НОВЫЕ МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

КОМАТИИТ

    Среди магматических пород давно были известны полнокристаллические перидотиты, состоящие из магнезиального оливина (Mg, Fe)₂SiO₄ ; Mg >> Fe и магнезиальных пироксенов (Mg, Fe)₂Si₂O₆ и Ca(Mg, Fe)Si₂O₆ . Валовый химический состав перидотита содержит менее 45 мас. % SiO₂ и весьма богат магнезией (~ 20-40 мас. % MgO). Перидотиты преобладают в верхней мантии Земли, которая подстилает земную кору на глубине 25-70 км под континентами и 12-15 км под океанами. Обломки мантийных перидотитов выносятся на поверхность при вулканических извержениях и образовании трубок взрыва, уходящих корнями в мантию Земли. Перидотитовые тела, залегающие внутри земной коры, также большей частью являются отторженцами верхней мантии.
    Среди вулканических пород прямых эквивалентов перидотитов не было известно до тех пор, пока в 1969 году братья Морис и Роберт Вильоны не обнаружили в бассейне р. Комати в Южной Африке очень древние лавы (их возраст составляет около 3,6 млрд лет), которые по химическому и минеральному составам приближаются к перидотиту. Эти лавы были названы коматиитами. Позднее такие же породы были обнаружены в Канаде, Австралии, Финляндии, России и других странах. Всюду их возраст оказался древнее 2,5-2,6 млрд лет, и стало ясно, что коматииты являются характерными продуктами вулканических извержений, происходивших в архее, то есть 4,0-2,5 млрд лет тому назад.
Несмотря на почтенный возраст, коматииты достаточно хорошо сохранили первичный облик, и их вулканическое происхождение не вызывает сомнения. Они залегают в виде лавовых потоков толщиной 0,5-20 м в основании многокилометровых толщ, слагающих архейские зеленокаменные пояса - относительно узкие зоны протяженностью от десятков до сотен километров, заполненные базальтами и другими вулканическими породами, которые накапливались на дне древних морей. Последующие процессы привели к появлению в вулканитах вторичных минералов зеленого цвета: хлорита, актинолита, эпидота; отсюда и термин "зеленокаменный пояс".   

Рис. 2. Коматииты со структурой спинифекс, Карелия. Светлые полосы на микрофотографиях - вытянутые скелетные кристаллы оливина среди плохо раскристаллизованной основной массы древних лав, замещенной вторичными минералами. Поле зрения микрофотографий 6*8 мм

    Коматииты состоят из относительно крупных кристаллов оливина (преобладают), пироксена и зерен хромита (Fe, Mg)(Cr, Al)₂O₄ , которые погружены в вулканическое стекло, полностью замещенное агрегатом вторичных минералов. Характерна необычная структура этих пород, получившая звучное название "спинифекс". В отличие от более или менее изометричных кристаллов оливина, типичных для других пород, коматииты содержат тонкие и сильно вытянутые пластинчатые кристаллы оливина (иногда пироксена), их толщина не превышает 1-2 мм, а длина может достигать десятков сантиметров. Кристаллы образуют параллельные пакеты или пересекаются под разными углами (рис. 2), напоминая по форме листья травы Triodia spinifex, растущей в Австралии.
    Богатые магнезией MgO лавы со структурой спинифекс описаны не только среди архейских, но и более молодых вулканических пород. Лавы такого строения обнаружены, например, на острове Горгона у берегов Колумбии, где они изливались "всего" 150 млн лет тому назад. Однако в этих и других поздних лавах обнаружены существенные геохимические отличия от древних коматиитов, которые, таким образом, характерны только для архея.
    Эксперименты по плавлению перидотитов при разном давлении показали, что коматиитовые магмы зарождались при частичном плавлении мантийного вещества на глубинах не менее 100-200 км. При этом доля возникающей жидкой фазы могла достигать 40-50 об. % исходного материала. Коматииты, содержащие 20-40 мас. % MgO, являются самыми тугоплавкими вулканическими породами, известными на Земле. Начальная температура коматиитового расплава достигала 1800?C, а равновесная температура затвердевания была не ниже 1600?C. Столь горячий расплав, изливаясь на дно древних морей, сразу же попадал в условия глубокого переохлаждения, что приводило к быстрому росту вытянутых скелетных кристаллов. Согласно расчетам (Huppert, Sparks, 1985), вязкость коматиитового расплава составляла 0,1-10 Па*с, что на 1-2 порядка ниже вязкости базальтовой магмы и всего лишь примерно в сто раз выше вязкости воды при комнатной температуре. Обладая такой низкой вязкостью, коматиитовая магма весьма подвижна, скорость ее подъема оценивается в 1-10 м/с, а скорость горизонтального растекания в виде лав 0,5-100 м²/с. При этом течение расплава должно было быть турбулентным.
    Температура коматиитовой магмы значительно превышает температуру плавления вещества земной коры (последняя <1000?C), что делает практически неизбежными возникновение вторичных коровых расплавов на контакте с коматиитами и их смешение с коматиитовой жидкостью с образованием расплавов промежуточного состава, затвердевающих затем в виде гибридных магматических пород. Такие породы действительно существуют, но вместе с тем сохранились и коматииты, почти не изменившие первичного состава. Это служит дополнительным доказательством высокой скорости подъема коматиитовой магмы и очень быстрого затвердевания лавовых потоков.
    Открытие коматиитов существенно расширило современные представления о магматических процессах и геологической истории Земли. В частности, излияния высокотемпературных коматиитовых лав в архее и их отсутствие в более позднее время подтвердили теоретические модели, согласно которым в начале геологической истории Земли верхняя мантия была более нагретой, чем в последующее время. Коматииты имеют и важное практическое значение, поскольку с ними связаны месторождения никеля, меди и золота.

Следующая страница