792

 

Генезис щелочных магматических пород является одной из наиболее сложных и дискуссионных проблем петрологии. В настоящее время какая либо внятная модель образования щелочных расплавов отсутствует. В литературе  обсуждаются два альтернативных варианта: частичное плавление мантийного вещества с последующей кристаллизационной дифференциацией расплава при высоком давлении [3] и ассимиляция базальтовой магмой карбонатных пород [4]. Одна из главных причин, по которой эта проблема до сих пор не имеет решения, заключается в том, что петрологические модели генезиса магматических пород, как правило, оказываются не согласованными с внутренним строением верхней мантии и существующим в ней распределением температуры.

 Щелочные магматические породы четко делятся на две группы: группу основных и ультраосновных пород и группу лейкократовых, преимущественно интрузивных пород. Первая группа тесно ассоциирует с толеитами океанических островов и траппами. Экспериментальными исследованиями установлено, что основные типы базальтовой магмы образуются при частичном плавлении первичного мантийного субстрата при температуре 1440-1500 ^оС и давлении 20-30 кбар.[7]. Проблема образования этих магм заключается в том, что согласно расчетам геотерм такая температура находится на глубине 200 – 240 км и для того, чтобы мантийный материал начал плавиться он должен подняться с этой глубины до уровня 80-100 км3, пройдя путь около 100 км. Других источников тепла, необходимых для развития процессов плавления, на уровне 80 – 100 км в мантии нет. Составы базальтов и ассоциирующих с ними кислых вулканических пород на диаграмме ASM образуют две четких, сходящихся в одну точку, вариационных линии, рис. 1.

 Щелочные магматические породы на диаграмме ASM делятся на две группы: группу основных и ультраосновных пород и группу лейкократовых, преимущественно интрузивных пород (рис. 1). Первая группа тесно ассоциирует с толеитами океанических островов и траппами. Возникает вопрос, может ли в мантии присутствовать вещество, при частичном плавлении которого одновременно с базальтовой магмой образуются расплавы щелочных магматических пород. Стабильность составов главных типов базальтов в течение, по крайней мере, 3 млрд. лет свидетельствует о том, что состав мантийного вещества, которое поднимается с глубины 200-240 км и из которого выплавляется базальтовая магма, также является постоянным. Обсуждая состав исходного вещества, из которого выплавляется базальтовая магма, необходимо определить возможную роль воды в этом процессе. Установлено, что при содержании Н₂О равном 0.2 масс. %, при давлении 25 кбар температура солидуса пиролита снижается с 1500^оС до ~ 1160^оС. Расплав, который выплавляется из пиролита при 1100^оС и давлении 10 кбар имеет состав андезита [6], а при 20 кбар и 1050^оС приближается к составу риолита. Поэтому ответ на вопрос о наличии ощутимых количеств воды в первичном мантийном веществе и ее возможном участии в процессе выплавления главных типов базальтов может быть только отрицательным. Поэтому образование щелочных базальтов, нефелинитов и базанитов из того же субстрата, из которого выплавляются оливиновые толеиты и оливиновые базальты, по механизму предложенному Рингвудом [3] является проблематичным. Кроме того вариант Рингвуда не решает кардинальной проблемы образования двух типов щелочных пород: меланократовых оливинсодержащих нефелинитов и мелилитсодержащих пикритовых порфиритов, с одной стороны, и лейкократовых пород типа нефелиновых сиенитов, уртитов, луявритов, фояитов и др., с другой.

Главной проблемой в генезисе щелочных пород является механизм трансформации полевошпатовых и кварц-полевошпатовых минеральных ассоциаций, характерных для пород нормальной щелочности, в нефелиновые и мелилитовые ассоциации, отделенные друг от друга температурным барьером. Оптимальным вариантом перехода от полевошпатовых к нефелиновым парагенезисам является взаимодействие полевошпатовых компонентов базальтовой магмы с карбонатами:

CaAl₂Si₂O₈ + 2CaCO₃ = Ca₂Al[(Si,Al)O₇] + CaSiO₃ + 2CO_{2 ,}

NaAlSi₃O₈ + 2CaCO₃ = NaAlSiO₄ + 2CaSiO₃ + 2CO_2.

В результате этих реакций образуются геленитовый и нефелиновый компоненты и появляется избыток углекислоты. Для альбита этот вариант изучен экспериментально, рис.2.

