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

Примечание. FeO* - общее железо.

Note. FeO* - the total iron.

Магматический этап формирования ультрамафитов

Детальные исследования всех типов ультрамафи- товых пород (дуниты, гарцбургиты, лерцолиты, верлиты) из офиолитов Кузнецкого Алатау показали, что только в случае дунитов Среднетерсинского массива удалось найти расплавные включения в акцессорных хромшпинелидах.

Были изучены первичные включения (10-60 мкм), после высокотемпературных экспериментов содержащие стекло, кристаллические и флюидные фазы (рис. 2). Наличие первичных расплавных включений в хромшпинелидах из дунитов прямо свидетельствует об участии расплавов при формировании этих пород.

Исследования расплавных включений в хромшпинелидах (табл. 2) позволили установить состав расплавов, из которых формировались дуниты офиолитов Кузнецкого Алатау. По соотношению MgO - SiO₂ (см. рис. 3) валовые составы прогретых рас- плавных включений образуют основную группу, перекрывающую поле ультрамафитов (лерцолиты, верлиты, клинопироксениты) расслоенного комплекса из офиолитов Кузнецкого Алатау и по содержанию MgO отвечающую пикритам. При этом закалочные стекла в прогретых включениях показывают эволюцию расплава от пикритоидов к породам базальтового состава, образующим габброидные и дайковые серии офиолитов. Таким образом, рас- плавные включения фактически отражают эволюцию исходных пикритовых магматических систем с образованием оливиновых кумулятов (дунитов) и остаточных расплавов, из которых впоследствии формируются офиолитовые габброиды и дайки.

В целом выяснено, что при кристаллизации уль- трамафитов, входящих в состав офиолитов Кузнецкого Алатау, большую роль играли высокомагнезиаль- ные (преимущественно пикритовые) магмы с содержаниями MgO 22-30 мас. % (рис. 3). Эти данные послужили основой для определения Р7-параметров магматических процессов с помощью расчетного моделирования с использованием нескольких хорошо известных программ: PETROLOG [Danyushevsky, Plechov, 2011], COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004] и PLUTON [Лавренчук, 2004]. В результате оказалось возможным не только оценить температуру и давление, но и рассмотреть особенности эволюции расплавов при формировании дунитов (см. рис. 4-6).

Прежде всего, на основе данных по расплавным включениям в хромшпинелидах была рассмотрена с помощью программы COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004] кристаллизация расплава в ходе декомпрессионных процессов, что позволило оценить параметры давления.

Рис. 2. Расплавные включения в акцессорных хромшпинелидах из дунитов офиолитов Кузнецкого Алатау

Ст - закалочное стекло; Ол - оливин; Фл - местоположение флюидных фаз. Прямоугольниками отмечены участки площадного сканирования

Fig. 2. Melt inclusions in a ccessory Cr-spinels from dunites of the Kuznetsky Alatau ophiolites

Ст - quenching glass; Ол - olivine; Фл - a site of fluid phases. Rectangles note sites of the areal scanning

Таблица 2 Представительные анализы (мас. %) расплавных включений в хромшпинелидах дунитов из офиолитов Кузнецкого Алатау

Table 2 Representative analyses (wt. %) of melt inclusions in Cr-spinels of dunites from Kuznetsky Alatau ophiolites

Примечание. 1-8 - суммарное сканирование по площади расплавного включения; 9-20 - рассчитанный по составу и по соотношению фаз валовый состав включения; 21-25 - закальные стекла во включении.

Note. 1-8 - total scanning on the area of melt inclusion; 9-20 - calculated on composition and on a ratio of phases gross composition of inclusion; 21-25 - quenching glasses in inclusion.

Рис. 3. Диаграмма MgO - SiO₂ для расплавных включений в хромшпинелидах из дунитов офиолитов Кузнецкого Алатау

Fig. 3. Diagram MgO - SiO₂ for melt inclusions in Cr-spinels from dunites of the Kuznetsky Alatau ophiolites

