- 1. Изучение полиморфизма и условий плавления фаз, являющихся, вероятно, основными компонентами верхней мантии.
- 2. Исследование изменений, происходящих в ассоциации фаз субсолидуса в сложных смесях, изучение минеральных фации основных и ультра-основных пород.
- 3. Изучение равновесия в сложных системах кристалл — жидкость, а также исследование составов и возможной эволюции основных магм при частичном плавлении мантии.
Вопросы, связанные с точностью измерения давления и температуры с помощью аппарата типа цилиндр — поршень, который применялся в большинстве из описанных ниже опытов, в этой работе детально не рассматриваются. При этом следует отметить ряд нерешенных проблем: эквивалентно ли среднее усилие гидростатическому давлению; обязательно ли вводить поправку на трение; насколько велико влияние давления па электродвижущую силу термопары; степень загрязнения термопары и, наконец, характер зависимости температуры, при которой достигается равновесие, от продолжительности опыта. Очень мало внимания уделено абсолютным значениям температур и давлений, которые приводятся в литературе. В тех случаях, когда расчет температуры проводится по величине затраченной энергии, полученные значения температур очень неточны. В статье даны ссылки только на самые новейшие экспериментальные работы.
Связь между полиморфизмом и плавлением в простых фазах
Ортосиликаты. Равновесные условия при плавлении форстерита были определены для давлений вплоть до 50 кбар [12]. Форстерит плавится конгруентно. Если переход форстерита в шпинель наблюдался при давлениях 150—170 кбар [2, 35], то переход в эту же структуру минералов всей фор-стерит-фаялитовой серии осуществлялся при более низких давлениях [1, 35]. Линдсли [24] провел опыты по плавлению фаялита при давлениях до 40 кбар и рассмотрел значение перехода оливин — шпинель для разделения MgO/FeO в мантии.
Безызвеетковистые метасиликаты. Были исследованы плавление и полиморфизм MgSiO3 вплоть до давлений 50 кбар [8]. Энстатит плавится конгруентно при давлениях выше нескольких килобар. Линдсли [23] изучил соотношения, наблюдающиеся в FeSiO3, а также промежуточные твердые растворы в ряду Mg — FeSiO3 при давлениях до 50 кбар. Рингвуд и Мейджор [36] опубликовали данные, свидетельствующие о том, что при давлениях около 200 кбар происходит разложение пироксена состава Of100 — Of25 — En75 с образованием ассоциации шпинель стишовит. По их мнению, структурный переход пироксен — ильменит в MgSi03 происходит при еще более высоких давлениях. Бойд и Ингленд [7], а также Мак-Грегор и Рингвуд [27] изучили условия устойчивости глиноземистых, богатых энстатитом пироксенов.
Известковистые метасиликаты. Было изучено плавление диопсида вплоть до давлений 50 кбар [6]. Установлено, что диопсид плавится кон-груентно. До сих пор не известны фазовые переходы диопсида при высоких давлениях. Система диопсид — эпстатит изучена при давлениях 30 кбар [11]. Ньютон и Смит [28] повторно исследовали поля устойчивости жадеита; плавление этого минерала изучено Беллом и Розебумом [4], а твердые растворы ряда жадеит — диопсид исследованы Кусиро [19], а также Беллом и Девисом [3]. Плавление и пределы устойчивости акмита до давлений 50 кбар изучались Гилбертом [14]. Результаты, полученные при исследовании системы жадеит — акмит, приведены в работе Ньютона и Смита [28]. Были изучены поля устойчивости CaAl2SiO6 [17], а также твердые растворы в ряду диопсид — CaAl2SiO6 до давлений 50 кбар [19]. О’Хара и Йодер [33] опубликовали данные о многочисленных твердых растворах в системах диопсид — пироп, диопсид — Al2O3, диопсид — MgAl2SiO6 и диопсид — кианит. Отмечено, что при давлениях 20 кбар в диопсиде растворяется более 5% Mg2SiO4 [18].
Глиноземистые диопсиды и энстатиты устойчивы в диапазоне давлений от 10 до 40 кбар, но при давлениях около 100 кбар они кристаллизуются в виде недосыщенного глиноземом граната [34].
Плагиоклазы. При высоких давлениях альбит и анортит неустойчивы [28, 17], а при давлениях выше 10 кбар плавление плагиоклазов становится сложным и инконгруентным [25].
Гранаты. Устойчивость пиропа, альмандина, гроссуляра, а также гранатов пироп-альмандинового и пироп-гроссулярового рядов изучалась Бойдом и Инглендом [5], Йодером и Чиннером [37], Чиннером и др. [9], а также Хейсом [17]. Рингвуд [34] сообщил об исследованиях структуры слабоглиноземистого граната. Кларк с соавторами [10] предположили, что при очень высоких давлениях происходит переход граната в корунд. О'Хара и Мерси [32] рассмотрели поля устойчивости гранатов промежуточного состава ряда гроссуляр — пироп и сравнили их с твердыми растворами диопсид-корундовой и пироксеновой ассоциаций минералов.
