Введение к работе
Актуальность темы исследования. Проблема отроения И химической эволюции мантии Земли принадлежит к числу наиболее актуальных в геологической науке. Важная ее чаоть - физико-химические закономерности Магматизма гранат-перидотитовой фация верхней мантии. Вещество фации недоступно исследованиям Ы situ (глубины 60-400 км), однако ойо вынесено к поверхности кимберлитами и представлено ксенолитами перидотитов» яи-роксенитов, эклогитов и сингенетическими включениями в алмазах. Химичеокими и минералого-петрографичеокиш исследована- яш таких образцов вещество верхней мантий идентифицировано как многокомпонентная многофазная преимущественно силикатная система. Интерес к веществу гранат-перидотитовой фации значителен, вследствие ее глобально-тектонической позицийj соотно-иеотй о астеносферой, алмазоноснооти и др. Сведения о хими- зме и фазовом соотаве вещеотва фации используются в целях общей реконструкции процессов магматической эволюции глубинных зоя, разработки моделей его первичного оостава, поиска генетических связей пород, для задач геотермобарометриа, учитывается в'экспериментах при высоких давлениях. Разработка проблемы отмечена значительным прогрессом (В.С.Соболев, А.Рингвуд, Н.И.Хитаров, Х.Йодер, Н.В.Соболев, Ф.Бойд, В.А.Еариков, И.Ку- ' сиро, Н.Л.Добрецов, Б.Доусон, А.А.Кадйк, М.О'Хара, И.Д.Рябяй- " ков, Д.Грин, А.А.Маракушев, Дд.Кеинедй, Л.Л.Перчук, Б.ДэвИО, Л.Н.Когарко, П.Уайли, Й.Ю.Малиновский, К.Ито, Ю.С.Геншафт, Р.Митчел, В.И.Коваленко, А.Бетчер, В.А.Кутолин, Б.Мисен.И^Та-кахаши, Б.Г.Лутц, А.Д.Харькив, С.Мале, В.А.КиркинскиЙ, П.Няк-.. сон, Н.П.Похиленко, М.Принц, Г.П.Буланова, Э.Ягутц, Б.М.ВладЪ* миров и многие другие). Однако физико-химическая сущность
глубинных магматических процессов остается нераскрытой,
В связи с этим изучение физико-химической природы плавлв-. ния реальной многокомпонентной гранат-перидотитовой мантии представляется исключительно важной задачей. С ее решением связано более глубокое понимание закономерностей эволюции глобальных петрологических и геохимических систем, условий генезиса наблюдаемого множества пород, причин гетерогенности верх-» .ней мантии, условий генезиса алмаза - минерала, практическое -использование которого определяет эталонный уровень современной мировой индустрии.
Актуальность настоящего исследования обусловлена недостаточным уровнем развития теории магматического процесса в веществе гранат-перидотитовой фацки как процесса планетарного значения, определяющего важны!': этап химической эволюции Земли;по-исками объяснения парагенетической приуроченности алмазоносно-сти к веществу гранат-перидотитовой фации; отсутствием зкспе- ричентальных данных по диаграммам плавкости многокомпонентных силикатных систем, сопоставимых с природными; неудовлетворительным состоянием аппаратурно-методического комплекса для исследования фазовых равновесий многокомпонентных силикатных си- стем; недостаточным использованием методов физико-химического анализа, многокомпонентных гетерогенных термодинамических систем, яркими представителями которых являются реальные природ-. .ные системы минералов.
. Единственным объективным методом исследования фазовых отношений при плавлении сложных многокомпонентных минеральных .систем верхней мантии является экспериментальный.
'. Цель работы соотояла в экспериментальном и теоретическом исследовании фазовых отношений при плавлении многокомпонентных минеральных систем, товдественных реально существующим в природных условиях, в особенности перидотит-пироксенитовой система, оливин-ортопироксен-кяинопироксек-гранат, и в использовании полученных физико-химических результатов в моделях магматической эволюции вещэотва гранат-пэридотитовой фации верхней МаН-ТИК.'.
