Основные и ультраосновные включения в базальтах и природа верхней мантии

Основные и ультраосновные включения в базальтах можно рассматривать как естественные керны, которые дает нам природа. Эти включения представляют собой единственные в своем роде образцы нижних горизонтов коры и верхней мантии. На основании упругих свойств и минералогических особенностей их можно расположить в соответствии с предполагаемыми глубинами в земной коре и мантии. Химизм включений, в том числе и содержание радиоактивных элементов, может явиться ключом для решения вопроса об источнике разнообразных базальтовых магм и выяснения природы тепловых потоков на континентах и в океанах. В настоящей статье рассмотрены в основном вопросы, касающиеся минералогии и содержания главных элементов в этих включениях, их связи с глубинами и их происхождения; на основе изучения включений делаются выводы о составе верхней мантии.

Введение

В орогенных и тектонически спокойных областях и океанах известно около 200 местонахождений, где были обнаружены основные и ультраосновные включения [4].

Чаще всего встречаются перидотитовые¹ включения, которые нередко ассоциируют с нироксенитовыми, габбровыми и гранулитовыми включениями. Эклогитовые включения всегда ассоциируют с перидотитовыми; они встречаются в очень ограниченном числе районов, например в кратере Солт-Лейк вблизи Гонолулу, в районе Делигейт в Австралии, а также в алмазоносных кимбрелитовых трубках в Южной Африке.

Перидотитовые и эклогитовые включения приурочены исключительно к щелочным базальтам, а включения габбро найдены также и в толеитах. Удовлетворительного объяснения таким особенностям пока еще не найдено.

Впервые на поразительное однообразие минеральных ассоциаций и состава отдельных минералов в перидотитовых включениях указал Росс с соавторами [10]. Однако Уайт [11] и Куно [7] отметили наличие широких колебаний в минеральном и валовом составах включений из гавайских лав.

Перидотитовые включения рассматривались либо как обломки исходного материала мантии, из которого в результате частичного плавления возникли базальтовые магмы, либо как кристаллический остаток после частичного плавления первичной мантии, либо как скопления кристаллов в базальтовых магмах.

Классификация и минералогия

Хотя по составу отдельных включений и можно различать многие типы пород, существует непрерывный ряд, члены которого тесно ассоциируют и постепенно переходят друг в друга. Эти породы генетически связаны между собой и объединяются в лерцолитовую, верлитовую и эклогитовую серии. Габбро и гранулиты распространены спорадически; они иногда ассоциируют, а иногда совсем не связаны с породами упомянутых серий. Лерцолитовая серия характеризуется постоянным набором минералов: оливином (около 60% объема породы), ромбическим и моноклинным пирок-сенами, а также хромовой шпинелью; но химический состав породы колеблется в широком диапазоне.

В верлитовую серию входят дунит (оливин с небольшим количеством моноклинного пироксена; последний может отсутствовать), верлит (оливин и моноклинный пироксен) и пироксенит, состоящий из моноклинного пироксена. Наличие черной шпинели необязательно. Для этой серии характерно отсутствие ромбического пироксена.

Эклогитовой серии свойственны магнезиальный гранат и глиноземистый пироксен. Последний представлен либо одним омфацитом (глиноземистый и натриевый моноклинный пироксен), либо омфацитом и ромбическим пироксеном. Может присутствовать некоторое количество оливина и/или черной шпинели. К этой серии относятся и некоторые глиноземистые пироксениты.

Все включения, содержащие в качестве главной составной части плагиоклаз, попадают в группу габбро и гранулита. Габбро отличается от грану-лита характерной для изверженных пород структурой без признаков перекристаллизации. Ассоциация оливина и известковистого плагиоклаза характерна для габбро, но неустойчива при давлении и температуре, свойственных гранулитовой фации [8]. Встречающийся в виде включений гранулит, по-видимому, представляет собой метаморфизованное габбро. Очевидно, некоторые включения габбро на Гавайских островах и в Японии генетически связаны с верлитовой серией, о чем свидетельствуют постепенные переходы состава минералов, а также ассоциации пород, которые наблюдались в поле.


К редким типам включений можно отнести гарцбургиты (оливин и ромбический пироксен), пироксепиты с ромбическим пироксеном, гранатовые лерцолит и гарцбургит. Разновидности с гранатами обнаружены в кимберлитовых трубках Южной Африки и в кратере Итиномегата в Японии [6].

В некоторых породах лерцолитовой и верлитовой серий может присутствовать небольшое количество плагиоклаза. Обычные акцессорные минералы в породах лерцолитовой и эклогитовой серий представлены флогопитовым биотитом и паргаситовой роговой обманкой [6].

