Взаимодействие коры и мантии в зонах субдукции А.Л. Перчук MГУ им. Ломоносова, геологический факультет made by T.V. Gerya Межународная школа по наукам о Земле им. проф. Л.Л. Перчука I.S.E.S. 2011 Одесса Зоны субдукции и распределение углов падения плит Шкала углов падения Lellemand et al 2005 Общая протяженность зон субдукции составляет около 43.5 тыс. км. На карте это выглядит как малозначимый процесс. Но это поверхностное впечатление. Латеральная гетерогенность мантии, вызванная непрерывной субдукцией и рециклингом океанической литосферы (по результатам численного моделирования Takley, 2007) MORB=red, harzburgite=blue. The density contrast of MORB relative to pyrolite at the CMB is either (a) zero, (b) 1.1% or (c) 2.2%. When MORB is dense at the CMB, some of it segregates into a layer, which is intermittent in the intermediate-density case. In all cases, the transition zone is enriched and the top of the upper mantle is depleted, due to the different depths of the perovskite phase transition. Бюджет воды в зонах субдукции Погружение Осадки /поровая вода Осадки /структурная вода Магматические породы/поровая вода Магматические породы/структурная вода Всего 770 тг/год 120 тг/год 320 тг/год 620 тг/год 1830 тг/год Москва ежегодно потребляет 183 тг/год (~5 млн. т/день) Выделение в островных дугах 100 тг/год (5.5 %) Дисбаланс 1730 тг/год По данным Jarrard 2003 G^3 Общая протяженность зон субдукции - 43 500 км Jarrard 2003 G^3 Гидратация океанической плиты Модель циркуляции морской воды в рифтовой зоне Active faults 0 2 gabbros о 4 00 м 4 00-5 фи о з р о 0 м а мет 800 9000о 12 6 Magma chamber Moho 10 км Magma chamber Nicolas & Mainprice 2005 6 Повторная гидратация литосферной плиты в районе желоба Faccenda et al 2008, 2009 Изгиб жесткой и хрупкой плиты приводит к образованию системы разломов (normal faults). В результате вода проникает в ульрабазиты, где происходит образование больших объемов серпентинитов*. * серпентин – слоистый силикат с 13 масс.% Н2О Распределение скоростей деформации в области жёлоба Структура водосодержания в субдуцирующей литосфере глубоководное бурение Schmidt & Poli (1998) Ruepke et al (2004) Не учитывается Ranero в общем (2008) бюджете Н2О Термальная структура зоны субдукции "холодная" субдукция "горячая" субдукция 140*100 km Gerya et al 2002 Геотермы для поверхности и основания океанической коры в "холодной" и "горячей" зонах субдукции 180 5 top base cea ni c c the o 120 bas e of 3 80 2 1 40 hot subduction 0 200 400 600 800 o Temperature, C Depth, km Pressure, GPa 4 top rust cold subduction 1000 0 Peacock 2000 Геотермы для верхней части плиты 1 км 7 км P, GPa 5 поверхность плиты мантия кора 4 3 2 1 Т, С Peacock et al 2005 Изменение водосодержания в погружающихся плитах расстояние ек а д и итыс || к ад кан лек с о ул п в ом ро к б б га б глубина ит т до и р пе ? ? ? Н2О ? Н2О Фации метаморфизма (Figure taken from Wikipedia Commons) 1.Ограничены по давлению 2.Не отражают многообразие хим. состава пород 3.