Межзеренное вещество в ксенолите шпинелевого лерцолита

ЗАПИСКИ ВСЕРОССИЙСКОГО МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА
Ч. CXXII        1993        № 2

ДИСКУССИИ, КРИТИКА, БИБЛИОГРАФИЯ

УДК 552.321.6:552.111 © 1993 г. ,

Д. чл. Т. Г. ПЕТРОВ, д. чл. И. Г. ЛЯПИЧЕВ, Г. И. СУСЛОВ, А. А. КНИЗЕЛЬ

МЕЖЗЕРЕННОЕ ВЕЩЕСТВО В КСЕНОЛИТЕ ШПИНЕЛЕВОГО ЛЕРЦОЛИТА

Т. G. PETROV, I. G. LYAPITCHEV, G. SLOV, A. A. KNIZEL

INTERGRANULAR SUBSTANCE WITHIN THE SPINEL LHERZOLITE XENOLITH

A substance located between grains of the main minerals within the spinel-bearing lherzolite has been studied by microprobe analysis. This intergranular substance composition is characterized generally by higher SiO2, TiO2, Al2O3, CaO, Na2O, K2O contents and lower FeO, MaO grade, as compared with average data on the whole lherzolite xenolith. Some variation of this substance composition depending on its location between different mineral pairs has been revealed also. In the whole, such chemical peculiarities could be explained with assumption, that growing mineral grains pushed out the ill-suited components, which were conserved in the intergranular space up to the final stage of the rock hardening.

Известны факты повышения содержаний некоторых компонентов в тонких слоях на границах между зернами минералов (Frey, Green, 1974; Fraeser е. а, 1984; Kuo Lung-Chuan, Essene Eric J., '1986; Amundsen, 1987; Maaskant, Kaper, 1991). Этому явлению даются различные объяснения. Наша работа с образцом ксенолита шпинелевого лерцолита, любезно представленного нам и описанного и др. (1987), позволила обратить внимание на причину, имеющую, на наш взгляд, принципиальный интерес и достаточно широкое распространение.

Предпосылками работы стали следующие положения и следствия из них, очевидные или общепринятые в областях петрологии и кристаллогении (Лодиз, Паркер, 1974; Флеминге, 1977; Петров и др., 1983). Перечислим их.

Представленные  ксенолитами  мантийные породы есть  остаток  от частичного  перехода  в
жидкое  состояние — взаимного  растворения минералов  протопород  для  лерцолита  и  базальта  и
отделения образовавшейся жидкости базальтового состава. При кристаллизации из сложных систем — растворов  (термин, см.: Петров,  1977)  состав
кристаллов всегда отличается от состава жидкости. При этом происходит оттеснение в среду ком­-
понентов с коэффициентами распределения k < 1 и захват компонентов с к > 1. При кристаллизации,
сопровождающейся снижением температуры, жидкость эволюционирует, последовательно обогащаясь
наиболее низкотемпературными для данной системы компонентами.

3.        Давления, меньшие пределов прочности кристаллических фаз, оказываемые на смесь кристал­-
лов и жидкости проницаемым для жидкости телом (поршнем), не отжимают жидкость из смеси  по
достижению плотнейшей упаковки зерен. Доля жидкости, остающейся в пространстве между округ­-
лыми (подрастворенными) плотно упакованными кристаллами, меньше 26%, зависит от распределения
размеров и форм зерен, но в реальных условиях не обращается в нуль. Иными словами, никакие
сколь угодно большие давления полностью не отжимают жидкость из межзеренного пространства.
Поэтому в промежутках между зернами ведущих минералов рестита следует ожидать обнаружения
вещества, по составу ближайшего к жидкости, существовавшей в последние моменты кристаллизации
совокупности твердых фаз, т. е. при наиболее низких температурах.