Расплавные включения в хромшпинелидах из дунитов офиолитов Кузнецкого Алатау: InB - валовый состав (рассчитанный по составу и соотношению фаз, а также полученный путем площадного сканирования); InG - состав стекла в прогретых включениях. Офиолиты Кузнецкого Алатау: ультрамафиты (лерцолиты, верлиты, клинопироксениты) расслоенного комплекса (Um); габброиды (Ga); дайковый комплекс (Di). IncKar - поле расплавных включений в хромшпинелидах из дунитов Карашатского массива (офиолиты Южной Тувы). Пунктирной линией показан тренд основной группы валовых составов расплавных включений в хромшпинелидах Кузнецкого Алатау. Точечная линия - тренд составов стекол в прогретых включениях

Melt inclusions in Cr-spinels from dunites of the Kuznetsky Alatau ophiolites: InB - gross composition (calculated on composition and on a ratio of phases parity, and received by the total scanning on the area); InG - glass composition in heated-up inclusions. Kuznetsky Alatau ophiolites: ultramafic rocks (lherzolite, wehrlite, clinopyroxenites) of the stratified complex (Um); gabbro (Ga); dyke complex (Di). IncKar - a field of melt inclusions in Cr-spinels from dunite of the Karashatsky massive (ophiolites of the Southern Tuva). By the dashed line the trend of the basic group of main composition of melt inclusions in Cr-spinels of the Kuznetsky Alatau is shown. A dot line - a trend of compositions of glasses in the heated-up inclusions

Рассматривалась равновесная декомпрессионная кристаллизация от 10 кбар (от низов коры) до 2 кбар. Буфер QFM. dP/dF = 0,1 mol. Состав исходной магмы - данные по расплавному включению с MgO (28,35 мас. %, см. табл. 2), располагающемуся в начале тренда основной группы расплавных включений в хромшпинелидах Кузнецкого Алатау (см. рис. 3). Начальное содержание воды задавалось согласно результатам непосредственных анализов рас- плавных включений в хромшпинелидах дунитов из офиолитов Южной Тувы - 0,1 мас. % [Симонов и др., 2009].

На основе сравнения расчетных составов оливинов с реально имеющимися данными по минералам из ультрамафитов Кузнецкого Алатау (Fo = 90-94,4), оказалось возможным оценить давления, при которых кристаллизовались оливины изученных дунитов. Было выяснено, что рассмотренные нами оливины наиболее вероятно формировались в достаточно ограниченном диапазоне давлений (6,8-4,3 кбар) из широкого (начиная с 10 кбар) интервала (рис. 4). При этом содержание воды в эволюционирующем расплаве при давлении 6,8 кбар оценивалось около 0,14 мас. % (при 5,5 кбар - 0,17 мас. %), а SiO₂ - 47,3 мас. %, MgO - 20 мас. %. Наиболее близкие к этим параметрам характеристики имеет включение с содержанием SiO₂ 47,24 мас. % и MgO - 25,17 мас. % (табл. 2). Данные по составу этого включения были использованы в ходе дальнейшего расчетного моделирования.

Особенности изобарической фракционной кристаллизации пикритовых расплавов при формировании дунитов из офиолитов Кузнецкого Алатау выяснены с помощью программы PLUTON [Лавренчук, 2004]. Условия расчетов следующие. Состав исходной магмы - данные по расплавному включению с MgO (25,17 мас. %, см. табл. 2). Давление при этом задавалось как среднее интервала (6,8-4,3 кбар) - примерно 5,5 кбар. При этом давлении содержание воды (см. выше) - 0,17 мас. %. Буфер QFM.

Рис. 4. Зависимость состава образующегося оливина от давления в магматической системе при декомпрессионной кристаллизации пикритового расплава (MgO - 28,35 мас. %)

Fo - форстеритовый компонент. Расчеты проведены с помощью программы COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004]

Fig. 4. Dependence of composition of generated olivine from pressure in magmatic system during decompressional crystallization of picrite melt (MgO - 28,35 wt. %)

Fo - forsterite component. Calculations are spent by means of program COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004]

В результате моделирования было выяснено, что оливины из пикритового расплава (MgO - 25,17 мас. %) начинают кристаллизоваться в районе 1 530 °С и около 1 220 °С образование этого минерала практически прекращается. Фактически здесь устанавливаются параметры ликвидусной и субсолидусной кристаллизации оливинов из дунитов Кузнецкого Алатау. Как видно на рис. 5, ниже 1 210 °С кристаллизуется исключительно клинопироксен, что показывает возможность формирования пироксенитов офиолитов Кузнецкого Алатау из расплава. В целом при снижении температуры и в ходе кристаллизации минералов происходило закономерное изменение состава расплава с падением MgO и ростом остальных химических компонентов при формировании оливина, сменившееся резким падением кальция при образовании клинопироксена.

