Физико-химическое моделирование условий формирования мафического гранулита (оазис Бангера, Восточная Антарктида)
Автор: Абдрахманов И. А.
Журнал: Вестник геонаук @vestnik-geo
Рубрика: Научные статьи
Статья в выпуске: 2 (314), 2021 года.
Бесплатный доступ
В статье приводятся результаты минеральной термобарометрии и физико-химического моделирования формирования гранат-энстатитового гнейса из мезопротерозойской метаморфической толщи оазиса Бангера (Восточная Антарктида). В результате моделирования оценена активность воды, температура и давление формирования породы. Показано, что пиковая температура метаморфизма могла достигать 900 °С и более. Подобные температурные условия указывают на предпосылки протекания UHT-метаморфизма пород, слагающих фундамент Восточно-Антарктического щита.
Термобарометрия, гранулиты, гнейс, оазис бангера, восточная антарктида
Короткий адрес: https://sciup.org/149129467
IDR: 149129467 | DOI: 10.19110/geov.2021.2.3
Текст научной статьи Физико-химическое моделирование условий формирования мафического гранулита (оазис Бангера, Восточная Антарктида)
Оазис Бангера расположен на побережье Восточной Антарктиды на территории Земли Королевы Мэри. От Южного океана (море Дэйвиса) выходы коренных пород отделены шельфовым ледником Шеклтон. Область низких скалистых холмов и углубленных ледником долин с обильными озерами занимает площадь около 300 км2 и имеет максимальную высоту 165 м.
Оазис Бангера является частью Восточно-Антарктического щита (рис. 1). В его геологическом строении установлены крупные тела тоналитовых ортогнейсов и интенсивно мигматизированные гранат-силлиманит-кор-диеритовые парагнейсы [1,9]. В толще мигматитов залегали согласные интрузии метабазитов, прослои будини-рованных силикатных мраморов и многочисленные жилы гранитового состава. Метаморфическая толща смята в крупные складки, крылья которых осложнены более мелкими складками высших порядков. Три системы разломов, к которым приурочены зоны милонитов и диафто-рических сланцев, разбили этот участок фундамента на отдельные блоки, незначительно передвинутые относительно друг друга. С метаморфическими породами пространственно ассоциированы плутоны габбро и пироксеновых гранитоидов — чарнокитов [1,9,10].
По данным U-Pb-датирования циркона, магматический протолит ортогнейсов сформировался в интервале 1700—1500 Ma, тогда как внедрение плутонов габбро и монцогаббро имело место на рубеже 1170—1150 Ma. По данным U-Pb-датирования монацита из парагнейсов, возраст метаморфизма, протекавшего в условиях гранулитовой фации, составляет 1240—1150 Ma. Наиболее молодыми образованиями в регионе являются кембрийские дайки щелочно-основного состава [9, 12].
Целью работы является реконструкция пиковых P-T-условий метаморфизма мафического гранулита оазиса Бангера с использованием минеральной геотермобарометрии в комплексе c физико-химическим моделированием.
Методы исследования
Материалом для исследования послужили породы мафических гнейсов, отобранные в ходе 2-й Советской антарктической экспедиции (коллекция М. Г. Равича и Д. С. Соловьева, которые первыми изучали оазис Бангера в 1956—1957 гг.) на острове Кашалот. Минеральный состав породы изучался в петрографических шлифах. Содержания породообразующих оксидов в породе полу-

Рис. 1. Геологическая карта оазиса Бангера (Восточная Антарктида) с местом отбора проб гранат-энстатитового гнейса (красная точка) [1]