Наиболее низкотемпературная жидкость в эволюционном ряду,  начинающемся базальтом,
имеет составы, обогащенные кремнием, алюминием, натрием и калием. Соответственно межзеренное
вещество (MB) мантийных лерцолитов должно содержать повышенные концентрации этих компо­-
нентов. Если  нагрев смеси минералов идет со скоростью большей,  чем скорость диффузионного
выравнивания состава межзеренной жидкости, то ее состав будет варьировать от точки к точке,
будучи обогащаемым компонентами, входящими в состав минералов, контактирующих с жидкостью.

138

6. Охлаждение агрегата с межзеренной жидкостью со скоростями меньшими, чем скорости ее перехода в стеклообразное состояние, будет вести к кристаллизации и одновременно к дифференциации ее состава при любой степени первоначальной гомогенизации. Для дифференциации состава жидкости значимы следующие четыре фактора: а) дорастание зерен ведущих минералов — различия в наборах и составах компонентов, извлекаемых из жидкости разными минералами; б) разобщение отдельных микрообъемов жидкости за счет смыкания зерен при их росте; в) выделение новых (низкотемпературных) кристаллических фаз, г) структурирование пристеночной жидкости.

Вероятность образования в межзеренной жидкости кристаллов, одинаковых с ограничивающими данный участок MB, должна уменьшаться с уменьшением толщины слоя MB и падением скорости охлаждения агрегата кристаллов — ксенолита. Рост (регенерация) различных пар минералов из тонких слоев разделяющей их жидкости и разобщение ее микрообъемов будет приводить к тому, что после общего затвердевания вещества состав MB на границах между разными парами минералов будет различным.

9. Прогрев протопороды и ее частичный переход в жидкость, сопровождающийся «отжимом», ведет к преимущественному удалению более легкоподвижных — низкотемпературных компонентов. Соответственно  регенерация  кристаллов  будет  происходить  в  условиях  повышенной  основности жидкости, что приведет к соответствующему сдвигу в составах наружных частей кристаллов.

Ограничимся приведенным перечнем сведений, отметив, что работа по определению состава MB в существенной степени проводилась в направлении проверки высказанных положений как возможных результатов, следующих из модели формирования пород, представленных ксенолитами.

Исследование состава MB было проведено на микроанализаторе МБХ фирмы Саmеса с полуп­роводниковым спектрометром (разрешение 160 эВ). Режим анализа — традиционный для силикатов: ускоряющее напряжение 15 кВ, ток зонда 2 mА. Методика электронно-зондового микроанализа в приложении к исследованию геологических объектов неоднократно обсуждалась в литературе и здесь не рассматривается. Значительные вариации сумм привели к необходимости дополнительных иссле­дований для выяснения причин их возникновения. Эти исследования показали, что вариации связаны с присутствием в MB неанализируемых элементов — водорода, кислорода и, возможно, углерода. В связи с этим проводился постоянный контроль стабильности работы прибора по эталону «Санидин» в режиме мониторинга. Поиск межзеренного вещества и выбор точек для анализа проводились по характерному голубому высвечиванию катодолюминесценции, природа которой специально не вы­яснялась. Отметим, что близкие цвета катодолюминесценции характерны для кварца, полевых шпатов, диопсида. После отбраковки малодостоверных и ошибочных анализов было оставлено 118, которые и использованы для дальнейшей работы.

Исследовавшееся межзеренное вещество располагается между зернами породообразующих минералов в виде прожилков толщиной до десятков—сотен мкм. Общее количество межзеренного вещества не превышает 1—2 мас.%. На границах между зернами одноименных минералов MB обычно отсутствует. Под оптическим микроскопом установить какую-либо структурированность MB не удается. Поэтому почти  целиком работа проводилась в направлении изучения химического состава MB с помощью микрозонда.

В таблице приведен средний состав MB, а также валовые составы ксенолита и вмещающего базальта. Как явствует из сопоставления, в MB по сравнению с валовым составом ксенолита существенно повышены содержания кремнезема, двуокиси титана, окиси алюминия, кальция и щелочей — в общем, компонентов лейкоратовых пород. Содержания MgO и окислов железа в MB существенно ниже, что естественным образом связывается с уходом этих компонентов на построение кристаллов оливина и пироксенов.

