Корово-мантийное взаимодействие в зонах субдукцииНИР

Crust-mantle interaction in subduction zones

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 февраля 2016 г.-31 декабря 2016 г. Корово-мантийное взаимодействие в зонах субдукции
Результаты этапа: В 2016 г. выполнены 9 высокобарных опытов и детальных исследований 8 экспериментальных шашек с использованием сканирующего электронного микроскопа (более 150 изображений), электронного микрозонда (более 1000 анализов) и LA-ICP-MS (более 60 анализов). 1. Высокобарные эксперименты при Т=800-950оС и Р=2.9 ГПа с карбонатизированным гранатовым амфиболитом, помещенным в закрытую ампулу, показали, что в продуктах опытов наряду с типоморфными минералами эклогита – омфацитом, гранатом и кварцем – всегда присутствует доломит, при Т850оС – фенгит, а при Т850оС - расплав. В экспериментах с амфиболит-перидотитовыми сэндвичами при аналогичных Р-Т-t параметрах, но с небольшим термальнымм градиентом (3оС/мм), в метабизитовом слое образуются те же силикатные минералы, что и в опытах с амфиболитами, но карбонат и расплавы отсутствуют, т.к. переносятся в вышележащий перидотитовый слой восходящими потоками флюидов и/или расплавов. 2. Составы стекол попадают в поле риолитов на диаграмме TAS; при этом их кремнекислотность убывает с повышением температуры, а щелочность возрастает. По другим параметрам состава (MgO, Sr, Y, Nb) расплавы соответствуют обогащенным кремнием адакитам и породам ТТГ комплексов c возрастами моложе 3 млрд. лет (Martin et al., 2005). 3. Состав метабазитового слоя в сэндвич-экспериментах неоднороден. В областях, подвергшихся мощным потокам флюидов и/или расплавов возле стенок ампулы и на границе с реакционной зоной при T850oC, образуется характерный для ксенолитов в кимберлитовых трубках парагенезис биминерального (гранат-омфацитового) эклогита 4. Парагенезис биминерального эклогита был получен на границе риолитового расплава с лерцолитом при 950оС и 2.9 ГПа. Таким образом, эксперименты впервые показали два новых механизма формирования биминеральных эклогитов – в потоке кислого расплава через эклогит и при взаимодействии этого расплава с лерцолитом. Полученные геохимические данные по малым элементам в продуктах опытов будут обрабатываться и обобщаться на следующем этапе проекта. II. В метаультрамафитах из Максютовского высокобарного комплекса наряду с установленным ранее Ti-клиногумитом нами обнаружен высокоглиноземистый (до 4 масс. % Al2O3) антигорит, образующийся только при условиях эклогитового метаморфизма. Детальные петрологические исследования 5 шлифов метаультрамафитов с использованием электронний микроскопии (получено 50 изображений) и микроанализа (выполнено более 1000 анализов), а также моделирования фазовых равновесий (метод псевдосекций) показали, что в метаультрамафитах сохранились свидетельства о нескольких этапах преобразований. На пике метаморфизма по минеральным равновесиям с участием антигорита и Тi-клиногумита устанавливаются ультравысокобарные условия (в поле стабильности коэсита). Последующие три регрессивных этапа, контролировались декомпрессией, охлаждением и изменением флюидного режима в такой последовательности: кремнекислотный метасоматоз, карбонатизация и гидратация. III. Суперкомпьютерное моделирование (выполнено 60 численных экспериментов, каждый длительностью от 3 до 10 дней) интраокеаничной субдукции (например, Марианской зоны субдукции) при современной температуре мантии и океанической геотерме, рассчитанной по модели остывания плиты (Turcotte and Schubert, 2002), показало, что образование островной дуги, сложенной преимущественно базальтами осуществляется при использовании следующих факторов давления порового флюида и расплава, понижающих прочность пород: λfluid=1−Pfluid/Psolid =0.05 и λmelt=1−Pmelt/Psolid =0.01, соответственно, а также при достаточно высокой устойчивости склонов к эрозии (максимальная крутизна склона tgmax=0.5). В противном случае в островной дуге появляется значительные объемы кислого материала (адакитов), образованного за счет частичного плавления отделившихся от менее прочного слэба и попавших в висячее крыло мантии эклогитов и/или метаосадков. Геотермы для погружающихся в океанической коре элементарных объемов (маркеров), рассчитанные для разных уровней глубинности (с интервалом 0.5 – 1 км), показывают закономерное снижение температуры от поверхности плиты вглубь слэба .