Fig. 1. Geological map of the Hunger Hills (East Antarctica) with the garnet-enstatite gneiss sampling site (red dot)[1]
чены с помощью силикатного анализа в лаборатории ВНИИОкеангеологии (Санкт-Петербург). Состав минералов анализировался с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6510LA с энергодисперсионным спектрометром JED-2200 (JEOL) (ИГГД РАН, аналитик О. Л. Галанкина).
Результаты исследования
Петрография и минералогия. Изученный гранат-эн-статитовый гнейс имеет следующий минеральный состав (%): калиевый полевой шпат — 40, кварц — 20, ортопироксен — 15, гранат — 10, биотит — 5, ильменит — 5, плагиоклаз < 5. Структура породы средне-, мелкозернистая, гранобластовая, текстура полосчатая. По химическому составу содержит следующие компоненты (мас. %): SiO2 — 70.80, TiO2 — 0.73, Al2O3 — 13.48, Fe2O3 — 1.91, FeO — 3.30, MnO — 0.07, CaO — 1.15, Na2O — 2.23, K2O — 3.45, P2O5 — 0.07.
Гранат представлен в виде зерен неправильной формы, размер которых достигает 1—2 мм. В качестве включений содержит ильменит. Минерал незональный, характеризуется повышенными содержаниями альмандинового и пиропового миналов ( X Fe = 0.61—0.68, X M g = 0.28—0.34), низкими содержаниями Ca и Mn ( XC = 0.03—0.04, X Mn — до 0.01).
Плагиоклаз наблюдается в виде гранобластовых зерен размером до 1—2 мм. Совместно с кварцем и калиевым полевым шпатом он слагает основную ткань породы. По составу минерал отвечает андезину An31—34 с незначительным содержанием ортоклазового минала (< 0.01) и иногда содержит антипертиты состава Ort92 Ab8 An0. Близкий состав имеют обособленные зерна калиевого полевого шпата Ort89—95 Ab11—5 An0 (используется обозначение минералов по [13]).
Ортопироксен встречается в виде гранобластовых зерен размером до 1 мм. По составу минерал отвечает железистому энстатиту ( X M g = 0.56—0.58) с повышенным содержанием алюминия (6.9—7.4 мас. % Al2O3), незначительным содержанием титана (0—0.15 мас. % TiO2) и кальция (0—0.25 мас. % СаО).
Биотит образует пластинчатые кристаллы размером до 0.3—0.4 мм и мелкочешуйчатые агрегаты, окружающие и частично замещающие кристаллы пироксена. Пластинчатый биотит характеризуется пониженной гли-ноземистостью (16.2—17.5 мас. % Al2O3) и повышенным содержанием титана (3.0—4.0 мас. % TiO2). Мелкочешуйчатый биотит имеет близкие содержания глинозема (16.2—17.0 мас. % Al2O3) и пониженные содержания оксида титана (до 0.2 мас. % TiO2) по сравнению с крупночешуйчатым биотитом.
Ильменит встречается в виде вкрапленности мелких (0.1 мм) зерен в матриксе, образует срастания с грана- том и пироксеном и вростки в этих минералах. Содержит примесь магния (0.3—0.7 мас.% MgO).
Термобарометрия . Особенностью химического состава изученного гнейса является повышенное содержание SiO2 (70.8 мас. %) при пониженном содержании Al2O3 (13.5 мас. %). На треугольной диаграмме AFM образец находится ниже конноды «альмандин — умеренноглиноземистый хлорит», рядом с точкой, отвечающей «среднему» пелиту (рис. 2).

Рис. 2. AFM-диаграмма с точкой состава мафического гранулита. Красный ромб — средний пелит [11]
Fig. 2. AFM-diagram with a point of composition of mafic granulite. Red rhombus — average pelite [11]
По данным моделирования в системе NCKFMASHT (рис. 3), при пониженной активности воды ( a H2O = 0.10), а также при умеренных давлениях (< 6 кбар) ортопироксен входит в ассоциацию с гранатом, кордиеритом (отсутствующим в образце) и ильменитом. Поле устойчивости этой ассоциации ограничено широкими пределами (800—970 °С). При более высоких давлениях место кордиерита и ильменита занимают силлиманит и рутил. В предыдущей работе [2] учитывалась также активность воды, с помощью которой была определена область вхождения в парагенезис шпинели для фельзического гнейса.
Высокое содержание алюминия в ортопироксене — Al(M 1) = Al к.ф./2 = 0.15—0.16 — указывает на высокую пиковую температуру метаморфизма. Согласно показаниям Grt-Opx-геотермобарометра, основанного на температурной зависимости Al(M1) [6], она могла достигать 900— 910 °C (при условии, что давление равнялось 5.5 кбар).
По данным Grt-Opx-термобарометрии, учитывающей катионный обмен Fe и Mg между гранатом и пироксеном [8], равновесие двух минералов в отношении фемических компонентов достигалось при более низких температурах (770—880 °C при давлении 5.5 кбар). Показания температуры занижены, поскольку между гранатом и ортопироксеном протекает перераспределение фемических компонентов. Надежнее ориентироваться на более устойчивые элементы, такие как Al (Al в ортопироксене — геотермобарометр), которые фиксируют пик метаморфизма.
Состав реинтегрированного плагиоклаза Or11Ab60An29 отвечает температуре около 880 °C (рис. 4) [4]. По данным моделирования, сходный состав (Or9 Ab61An30) должен иметь плагиоклаз, равновесный с ортопироксеном и кордиеритом при температуре 900 °С и давлении 5 кбар.
BulK(1)= SI(7S.04)AL(17.51)TI(0.61)FE(4.50)MN(0.07)MG(3.24)CA(1.36)NA(4.77)K(4.S5)H(100)0(245)