Значительные колебания в содержании титана, хрома, магния и кальция имеют, по-видимому, различные причины. Первые два компонента практически не входят в ведущие минералы и, по всей вероятности, образуют самостоятельные фазы (содержание ТiO2 в ан. № 4 В002 — 12.02%, Сr2Оз в ан. № 1Г047 —4.48%). Остальные компоненты входят в ведущие минералы, и их вариации могут быть связаны как со скелетным ростом оливина и пироксенов на завершающих стадиях охлаждения ксенолита, так и с появлением новых зерен в средних частях промежутка (наиболее широкого) между зернами минералов, контактирующих с MB, что было прямо обнаружено при проведении серии анализов в сечении ОРх—MB—01 (2.2% MgO в точке на расстоянии 25 мкм от ОРх при общей ширине промежутка между кристаллами около 50 мкм, рис. 1).

В целях выяснения того, насколько в изученном ксенолите отражаются различия пар соседст­вующих минералов на составе MB, заключенного между ними, было проведено группирование составов MB для сочетаний Ol—Ol и Ol—ОРх (1), Ol—СРх (2), ОРх—ОРх, ОРх—СРх, СРх—СРх (3), Sp—Sp (4). Результаты статистической обработки сгруппированных материалов приведены в таблице. К сожалению, имеющиеся данные не позволили провести сопоставление составов MB между одноименными  парами  минералов в связи с недостаточностью фактического материала.

На контакте оливин—оливин MB имеет повышенное содержание кремнезема по сравнению с MB в парах ОРх—СРх, так как последние захватывают его в большем количестве, чем оливин. Содержание SiO2 в сопоставляемых парах с участием ОРх и СРх близки в силу близости его содержаний в пироксенах. Железо и магний более энергично захватываются из MB пар оливин— пироксены, соответственно их содержания в этих случаях понижены.

Натрий в небольших количествах входит, в СРх, но не входит в оливин и ортопироксен, отсюда несколько повышенное его содержание в MB между этими минералами. Поведение СаО в рамках

139

этой простой схемы не находит объяснений. Не исключено, что это связано с относительно сильным влиянием структурированности пристеночной жидкости, но для конкретных веществ этот вопрос требует специальной проработки. Весь массив данных по MB был обработан на ЭВМ ЕС-1035 методом главных компонент. Результаты приведены на рис. 2. В осях координат 1—2 факторы 118 анализов распределились в пределах четырех достаточно четко обособленных полей. Поле 1 охватывает MB между парами оливин—оливин и оливин—ортопироксен, 2 —оливин—клинопироксен, 3 — ортопироксен— клинопироксен, ортопироксен—ортопироксен, клинопироксен—клинопироксен, 4 — шпинель— шпинель. Обособленность полей наглядно свидетельствует о значимости  различий в составах MB в контактах с различными парами ведущих минералов ксенолита. С целью более детального изучения указанной особенности была проведена серия анализов вдоль сечения ОРх—MB—Ol (рис. 1). Вообще, изучение ширины и состава зон регенерации в кристаллах — отдельный вопрос. Здесь заметим только, что регенерация проявляется не всегда по всему периметру зерен, и ширина зон различна, наибольшие величины составляют 100—200 мкм. Наиболее чувствительным компонентом, маркирующим границу зон регенерации ОРх  и  Ol, является железо. В данном межзеренном веществе отмечаются резко повышенные по сравнению с кон­тактирующими с ними минералами содержания SiO2, Al2O3, CaO, Na2O, К2О. В то же время содержания окислов железа и магния близки к нулю. Это согласуется с общей статистической картиной. Имея всего один график распределения компонентов по разрезу через MB и контактирующие минералы, нельзя судить о законосообразности или случайности поведения отдельных компонентов по разрезу. Однако некоторые детали, укладывающиеся в общую схему процесса, интерпретируются.  Повышение содержания Аl2О3 и СаО при приближении к оливину естественно объясняется оттеснением этих компонентов фронтом растущей поверхности кристалла оливина при относительно низкой подвижности этих компонентов. Обращает на себя внимание, но пока надежно не интерп­ретируется резкое снижение содержания калия вблизи поверхности оливина (пристеночное струк­турирование жидкости?).