Лерцолитовая и эклогитовая серии отличаются от верлитовой серии по составу мопоклинного пироксена, который в первом случае обеднен СаО и обогащен Na20 + К20 [7] (фиг. 1).

Химизм

На фиг. 2 представлена диаграмма зависимости содержа пня в породах лерцолитовой и эклогитовой серий некоторых окислов от величины отношения MgO/∑ FeO. Это отношение — наиболее показательная величина, характеризующая степень фракционной кристаллизации магм и степень частичного плавления. В лерцолитовой серии с уменьшением отношения MgO/∑ FeO увеличивается содержание Al₂O₃, суммарного железа в виде FeO, СаО, Na₂O + К₂O, TiO₂ и MnO, в то время как содержание MgO уменьшается. Количество Cr₂O₃ сначала возрастает, а затем падает. В эклогитовой серии увеличивается содержание Al₂O₃, суммарного железа в виде FeO, Na₂O + К₂O, TiO₂ и MnO, а количество SiO₂, MgO. СаО и Cr₂O₃ уменьшается.

Эти две серии отчетливо различаются по изменению содержания Si02, суммарного железа в виде FeO, MgO, СаО и Cr₂O₃. Поэтому можно считать, что эти две группы включений генетически не связаны между собой.


Состав гранатового лерцолита из Японии хорошо соответствует пределам, ограничивающим состав пород лерцолитовой серии. Вранатовые перидотиты из Южной Африки расположены на диаграмме в области более высоких значений MgO/∑ FeO для лерцолитовой серии (фиг. 2). Они несколько отличаются по содержанию MgO, Na₂O + К₂O и TiO₂ от пород лерцолитовой серии.

Связь включений с глубиной и их происхождение

Скорости продольных сейсмических волн в верхней мантии обычно равны 8,0—8,2 км/с. Эти значения соответствуют скоростям, характерным для перидотита, пироксенита и эклогита; габбро и гранулит обладают более низкими V_p и, следовательно, не могут рассматриваться в качестве главных составных частей мантии.

Включения лерцолитовой серии широко распространены по всему земному шару. Поэтому предполагают, что они представляют собой основной материал самых верхних горизонтов мантии. В районе Солт-Лейк лерцолит и эклогит встречаются совместно в одних и тех же включениях, что свидетельствует о их присутствии на одной и той же глубине. Предполагают, что эклогит поднялся с глубины от 40 до 60 км [о. 7]. Судя по составу пирок-сенов. гранатовые перидотиты Южной Африки формировались на глубинах от 100 до 150 км [1, 2]. Этот тип пород, вероятно, распространен до уровня, на котором происходит переход оливина в шпинель (около 400 км).

В океанических областях, а также над большей частью континентов лерцолитовый слой, по-видимому, достигает границы Мохо. Однако в некоторых орогенных поясах, где кора характеризуется высоким термическим градиентом, самая верхняя часть лерцолитового слоя, очевидно, испытывает фазовое превращение с образованием плагиоклазового лерцолита. Результат этого — относительно низкие скорости непосредственно ниже границы Мохо (Vp = 7,7 км/с), что установлено для Японии [6].

В пироксеыах из лерцолитов обычно наблюдаются пластинки распада твердого раствора. Для некоторых лерцолитов характерна линейность, обусловленная параллельным расположением кристаллов шпинели, а также предпочтительной ориентировкой кристаллической решетки оливина. Эти особенности свидетельствуют о том, что образование лерцолита было связано с высокими температурами, после чего он медленно охлаждался до температур, соответствующих геотермам отдельных районов. Кроме того, лерцолит подвергался деформации и перекристаллизации перед захватом его поднимавшейся магмой.


На фиг. 3 показаны содержания некоторых окислов из лерцолитовых включений интрузии Хороман в Японии (замкнутые контуры взяты с фиг.2). Включения этой интрузии образовались, вероятно, в результате аккумуляции кристаллов в базальтовой магме. Точки на диаграмме, соответствующие породам лерцолитовой серии интрузии Хороман, попадают в пределы контуров, взятых с фиг. 2. и показывают вариации составов лерцолита и гранатового перидотита. Диаграмма свидетельствует о том. что гранатовый перидотит также формировался в процессе аккумуляции кристаллов. Составы магм, из которых происходило осаждение пород лерцолитовой серии, можно рассчитать, предположив, что они располагаются на продолжении средних линий содержания отдельных окислов в сторону малых отношений MgO/∑ FeO. Полученные таким образом составы предполагаемых магм не похожи ни на один из известных составов базальтовых лав [7]. Составы некоторых наиболее типичных базальтов нанесены на диаграмму фиг. 3. Легко видеть, что точки, соответствующие базальту, располагаются на значительном удалении от продолжения средних линий Al₂O₃, суммарного железа в виде FeO и MgO.

