Содержание к диссертации
Введение 4
Глава I. Геологический очерк комплекса Лимпопо 9
1.1. Краевые Зоны 13
1.1.1. Северная Краевая Зона 13
1.1.2. Южная Краевая Зона 15
1.2. Центральная Зона 17
1.2.1. Геологическая структура Центральной зоны 21
1.2.2.Структура Бакликраал 24
Глава II. Петрография и химия минералов 26
НЛ.Методы исследования 26
II.2. Петрография и химия минералов Краевых Зон комплекса Лимпопо 26
II.2.1. Северная Краевая Зона 27
П.2.2. Южная Краевая Зона 44
П. 3. Петрография и химия минералов гранулитов Централной Зоны ..49
II. 3.1. Петрография 49
Н.3.1.1. Породы поперечной складки Бакликраал 49
11.3.1.2. Породы района Булаи 60
И.3.1.3. Метапелиты окрестностей г. Мусина 66
Н.3.2. Химия минералов 67
П.3.2.1. Реакционные структуры и химический состав минералов в
метапелитах района гранитного плутона Булаи 71
П.3.2.1.1. Реакционные структуры в метапелитах Т73, Т18 и Т20 71
И.3.2.1.2. Химическая зональность порфиробластов и реакционные структуры в метапелите (JC1) 74
П.3.2.2. Реакционные структуры и химический состав минералов
в метапелитах района Булаи 80
11.3.2.3. Реакционные структуры и химический состав минералов
в метапелитах района г. Мусина 83
Глава III. Термодинамические условия локальных равновесий минералов 102
Ш.1. Методы расчета параметров равновесий 105
Ш.І.І.Обзор использованных минеральных термометров и барометров 105
Ш.1.2.Метод расчета активности воды 109
ШЛ.З.Метод расчета изоплет 109
Ш.2. Результаты расчета термодинамических параметров равновесий
минералов в изученных породах ПО
Ш.2.1. Северная Краевая Зона 110
Ш.2.2. Южная Краевая Зона ПО
III.2.3. Централная Зона 112
Ш.2.3.1. Результаты расчета термодинамических параметров в породах структуры Бакликраал 112
Ш.2.3.2. Результаты расчета термодинамических параметров в породах района г.Мусина 127
Ш.2.3.3. Результаты расчета термодинамических параметров в породах Булаи 136
Ш.2.3.4.Сравнение Р-Гтрендов полиметаморфизма для изученных участков Центральной
Зоны комплекса Лимпопо 136
Ш.З. Сравнение Р-Т параметров метаморфизма пород ЦЗ с краевыми зонами
комплекса Лимпопо и другими комплексами 137
Глава IV. Интерпретация Р-Т трендов, выведенных для
гранулитов комплекса Лимпопо 154
IV. 1. Обзор существующих моделей формирования гранулитовых комплексов 154
IV. 1.1. Механизм эксгумации монохронных гранулитовых комплексов
в докембрии по модели ЛЛ.Перчука 157
1У.1.2.Высокотемпературный полиметаморфизм и зоны пластических деформаций 165
Заключение 166
Эпилог 170
Литература 171
Приложение 184
Введение к работе
Гранулитовый комплекс Лимпопо (Южная Африка) является общепризнанной природной лабораторией для изучения процессов метаморфизма и геодинамики в докембрийской коре (например, van Reenen & Smit, 1996). Комплекс залегает между мезоархейскими кратонами Каапвааль и Зимбабве и состоит из трех широтных Зон — Северной (СЗ), Южной (ЮЗ) и Центральной (ЦЗ), разделенных между собой тектоническими швами, образовавшимися 2 млрд. лет тому назад. Контакты с породами кратонов также тектонические и сложены зонами пластических деформаций, одновозрастных с гранулитами Лимпопо (2,7 млрд. лет). СЗ и ЮЗ комплексы монохронные (неоархейские), тогда как ЦЗ полиметаморфическая. Эволюция термодинамических параметров (Р-Г-флюид) метаморфизма в ходе формирования комплекса Лимпопо (Южная Африка) обсуждается в литературе почти четверть века. Некоторые исследователи (Horrocks, 1983; Harris, & Holland, 1984; Droop, 1989; van Reenen et al, 1990; Hisada & Miyano, 1996) предполагают эксгумацию ЦЗ путем изотермической декомпрессии, что подразумевает очень высокую скорость эксгумации гранулитов, значительно превышающую скорость их остывания. К тому же никто из этих исследователей не сопоставлял детальные структурные данные с предлагаемыми Р-Т трендами. Напротив, структурно-геологическое и петрологическое изучение отдельных структур ЮЗ и некоторых участков ЦЗ (Perchuk et ah, 1996; Perchuk et al, 2000; Smit et al., 2001) указывает на преимущественную роль декомпрессионного охлаждения (DC) высокометаморфизованных пород этих двух зон с элементами субизобарического охлаждения вблизи их контактов с кратонами (Перчук и Геря, 2004). Численное моделирование этого процесса свидетельствует о сопоставимых скоростях эксгумации и сопутствующего остывания (Gerya et al, 2000). Эти результаты подтвердили идею Л.Л.Перчука (Перчук, 1993; Perchuk, 1989) о формировании гранулитов за счет пород кратонов с последующей их эксгумацией по механизму гравитационного перераспределения под воздействием плюма. Причем все три зоны комплекса сформировались в неоархее одновременно, в период 2,65-2,71 млрд. лет. Однако сравнительно недавнее открытие в ЦЗ (например, Holzer et al, 1998; Kamber et al et al, 1998) раннепротерозойских гранулитов (2,0 млрд. лет) с одной стороны поставило под сомнение эту модель, а сдругой - послужило источником многочисленных спекулятивных моделей происхождения не только самой ЦЗ, но и всего комплекса Лимпопо (например, Schaller et al, 1999; Dorland et al, 2004). Вместе с тем, детальные геохронологические исследования гранулитов ЦЗ показали, что среди них широко распространены гнейсы с
возрастом 2,65-2,68 млрд. лет. Стало очевидно, что ЦЗ имеет полиметаморфическую природу (Kroner et al, 1999; Boshoff et al, 2004; van Reenen et al, 2004; Perchuk, 2005).
