Статья: Физико-химические параметры формирования ультрамафитов из офиолитов Кузнецкого Алатау

¹ Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

^{2 Национальный исследовательский Томский государственный университет}

³Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

⁴ Казанский федеральный университет

Физико-химические параметры формирования ультрамафитов из офиолитов Кузнецкого Алатау

В.А. Симонов^{1, 3}, ⁴, А.И. Чернышов², А.В. Котляров^{1, 4}

Исследования расплавных включений в хромшпинелидах (и расчетное моделирование на основе их составов) свидетельствуют о кристаллизации оливинов (1 550-1 530 °С; 6,8-4,3 кбар) и хромшпинелидов (1 430-1 250 °С) дунитов офиолитовой ассоциации Кузнецкого Алатау из пикритовых магм. Получен широкий интервал температур (1 220 °С- 1 165 °С-730 °С) субсолидусной рекристаллизации ультрамафитов, которые в дальнейшем подвергались многократным деформациям в процессе подъема из верхней мантии.

Ключевые слова: Офиолиты Кузнецкого Алатау, расплавные включения, субсолидусная рекристаллизация, пет- роструктурный анализ, деформации.

Введение

Условия формирования ультрамафитов привлекают внимание многочисленных исследователей. До настоящего времени не существует единой точки зрения на их генезис. Наиболее сложная ситуация с ультраосновными породами из офиолитовых ассоциаций, в составе которых выделяются два главных типа: тектонизированные гипербазиты основания офиолитов и ультрамафиты расслоенной серии [Колман, 1979]. В случае дунитов, которые присутствуют как среди ультраосновных пород основания офиолитов, так и в составе расслоенной серии, выяснение условий формирования становится еще более сложным. При этом офиолитовые ультрамафиты в ходе своей эволюции подвергаются воздействиям, часто приводящим к практически полному замещению первичных структур и минеральных ассоциаций вторичными комплексами с признаками пластических деформаций. В результате ультрамафиты, содержащие свежие неизмененные оливины, могут и не представлять исходный глубинный мантийный субстрат, а являться следствием процессов перекристаллизации уже в коровых условиях.

Таким образом, история развития ультрамафитов после их глубинной кристаллизации не заканчивается, и им предстоит пройти сложный путь. Прежде всего, они подвергаются процессам субсолидусной рекристаллизации. Затем, уже фактически в твердом состоянии, ультраосновные породы испытывают при высоких РТ параметрах пластическое течение при движении в верхние горизонты. В дальнейшем, на фоне снижения температур и давлений и в ходе продолжающихся деформаций, на ультрамафиты оказывают влияние процессы, заканчивающиеся серпентинизацией.

Для выяснения условий генезиса офиолитовых ультрамафитов требуется специальный подход, а традиционные петролого-геохимические и минералогические методы вряд ли дадут возможность однозначно решить проблемы магматических и деформационных систем при кристаллизации ультраосновных пород. Большую помощь в расшифровке параметров формирования ультрамафитов на магматогенном этапе могут оказать исследования рас- плавных включений в хромшпинелидах, успешно использованные нами в случае дунитов из офиолитовых ассоциаций Южной Тувы и Западного Саяна [Симонов и др., 2009; Добрецов и др., 2017], а также из других ультраосновных массивов Сибири и Урала [Симонов и др., 2008, 2011, 2016, 2017]. При этом для выяснения характеристик последующих процессов развития ультрамафитов необходимо изучение составов минералов и петроструктурный анализ.

В целом подобный комплексный подход, с использованием данных по расплавным включениям, а также по составам минералов и петроструктурному анализу, был применен нами к ультрамафитам из офиолитов Кузнецкого Алатау, что дало возможность расшифровать условия формирования дунитов (входящих в состав этой ассоциации) от их кристаллизации из расплавов в глубинных условиях до установления минерального равновесия на последних этапах пластического течения в верхних горизонтах.

Методы исследования

Проводились всесторонние исследования представительной коллекции ультраосновных пород офиолитов Кузнецкого Алатау, собранной авторами в районе Среднетерсинского массива во время многочисленных экспедиций в период с 1973 по 1994 г. Большое внимание уделялось изготовлению полированных с обеих сторон пластинок из представительных образцов ультрамафитов для поиска включений в минералах, а также изучению прозрачных шлифов для определения минерального состава пород и выяснения их петроструктурных особенностей. Химические составы минералов и расплавных включений установлены в ЦКП многоэлементных и изотопных исследований СО РАН (ИГМ СО РАН, г. Новосибирск).