Не учитывают современные т-д и экспериментальные данные 11 13 12 basalt+H2O MORB+H2O 9 gar cpx law 8 7 ite sti shov co esite ph eng it e 6 gar cpx law 5 4 2 400 partial melting zo gar cpx zo amp law 1 cld gar cpx law ta 3 after Poli & Schmidt, 2002 gar cpx phn gar cpx amp zo amp chl ab epi 500 p ar gar c hl Pressure, Gpa Минеральные парагенезисы в базальтовой системе (MORB +Н2О) на Р-Т диаграмме по экспериментальным данным. k -holl p heng ite amp plg 600 soli dus 700 800 o Temperature, C 900 Минеральные парагенезисы в базальтовой системе (MORB+Н2О) по данным термодинамического моделирования (метод псевдосекций). Stipska & Powell 2005 базальт+H2O GLOSS - GLobal Subduction Sediment (Plank & Langmuir 1998). Глобальный субдукционный осадок (какой термин!) состоит из 76 мас % терригенного осадков, 7 мас% Са карбонатов, 10 мас% - опала, 7 мас % - водосодержащих минералов. Химический состав ГЛОСа приводится в таблице; он близок к составу верхней части континентальной коры. Литология осадков контролируется рядом факторов: 1) близостью источника обломочного материала (вулканического, континентального); 2) биологической продуктивностью и сохранностью карбонатов и опала; 3) скоростью седиментации. Холодная субдукция: сохранение значительной части Н2О o Temperature, C Pressure, GPa Минеральные парагенезисы глобального cубдукционного метаосадка (GLOSS) и геотермы для "холодной" и "горячей" плит на Р-Т диаграмме. cold hot Горячая субдукция: полное обезвоживание GLOSSa o Temperature, C Metamorphic facies after Kerrick&Conolly 2000; Geotherms after Peacock 2000 Kerrick & Conolly 2001 гор я ча я су бду к ци я х оло д ная су бд ук ци я Изменение содержаний Н2О и СО2 в погружающемся метаосадке Минеральные парагенезисы в метаморфизованных вулканитах и дайках (исх до 2.5 вес % Н2О) океанической коры и геотермы для "холодной" и "горячей" плит на РТ диаграмме. cold hot Расстояние до осадков •Н2О сохраняется при холодной субдукции и в меньшей степени при горячей • Емкость пород (в отношении Н2О) при горячей субдукции увеличивается при Р>4 ГПа • Возможно частичное плавление (адакиты) при горячей субдукции Metamorphic facies after Kekken JGR 2011; Geotherms after Peacock 2000 Hacker et al., 2003 subarc Так выглядела эта диаграмма для базальта всего 7 лет назад Минеральные парагенезисы в метагаббро океанической коры и геотермы для "холодной" и "горячей" плит на Р-Т диаграмме Габбро (исходное содержание 0.7 вес % Н2О) cold hot Metamorphic facies after Kekken JGR 2011; Geotherms after Peacock 2000 Минеральные парагенезисы в метаультрамафитах литосферной мантии и геотермы для "холодной" и "горячей" плит на Р-Т диаграмме Сохранение значительной части Н2О cold hot Полное обезвоживание Metamorphic facies & geotherms after Peacock 2000 Литосферная мантия Горячая субдукция: • частичное плавление габбро •поглощение воды Габбро (исх. исх. содержание Н2О ~0.7 вес %) Холодная субдукция: • поглощение воды Метаосадки o Temperature, C Вулканиты и дайки коры o Temperature, Горячая субдукция: Холодная субдукцияC: • вода не задержится в осадочном • вода может поглощаться в слое осадочном слое Контрастные механизмы транспорта H2O в мантию при горячем и холодном режимах субдукции Maruyama & Okamoto 2007 Преобразование мантии происходит под воздействием жидкостей (флюидов/расплавов), которые выделяются из погружающейся плиты (слэба). Данных о составе этих жидкостей немного. Определенная информация содержится: • в расплавных включениях из нодулей перидотитов в ксенолитах из вулканитов; • в экспериментальных данных. за о т ма о ас т ме ь н