Цель и задачи исследований. Основной целью данного исследования является установление Р-Т- аЦ20 условий формировапния и эволюции гранулитов, слагающих
Центральную Зону комплекса Лимпопо. Достижение этой цели осуществлялось посредством решения следующих задач:
На основе петрографических исследований проследить последовательность структурных и метаморфических преобразований в породах из трех ключевых геологических структур (Бакликраал, Мусина и Булаи) ЦЗ комплекса Лимпопо.
На основе детального парагенетического анализа минералов оценить физико-химические параметры локальных равновесий и вывести Р-Т тренды для гранулитов ЦЗ комплекса Лимпопо.
На основе выведенных Р-Т трендов создать модель термальной и динамической истории ЦЗ комплекса Лимпопо и провести сравнение с близкими по минеральным ассоциациям и условиям образования гранулитами СЗ и Токского блока Алданского щита.
Научная новизна работы
Впервые на основе детальных петрографических исследований установлена последовательность структурных и метаморфических преобразований в породах из трех ключевых геологических структур (Бакликраал, Мусина и Булаи) ЦЗ комплекса Лимпопо.
Впервые на основе детального парагенетического анализа минералов дана оценка физико-химических параметров локальных равновесий и с использоанием оригинальной методики выведены Р-Т тренды для гранулитов ЦЗ комплекса Лимпопо.
(3) Впервые создана модель термальной и динамической истории ЦЗ комплекса
Лимпопо и доказана корректность идеи об изобарическом нагреве гранулитов в
полиметаморфических комплексах гранулитовой фации.
Практическая значимость.
Данные, полученные в ходе исследований, позволят проводить более точное стратиграфическое расчленение и геологическое картирование полиметаморфических комплексов.
Основные защищаемые положения
Для Центральной Зоны комплекса Лимпопо доказано, что
1) закономерная гетерогенность химического состава сосуществующих минералов и их локальные парагенетические взаимоотношения позволяют воссоздать термальный и
динамический режим формирования и эволюции докембрийских пород в условиях гранулитовой фации метаморфизма;
повторный высокотемпреатурный метаморфизм (НТ полиметаморфизм) осуществляется в ходе изобарического нагрева гранулитов, эксгумация и становление которых в средней части докембрийской коры происходили задолго (миллионы и даже сотни миллионов лет) до этого события;
корректный вывод Р-Т тренда - единственный способ различить разновозрастные гранулиты в пределах одного полиметаморфического комплекса, обнажения и даже одного образца породы.
Фактическая основа и методы исследований
В основу работы положены образцы метапелитов, собранные проф. Л.Л. Перчуком в ходе полевых работ 1996-2004 гг. на гранулитовом комплексе Лимпопо (Южная Африка) и переданные автору диссертации для петрологических исследований. Кроме того, для сравнительного анализа были привлечены образцы гранулитов из коллекции Л.Л.Перчука, собранные на Сутамском и Чогарском комплексах Алданского щита и Лапландского комплекса на Кольском полуострове. Эти образцы были изучены с помощью оптического микроскопа. Химические анализы минералов выпонены с помощью электронных микроскопов Cameca (Rand Afrikaans University) and CamScan 4DV (кафедра петрологии МГУ им. М.ВЛомоносова) с приставкой Link N 10000 для энергодисперсионного микроанализа. В ходе обработки материалов использовался комплекс петрологических методов, включающий детальное исследование структурно-текстурных особенностей пород, парагенетический анализ, изучение зональности сосуществующих минералов на основе микрозондового профилирования, минеральную термобарометрию. Основное внимание уделялось гранату, биотиту и кордиериту как самым чувствительным к изменениям условий метаморфизма минералам. Исследовались также плагиоклазы и ортопироксены. Вывод Р-Т трендов осуществляся по методике, разработанной Л.Л.Перчуком и его научной школой, а их геодинамическая интерпретация - на основе структурно-геологических, геохимических, петрологических и численных методов. В общей сложности автором диссертации изучено более 80 образцов, а микрозондовые исследования проведены для 30 из них. При этом было сделано более 2000 микрозондовых анализов
Личный вклад автора
Автором выполнялись описанные выше работы со штуфами и пробами каменного материала, а также большая часть микрозондовых исследований методом
профилирования порфиробластов. Проводился парагенетический анализ минералов, построение и интерпретация микрозондовых профилей-диаграмм и вывод Р-Т трендов.
