Р-Т тренды и модель формирования гранулитовых комплексов докембрия

Система геотермометров и геобарометров для гранулитов достаточно хорошо развита (Перчук, 1989, Perchuk at al., 1985) и была лишь незначительно усовершенствована автором применительно к целям диссертации (см. табл. I.2). Для расчета температур использовались в основном Grt-Crd, Grt-Bt (Перчук, 1989) и Grt-OpX (Perchuk & Lavrent'eva, 1990) геотермометры а для расчета давлений - Grt-Crd-Sil-Qtz и Grt-Crd-OpX-Qtz геобарометры (реакции 1 и 5 в табл. I.2).
Несколько больше проблем было связано с геотермобарометрией пород зеленокаменных комплексов. Для оценок температуры метапелитов зеленокаменных поясов применялись Grt-Bt и Grt-Chl геотермометры (Перчук, 1990), имеющие высокую разрешающую способность. В случае, когда метапелиты содержали силикат глинозема, для определения давлений была использована одна из наиболее поздних версий (Перчук и Кротов, 1998) эмпирического Ms-Qtz-Bt-Grt-Al₂SiO₅ геобарометра (Перчук, 1973; Перчук и Рябчиков, 1976), основанного на реакции

Однако, породы, содержащие ассоциацию Ms-Qtz-Bt-Grt-Al₂SiO₅, в пределах зеленокаменных поясов встречаются далеко не всегда. Поэтому исследования автора были направлены создание термобарометров для широко проявленных в зеленокаменных комплексах биотит-гранатовых ассоциаций метапелитов, не содержащих силикатов глинозема, и амфибол-плагиоклаз-кварцевых ассоциаций метабазитов.

Биотит-гранатовые равновесия как геотермобарометры.
Гранат в метапелитах нередко ассоциирует с белой слюдой и кварцем, между которыми возможна следующая реакция:

Она хороша тем, что не зависит от активности воды и характеризуется значительным объемным эффектом. Изменение стандартной энергии Гиббса в данной реакции G_o, рассчитанное на основе данных Т.Холланда и Р.Пауэлла (Holland & Powell, 1998) для 0.5 < P < 10 кбар и 400 < T < 800^oC, было аппроксимировано следующим уравнением

Затем, на основе природных данных по составам сосуществующих Grt, Bt и Ms из Ку-содержащих слюдистых сланцев комплекса Тана в Карелии (см. Главу III) изменение стандартной энтальпии в (I.1.3) было скорректировано до величины -9420 кал для согласования оценок давления по реакции (I.1.2) с Grt-Bt-Ms-Ky-Qtz геобарометром. Активности Phl и East в твердом растворе биотита рассчитывались по формулам

где
X^K_A=K/(K+Na),
X_Mg^M1=X_Mg^M2=Mg/(Mg+Fe),
X_Al^M3=[7Al/(Al+Mg+Fe+Si+Ti)-1]/2,
X_Mg^M3=X_Mg^M1(1-X_Al^M3),
X_Fe^M3=1-X_Al^M3-X_Mg^M3,
X_Al^T1=(1+X_Al^M3)/2, X_Si^T1=1-X_Al^T1.
Уравнения (I.1.4)-(I.1.5) были получены на основе многопозиционной модели твердого раствора Phl-East (Holland and Powell, 1998) и идеальной модели Fe-Mg смешения в биотите (Perchuk, 1990).
Активность Ms в мусковит-парагонитовом твердом растворе была выражена с использованием многопозиционной модели (Holland & Powell, 1998) и данных (Eugster et al., 1972) по избыточной парциальной энергии Гиббса мусковита

где
X^K_A=K/(K+Na),
X_Na^A=1-X^K_A,
X_Al^M2A=1-6(Mg+Fe)/(Al+Mg+Fe+Si),
X_Al^T1= X_Al^M2A/2,
X_Si^T1=1-X_Al^T1
При расчете активности Prp была учтена неидеальность вхождения гроссуляровой составляющей в твердый раствор граната в соответствии с регулярной моделью смешения (Аранович, 1991):

где
X_Mg = Mg/(Fe+Mn+Mg+Ca);
X_Fe =Fe/(Fe+Mn+Mg+Ca);
X_Ca = Ca/(Fe+Mn+Mg+Ca).
Таким образом, расчет давлений на основе составов сосуществующих Grt, Bt и Ms может быть произведен по уравнению

где
G^e = 3RTlna_East - RTlna_Prp - RTlna_Phl - 2(RTlna_Ms - V^e_MsP),

V^e_Ms = 0.126[2(X_Na^A)3-(X_Na^A)²] + 0.082[2(X_NaA)²-2(X_Na^A)³].

Амфиболовый эмпирический геотермобарометр.