пе е Ст Si-rich glass Ol Ol Schiano et al 1995 Экспериментальные данные • Состав жидкостей , выделившихся из погружающейся плиты Kessel et al (2005) измерили с помощью LAICPMS состав жидкостей, равновесных с водосодержащим (17–26 масс % H2O) эклогитом. Bulk average MORB (starting material), fluid, melt and supercritical liquid compositions/ Pressure/temperature conditions* Conc. (wt%) Bulk 4/800 4/1,000 6/800 6/1,000 SiO2 52.84 12.0 31.4 19.8 29.8 TiO2 1.43 0.04 0.50 0.11 0.71 Al2O3 17.05 1.45 4.24 1.41 2.89 FeO† 8.41 0.22 1.27 0.63 1.12 MgO 5.87 0.56 0.78 0.68 0.85 CaO 10.11 0.84 2.05 1.93 3.25 Na2O 3.20 0.96 2.80 1.46 2.64 H2O — 83.1 56.1 72.6 57.6 Fig. Detailed view of the quenched solute phases contained in the interstices of diamond in the Dia trap experiment (Kessel et al 2005) Экспериментальные данные • Растворимость минералов в воде На диаграмме показаны кривые растворимости кварца в воде при разных температурах (Manning, 1994). Аналогичные данные по другим минералам позволяют предсказать состав флюидной фазы и объем выносимых компонентов в мантию. Экспериментальное моделирование флюидно-магматического взаимодействия коры и мантии в зонах субдукции При участии О.С. Корепановой и В.О. Япаскурта Экспериментальное моделирование флюидномагматического взаимодействия коры и мантии в зонах субдукции. субдукции oceanic crust lithospher mantle ic magmatic chamber H 2O mantle CO2 H 2O wedge flow Породы/минералы висячего крыла мантии встречаются в • массивах ультрамафитов • ксенолитах в кимберлитах, лампроитах, щелочных базальтах, островодужных вулканитах • включениях в алмазах Наиболее распространенные породы мантийного клина olivine Гарцбургит clinopyroxene Лерцолит Фотографии Ulmer, ISPET orthopyroxene spinel Другие породы мантийного клина и фации глубинности перидотитов гранатовый перидотит Ol r +G t l Sp + x Op шпинелевый перидотит S.D. Jacobsen Гранатовый лерцолит из кимберлита x+Spl p O + Cpx l Pl+2O плагиоклазовый перидотит Шпинелевый лерцолит Плагиоклазовый лерцолит flickr.com/photos/51521910%40N00... 47302611 Милонитовая структура. Массив Krabbi. www.informaworld.com/smpp/128728 ...dcontent сухой солидус Эксперименты при высоких давлениях как правило не учитывают особенности термальной структуры зон субдукции, для которой характерны значительные термальные градиенты. Термальная структура зоны субдукции под Каскадными горами (Hacker et al 2003) Piston-cylinder apparatus co l de r pressure vessel H2O cooling ho tte r pressure cell co l de r in the Institute of Experimental Mineralogy, Russian Academy of Sciences 5 см Thermal structure of the pressure cell can be modeled numerically (Schilling & Wuender, 2004) . o T, C 1000 600 200 0 isotherms 0 А А thermocouple 10 20 heater 30 capsule 40 Б capsule positioning • thickness of the layers within the capsule • Б Design of the capsule TEMPERATURE 1050 оС (measured) ~700 оС (quantified) Olivine from the Aheim quarry, Norway «mantle» forsterite Blueschist from the Atbashi area, Tjan-Shan: Gl with minor Cc, Phn, Chl, Ep, Win, Pl bulk rock compostion «crust» blueschist 2.3 GPa SiO2 55.12 MgO 10.72 TiO2 CaO 0.54 2.33 Al2O3 10.73 Na2O 6.16 Cr2O3 0.02 K2O 0.16 FeO 11.05 NiO 0.03 Fe2O3 1.22 P2O5 <0.01 MnO 0.07 LOI 1.75 Starting blueschist (BSE image) Gl Cc Gl Pl Win