V Основные задачи исследования: I) разработка рациональной техники' и .меігодаки для экспериментального исследования фаэовы: равновэоий при плавления (диаграмм плавкооти) многокомпонєнт-
ннх железосодержащих силикатах систем в условиях высоких давлений и температур; 2) исследование фазовых равновесий при плавлении многокомпонентной перидотит-пироксенитовой системы оливик-ортопироксен-клинопироксен-гранат , тождественной реальной природной оиотеме, о целью определения строения ее фазового комплекса (ликвидуса) и состава нонвариантного расплава; 3) изучение модельных железосодержащих и натрийоодержащих систем для оценки физико-химической роли железистых и натриевых (жадеитового) компонентов легкоплавкой составляющей мантийного вещества как факторов глубинного магматизма; 4) исследование многокомпонентной системы оливин-ортопироксен-клинопироксен-гранат повышенной щелочности с целью выяснения фязико-химичео-ких особенностей плавления соответствующих участков гетерогенной мантии; 5) изучение в модельном приближении строения ликвидуса перидотит-пироксенит-эклогитовой системы оливин-клино-пироксен-корунд-коэсит и анализ направлений магматической дифференциации первичных магм в рамках механизмов равновесной и фракционной кристаллизации, разработка схемы генетических связей для наблюдаемого множества пород гранат-перидотитовой фации верхней мантии, включая алмазоносные.
Новизна и научная значимость результатов диссертации состоит: І) в постановке и решении крупной научной задачи - экспериментального изучения при далекий 40 кбар (с использованием метода внутренних политермических разрезов) фазовых отно-юеиий при плавлении многокомпонентной перидотит-пироксенитовой системы оливин (%1 7оРеО 30Si<4 ^ ~ 0РтопиР0ксен ( Mg1 72
FeO,21CeTJ,03NaO,O2AiO,O23^26 ) " «ЛИНОПИрОКСеН (0^,60^0,9.0
^0,14^0,18^0,183 ) -гранат (^,,^^500^30^23 о12 )', граничные составы котоірой отождествляются с составами
реальных минералов примитивной гранат-лерцолитовой или пиро-литовой мантии; в доказательстве перитектической природы ликвидуса данной системы, построении модели ее ликвидуса в виде трехмерной проекции на тетраэдр составов и определении совокупности 'элементов' ее фазового комплекса; 2) в определении со-' отава первичного расплава, иаходящегося в условно-нонвариант- ном равновеоии о оливином, ортопироксеном, клинопироксеном и гранатом, и соответствия его составу ультрамафичеокого коматй--. ита; 3) в экспериментальном исследовании модельной многоком- '
понентной келезосодержащей сийтемы ?ово1?й2о~1н80НеагсГУувоА1ю2с модельных ватрийоодержащих сиотем жадеит-форотерит, жадеит - энотатит, жадеит-пироп, жадеит-диопсид-пироп, в доказательств ве избирательного характера физико-химического воздействия же-лезиотых и натриевых (жадеитового) компонентов легкоплавкой составляющей вещества мантии на ликвидуоные отношения манера-лов гранатового лерцолита; 4) в зкспериыентальном исследовании многокомпонентной оиотемы оливин-ортопироксен-клинопироксен -гранат повышенной щелочности, доказательстве перитекгичеокой природы ее ликвидуса и определении существенных отличий по строению ее фазового комплекса и составу уоловно-нонвариант-ного расплава от перидотит-пироксенитовой системы; 5) в иост-роении модели ликвидуса системы оливин-клинопироксен-корунд -коэсиг, являквдейся диаграммой-комплексом практически для всей совокупности перидотитовых, пироксенитовых и эклогитовых пород гранат-перидотитовой фации, анализе на такой основе процессов образования первичныхмантийных магм при частичном плавлении примитивного гранатового лерцолита, процессов их дифференциации в рамках механизмов равновесной и фракционной кристаллизации; 6) в разработке общей схеш генетических отношений иаблкн
даемого множества поридотитовых, пироксенитовых и эклогитовых
пород гранат-перидотитовой фации верхней мантии, включая алма
зоносные; 7) в комплексе оригинальных ашаратурно-технических
.и методических решений, позволивших впервые осуществить экспериментальные исследования олояшых многокомпонентных силикатных
систем с учаотием железосодержащих магматических расплавов при
високих давлениях и температурах (до 40-50 кбар и 1700-1800С).