Что касается отдельных минералов, образование которых, возможно, связано с заключительным периодом кристаллизации в ксенолите после отделения основной части жидкости, то в первую очередь к ним следует отнести шпинель. Во-первых, мелкие зерна шпинели нередко находятся в самом MB, во-вторых, крупные ее выделения имеют часто весьма причудливые очертания и нередко располагаются цепочками вдоль контактов между зернами оливина  и  пироксена. В-третьих, ее состав характеризуется весьма высокими содержаниями Аl2Оз (до 53%) при крайне высоких содержаниях этого компонента в MB и одновременно очень низком содержании в валовом составе ксенолита. В-четвертых, в шпинели не обнаруживаются зоны регенерации, которые могли бы свидетельствовать о периоде неполного растворения и регенерации.

Подобное рассуждение можно привести и для моноклинного пироксена — эндиопсида. Его относительно мало в породе ксенолита (около 6.8 об.%), он содержит 19—20% СаО при 2% в общем составе ксенолита и около 8% в MB, т. е. не исключено, что СРх, кристаллизуясь в существенной степени на последней стадии существования MB в виде жидкости, является «сборщиком» СаО и остатков MgO. Ввиду нарастающего дефицита MgO к концу кристаллизации  клинопироксена следует ожидать в его периферийных частях обогащения СаО.

Аналитические материалы по MB были обработаны с помощью метода RHA (Петров, 1971; Великославинский и др., 1984) и сопоставлены с банком данных фактографической информационно-поисковой системы (ФИПС) «Химия природных объектов» (Петров и др., 1983), содержащим свыше 24 тыс. анализов горных пород и минералов.

Было установлено, что около десятка конкретных анализов MB идентичны составам основных плагиоклазов. Остальные не обнаружили сходства с материалами ФИПС. Последнее может быть связано с тем, что размеры зерен MB соизмеримы с диаметром электронного пучка использованного зонда и, таким образом, анализы относятся к сросткам единичных зерен.

Проведенное усреднение составов, находившихся между отдельными парами минералов, дало реальные составы, не связанные с размерными соотношениями зерен и площадей опробования. Эти составы — конечный результат оттеснения всего не вошедшего в кристаллы на последних стадиях их роста, когда уже существует жесткий каркас из кристаллов основных минералов породы и в ее массе практически отсутствуют макроскопические движения жидкости. Понятно, что эти составы в принципе не могут накапливаться в каких-то значимых количествах и потому не является неожидан­ным отсутствие химических аналогов и этих составов в банке данных ФИПС.

Пересчет в форму RHA среднего состава( по всем 118 конкретным анализам MB и обращение к ФИПС позволили установить, что этот состав сходен с весьма небольшим числом имевшихся анализов. Наиболее близок он к среднему составу габбро-диоритов и диоритов из ксенолитов Камчатки (Ермаков и др., 1978, с. 108, ан. № 3), а также составу габбро-анортозита (Васькин, Карсаков, 1978, с. 50, ан. № 5). Этот факт требует особого осмысления.

Существенное отличие состава MB и вмещающего ксенолит базальта не является свидетельством против их родства, хотя пока и не помогает его установлению. В целом связь между составами базальтов и межзеренного вещества нам представляется следующим образом. Прогрев протопороды ведет к отделению жидкости, эволюционирующей от низкотемпературных к более высокотемпера­турным составам с одновременным формированием мафических минералов и последующим частичным

140

Рис. 1. Составы по сечению через межзеренное вещество и контактирующие с ним минералы ОРх и Ol. 0 — положение контактов.

Fig. 1. Chemical согарс M'on within cross-section through intergram  ■  paw  d jointing minerals (OPx and Ol). 0 — location of contact.

