Нами неоднократно проводились расчеты по оливин-хромшпинелевым термометрам [Fabries, 1979] температур твердофазовых равновесий в дунитах Среднетерсинского массива при субсолидус- ных условиях. В результате определены достаточно высокие интервалы температур, хорошо согласующиеся с данными по включениям в хромшпинелидах о завершении кумулятивной кристаллизации из расплава около 1 220 °С и характеризующие последующий этап субсолидусной рекристаллизации с установлением минеральных равновесий: 1 165-975 °С [Гончаренко и др., 1982], 1 125-895 ° С и 1 080935 °С [Ступаков и др., 1993], 1 017-870 °С [Ступаков, Симонов, 1997]. Расчеты с использованием более современных термометров [Ballhaus et al., 1990] показали несколько более низкие параметры - 930730 °С. В целом получен широкий интервал температур (1 165-730 °С), что свидетельствует о сложных, возможно длительных, процессах установления твердофазовых равновесий после кристаллизации из расплавов минералов офиолитовых дунитов Кузнецкого Алатау.
Пластические деформации ультрамафитов
Для дунитов из офиолитов Кузнецкого Алатау характерны деформационные структуры, свидетельствующие об интенсивных процессах преобразования ультраосновных пород после их первичной кристаллизации. Все разнообразие полученных оптических ориентировок оливина, выявленных в пластически деформированных дунитах, можно свести к трем главным типам.
Первый из них характеризуется ортогональным расположением максимумов Ng, Nm, Np, причем максимум осей Ng ориентирован субгоризонтально в северо-восточном направлении и совпадает с минеральной линейностью оливина и акцессорного хромшпинелида (Lo) (рис. 7, обр. 904/3). При этом минеральная уплощенность (S0) минералов ориентирована под острыми углами к максимумам Nm, Np. Второй тип отмечается наличием субгоризонтального, не имеющего строго фиксированного пространственного положения, Ng - максимума, совпадающего с первичной минеральной линейностью (Lc) (рис. 7, обр. Ст-121).
Оси Np и Nm образуют совмещенные пояса, ориентированные нормально к максимуму Ng. В поясах отмечается субвертикальный максимум осей Nm и горизонтальный максимум осей Np, которые распложены под острым углом к первичной минеральной уплощенности (S0). В породе устанавливается вторичная уплощенность (S1), ориентированная субнормально максимуму осей Np. При этом вторичная минеральная линейность (L1) ориентируется субвертикально и пространственно совмещается с максимумом осей Nm. Третий тип ориентировки оливина является результатом частичного разрушения первого и второго типов с образованием максимума Np и связанного с ним поясов Ng и Nm (рис. 7, обр. 910/2). При этом в породе сформировалась минеральная уплощен- ность (S2), нормальная локальному максимуму Nm, в которой минеральная линейность (L2) унаследует первичную линейность (Ьо) и располагается вблизи максимума Ng.
Выявленные типы петроструктурных узоров оливина закономерно связаны с ориентировкой их по форме зерен. Устанавливается четыре типа уль- трамафитовых тектонитов (рис. 8), отражающих эволюцию процесса деформирования ультраоснов- ных пород Среднетерсинского массива.
Тектониты первого типа сложены протограну- лярным оливином с линейностью хромшпинелидов (L1), расположенной вблизи его Ng-максимума (рис. 8, a).
Тектониты второго типа (рис. 8, b) возникли за счет частичного разрушения первичных тектонитов с образованием мезогранулярного типа микроструктуры оливина. Сформировавшаяся при этом линейность (L2) оливина унаследовала его первичную линейность (L1).
Третий тип тектонитов (рис. 8, с) является результатом разрушения первых двух тектонитов и образования на их месте порфирокластового типа микроструктуры оливина с линейностью (L3), тяготеющих к Nm-максимуму. Линейность акцессорного хромшпинелида (L1) сохраняет прежнее положение и совмещена с Ng-максимумом. Тектониты четвертого типа (рис. 8, d) представлены ультраме- таморфитами - оливин-антигори-товыми породами. При этом линейности зерен оливина и хромшпине- лида совмещены (L4), лежат в плоскости минеральной уплощенности S4 и располагаются вблизи Ng- максимума.