'. Практическая значимость работы определяется тем, что модель магматической дифференциации и схема генетических соотношений- пород гранат-перидотитовой фации непосредственно приложена к анализу проиохоадения алмазоносных ксенолитов в кимберлитах;, установлению генетических связей алмазоносных пород, включений.в алмазах и минералов-спутников, Полученные физико-химические результаты непосредственно характеризуют уоловия и среду, в которой кристаллизовался алмаз; это важно для развития теории образования алмаза в природе и следствий из нее, имеющих практическое значение, а также для создания предпосылок лабораторного воспроизведения природного "синтеза" алмаза.
Экспериментально изучено 30 диаграмм плавкооти силикатных сйс-' тем различной сложности и их политермических разрезов, характеризующих фундаментальные физико-химические овойотва вещеотва верхней мантии; они могут использоваться в целях преподавания и при составлении учебников и справочников. Экспериментальные методы, разработанные в ходе исследований, применимы для дальнейшего изучения диаграмм плавкости шкеральных систем зерхней мантии, а такне в области физической химии силикатов и других материалов при высоких давлениях. Технические и методические разработки внедрены в практику экспериментальных исследований в физико-химической геологии, для работ по синтезу и выращиванию монокристаллов с полезными физическими овойзтвами, включая и сверхтвердые (установки и устройства широко внедрены в научно-исследовательские организации и вузы),
В основу работы положены результаты многолетних исследований автора по тематике Института экспериментальной минералогии АН СССР: "Синтез и исследование минералов при сверхвысоких Давлениях" (I97I-I975), "физико-химические условия зарождения магм при высоких давлениях" (1976-1980), "Условия зарождения, эволюции и рудоносности базйтовых магм" (I98I-I985), "Флюидное магматическое взаимодействие, реология мантийных расплавов и минеральные равновесия в связи о образованием алмазоносных пород" (с 1986 г.); по НТП ГКНТ СССР й 0.50.01: "Физико-химические условия минерало-, породо- и рудообразования (экспериментальное изучение фазовых равновесий, моделирующих процессы ве--рхней мантии при высоких давлениях)" (о 1986 г.); По программе 'Ксенолит" Международной программы "Литосфера": "Изучение частных сечений системы K20-Na20-Ca0-fAg0-Pe0-Al2O--Fe20,-Ti02- ' Si02 ' с целью определения основных закономерностей плавления вещества верхней мантии при высоких давлениях й температурах в сухих условиях и в присутствии летучих" (с 1984 г.).
В ходе работы проведено более 900 экспериментов по фазо
вым равновесиям, охарактеризованных данными рентгенофазового,
иммерсионного и частично микрорентгеносйэктрального анализов. .
Исходные железосодержащие гелевые смеси и кристаллические ве
щества, а также в ряде случаев продукты экспериментов изуча
лись методом месобауэровской спектроскопии. .
Большая часть исследований выполнена автором самоотояте-
льно, часть - оовместно с Е.П.Ступаковым, Р.А.Ишбулатовым, С.А.Ищенкс, Л.Т.Чудиновских, Н,В,Сурковым, В,В.Карасевым. В использованном совместном материале автору принадлежит основной научно-методический вклад, определяющая часть объема экспериментальных исследований и их обработки, научное руководство работой.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, получено 3 авторских свидетельства ,на изобретения, 5 статей находятся в печати.
Результаты работы докладывались па международных конференциях: У Международная конференция по физике и технике высоких давлений, Москва, 1975, 25 Международный геолох-ический конгресс, Австралия, 1976, Международная конференция ло геодинамике, Япония, 1978, XI съезд Международного минералогического общества, Новосибирск, 1978, 7 Международная конференция по высоким давлениям, Франция, 1979, 27 Международный геолотаче-. ский конгресс, Москва, 1984, I советско-японский симпозиум по фазовым превращениям яри высоких давлениях и температурах, Ли-' ствянка-На-Байкало, IS85, XI Международная конференция МАРИВД "Высокие давления в науке и технике", Клев, 1987, I советско-. индийский семинар по экспериментальной петрологии, Дели, 1987, Международный симпозиум "Состав и процессы глубинных зон континентальной литосферы',' Новосибирск, 1988.