их растворением. При этом образуется смесь твердых высокотемпературных фаз и заполняю-щей свободное пространство между зернами минералов жидкости — исходного  межзеренного вещества (МВИ). По достижении максимальной температуры и завершения гравитационного осаждения и уплотнения осадка гидродинамическое вытеснение жидкости («отжим») прекращается. Состав этой межзеренной жидкости и самых последних порций вытесненной из осадка жидкости, поступившей в состав базальта, может считаться практически неотличимым. В этом и заключается общность их родства. Далее их эволюционные пути расходятся. Базальт эволюционирует, ассимилируя вмещающие породы, теряя летучие компоненты и т. д. Исходное же межзеренное вещество — жидкость — с началом охлаждения эволюционирует в направлении понижения концентрации компонентов, идущих на регенерацию сохранившихся зерен минералов, и повышения концентрации остальных. По достижении пересыщения по этим компонентам возникают новые вторичные фазы как в виде относительно крупных кристаллов, обнаруживаемых под микроскопом (в нашем случае — шпинель и, видимо, клинопироксен), так и оптически неразличимые — межзеренное вещество конечное (МВК), изучением которого мы и занимались.

*

Рис. 2. Факторная диаграмма составов межзеренного вещества между разными парами минералов. Объяснение в тексте.

Fig. 2. Factor diagram of the intergranular substance between different mineral pairs.  (Commentary — in text.)

Состав последних порций жидкости, поступавших в базальт при максимальной температуре, может быть определен по составу МВИ — жидкости, из которой началась регенерация. Состав же этой жидкости в принципе однозначно определим из составов и соотношений масс: а) зон регенерации всех первичных кристаллов, б) всех вторичных фаз и в) конечного межзеренного вещества как продукта, завершившего процесс затвердевания породы ксенолита. Разумеется, такой расчет может быть корректным лишь для фрагментов неизмененных пород, после разработки методов достаточно надежного проведения границ зон регенерации и выявления минералов, вторичных по отношению к реститным фазам.

Выскажем некоторые соображения об агрегатном состоянии MB. Нижняя температура существования жидкого базальта выше минимальной температуры жидких кислых лав, поэтому переход в твердое состояние MB в ксенолите должен отставать от затвердевания базальта. Наличие стеклообразной оболочки у ксенолита свидетельствует о том, что переход МВ в твердое состояние (стеклообразное или кристалличе­ское) должен был происходить в условиях быстрого снижения температуры. Однако зажатость тонких слоев жидкости между кристаллическими стенками, играющими роль затравок, в существенной степени снижает возможность перехода последних порций MB в стеклообразное состояние. Решение этого вопроса требует специальной экспериментальной работы. С другой стороны, наличие различий в составах MB между разными парами минералов и наличие зон регенерации прямо говорят о росте кристаллов на, скажем, предпоследней стадии отвердевания вещества ксенолита. Резкие всплески концентраций некоторых элементов в MB — также проявление гетерогенности состава, выходящей за возможные границы вариаций состава однородного стекла. Таким образом, не имея пока возможности сказать, был ли этап охлаждения, на котором формировалось стекло, можно определенно говорить о существовании этапа кристаллизации матричных минералов.

Приведенное предварительное исследование (пока одного ксенолита) позволяет высказать некоторые положения, представляющиеся интересными для дальнейшего изучения MB, регенерационных зон кристаллов и образования минералов, последних в ряду кристаллизации.

Поскольку состав и агрегатное состояние MB являются чувствительными к режиму нагрева, отделения жидкости и охлаждения пород ксенолитов, с одной стороны, и поскольку обнаружена зависимость состава MB от состава контактирующих с ним минералов — с другой, вообще работы

143

по изучению MB и выделений минералов на последних стадиях становления ксенолитов представляются нам весьма перспективными.

Возможна типизация образцов ксенолитов по характеру отличия состава MB от состава всего ксенолита и отдельных его минералов. Такая типизация в более или менее свернутом виде будет соответствовать типизации условий формирования ксенолитов и родственных им базальтов.