Рис. I.1

Рис. I.2

Амфибол в ассоциации с гранатом и плагиоклазом является весьма надежным минералогическим термометром (Perchuk, 1989, 1990). В безгранатовых парагенезисах с эпидотом, плагиоклазом и кварцем произведена экспериментальная калибровка геотермобарометра, основанного на составе сосуществующих плагиоклаза и амфибола (Плюснина, 1983). Кроме того, известно (Spear, 1993) значительное число эмпирических и полуэмпирических калибровок термометров и барометров с участием амфибола. Однако все попытки применить их к амфиболсодержащим породам изученных комплексов привели к несистематическим, но значительным расхождениям с оценками Р-Т параметров метаморфизма переслаивающихся пелитовых пород.
Амфибол является "сквозным" минералом парагенезисов метабазитов в условиях от зеленосланцевой до высокотемпературной амфиболитовой фации. Его состав вполне закономерно меняется с изменением степени метаморфизма (Triboulet, 1992). Между тем, используя термобарометрию, основанную на простых минеральных реакциях с участием амфибола, мы сталкиваемся с проблемой приложимости правила фаз Гиббса к подобным равновесиям. Нередко при постоянных Т и Р число компонентов существенно выше числа фаз (к>>ф). Это приводит к отсутствию связи составов сосуществующих минералов при изменении температуры и давления. Так, амфибол-плагиоклазовый геотермометр Дж.Блонди и Т.Холланда (Blundy, Holland, 1990) основан на реакциях

Константы реакций при этом имеют вид
K_(I.1.9)=K_(I.1.10)= X_Ab[27^.(Si-4)]/[256^.(8-Si)],

Рис. I.3

где Si - содержание кремния в амфиболе в расчете на 13 катионов; X_Ab - мольная доля альбита в плагиоклазе. Запись константы реакции в таком виде предполагает положительную корреляцию между содержанием кремния в амфиболе и основностью сосуществующего с ним плагиоклаза. Диаграмма на рис.I.1 а показывает, что составы амфибола, сформированного на пике метаморфизма в породах разного состава из Южной Бретани (Франция), близки между собой и не коррелируют с составами сосуществующего плагиоклаза. Такая же картина (рис.I.1 б) получается при анализе зависимости lnK_(I.1.9) от состава сосуществующего плагиоклаза, приведенной в работе Дж.Блонди и Т.Холланда (Blundy, Holland, 1990). В результате эти авторы были вынуждены использовать искусственную поправку на избыточную энергию альбита при эмпирической калибровке амфибол-плагиоклазового геотермометра.
Попытки усовершенствовать существующие версии геотермобарометров с участием амфибола не привели к положительным результатам. При этом, однако, выяснились преимущественные эмпирические зависимости содержания Al от давления и Si от температуры в роговых обманках из любых минеральных парагенезисов, но в присутствии плагиоклаза и кварца. Они проверены на экспериментальных данных Л.П.Плюсниной (1983) для ассоциации Pl+Hbl+Qtz+Zo+Chl+Cal (рис.I.2). Эти зависимости были использованы для калибровки эмпирического геотермобарометра, основанного на составе амфибола в его парагенезисе с кварцем и плагиоклазом. Кроме экспериментальных данных Л.П.Плюсниной (1983) в статистическую обработку были вовлечены авторские данные по оценкам температур метаморфизма для амфиболсодержащих безгранатовых пород. Оценки температур были сделаны с использованием Crd-Grt, Bt-Grt и Chl+Grt геотермометров (Perchuk, 1989) по переслаивающимся с этими породами метапелитам. Согласованность экспериментальных и природных данных видна из рис.I.2а. Исходя из статистического описания зависимостей состава амфибола от температуры и давления, проведенного по нелинейному методу наименьших квадратов для выборки из 48 экспериментальных и 32 природных точек, наилучшими оказались уравнения следующего вида (Gerya et al., 1997a, Gerya, 1997; Перчук и Геря, 1998а):

Рис. I.4

где P = Pкбар, T = TК, X_Mg^Hbl=Mg/(Fe+Mg) - валовая магнезиальность амфибола; Si^Hbl и Al^Hbl - содержание кремния и алюминия в формуле амфибола, рассчитанной на 13 катионов. Поправка на магнезиальность амфибола связана с преимущественным замещением MgAl при вхождении в амфибол чермакитового и глаукофанового миналов. Это подтверждается корреляциями между содержанием Mg и Al, Mg и Si в природных амфиболах (рис.I.3). Система изолиний Si и Al (номограмма) в Р-Т координатах для чисто магнезиальной и чисто железистой систем приведена на рис.I.4. На нем видно, что при одинаковом отрицательном наклоне изолиний содержание кремния значительно меньше зависит от давления, чем содержание алюминия. Это и определяет эффективность выведенной номограммы как термобарометра. Уравнения (I.1.11) и (I.1.12) могут быть преобразованы к более удобному аналитическому виду:

Точность расчета Т и Р по этим уравнениям с учетом экспериментальных погрешностей оценки равновесных составов амфиболов составляет +37^оС и +1.2 кбар соответственно. Тестирование выведенных уравнений на различных парагенезисах метабазитов показало их хорошую работоспособность. Систематическое завышение Р-Т параметров зафиксировано только для амфиболов, проанализированных в непосредственной близости от граната.