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Корово-мантийное взаимодействие в зонах субдукции
Результаты этапа: На втором этапе проекта проводились исследования по трем основным направлениям – экспериментальному моделированию корово-мантийного взаимодействия при термодинамических параметрах зон субдукции, суперкомпьютерному моделированию субдукции при повышенной температуре мантии и петрологическому изучению высокобарных пород субдукционных комплексов. Продолжалась обработка и интерпретация многочисленных данных, полученных на предыдущем этапе по взаимодействию карбонатизированного амфиболита с дунитом и лерцолитом. По результатам этих экспериментов было впервые показано, что миграция флюидов (расплавов) в супрасубдукционных перидотитах осуществляется в синхронных режимах пропитывающего, фокусированного и диффузионного потоков, удаляющих расплав, углерод и частично воду из метабазитового слоя. Для диагностики нового типа гарцбургитов, установленного нами экспериментально, предложено использовать разнонаправленные тренды изменения содержаний CaO и Al2O3. LA-ICPMS профилирование показало, что миграция редкоземельных элементов (РЗЭ) между метабазитовым и дунитовым слоями в ампуле протекает по механизму хроматографического фракционирования. Продукты опытов первого экспериментального изучения фазовых отношений в субдукционном осадке согласуются лишь для расплава, граната и карбоната согласуются с фазовой диаграммой для субдукционного осадка, рассчитанной с помощью программного комплекса PerpleX. Для других фаз соответствие теории и эксперимента наблюдается не при всех температурах. При экспериментальном моделировании флюидно-магматического взаимодействия субдукционного осадка с лерцолитом отмечаются фокусированные потоки расплава, вокруг которых развиваются области метасоматического изменения лерцолита, в которых происходит превращение лерцолитового парагенезиса в гарцбургитовый. По второму направлению был выполнен большой объем численных экспериментов, впервые моделирующих интраокеаническую субдукцию при повышенной температуре мантии (отвечающей позднему архею). Моделирование показало тектонические особенности субдукции в докембрии, для субдуцирующих плит были построены геотермы для поверхности и основания коры при разных скоростях конвергенции и возраста океанической литосферы. Статьи с результатами исследований приняты к печати в престижные международные журналы (Lithos и Journal of Geological Society of London). Результаты опубликованы также в виде тезисов докладов, докладывались на трех научных форумах, два из которых международные.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Корово-мантийное взаимодействие в зонах субдукции
Результаты этапа: На основе высокобарных экспериментов, в которых моделировалось взаимодействие глаукофанового сланца с гарцбургитом и вебстеритом, было показано влияния мантийного субстрата на привнос–вынос компонентов и характер метасоматических преобразований на границе кора–мантия в зоне субдукции. В частности, установлено, что водно-углекиcлотный флюид (с растворенными в нем петрогенными компонентами), выделившийся из глаукофанового сланца, создает в мантийных субстратах разные минеральные парагенезисы, отличающиеся по химизму – Na-содержащий в вебстерите и K-содержащий в гарцбургите. При этом комплементарные для вебстеритового слоя калий и СО2, а для гарцбургитового – натрий фиксируются в исходном для этих компонентов глаукофансланцевом слое. Выявленное таким образом разделение щелочных элементов и СО2 на границе корового и мантийного субстратов может сказываться на характере метасоматоза в мантийном клине, составе первичных магм и эволюции состава пород субдуцирующей плиты. Нами было выполнены численные эксперименты на суперкомпьютерах при разных температурах мантии с использованием 2D петролого-термомеханической модели интраокеанической субдукции. Результаты экспериментов показывают, что современному стилю субдукции в геологическом прошлом предшествовал режим, в котором доминировал быстрый откат слэба и мощный подъем астеносферной мантии в пространство, созданное над отступающей плитой. Значение гидратационного плавления надсубдукционной мантии, определяющего характер магматизма в современных зонах субдукции, в этом режиме становится незначительном. Главенствующую роль начинает играть декомпрессионное плавление поднимающейся астеносферной мантии, сопровождающееся широкомасштабным развитием крупных магматических провинций базальтового состава. По результатам исследований в рамках проекта в 2018 г. опубликованы 2 статьи в престижных научных журналах (Lithos, Петрология), тезисы докладов на 3 конференциях (2 доклада - приглашенные), одна статья находится на рецензии в высокорейтинговом журнале “Precambrian Research”.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".