Следует иметь в виду, что к взаимодействию карбонатов с базальтовой магмой нельзя подходить с традиционными мерками. Не следует думать, что в нем участвуют карбонаты, вмещающие массивы щелочных пород. На этом уровне тепловой энергии базальтовой магмы недостаточно для того, чтобы образовать заметное количество гибридного расплава. Взаимодействие должно происходить в основании континентальной коры на глубине более 40 км в условиях регионального прогрева пород до температуры не менее 1200^оС. В присутствии воды процесс может идти при температуре около 1000^оС. В этих условиях достигается полная взаимная растворимость силикатной и карбонатной составляющих и, в зависимости от состава расплава, из него могут кристаллизоваться либо карбонатиты, либо щелочные породы, рис.3. Лейкократовые щелочные породы скорее всего формируются в два этапа. На первом этапе при выветривании щелочных пород ультраосновного и основного состава и последующем метамофизме могут образоваться щелочные сиенито-гнейсы [2], которые являются исходным материалом для выплавления расплавов лейкократовых щелочных пород.

Наиболее экзотическими щелочными породами являются содовые карбонатитовые лавы вулкана Олдонио Лэнгаи в восточной Африке [5]. Вряд ли кто осмелится предположить, что в мантии существуют скопления карбоната натрия, из которых формируются содовые расплавы. Нет оснований утверждать, что карбонат натрия попал в мантию через зоны субдукции, поскольку в земной коре его скопления также отсутствуют. Единственным способом образования больших объемов карбоната натрия в глубинных условиях является трансформация в карбонат осадочного сульфата натрия, которая может происходить в восстановительных условиях по следующей вероятной схеме [1]:

Na₂SO₄ + 2C + FeO ® FeS + Na₂CO₂ + CO_2.

Реальность этой схемы подтверждается присутствием в грегорите, одном из главных минералов содовых карбонатитов, значительных количеств SO₃ (до 4.35%) [5].

Одним из главных доводов глубинного формирования щелочных пород является наличие в них глубинных ксенолитов, которыми особенно обогащены щелочные базальты и кимберлиты. На наш взгляд наличие таких ксенолитов не противоречит образованию щелочных расплавов в основании континентальной коры. Вещество мантии с глубины 200 км поднимается к основанию коры мантийным диапиром. Наличие ксенолитов этого вещества в расплавах щелочных пород и в кимберлитах и отсутствие их в базальтовых магмах нормальной щелочности объясняется сохранностью их в первых типах расплавов и растворением при подъеме к поверхности, когда они захватываются расплавами нормальной щелочности. При взаимодействии базальтового расплава с карбонатами он обогащается кальцием и его состав смещается в ультраосновную область. Кроме того, резко понижаются температура ликвидуса и вязкость расплава. Поэтому ксенолиты глубинного мантийного вещества, также имеющие ультраосновной состав, сохраняются в них и быстро выносятся к поверхности. Температура ликвидуса базальта при подъеме к поверхности также уменьшается [3] и расплав становится агрессивным по отношению к ксенолитам ультраосновного состава. Поэтому они растворяются в расплаве не достигая поверхности.

 

Литература

1. Анфилогов В.Н. Роль карбонатов в генезисе щелочных пород // Уральская минералогическая школа – 2004. Екатеринбург, 2004. С. 13-17.

2.Герасимовский и др. Геохимия Лавозерского щелочного массива. М.: Наука, 1966. 395 с.

3. Рингвуд А.Е. Состав и петрология мантии Земли. М.: Недра, 1981. 584 с.

4. Уайли П. Ассимиляция известняков // Щелочные породы. М.: Мир, 1976. С. 330-346.

5. Dawson J.B, Pyle D.M., Pinkerton H. Evolution of natrocarbonatite from a wollastonite    nepheline parent: evidence from the June, 1993 eruption of Olidoiyo Lengai, Tanzania // J. Geol, 1996, V. 104, № 1. Р. 41-54.

6. Green D.H. Experimental melting studies on a upper mantle composition at high pressure under water saturated and water-undersaturated conditions // Earth Planet Sci. Lett. 1973. V. 19. № 1. P. 37-53.

7. Hirose K., Kushiro I. Partial melting of dry peridotites at high pressure: Determination of compositions of melts segregated from peridotitee using aggregates of diamond // Earth Planet Sci Lett. 1993. V. 114. P. 477-489.

 

Подписи к рисункам. .

 

Рис.1. Области составов щелочных пород на диаграмме ASM I –основные и ультраосновные породы; II – лейкократовые нефелин-полевошпатовые породы; III – область составов пород базальт-андезит-риолитового ряда. 1 – составы основных и ультраосновных щелочных пород; 2- составы лейкократовых щелочных пород; 3 составы базальтов и андезито-базальтов Меймеча-Котунской провинции; 4- точки составов оливина, нефелина и анортита, щелочныщ полевых шпатов и гранитного тройного минимума.

 

Рис.2. Фазовые равновесия в системе NaAlSi₃O₈ – CaCO₃ – H₂O при давлении 1 кбар [4].

 

Рис 3. Фазовые равновесия в системе NaAlSiO₄ – CaCO₃