Расчеты изобарической равновесной кристаллизации пикритового расплава (MgO - 25,17 мас. %) с помощью программы COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004] (при тех же начальных условиях) свидетельствуют о практически аналогичных закономерностях эволюции расплава (рис. 6), показывая только некоторое повышение температур ликвидусной кристаллизации оливина (1 570 °С) и клинопироксена (1 220 °С), при таких же параметрах оливинового солидуса (1 220 °С).

Моделирование ликвидусной кристаллизации пикритовых расплавов (MgO - 25,17 мас. %) с помощью программы PETROLOG [Danyushevsky, Plechov, 2011] при давлениях 5,5 кбар (среднее для установленного интервала 6,8-4,3 кбар, см. выше) свидетельствует о том, что оливин формируется при температурах 1 550-1 535 °С. На основе сравнения расчетных составов хромшпинелидов с реально имеющимися данными по минералам из дунитов Кузнецкого Алатау (Cr# = 0,75-0,86), оказалось возможным оценить температуры, при которых наиболее вероятно кристаллизовались акцессорные хромиты из изученных дунитов - 1 430-1 250 °С.

Таким образом, было выяснено, что оливины из дунитов Кузнецкого Алатау формировались из пикритового расплава в достаточно ограниченном диапазоне давлений (6,8-4,3 кбар). При этом они начинают кристаллизоваться при температурах в районе 1 530 °С, и около 1 220 °С образование этого минерала практически прекращается. Фактически здесь устанавливаются параметры ликвидусной и субсолидусной кристаллизации дунитов. Ниже 1 210 °С кристаллизуется исключительно клинопироксен (который присутствует в рассмотренных дунитах), что показывает возможность формирования пироксенитов офиолитов Кузнецкого Алатау из расплава.

Рис. 5. Результаты расчетного моделирования фракционной изобарической кристаллизации пикритового расплава (MgO - 25,17 мас. %) с помощью программы PLUTON [Лавренчук, 2004]

Ol - оливин. Cpx - клинопироксен. Na + K - Na₂O + K₂O. Component - содержание в расплаве, %

Fig. 5. Results of calculating modelling of fractional isobaric crystallization of picrite melt (MgO - 25,17 wt. %) by means of program PLUTON [Lavrenchuk, 2004]

Ol - olivine. Cpx - clinopyroxene. Na + K - Na₂O + K₂O. Сотропепі - content in the melt, %

Рис. 6. Результаты расчетного моделирования изобарической равновесной кристаллизации пикритового расплава (MgO - 25,17 мас. %) с помощью программы COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004]

Ol - оливин. Aug - клинопироксен. Na + K - Na₂O + K₂O. Component - содержание в расплаве, %

Fig. 6. Results of calculating modelling of isobaric equilibrium crystallization of picrite melt (MgO - 25,17 wt. %) by means of program COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004]

Ol - olivine. Aug - clinopyroxene. Na + K - Na₂O + K₂O. Component - content in the melt, %

ультрамафит офиолит пикритовая магма

Таким образом, при снижении температуры и в ходе кристаллизации минералов происходило закономерное изменение состава расплава с падением MgO и ростом остальных химических компонентов при формировании оливина, сменившееся резким падением кальция при образовании клинопироксена.

В целом расчетное моделирование на основе данных по составам расплавных включений в акцессорных хромшпинелидах с использованием трех независимых программ позволило установить ключевые параметры процессов магматогенного формирования дунитов из офиолитов Кузнецкого Алатау. Ликвидусная кристаллизация оливина из пикритового расплава происходила при температурах 1 550-- 1 530 °С и давлениях около 6,8-4,3 кбар. Солидус оливина - около 1 220 °С. Кристаллизация хром- шпинелидов из расплава - 1 430-1 250 °С. Возможное образование клинопироксенов из расплава - 1 220-1 210 °С.

Субсолидусная рекристаллизация магматогенного оливинового субстрата

После кристаллизации из расплава происходила субсолидусная рекристаллизация магматогенного оливинового субстрата в офиолитах Кузнецкого Алатау. При расшифровке условий этого этапа большую помощь оказали минералогические термобарометры.