Gl BSE image Gl + minor (<5 %) winchite, plagioclase, calcite, epidote) CAPSULE AFTER THE RUN 1050-700oC, 2.3 GPa, 146 hrs olivine orthopyroxene contact blueschist BSE image L void Base of the capsule (low T) Gl void Omp Omp+Am±Q+ +L+G Am Gl blueschist Near the Ol (high T): Gl Omp+Q+ +Am+G No visible melt ! Gl void Am Omp Q Olivine XMg=0.92-0.93 Orthopyroxene XMg=0.87-0.89 Al2O3=1.3-2.7 wt% L olivine olivine Opx layer L Liquid SiO2 TiO Al2O3 Cr2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O Sum in Ol in Opx in BS 33.83 0.01 14.63 0.00 2.63 0.00 31.78 0.00 0.15 0.10 83.13 37.29 0.00 9.87 0.00 4.99 0.00 19.57 1.47 0.76 2.26 76.21 60.51 0.00 20.75 0.00 1.47 0.00 1.80 0.55 2.49 2.59 90.17 Olivine composition SiO2 TiO2 Al2O3 Cr2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O Sum new initial 41.17 0.00 0.00 0.00 7.70 0.00 51.08 0.00 0.00 0.00 100.0 41.52 0.00 0.00 0.00 6.81 0.00 52.04 0.00 0.00 0.00 100.4 developed along the pathways of liquid Olnew Olinitial Opx layer Minor liquid-olivine interaction above the opx layer Результаты эксперимента • Дегидратация глаукофанового сланца способствует образованию ортопироксенового слоя в основании оливиновой зоны. Ортопироксеновый слой частично экранирует восходящий поток жидкости и изменяет ее состав. • Состав жидкости изменяется от слоя к слою ампулы. Миграция жидкостей в мантийном клине Направление миграции флюида в висячем крыле мантии субгоризонтальная вертикальная Ruepke et al 2004 EPSL по нормали к слэбу переменная J. Tarney Миграция жидкости в висячем крыле мантии: численное моделирование. Образование «холодных» плюмов. Gerya et al. (2006) Миграция флюида в надсубдукционной мантии оливин флюид Водный флюид мигрирует по границам зерен при угле смачивания <60o (Mabi et al 1999) Вывод сомнительный, т.к. в области высоких углов смачивания (>60o) отмечается развитие субдукционного канала, выполненного серпентинитами. Более того, в эксперименте при Р-Т параметрах "высоких углов смачивания" наблюдаются разные пути миграция жидкости через эклогитизированный глаукофановый сланец Omp +Q Gl верх ампулы Omp Gl +Q интракристаллическая по границам зерен Перчук и др 2011 Волны пористости – новое (и модное) явление в теории метасоматических и метаморфических процессов. Connolly 2010 увеличение Т Фокусированные восходящие потоки жидкости (L), возникающие при взаимодействии амфиболита и оливина при Р=2.2 ГПа и Т=9601200 оС Реакция в оливине Ol + L => Opx + Am Реакция в амфиболите Am => Grt + Cpx + L Алексеева, Перчук 2008 Процессы преобразования мантийного клина: субдукционный канал Серпентинизация мантийного клина перидотит + Н2О = серпентин + тальк + брусит 2MgSiO4+3H2O = Mg3Si2O5(OH)4 + Mg(OH)2 5MgSiO3+2H2O = Mg3Si4O10(OH)2 + Mg2SiO4 1 м3 + 0.48 м3 = 1.44 м3 Серпентинизация: - поглощает огромные количества воды (13 мас. %); - экзотермический процесс; - повышает пластичность мантии; - снижает плотность на ~40 % (с 3.3 тонн/м3 до 2.3 тонн/м3); - создает субдукционный канал. Ranero ISPET 2009 Серпентинизация мантии hydration rate distribution oceanic crust tle t an m us cr ed iz c ni tin en ea rp oc se d te uc bd su ed at dr hy unhydrated mantle tle an m antigorite stability field hydration front wet basalt solidus Subducting plate Mantle wedge Gerya et al., 2002 Зарождение субдукции и подъем эклогитов 100ooC 100 C 300ooC 300 C 100ooC 100 C 300ooC 300 C 100ooC 100 C 300ooC 300 C 500ooC 500 C 500ooC 500 C 500ooC 500 C 800ooC 800 C 800ooC 800 C 0.6 млн.