Исследования расплавных включений в хром- шпинелидах из дунитов Среднетерсинского массива выполнены в лаборатории геодинамики и магматизма ИГМ СО РАН. Эксперименты при высоких температурах проводились с учетом того, что хромшпи- нелиды из ультраосновных пород практически непрозрачны и невозможно вести наблюдения за находящимися в них включениями в ходе нагрева. В связи с этим была применена особая методика опытов с использованием микрокамеры на основе силитового нагревателя [Симонов и др., 2017]. Мономинераль- ная проба (до 100-200 зерен фракции 0,5-0,25 мм) помещалась в графитовый контейнер с внутренними размерами в первые миллиметры. В ходе высокотемпературных экспериментов в этих миниконтейнерах при температурах свыше 1 100 °С создавались фактически восстановительные условия в результате реакции воздушного кислорода с графитом, что позволило сохранять хромшпинелиды (и находящиеся в них включения), несмотря на экстремальные условия экспериментов.

В целом опыты при высоких температурах проводились на основе методической информации из предыдущих работ, посвященных исследованиям расплавных включений [Симонов, 1993; Sobolev, Danyushevsky, 1994], с учетом малой вязкости расплавов (характерных для мафит-ультрама-фитовых комплексов) и сведения к минимуму возможности растворения матрицы хромита-хозяина: нагрев до 1 000-1 100 °С (8-10 мин), постепенный нагрев до 1 330-1 340 °С (10 мин), закалка. Для максимального превращения расплава во включениях в гомогенное стекло проводилась закалка в воде.

Составы включений и вмещающих их хромшпи- нелидов определены в ИГМ СО РАН (г. Новосибирск) на электронном сканирующем микроскопе MIRA 3 LMU [(Tescan Orsay Holding) с системой микроанализа INCA Energy 450+XMax 80 (Oxford Instruments Nanoanalysis Ltd.)] при ускоряющем напряжении 20 кВ, токе электронного пучка 1,5 нА и живом времени набора спектров 20 с. При данных условиях анализа погрешность определения основных компонентов (С > 10-15 мас. %) не превышает 1 отн. %. Погрешность определения компонентов с концентрациями 1-10 мас. % лежит в диапазоне 26 отн. % и обычно не превышает 10 отн. %.

Оливины и часть хромшпинелидов из дунитов были проанализированы на рентгеновском микроанализаторе Camebax-Micro (ИГМ СО РАН). Пределы обнаружения (мас. %) компонентов этим методом следующие: SiO2 - 0,007, ТІО2 - 0,032, AI2O3 - 0,011, &2О3 - 0,019, FeO - 0,019, MnO - 0,034, MgO - 0,011, CaO - 0,008, Na₂O - 0,017, K₂O - 0,009, Cl - 0,017, P₂O₅ - 0,011. Стандартами при анализе на микрозонде служили: ортоклаз (OR), альбит (AB), диопсид (DI), гранат (О-145), базальтовое стекло (GL).

Петроструктурный анализ дунитов Среднетер- синского массива проводился согласно методикам, рассмотренным в предыдущих работах [Гончаренко и др., 1982; Гончаренко, 1989; Чернышов, 2001]. Микроструктурный анализ главных породообразующих минералов является неотъемлемой частью петроструктурного изучения ультрамафитов. Он позволяет установить предпочтительные ориентировки минералов по внутреннему строению, которые, в свою очередь, являются отражением термодинамических условий их пластических деформаций. Динамокинематическая интерпретация полученных микроструктурных диаграмм проводилась с использованием обширных данных по экспериментально и природно деформированным породам и минералам отечественных и, в большей мере, зарубежных исследователей [Гончаренко, 1989; Чернышов, 2001; Nicolas, Poirier, 1976; Mercier, 1985; Karato et al., 2008].

Основой для определения физико-химических параметров магматогенной кристаллизации дунитов Среднетерсинского массива послужили данные по расплавным включениям в хромшпинелидах, обработанные с помощью программ PETROLOG [Danyushevsky, Plechov, 2011], COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004] и PLUTON [Лавренчук, 2004].

