Сотрудники Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН показали, как микросодержания некоторых минералов в горных породах могут определять процессы образования всей породы в целом.

Результаты исследования микровключений минерала алланита в глубинной горной породе — эклогите, — представлены в Journal of Petrology. В работе приняли участие также учёные из ФРГ и КНР.

Исследователи реконструируют процессы образования горных пород различного происхождения, изучая их вещественный состав. Некоторые минералы, которые слагают породы, являются индикаторами, как локальных физико-химических процессов, так и глобальных тектонических изменений, произошедших в разные периоды геологической истории Земли.

Особенный интерес для изучения представляют метаморфические породы. Они образуются из осадочных или магматических пород под воздействием высоких температур и давлений в верхней мантии Земли. Одной из причин такого воздействия служит тектонический фактор — движение литосферных плит. Во время их столкновения может произойти погружение одной плиты под другую (субдукция). В результате изначальные породы (протолиты), которые когда-то слагали земную или океаническую кору, видоизменяются. Эти изменения называют процессом метаморфизма.

Ученые ИГМ СО РАН исследовали образцы эклогитов, обнаруженных в кимберлитовой трубке «Удачная». Эти породы образовались, предположительно, из габбро или базальтов при высоких давлениях (более 16 килобар) и температурах (700—900 °С) на глубинах 40—50 км. С такого расстояния взять образец для анализа невозможно, однако эклогиты на поверхность в определённый период времени доставляла кимберлитовая магма. Когда раскалённый кимберлитовый расплав с высокой скоростью пробирался через толщу литосферы, он захватил обломки окружающих его пород, несущих в себе много ценной информации о метаморфизме и процессах, протекающих во время подъёма магмы на поверхность.

Горные породы учёные определяют по минеральному составу. Минералы, составляющие основную часть пород, называют породообразующими, в эклогитах это гранат и пироксен (омфацит). Минералы, содержание которых в породе менее одного процента от общей массы образца, называют акцессорными минералами, обычно это несколько зёрен на шлиф (тонкая пластинка горной породы. — прим. ред.). В образцах, проанализированных учёными ИГМ СО РАН, дополнительно были выделены акцессорные коэсит и кианит.

Содержание породообразующих и акцессорных минералов, а также распределение химических элементов в них указывает на характер химических реакций, которые претерпела горная порода. Учёные реконструируют процесс метаморфизма, определяют состав исходной породы, протолита. При накоплении достаточного количества данных становится возможным выяснить, как и когда происходили глобальные тектонические изменения на планете. При этом изучение акцессорных минералов — крайне трудоёмкий процесс. Их зачастую очень сложно увидеть под оптическим микроскопом, и даже с помощью электронной микроскопии они не всегда четко диагностируются. Малые размеры этих включений становятся существенным препятствием в изучении и дальнейшей реконструкции процессов их образования. Специалисты ИГМ СО РАН показали, что отсутствие информации или ошибочные выводы о времени и месте кристаллизации акцессорных минералов могут повлиять на реконструкцию преобразования породы в целом.

В своей работе исследовали использовали широкий набор методов, который предоставляет аналитический центр Института. Для определения состава учёные проводили рентгеноспектральный анализ, сканирующую электронную микроскопию, масс-спектральный анализ с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией. Эти методы, а также изотопные исследования позволили реконструировать историю эволюции алланитсодержащих эклогитов.

При детальном изучении коэсит-кианит-содержащих эклогитов из кимберлитовой трубки «Удачная» в трёх образцах специалисты обнаружили алланит (ортит, островной диортосиликат группы эпидота) в количестве всего 0,005—0,008 об. % (три зерна на шлиф). Исследователи выяснили, что основная часть акцессорных минералов кристаллизовалась в процессе подъёма обломка эклогита при ослаблении давления и взаимодействии породы с кимберлитовой магмой. Учёные определили, что ничтожные объемы алланита содержат 75—90 % всех легких редкоземельных элементов (РЗЭ) в изученной породе, а также торий и уран. Помимо этого, геологи доказали, что алланит контролирует поведение РЗЭ в процессе высокобарического метаморфизма.

В мировой практике, реконструируя процесс преобразования исходной породы в эклогит, специалисты базируют свои расчеты на химическом составе породообразующих минералов эклогита — граната, омфацита и редко рутила. В результате реконструированный протолит получался обеднённым редкоземельными элементами и тяжёлыми ионами урана и тория, при этом общий химический состав эклогита этими элементами обеднен не был.

«Во всех исследованных эклогитах отмечались только следы последнего метасоматического воздействия кимберлитового расплава, что было детально описано ранее другими учёными. Образование алланита в коэситсодержащих образцах, согласно нашим данным, произошло незадолго до захвата эклогита кимберлитовым расплавом, при взаимодействии с протокимберлитовым-карбонатитовым расплавом на мантийных глубинах. Таким образом, впервые был оценен вклад алланита в общий состав породы как основного минерала-концентратора редкоземельных элементов, урана и тория. Оказалось, что реконструкция общего химического состава на основании составов граната — пироксена — рутила без учета акцессорных минералов концентраторов РЗЭ (алланита, монацита и других) может привести к ошибочным выводам», — прокомментировал исследование кандидат геолого-минералогических наук Денис Сергеевич Михайленко.

Находка акцессорного минерала алланита в эклогитах послужила ответом на природу обеднённости реконструированного общего химического состава протолита и одновременно поставила под сомнение утверждение о значительном частичном плавлении океанических пород при субдукции в мантию. Исследование сибирских учёных позволило по-новому взглянуть на важность изучения акцессорных минералов. Они являются важнейшим источником информации о метаморфической истории породы, составе протолита и выступают в роли минералов-геохронометров. Дальнейшее изучение алланита в эклогитах позволит получить еще больше информации о первичных породах и процессах, протекающих в глубинных частях литосферы.

К моменту выхода статьи учёными был обнаружен первичный алланит в эклогитах в Якутии, что не закрывает историю с этим редким гостем в мантийных породах. Впереди исследователей ещё ждёт много работы, но первый шаг в этом направлении был сделан.

Текст: пресс-служба ИГМ СО РАН, Денис Михайленко.
Источник: ИГМ СО РАН.