лет 1.5 млн.лет 81 * 100 km 800ooC 800 C 2.9 млн.лет 43*71 км Gerya et al 2002 Серпентинизация под Каскадными горами Bostock et al 2002 Science Серпентинитовый меланж Восточная Куба (Garsia-Casco, ISPET 2008) Дегидратация в мантийном клине на примере проградных перидотитов массива Cerro del Almirez, Betic Cordillera, Spain Padron-Navarta et al 2010 Наряду с H2O в процессах флюидно-магматического вpаимодействия между корой и мантией в зонах субдукции активно участвуют и другие компоненты. Например, СО2. Бюджет СО2 в зонах субдукции Погружение * Осадочные породы Магаматические породы Всего Дегазация в островных дугах ** 50 тг/год 100 тг/год ~150 тг/год (1.5 *10 т/год ) ~110 тг/год (~73%) 8 Дисбаланс ~40 тг/год (~27%) Что происходит с оставшейся СО2? • • • • Дегазация , плавление и переотложение в мантию? Горизонт дегазации CO2 (поддуговой, преддуговой, задуговой)? Роль в глобальном цикле углерода? Источник углерода в карбонатитах и алмазах? * after Jarrard (2003) ** after Marty and Tolstikhin (1998) cold geot herm fo r J apan Arg Mgs Lws Grt Cpx average Pressure, GPa Arg Mgs Lws Cpx Subarc Mgs Dol Lws Grt Cpx Dol Mgs Lws Arg Mgs Gln Lws Arg Dol Gln Lws Cpx 400 Arg Dol Grt Cpx Dol Lws Grt Cpx Arg Grt Cpx Grt Cpx Dol Mgs Gln Lws Dol Gln Lws 200 Arg Mgs Lws Grt Cpx war mg eo th erm marine sediment for Ja p an Thermodynamic modeling of phase equilibria shows that decarbonation of the marine sediment (GLOSS) at the subarc depth is very limited (Kerrick & Connolly 2000) Dol Pg Grt Cpx 800 600 Temperature, Dol Grt Cpx оС 1000 6 Initial CO2 =3.01 H2O=7.29 5 3 5.5 2.5 2 1.5 1 0.5 5 4.5 4 3.5 3 хол одн ая P, GPa 4 геот ерм а дл GLOSS Average Marine Sed. я Яп онии Р-Т диаграмма с валовыми содержаниями флюидов СО2 и Н2О при погружении GLOSS. Обратите внимание, что при P>3 ГПа, включая Р-Т условия под островными дугами, изоплеты параллельны геотермам, что исключает возможность дегазации вследствие минеральных реакций. Subarc 3 7 6.5 6 2 wt% CO2 H2O 1 200 300 400 500 600 700 800 900 o T, C Kerrick & Connolly 2000 Моделирование предсказывает поля P-T стабильности минеральных парагенезисов. Однако стабильность карбонатов во многом зависит от потока водного флюида. Дегидратация способствует декарбонатизации! Содержание и поток СО2 из плиты при "холодной" субдукции: термодинамическое моделирование с учетом потока водного флюида (Gorman, Kerrick, & Connolly, 2006) Depth, km 60 • <<10% CO2 in the FOREARC area • negligible in the SUBARC area 120 140 CO2 [wt %] 3.0 160 180 3.0 2.9 2.0 2.8 SUBARC 2.7 CO2 release: 100 2.6 1.0 0 CO2, flux [106 mole/yr/km] • Subarc depths taken from Tatsumi and Eggins (1995). • metabasalt lithology • GLOSS. • CO2 flux from the top of the subducting slab. 80 Содержание и поток СО2 из плиты при "горячей" субдукции: термодинамическое моделирование с учетом потока водного флюида (Gorman, Kerrick, & Connolly, 2006) Depth, km 3.0 100 120 140 180 160 8 CO2 [wt. %] 2.5 6 2.0 1.5 4 1.0 SUBARC 2 0.5 flux 0.0 2 0 4 3 6 5 Pressure, GPa CO2 release: Depth, km 60 80 100 • ~50% CO2 in the FOREARC area • negligible in the SUBARC area 