Ряд материалов был доложен на всесоюзных совещаниях: I Совещание по физике и технике высоких давлений, Донецк, 1973, . IX,X и XI Совещаниях по экспериментальной минералогии, Иркутск, 1973, Киев, 1978; Черноголовка, 1986, ІУ Всесоюзное совещание по вулканологии, Петропавловск-Камчатский, 1974, Ш Всесоюзное совещание по геологии алмазных месторождений, Мирный, 1974, Всесоюзные совещания по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях, Тбилиси, 1974, Ташкент, 1981, XI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Алма-Ата' 1975, Всесоюзная конференция "Твердофазовая техника высоких и сверхвыоо-. ких давлений и методика геохимического эксперимента", Черноголовка, 1977, Всесоюзное совещание "Техника, методика и результаты исследования минеральных равновеоий при высоких твердофа-зовых-давлениях", Черноголовка, 1979, Воеооюзный симпозиум"Со-временная техника и методы экспериментальной минералогии',Чер-
нотоловка, 1983, 1,2,3 Совещаниях национальной группы по проекту "Ксенолит"^Международная программа "Литосфера"), Черноголовка, 1985, Новосибирск, 1986, Черноголовка, 1988, I Всеоо-зозгаое совещание' "Проблемы оценки высоких и сверхшооких давле-йии", Минск, 1986, УП Всесоюзное петрографическое совещание, Новосибирск, 1986, Ш Всесоюзное совещание по химии высокого давления, Москва, 1986, 2 Всесоюзная геохимико-геофизичеокая школа "Физико-химические я геофизические проблемы образования ш 'эволюции вещества верхней мантии Земли", Звенигород, 1986. Сообщения по материалам диссертации делались также на ежегодной оемипаре экспериментаторов, Москва, ГЕОХИ, 1975, 1977, 1984, 1985, 1988, семинаре "Геохимия магматических пород",Мошва, ГЕОХИ, 1975, 1976, 1977, 1978, 1984, І,И,УІ,УП,УШ,ІХ Республиканских семинарах "Влияние высокого давления на вещество", Киев, IS75, 1976, Кацивели, 1931, Канев, 1982, Киев,1983, Конференции "Платформенный магматизм Якутии и его металлогения", Якутск, 198.
Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, трех частей (восьми глав), заключения и основных выводов. Она содержит 488 машинописных страниц текста, включающего 94 рисунка, 37 таблиц и список литературы из 218 наименований.
Благодарности.Выполнению работы во многом способствовали Е.П.Ступаков, Р.А.Ишбулатов, С.А.Йщенко, Л.П.Редькина, Л.Т.Чу-дановских, Т.В.Ушаксвская, Т.Н.Докина, Р.Х.Ефимова, Г.В.Новиков, В.И.Тихомирова, К.К.Ван. В.Д.Кропачев, оформлению - Л.И. Лебедева, О.Ф.Гаджиева, Н.А.Баранова, Н.Н.Охотникова. Большую помощь в изготовлении уотановок, подготовке и проведении экспериментов оказывали А.И.Шпагии, В.И.Комаров. Всем им, а также сотрудникам ИЭМ АН СССР и других организаций, имевшим отношение к работе, автор выражает свою искреннюю благодарность. Автор глубоко признателен Д.С.Коржинокому, А.А.Маракушеву, Л.Л.Перчуку, И.П.Иванову, Р.А.Ишбулатозу, Э.С.Персикову, И.Ю. . 'Малиновскому, Н.В.Суркову, В.А.Киркинскому, В.А.Кутолину.А.М. Дорошеву,' НЛ.Похиленко за критическое обсуждение работы на .разных стадиях ее выполнения. Автор особенно благодарен В.А.Жарикову за неизменный интерес к проводимым исследованиям, постоянную поддержку, критические замечания и советы.
