дегазации расплавов коматиитовых базальтов. Потеря водного флюида могла привести к массовой кристаллизации оливина на уровне 8% и высвобождению скрытой теплоты плавления, приведшей к разогреву в закрытой системе на 26°С. Дегазация расплава при низких содержаниях воды в расплаве свидетельствует о кристаллизации в приповерхностных условиях. Для подтверждения данной гипотезы авторы планируют расширить статистику данных по температурам кристаллизации коматиитовых базальтов Ветреного пояса и дополнительно изучить составы расплавных включений в оливине.

Благодарности

Авторы выражают благодарность И.С. Пухтелю за предоставление образцов для исследования, В.О. Япаскурту за помощь в проведении микрозондовых исследований.

Источник финансирования

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 22-77-00081, https://rscf.ru/project/22-77-00081/

About the authors

E. V. Asafova

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: asafoff@geokhi.ru
Russian Federation, Moscow

A. N. Koshlyakova

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: asafoff@geokhi.ru
Russian Federation, Moscow

A. V. Sobolev

University Grenoble Alpes

Email: asafoff@geokhi.ru

Academician of the RAS, l’Institut des Sciences de la Terre

France, CS40700, 38058 Grenoble CEDEX 9

D. P. Tobelko

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: asafoff@geokhi.ru
Russian Federation, Moscow

N. N. Koshlyakova

Lomonosov Moscow State University

Email: asafoff@geokhi.ru

Faculty of Geology

Russian Federation, Moscow

S. V. Mezhelovskaya

Geological Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: asafoff@geokhi.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files