Рис. 7. Диаграммы ориентировки кристаллооптических осей оливина в дунитах Среднетерсинского массива
Проекция на верхнюю полусферу. Изолинии 1-2-4-6-8-10-12-14 % на 1 % сетки Шмидта. Точечная линия - плоскость минеральной уплощенности (S) с минеральной линейностью (L). Пояснения в тексте. Использованы данные из работы [Гончаренко и др., 1982]
Fig. 7. Orientation diagrams crystal optical axes of olivine in the dunites from the Srednetersinsky massive
Projection to the top hemisphere. Isolines of 1-2-4-6-8-10-12-14 % on 1 % of a grid of Schmidt. A dot line - a plane of mineral flatness (S) with mineral linearity (L). Explanations in the text. The data from work [Goncharenko et al., 1982] is used
Рис. 8. Эволюция деформационных структур в дунитах из офиолитов Кузнецкого Алатау
Светлое - оливин; черное - хромшпинелид; пунктир - полосы сброса; штриховка - система спайности (100) в оливине. Пояснения к рисункам в тексте. Рисунок построен на основе оригинальных данных с использованием материалов из работы [Гончаренко и др., 1982]
Fig. 8. Evolution of deformation structures in dunites from the Kuznetsky Alatau ophiolites
Light - olivine; black - Cr-spinel; a dotted line - dump strips; shading - system of cleavage (100) in olivine. For explanations of figures, see the text. Figure is constructed on the basis of the original data with use of materials from work [Goncharenko et al., 1982]
Твердофазное течение ультрамафитов
Последовательность развития пластических деформаций ультрамафитов на основе петроструктур- ного анализа представляется в следующем виде. Наиболее ранняя фаза деформации (Д1) фиксируется линейностью L1 зерен акцессорного хромшпинели- да, отражающей субгоризонтальное направление течения вещества в глубинных уровнях, предположительно в верхней мантии.
Последующая фаза (Д2), очевидно, обусловлена подъемом ультрамафитов в область земной коры. Это подтверждается положением Np-максимума оливина к расположенной под углом ~ 45° к нему плоскостью уплощенности S2, а также горизонтальным Ng- максимумом, близким к линейности L2 (см. рис. 7). Такое соотношение кристаллооптических направлений и структурных элементов находится в соответствии с экспериментальными данными [Nicolas et al., 1973], согласно которым ось оливина стремится занять положение, параллельное направлению сжатия о3. Подобное распределение напряжений благоприятствует скольжению в оливине преимущественно по системе {0kl}[100], которая является важной для про- тогранулярного оливина. В соответствии с экспериментальными данными указанная система скольжения развивается в оливине при Т около 1 000 °С и относительно высоких скоростях деформации. С учетом вероятного проявления низких скоростей деформации в природной обстановке предполагается, что распространенная система скольжения отвечает Т~1 000 °С и давлению 3-5 кбар.
Третья фаза деформации (Д3) привела к изгибу выведенного на уровень консолидации ультрамафи- тового тела, в результате чего была сформирована полукольцевая структура Среднетерсинского массива. В процессе изгиба произошла переориентация оси Np оливина в горизонтальное положение, сопровождавшаяся возникновением новой линейности L3, которая пространственно тяготеет к Nm и имеет тенденцию ориентироваться субвертикально. Упло- щенность оливина S3 приближается к плоскости (010), чем, по-видимому, обусловлено появление систем скольжения по (010) [001], реализуемых в более низкотемпературных условиях, но сравнению с {0kl} [100]. Положение Ng-максимума оливина контролируется изгибом, в ходе которого он частично разрушается. В участках максимального изгиба структуры первичная линейность хромшпинелидов L0 переориентирована в соответствии с линейностью L3 оливина. Синтектонический характер изгиба тела ультрамафитов, отражающего деформацию Д2, демонстрируется цилиндрическим типом складчатой структуры вмещающих их пород [Гончаренко и др., 1982].