Однако такое объяснение не является единственным. Составы исходной магмы не обязательно должны лежать на продолжении линий среднего содержания, и серии могли формироваться из каких-то известных базальтовых магм.

Не исключено, что колебания составов в лерцолитовой серии были обусловлены различной степенью частичного плавления исходной породы, которая, возможно, была представлена одним из членов этой серии с малой величиной отношения MgO/∑ FeO. Однако остаются определенные трудности при сопоставлении предполагаемых составов магм, которые могли формироваться при частичном плавлении, с составом известных лав.

Какой бы ни оказалась природа колебаний составов, ясно, что потенциальным источником обычных базальтовых магм могли быть члены этой серии с низкой величиной отношения MgO/∑ FeO при условии, что объем возникших магм был невелик.

На фиг. 2 показан состав предполагаемого исходного мантийного материала «пиролита» (см. табл. 1, стр. 13). По составу он соответствует среднему члену лерцолитовой серии, хотя содержания Na₂O + К₂O и TiO₂ в нем выше. При расчете состава пиролита был использован оливиновый толеит с Гавайских островов, который характеризуется более высокими содержаниями Na₂O + К₂O и TiO₂, чем большинство других толеитов. Соответственно, принимая за основу состав среднего толеита. можно изменить состав пиролита таким образом, чтобы он полностью отвечал породам лерцолитовой серии.

Близость составов пиролита и пород лерцолитовой серии указывает, что сам лерцолит и его модификации, характерные для высоких давлений, составляют основную часть верхней мантии.

Породы верлитовой серии с Гавайских островов и из Японии обнаруживают хорошо выраженную расслоенность, обусловленную чередованием слоев, попеременно обогащенных оливином и моноклинным пироксеном. Эта особенность наряду со структурой, типичной для пород, свидетельствует о том, что формирование пород происходило в результате аккумуляции кристаллов, а не при частичном плавлении. Состав моноклинных пироксенов, отличающийся от состава пироксенов пород лерцолитовой и эклогитовой серий (фиг. 1), указывает на их образование па меньших глубинах. Верлитовая серия Гавайских островов рассматривалась в качестве горизонтов закристаллизовавшегося магматического очага вулканов [7].

Такие магматические очаги, вероятно, протягиваются из коры в мантию. Скорее всего верлитовые серии других районов также представляют собой остатки магматических очагов, связанных с древней вулканической деятельностью.

Па фиг. 3 показаны составы габброидпых и гранулитовых включений, ассоциирующих с перидотитовыми и эклогитовыми включениями на Гавайских островах, в Японии и Австралии. В расположении этих точек наблюдается значительно больший разброс, чем для эклогитовой серии; поэтому образование эклогитовой серии не может быть результатом фазового перехода габбро и гранулита при погружении на большую глубину.

Минералогические особенности и химизм эклогитовой серии из Солт-Лепк объяснялись последовательными этапами кристаллизации некоторых базальтовых магм, возможно океанита (богатый оливином толеит) [7]. Эклогитовая серия Австралии и Южной Африки по химизму мало отличается от серии Солт-Лейк и, по-видимому, могла образоваться в результате сходного процесса.

Ограниченное количество эклогитовых включений указывает, что породы этой серии слагали локальные скопления внутри массы лерцояитов и гранатовых перидотитов. Глубина залегания таких скоплений для Гавайских островов, вероятно, равна 40—60 км [5, 7], а для Южной Африки 100—150 км.

Результаты изучения включений не подтверждают предположения о том, что раздел Мохо представляет собой фазовую границу между габбро (или гранулитом) и эклогитом. Эти исследования частично подтверждают модель верхней мантии, предложенную Рингвудом [9]. Нет данных, свидетельствующих о присутствии в верхах океанической мантии оливин-рогово-обманковых пород, или «амфолита» Рингвуда. «Дунит-перидотитовый» слой, который, согласно Рингвуду, существует в верхней части подконтинентальной мантии, по-видимому, соответствует членам лерцолитовой серии с высоким значением отношения MgO/∑ FeO, если эти породы образовались в виде остатка при частичном плавлении. Если это верно, то члены серии с низкой величиной отношения MgO/∑ FeO должны встречаться преимущественно в океанической мантии.

Примечания

1. Термин «перидотит» используется здесь для обозначения группы ультраосновных пород, в состав которой входят дуниты, лерцолнты, верлиты и гарцбургиты.