Апробация работы
Результаты исследований, положенные в основу диссертации, докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов» по фундаментальным наукам (МГУ, 2005 г.), на Международной конференции "ПЕТРОГРАФИЯ XXI ВЕКА" (г. Апатиты, 20 - 22 июня 2005) , на конференции «12 Iranian researches conference in Europe (Манчестер, 3-4 июля 2004 г.), на конференции «13і Iranian researches conference in Europe». (Лондон, 1-2 июля 2005 г.) и на Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», посвященной 85-летию Московского государственного геологоразведочного университета (г. Москва, 5-12 апреля 2005 г.). По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 1 статья находится в печати.
Содержание и объем работы
Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения и приложение. Работа изложена на 184 страницах, включает 57 рисунков, 11 таблиц и список литературы, состоящий из 164 наименований.
Благодарности
Автор глубоко признателен научному руководителю профессору Л.Л.Перчуку, любезно предоставившему каменный материал для работы и принимавшему непосредственное участие в работе над всеми разделами диссертации. О.В.Парфенова оказала огромную помощь в редактировании текста; многие вопросы, затрагиваемые в диссертации, обсуждались с доктором геолого-минералогических наук доцентом В.И.Фельдманом. Всем им автор чрезвычайно благодарен. Помощь в переводах и в аналитической работе была оказана Ш. Ван Калом, др. Э. Хисада и К.Николаевой, доцентом В.О. Япаскуртом. Особую благодарность хочется выразить сотрудникам лаборатории локальных методов исследования вещества при кафедре петрологии геологического факультета МГУ Е.В. Гусевой и Н.Н. Коротаевой, без помощи которых не могла бы состояться аналитическая часть работы.
Условные обозначения, принятые в работе: В работе использованы следующие условные обозначения и символы: D2/M2 - неоархейский деформационно (D) - метаморфический (М) цикл (-2,6-2,7 млрд. лет), D3/M3 - раннепротерозойский деформационно-метаморфический цикл (~2 млрд. лет), изобарический нагрев (ІН), изотермическая декомпрессия (ID), декомпрессия остывания (DC).
And - андалузит, Ар - апатит; Bt — биотит, Cal - кальцит; Crd — кордиерит, Cum-куммингтонит, Grt - гранат, Urn - ильменит, Kfs - калиевый полевой шпат, Ку — кианит, Ms - мусковит, ОАт - ортоамфибол; Орх - ортопироксен,Ог - ортоклаз, РМ - флогопит, Р1 — плагиоклаз, Ргр - пироп, Fo- форстерит ,Еп - энстатит, Qtz — кварц, Rut — рутил, San -санидин, Sil - силлиманит, Sph - сфен, Spl - шпинель, Spr-сапфирин, Zrn - циркон.( Bt-Mg, Bt- Fe),( Crd- Mg, Crd- Fe),( Gr- Mg, Gr- Fe),(Opx-Mg, С!рд:-Ре)-твердые растворы минералов, T — температура, К или С; Р - давление, бар или кбар; AG - изменение свободной энергии Гиббса в ходе реакции; R = 1.987 кал/град (1 кал = 4,186 Дж) - газовая постоянная; Xt - мольная доля компонента / в данной фазе; Хщ = Mg/(Mg+Fe), Nt =100 Ищ -100 Xug, ХСа = Ca/(Ca+Fe+Mn+Mg), Л^а -ЮО ХСа; Xok = Al/(Al+2Mg+2Fe), N0k -ЮО Хоъ; |iH2o=HH2o+RTlnaH 0;. цшо= Л7Лп /„ 0- химический потенциал чистой воды, как
функция Г и Р; /но- летучесть воды; af{ 0= y(l0 'Xf{ 0- активность воды во флюиде;
\if{ 0 - химический потенциал НгО во флюиде; G(" - RT lna, парциальная молярная
свободная энергия смешения Гиббса для компонента / в твердом растворе; Gf — избыточная парциальная молярная свободная энергия Гиббса для компонента / в твердом растворе; G6 - избыточная интегральная молярная свободная энергия Гиббса для твердого раствора; Н - энтальпия; S - энтропия; V - объем.