Шпинели. До сих пор проведен небольшой объем работ по изучению полей устойчивости шпинелей типа (MgFe)(Al, Сг, Fe)2O4 при высоких давлениях. Показано, что при давлениях, существующих в верхней мантии, следует ожидать не структурных переходов, а прогрессивного увеличения растворимости кремнистой шпинели типа Si(MgFe)2O4, причем самая высокая растворимость ожидается при давлениях свыше 200 кбар.
Изменения минеральных ассоциаций субсолидуса
Изменения субсолидусной ассоциации (т. е. изменения минерального состава) ультраосновных и основных пород связаны главным образом с неустойчивостью при высоких давлениях ассоциаций плагиоклаз—оливин и плагиоклаз — пироксен, характерных для малых давлений, а также с замещением этих ассоциаций ассоциациями гранат—оливин и диопсид—кианит.
Мак-Грегор [26] и О’Хара [30, 31] суммировали экспериментальные данные по зависимости минеральных ассоциаций перидотитов от температуры и давления. Кусиро и Йодер [21] доказали устойчивость мервикит-диопсид-форстеритовой ассоциации при умеренных давлениях в бедных кремнеземом ультрабазитах; эта ассоциация замещает ассоциации с монтичеллитом и мелилитом.
Кусиро и Йодер [22] изучили переход анортит-энстатитовых ассоциаций в ассоциацию пироксен + гранат + кварц, а Кусиро [19] исследовал переход анортит-диопсидовых ассоциаций в ассоциацию моноклинный пироксен — гранат — кварц. Эти преобразования являются основными при переходе от пироксеновых роговиков через гранулиты к эклогитовой фации. Этот переход в природных основных породах был изучен Грином и Рингвудом [15].
Изучение расплавов
Йодер и Тилли [38], Девис и Шерер [13], Кусиро [20], О’Хара [29], Грин и Рингвуд [16], а также О’Хара и Йодер [33] изучили влияние высоких давлений на состав и эволюцию продуктов частичного плавления перидотитов на природных образцах и искусственных смесях.
Результаты опытов
В условиях верхней мантии перидотиты, в состав которых входят магнезиальный оливин, моноклинный и ромбический пироксены, а также какой-нибудь глиноземистый минерал, являются устойчивыми ультраосновными породами. При низких давлениях высокоглиноземистый минерал представлен плагиоклазом, при умеренных давлениях — шпинелью, а при высоких давлениях — гранатом. При высоких температурах в интервале давлений от умеренных до высоких резко возрастающая растворимость глинозема в пироксене будет приводить к уменьшению количества глиноземистого минерала в породе иногда до полного его исчезновения.
Эклогит — аналог базальтов и габбро в условиях высоких давлений; однако существует широкая переходная зона давлений, в пределах которой развиваются ассоциации гранулитовой фации. Давления, при которых образуются минералы эклогитовой фации, зависят главным образом от степени насыщения породы кремнеземом.
И эклогит, и гранатовый перидотит, по-видимому, устойчивы на более глубоких уровнях континентальной коры при условии, что существующие на этих глубинах температуры невелики.
Прогрессивно увеличивающееся давление (по меньшей мере до 40 кбар) уменьшает первичный объем оливина, который кристаллизуется из базальт-перидотитовых жидкостей. При этом продукты частичного плавления перидотита прогрессивно обогащаются нормативным оливином (т. е. приближаются по составу к пикриту) и поэтому по мере увеличения давления все меньше и меньше напоминают извергающиеся магмы. Обычно наблюдаемые базальтовые магмы пе являются первичными; они — результат дифференциации магмы и ее взаимодействия с вмещающими породами при подъеме к поверхности.
Иервичный ромбический пироксен, распространение которого при малых давлениях ограничено составами, содержащими нормативный кварц, вначале становится характерным для составов с нормативным оливином, а затем, после перехода через плоскость критического неяосыщения Si02, при средних давлениях — для составов, содержащих нормативный нефелин. При высоких давлениях количество этого первичного ромбического пироксена уменьшается, и в составах с нормативным нефелином он отсутствует.
Следовательно, при небольших давлениях продукты частичного плавления лерцолитов, содержащих оливин и ромбический пироксен, должны быть представлены породами с нормативным кварцем, при средних давлениях — оливиновыми толеитами, в интервале давлений от средних до высоких — пикритами с нормативным нефелином и, наконец, при высоких давлениях — пикритами с нормативным гиперстеном. Поэтому в щелочных базальтах включения, состоящие из оливина и ромбического пироксена, формировались скорее всего в условиях промежуточных давлении, хотя единое мнение о том, являются ли они случайными ксенолитами или родственны самим базальтам, пока отсутствует. Эклогитовые включения в кимберлитах могли образоваться в результате аккумуляции кристаллов в пикритовой магме, формировавшейся в ходе частичного плавления гранат-перидотитового материала мантии при высоких давлениях. Образующаяся при этом остаточная жидкость по своим геохимическим особенностям соответствует кимберлиту и альнёиту.