Temperature (°C)
Рис. 3. Изохимическая Р-Т-диаграмма, построенная при условии a H о = 0.10. Кварц в избытке. Жирным выделена линия солидуса
Fig. 3. Isochemical P-T-diagram plotted under the condition a H o = 0.10. Quartz is in excess. The solidus line is highlighted in bold

Рис. 4. Тройная диаграмма Ab—An—Ort с линиями полевошпатового сольвуса, построенными на основе моделей (синие — по [4], красные — по [5]): 1 — реинтегрированный плагиоклаз, 2 — полевые шпаты, равновесные с ортопироксеном и кордиеритом при температуре 900 °C и давлении 5 кбар (по данным моделирования). На фотографии показан участок кристалла плагиоклаза с антипертитами, использованный для расчетов состава реинтегрированного плагиоклаза
Fig. 4. Triple Ab — An — Ort diagram with feldspar solvus lines constructed from the models (blue by [4], red — by [5]): 1 — reintegrated plagioclase, 2 — feldspars in equilibrium with orthopyroxene and cordierite at a temperature of 900 °C and a pressure of 5 kbar (according to modeling data). The photograph shows a section of a plagioclase crystal with antiperthites used to calculate the composition of reintegrated plagioclase
Выводы
Применяя методы физико-химического моделирования и минеральной термобарометрии, было установлено, что пик метаморфизма, при котором сформировался образец, протекал в условиях пониженной активности воды = 0.10, температура кристаллизации соответ ствовала 880—910 °C, давление не превышало 5.0—5.5 кбар. Подобные температурные условия указывают на предпосылки протекания UHT-метаморфизма пород, слагающих фундамент Восточно-Антарктического щита.
Список литературы Физико-химическое моделирование условий формирования мафического гранулита (оазис Бангера, Восточная Антарктида)
- Равич М. Г., Климов Л. В., Соловьев Д. С. Докембрий Восточной Антарктиды. М.: Недра, 1965. 470 с.
- Abdrakhmanov I. A., Gulbin Yu. L. Granulite from theBunger Hills, Eastern Antarctica: Mineral parageneses andterms of metamorphism. Advances in Raw Material Industriesfor Sustainable Development Goals, 2021. Taylor & FrancisGroup, London, UK. pp. 70—77.
- De Capitani C., Petrakakis K. The computation ofequilibrium assemblage diagrams with Theriak/Dominosoftware. American Mineralogist, 2010. V. 95, pp. 1006—1016.
- Elkins T. L., Grove T. L. Ternary feldspar experimentsand thermodynamic models. American Mineralogist, 1990.V. 75. pp. 544—559
- Fuhrman M. L., Lindsey D. H. Ternary-feldsparmodeling and thermometry. American Mineralogist, 1988.V. 75, pp. 201—215.
- Harley S. L., Green D. H. Garnet—orthopyroxenebarometry for granulites and peridotites. Nature, 1982. V. 300.pp. 697—701.
- Holland T. J. B., Powell R. An internally consistentthermodynamic data set for phases of petrological interest.J. Metamorphic Geology, 1998. V. 16. pp. 309—343.
- Lee H. Y., Ganguly J. Equilibrium Compositions ofCoexisting Garnet and Orthopyroxene: ExperimentalDeterminations in the System FeO-MgO-Al2O3-SiO2, andApplications. Journal of Petrology, 1988. V. 29. pp. 93—113.
- Sheraton J. W., Tingey R. J., Oliver R. L., Black L. P.Geology of the Bunger Hills-Denman Glacier region, EastAntarctica. AGSO Bull. 1995. No. 244. 136 p.
- Stüve K., Willson C. J. L. Interaction betweendeformation and charnockite emplacement in the BungerHills, East Antarctica. Struct. Geol. 1990. V. 12. pp. 767—783.
- Symmes G. H., Ferry J. M. Calculation of the effectsof carbonates on the course of prograde metamorphism ofaverage pelite. Contrib. Mineral. Petrol., 1991. V. 108.pp. 419—438.
- Tucker N. M., Hand M., Kelsey D. E., Taylor R., ClarkC., Payne J. L. A tripartite approach to unearthing the durationof high temperature conditions versus peak metamorphism:An example from the Bunger Hills, East Antarctica.Precambrian Research, 2018. V. 314. pp. 194—220.
- Whitney D. L., Evans B. W. Abbreviations for namesof rock-forming minerals. Amer. Miner. 2010. Vol. 95.P. 185—187