ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Флюиды и расплавы, выделяющиеся из субдуцирующих океанических плит, во многом определяют и контролируют магматизм островных дуг и активных континентальных окраин. При этом о характере, степени и масштабах преобразования мантии под воздействием огромных объемов восходящих расплавов и флюидов (годовые бюджеты Н2О и СО2 исчисляются миллиардами и сотнями миллионов тонн, соответственно) известно пока крайне мало. Сведения о преобразовании самих жидкостей вследствие миграции через породы мантии также весьма ограничены. Целью проекта является выявление особенностей метасоматического и метаморфического преобразований мантийных пород под воздействием флюидов и расплавов, выделяющихся из погружающейся плиты, а также влияния этих преобразований на состав мигрирующих жидкостей в современных и раннедокембрийских зонах субдукции. В рамках проекта будет продолжено первое систематическое изучение флюидно-магматического взаимодействия между модельными аналогами пород коры и мантии при Р-Т параметрах зоны субдукции, начатое нами в рамках проекта РФФИ 12-05-01093. В частности, планируется проведение серий высокобарных экспериментов на установке цилиндр-поршень по дегидратационному плавлению амфиболита и субдукционного осадка, а также по взаимодействию этих веществ с ультрамафитами (дунитом, гарцбургитом, лерцолитом и вебстеритом). В опытах будет применяться предложенный нами метод полуоткрытых ампул, при котором воссоздаются природные условия для миграции флюида (расплава) через мантийное вещество. Продукты опытов будут изучаться с помощью сканирующего электронного микроскопа, электронно-зондового микроанализа, а также масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Для оценки переноса компонентов в ходе взаимодействия будет использоваться разработанный нами метод интегральных профилей. По результатам экспериментов будут установлены особенности преобразования мантийных пород при фокусированном и пропитывающем потоке жидкостей (флюидов, расплавов), влияние гибридизации на состав мигрирующих жидкостей, рассчитаны активности флюидных компонентов, а также масштабы и Р-Т условия установленного нами эффекта растворения клинопироксена в лерцолите под воздействием кислого расплава (к такому же результату приводит совершенно иной процесс – частичное плавление лерцолита). Верификация экспериментальных данных будет проводиться на породах эклогит-глаукофансланцевого Максютовского комплекса, Южный Урал, где в зоне тектонического меланжа находятся метасоматически измененные породы мантийного клина, содержащие минеральные ассоциации, сходные с полученными в ходе экспериментов. О процессах корово-мантийного взаимодействия в архейско-палеопротерозойских зонах субдукции пока остаются малоизученными. Они будут исследоваться в контексте образования глубинных серий тоналит-трондьемит-гранодиоритовых магматических пород с использованием петролого-термо-механического суперкомпьютерного моделирования, а также с помощью экспериментов. Мы полагаем, что этот новаторский подход позволит показать с одной стороны эффективность генерации больших объемов кислой коры, образованных при частичном плавлении погружающейся плиты, а с другой – экспериментально установить состав этих расплавов после прохождения через породы мантийного клина. Ожидаемые результаты этого исследования могут оказаться принципиально важными для решения проблемы образования континентальной коры.
1) В ходе опытов по частичному плавлению исходных веществ будет установлена степень их плавления и составы расплавов при разных температурах. Таким образом, мы будем располагать точными сведениями о том, какие расплавы и в каком количестве участвуют в метасоматических преобразованиях мантийных пород в другой серии опытов по корово-мантийному взаимодействию. 2) Проведение экспериментов по взаимодействию между амфиболитом и лерцолитом покажет температурный диапазон и масштаб изучения открытого нами (но еще неопубликованного) эффекта растворения клинопироксена в лерцолите под воздействием кислого расплава. При наличии данных по редкоэлементному составу впервые откроется возможность установления диагностических признаков гарцбургитов, образованных по лерцолитам. 3) На основе детальных петрологических исследований ультрамафитов (так называемых оливин-пироксеновых пород) Максютовского комплекса (Ю.Урал) будут выявлены особенности метаморфической эволюции этих малоизученных пород, свидетельствующие об их многократном преобразовании под воздействием субдукционных флюидов, в том числе за счет реакций, изучаемых нами в ходе экспериментов. 4) Суперкомпьютерное моделирование докембрийской субдукции позволит выявить скорости конвергенции литосферных плит и термальных условий, при которых достигается частичное плавление в коровых породах погружающейся океанической плиты и подъем кислых магм к поверхности. 5) По результатам экспериментальных исследований будут подготовлены 2 статьи в международные журналы.
Участники проекта в течение многих лет занимаются исследованиями процессов метаморфизма в палеозонах субдукции и коллизии, имеют опыт термодинамической обработки экспериментальных и природных материалов, экспериментального изучения минеральных равновесий и плавления вещества при высоких давлениях, в том числе на установке цилиндр-поршень. Среди принципиально важных результатов хотелось бы отметить установление эффекта "гарцбургитизации" лерцолита под воздействием кислого расплава. Были также получены очень любопытные материалы по различным формам метасоматического преобразования дунита и вебстерита при фокусированном и пропитывающем потоках флюида (расплава). В настоящее время проводятся детальные микрозондовые исследования коллекции образцов ультрамафитов из Максютовского комплекса. К суперкомпьютерам "Чебышев" и "Ломоносов" были адаптированы коды, не имеющие аналогов в мире по универсальности вовлеченных реологических, физических и петрологических процессов и освоены программные возможности и методы использования кода. Моделирование докембрийской субдукции мы протестировали на упрощенном коде. В распоряжении коллектива имеется необходимое экспериментальное (установка типа «цилиндр-поршень» в ИЭМ РАН) и аналитическое оборудование (электронно-зондовый микроанализатор Jeol JXA-8230 Superprobe с 5 волновыми спектрометрами и сканирующий электронный микроскоп Jeol JSM-6480LV с энерго-дисперсионным и волновым спектрометрами в лаборатории локальным методов исследования вещества кафедры петрологии МГУ). Мы обладаем доступом к суперкомпьютерному комплексу МГУ им. М.В.Ломоносова. Мы имеем предварительную договоренность с проф. Б.Гриффином об изучении малых элементов LAM-ICP-MS в Университете Маккуори. В экспериментальных исследованиях будут использованы образцы из коллекций А.Л. Перчука, О.Г. Сафонова и П.Ю. Плечова, а также приготовленный нами из химических реактивов модельный субдукционный метаосадок.
грант РФФИ |
# | 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 Т850оС – фенгит, а при Т850оС - 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 T850oC, 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 tgmax=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”. |
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".