Четвертая фаза (Д4) проявилась в формировании надвига вблизи периклинального замыкания складчатой структуры массива, основание которого сложено оливин-антигоритовыми ультраметаморфита- ми. Общее юго-западное направление движения фиксируется нормальным к нему удлинением оливиновых зерен L4 и их уплощенностью S4.
Совместное использование петроструктурных и термобарогеохимических методов позволило оценить параметры деформационных процессов внедрения ультрамафитов Кузнецкого Алатау в земную кору. В оливинах из дунитов нами были найдены флюидные включения (5-10 мкм) сжиженных газов (метан, азот) (рис. 9), связанные с системами внут- рикристаллического скольжения в минералах, реализуемого предположительно в условиях верхней мантии при температурах около 1 000 °С [Гончаренко и др., 1982; Симонов, 1993]. Образование этих флюидных включений происходило в ходе процессов деформации и течения материала ультрамафитов главным образом с помощью миграции дислокаций при высоких параметрах. Движения дислокаций повышают проницаемость оливинов и перераспределяют связанные летучие. Мигрирующие дислокации, несущие флюид, накапливаются в более крупных дефектах [Вернон, 1980], образуя флюидные включения размерами в первые микроны. Включения высокоплотных сжиженных газов установлены ранее преимущественно в минералах высокометаморфизо- ванных пород [Ермаков, Долгов, 1979], т.е. изученные нами в оливинах из дунитов флюидные включения являются фактически метаморфогенными образованиями. В целом, определив плотность сжиженных газов во включениях, оказалось возможным совместно с петроструктурными данными выяснить, что пластические деформации и твердофазное течение ультрамафитов Кузнецкого Алатау на ранних этапах их мантийно-коровой эволюции осуществлялись при температурах до 800-1 000 °С и давлениях до 8-11,5 кбар [Симонов, 1993].
Обсуждение результатов
Условия формирования ультраосновных пород, входящих в состав офиолитовых ассоциаций, привлекают внимание многочисленных исследователей, которых можно разделить на две основные группы, придерживающиеся противоположных точек зрения. В одном случае предполагается образование гипербазитов путем кристаллизации ультраосновных расплавов. Другая точка зрения состоит в том, что офиолитовые ультрабазиты являются мантийными реститами, тугоплавкими остатками, возникшими в результате плавления мантии и внедрившимися в земную кору в твердом состоянии.
Петроструктурные исследования офиолитовых ультрамафитов [Гончаренко и др., 1982; Савельева, 1987; Гончаренко, 1989; Чернышов, 2001; Nicolas, 1989] убедительно свидетельствуют о реальности процессов пластической деформации и течения уль- траосновных пород в твердом состоянии.
В пользу твердофазного течения офиолитовых ультрамафитов служит присутствие флюидных ме- таморфогенных микровключений сжиженных газов в оливинах [Симонов, 1993], что подтверждает правильность выделения в составе офиолитов метаморфических гипербазитов с тектонитовыми структурами согласно Р.Г. Колману [Колман, 1979].
Таким образом, существуют убедительные факты, свидетельствующие об определяющей роли деформационных процессов в формировании офиолитовых ультрамафитов, в то время как прямые свидетельства магматогенного происхождения гипербазитов из офиолитовых ассоциаций практически отсутствовали. Только относительно в последнее время появились публикации, содержащие результаты исследования расплавных включений в хромшпинелидах из ультра- основных офиолитовых комплексов Урала [Симонов и др., 2008], Тувы [Симонов и др., 2009], Западного Сая- на [Добрецов и др., 2017] и Омана [Schiano et al., 1997].