Изучение изменений состава MB от центра ксенолита к его периферии должно дать сведения о характере процессов после консолидации породы ксенолита и падения коэффициентов диффузии слагающих MB компонентов. Кроме того, желательна постановка работ по выяснению зависимости прочности ксенолитов от температуры при повышенных давлениях, так как прочность породы ксенолита в первую очередь зависит от агрегатного состояния (жидкое—твердое) MB и лишь во вторую очередь — от прочности слагающих породу ведущих минералов.

Выходя за пределы проблематики генезиса ксенолитов и базальтов, следует сказать, что изучение межзеренного вещества представляет интерес и для совсем иных образований. Во-первых, оно, являясь остатком при кристаллизации «больших», «ведущих» компонентов, представляет собой собрание, концентрат компонентов «малых», «примесных», не вошедших в кристаллические решетки главных минералов данной породы. Для магматических пород MB — это как бы пегматит на субмикро-уровне. Во-вторых, агрегат MB как микрокристаллический остаток, включавший, в частности, свободную воду и находящийся в жесткой матрице, обязан быть более пористым, чем материал макрокристаллов. Вследствие этого MB, будучи последним при становлении породы, будет первым при ее изменениях под воздействием любых растворов — метасоматизирующих, рудособирающих и рудообразующих. Поэтому расширение круга объектов, в которых исследуется межзеренное вещество, должно помочь в решении многих как теоретических, так и практических вопросов, связанных с миграцией, рассеянием и накоплением вещества в земной коре.

Список литературы

, Карсаков габбро-анартозитовый массив // Минеральные фации кристаллических пород. Владивосток: Изд. АН СССР, 1978.

, , Кратц анализ магматических систем. Л.: Наука, 1984.

, , О вещественной структурной и физической неоднородности в пределах одного образца шпинелевого лерцолита // Глубинные ксенолиты и строение литосферы. М.: Наука, 1987. С. 8—30.

и др. Включения габброидов и амфиболитов в вулканических породах Камчатской островной дуги // Включения в вулканических породах Курило-Камчатской островной дуги. М.: Наука, 1978. С. 67—121.

ост монокристаллов. М.: Мир, 1974. С. 542.

Петров варианта общей классификации геохимических систем // Вестн. ЛГУ, 1971. № 18. С. 30—38.

О невозможности определения последовательности кристаллизации по индивиду­альным характеристикам минералов//ЗВМО. 1977. Вып. 4. С. 499—502.

, , Усанова -поисковая система — Химия природных объектов // Магматические и метаморфические формации Ср. Азии и петрологические критерии рудоносности. Ташкент: ФАН, 1983. С. 153—155.

, , Касаткин кристаллов из растворов. Л.: Недра, 1983. С. 200.

роцессы затвердевания. М.: Мир, 1977. С. 424.

Amundsen H. E. F. Evidence for liquid immiscibility in the upper mantle // Nature. 1987. Vol. 327. N 6124. P. 692—695.

Fraeser D. J., Watt F., Grime G. W., Tacacs J. Direct determinations of strontium enrichment on grain boundaries in a garnet lherzolite xenolith by proton microprobe analysis // Nature. 1984. Vol. 312. P. 352—354.

Freer R. Mass transport in minerals//J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1990. N 8. P. 1281—1286.

Frey F. A., Green D. H. The mineralogy, geochemistry and origin of lherzolite inclusions in Victorian basanites // Geochim. a. Cosmoch. Acta. 1974. N 38. P. 1023—1059.

Kuo Lung-Chuan, Essene Eric J. Petrology of spinel harzburgite xenoliths from the Kishb Plateau, Saudi Arabia//Contrib. Miner, and Petrol. 1986. Vol. 93, N 3. P. 335—336.

С.-Петербургский университет                                Поступила в редакцию 6 июня 1992 г

Всероссийский научно-исследовательски

геологический институт

(ВСЕГЕИ), Санкт-Петербург

.