При выяснении условий субсолидусных (постмагматических) равновесных систем были применены минералогические термометры и барометры [Fabries, 1979; Ballhaus et al., 1990]. Значительный интерес представляет совместное использование результатов петроструктурного анализа и данных по флюидным включениям, позволившее оценить параметры пластического течения ультрамафитов.

Геолого-петрологические особенности офиолитов Кузнецкого Алатау

Офиолитовая ассоциация Кузнецкого Алатау наиболее детально исследовалась нами в районе Среднетерсинского массива (в истоках рек Нижней и Средней Терси, а также р. Кии) во время экспедиций в 1973, 1976, 1979, 1988, 1991, 1994 годах. Состав и строение этих офиолитов рассмотрены во многих работах [Пинус и др., 1958; Кортусов, 1967; Коновалова, Прусевич, 1977; Гончаренко и др., 1982; Гончаренко, 1989; Симонов, 1993 и др.].

В составе офиолитовой ассоциации Среднетер- синского массива (рис. 1) выделяются несколько комплексов: дунит-гарцбургитовый, дунит-верлит- клинопироксенитовый, габброидный, дайковый и эффузивно-осадочные породы. В нижних частях разреза залегают оливин-антигоритовые метаморфи- ты, выше, через тектонический контакт, располагаются породы дунит-гарцбургитового комплекса.

Основное внимание в данной статье уделено дунитам, часто слабо серпентинизированным с преобладанием хорошо сохранившегося оливина и содержащим практически неизмененные акцессорные хромшпинелиды. Присутствуют также в незначительном количестве орто- и клинопироксены. Представительные анализы изученных дунитов Средне- терсинского массива приведены в табл. 1.

Дуниты постоянно обнаруживают признаки пластической деформации и рекристаллизации, которые выражаются в неоднородном погасании, наличии полос пластического излома, в вариациях размера зерен породообразующих минералов, в появлении наложенной директивности, а также в проявлении синтек- тонической рекристаллизации. Совокупность и сочетание этих признаков проявляются в разнообразных микроструктурах, преимущественно оливина, которые отражают прогрессивный этап метаморфизма ультрамафитов. Их формирование обусловлено внут- рикристаллическим трансляционным и межзерновым скольжением, а также синтектонической рекристаллизацией оливина [Чернышов, 2001].

Рис. 1. Схема геологического строения офиолитовой ассоциации Кузнецкого Алатау в районе Среднетерсинского массива

1-5 - офиолитовые комплексы: 1- гипербазиты дунит-гарцбургитового комплекса; 2- дунит-верлит-клинопироксенитовый комплекс; 3 - габброиды; 4 - комплекс, содержащий серии параллельных даек типа «дайка в дайке»; 5 - комплекс, содержащий серии разноориентированных даек и силлов; 6 - хлоритовые сланцы, песчаники, известняки; 7 - габбро-диориты ордовика; 8, 9 - девонские образования: 8 - гранитоиды, 9 - конгломераты, песчаники, туфы; 10 - докембрийские комплексы мраморов, амфиболитов, кристаллических сланцев; 11 - границы офиолитов и других комплексов (а), тектонические нарушения (б). Рисунок построен на основе оригинальных экспедиционных данных с использованием материалов из работы [Гончаренко и др., 1982]

Fig. 1. The scheme of a geological structure of ophiolite association of the Kuznetsky Alatau at the region of the Srednetersinsky massive

1-5 - ophiolite complexes: 1 -ultrabasic rocks of dunite-harzburgite complex; 2 - dunite-wehrlite-cnipyroxene complex; 3 - gabbro;

4 - complex containing a series of parallel dykes of «dyke in dyke» type; 5 - complex containing a series of different directed dykes and sills; 6 - chlorite schists, sandstones, limestones; 7 - Ordovician gabbro-diorite; 8,9- Devonian formations: 8 - granites, 9 - conglomerates, sandstones, tuffs; 10 - Precambrian complexes of marble, amphibolites, crystal schists; 11 - borders of ophiolites and other complexes (a); tectonic breakdowns (b). Figure is constructed on the basis of the original expeditional data with use of materials from work [Goncharenko et al., 1982]

Таблица 1 Представительные анализы (мас. %) дунитов из офиолитов Кузнецкого Алатау

Table 1 Representative analyses (wt. %) of dunites from Kuznetsky Alatau ophiolites