Рис. 9. Флюидные включения в оливине из дунитов офиолитов Кузнецкого Алатау
Включения сжиженного азота при +20 °С (а) и при -195 °С (b); c - результаты анализов флюидных включений сжиженных газов с помощью КР-спектроскопии [Симонов, 1993]
Fig. 9. Fluid inclusions in olivine from dunites of the Kuznetsky Alatau ophiolites
Inclusions of liquefied nitrogen at +20 °С (a) and at -195 °C (b); с - results of analyses of fluid inclusions of liquefied gases by means of Raman spectroscopy [Simonov, 1993]
Проведенные нами исследования офиолитов Кузнецкого Алатау показали, что нет основания противопоставлять модели магматического и мета- морфогенно-деформационного происхождения уль- трамафитов, так как они отражают последовательную эволюцию процессов формирования ультраос- новных пород офиолитовой ассоциации. В ходе первого этапа, судя по результатам изучения расплав- ных включений в хромшпинелидах, минералы уль- трамафитов (в первую очередь оливин) кристаллизовались из пикритовых расплавов при температурах начиная с 1 550-1 530 °С и давлениях около 6,8 4,3 кбар. Прямая магматогенная кристаллизация оливина заканчивалась около 1 220 °С. В дальнейшем при снижении температуры происходила суб- солидусная рекристаллизация уже сформировавшегося преимущественно твердого субстрата, который неизбежно начал подвергаться внешнему воздействию, приводящему к пластическим деформациям и твердофазному течению ультрамафитов Кузнецкого Алатау уже на ранних этапах их мантийно-коровой эволюции при температурах до 800-1 000 °С и давлениях до 8-11,5 кбар. Пластические деформации и преобразование ультраосновных пород продолжались и на более высоких горизонтах, с образованием оливин-антигоритовых метаморфитов.
В целом необходимо отметить, что присутствие расплавных включений в хромшпинелидах, свидетельствующее о кристаллизации рассмотренных дунитов Кузнецкого Алатау при участии магматических систем, показывает их принадлежность к ду- нит-верлит-клинопироксенитовому комплексу офиолитов.
Выводы
1. Установлено присутствие первичных расплав- ных включений в акцессорных хромшпинелидах из дунитов Среднетерсинского массива, что прямо свидетельствует об участии магматических систем при формировании ультрамафитов из офиолитов Кузнецкого Алатау.
2. Исследования расплавных включений в хром- шпинелидах показали, что при формировании дунитов Среднетерсинского массива большую роль играли высокомагнезиальные (преимущественно пикритовые) магмы с содержаниями MgO около 22-30 мас. %. Расчетное моделирование на основе данных по составам расплавных включений с помощью хорошо известных программ (PETROLOG [Danyushevsky, Plechov, 2011], COMAGMAT [Ariskin, Barmina, 2004], PLUTON [Лавренчук, 2004]) позволило установить следующие ключевые параметры процессов магмато- генного образования минералов ультрамафитов из офиолитов Кузнецкого Алатау: ликвидусная кристаллизация оливина происходилапри температурах 1 550-1 530 °С и давлениях около 6,8-4,3 кбар; кристаллизация хромшпинелидов из расплава - 1 4301 250 °С; солидус оливина - около 1 220 °С; возможное образование клинопироксенов из расплава - 1 220-1 210 °С.
3. Получен широкий интервал температур (начиная с 1 220 °С и далее при снижении параметров от 1 165 до 730 °С) субсолидусной рекристаллизации, что свидетельствует о сложных, возможно длительных, процессах установления твердофазовых равновесий после кристаллизации из расплавов минералов дунитов из офиолитов Кузнецкого Алатау.
4. Согласно рассмотренным результатам пет- роструктурного анализа следует, что ультрамафи- ты из офиолитов Кузнецкого Алатау в процессе становления подвергались многократным деформациям в процессе подъема из глубин предположительно верхней мантии в область консолидации в земной коре. Общая направленность деформационных процессов от глубинных к «близповерх- ностным» находит отражение в эволюции элементов петроструктуры. С этими представлениями согласуются полученные ранее выводы о последовательности деформаций и механизме формирования уникальной структурной формы Среднетер- синского массива [Гончаренко и др., 1982; Гончаренко, 1989].
Литература
Вернон Р.Х. Метаморфические процессы. М.: Недра, 1980. 226 с.
Гончаренко А.И., Кузнецов П.П., Симонов В. А., Чернышов А.И. Офиолитовая ассоциация Кузнецкого Алатау (на примере Среднетерсинского массива). Новосибирск: Наука, 1982. 105 с.