120 140 160 180 SUBARC 2 3 4 Pressure, GPa 5 6 CO2, flux [106 mole/yr/km] • Subarc depths taken from Tatsumi and Eggins (1995). • metabasalt lithology • GLOSS. • CO2 flux from the top of the subducting slab. 80 60 Моделирование показывает ,что • отделение летучих в поддуговой области крайно мало при любом типе субдукции • отделение СО2 в преддуговой области <<10% 60 Depth, km 80 100 120 140 160 180 8 CO 2 [wt . % ] 6 2.0 ~50% 1.5 4 SUBARC 1.0 0.5 2 sediments flux 0.0 2 0 3 4 5 6 <<10% 60 80 100 Depth, km 120 140 160 180 3.0 3.0 sediments 2.9 2.0 basalts 2.8 SUBARC 1.0 2.7 flux 2.6 Pressure, GPa 2 В поддуговых и преддуговых областях субдуцирующей коры выделяется значительно меньше CO2, чем фиксируется в при островодужном вулканизме (e.g. Gerrard, 2003) Проблемы с параметрами бюджета CO2 или с результатами термодинамического моделирования 0 3 4 5 Pressure, GPa 6 CO2, flux [106 mole/yr/km] 2.5 CO2 , flux [ 10 6 mole/yr/km] basalts <<10% общего количества CO2 в холодных ЗС ~50 % общего количества CO2 в горячих ЗС CO2 [wt % ] 3.0 • Экспериментальное моделирование переотложения карбонатов в зонах субдукции (Перчук, Корепанова, 2011) oceanic crust lithospher mantle ic magmatic chamber H 2O mantle CO2 SUBARC DEPTH: 90-140 km (Tatsumi and Eggins 1995) H 2O wedge flow TYPE 1 CAPSULE AFTER THE RUN 1000-760oC, 2.3 GPa, 166 hrs, "furnace buffered" ƒO2 slightly below nickel-nickel oxide (Merrill and Wyllie 1974; Brey and Green 1976). 1050 оС (measured) Ol zone сarbonate deposition area interface ~830 oC «crus bluet» schist blues zone chist ~760 оС (quantified) BSE image Type 2 capsule TEMPERATURE 1050 оС (measured) Olivine from the Aheim quarry, Norway olivine siliceous marble blueschist ~660 оС (quantified) 2.3 GPa Siliceous marbe (Ep-Cpx-Cc) (Cc > 60 vol%) Blueschist from the Atbashi area, Tjan-Shan: Gl with minor Phn, Chl, Cc and Ep 1000 1050 thermocouple Pt capsule Type 2 capsule after the run Temperature, oC 1050-660oC, 2.3 GPa, 198 hrs ← ~800 oC ← ~760 oC 500 µm 700 660 Run products UHP transformations in the blueschist: growth of omphacite (Omp), quartz/coesite (Coe), and winchite (Win). Omp+Coe Gl Win Omp+Coe 100 µm 5m 00 µ Dehydration and H2O upword migration Zonning (metasomatic?) at the blueschistsiliceous marble transition: glaucophane | winchite-omphacite | garnet-calciteepidote (extends upward) GrtCpxEp-Cc (Arg?) Winrich zone with Omp 5m 00 µ Gl-rich zone Cc Ep Grt marble Cpx Omp Win blueschist Gl Metasomatic zoning at the siliceous marble-olivine transition: Cc | MgCc | Dol | Di | Mgs | Ol L Chl Ol olivine Mgs Di Dol MgCc marble Cc Cpx Grt 5m 00 µ Carbonates are absent above the metasomatic zone Результаты эксперимента • Поток водно-карботнатно-силикатного флюида приводит к образованию ортопироксеного и переотложению карбоната по восходящему термальному градиенту. • Добавление слоя мрамора в оливинглаукофансланцевый сэндвич ограничивает переотложение карбонатов из сланца в оливиновую зону. • Установленная метасоматическая зональность не воспроизводится методом псевдосекций. Солидус карбонатизированного эклогита Hammouda (2003) Yaxley & Brey (2004) Dasgupta et al. (2004) Р-Т параметры экспериментов (Perchuk et al 2009) Dasgupta et al., 2004 Выписка из бюджетного кодекса Российской Федерации Бюджетный процесс .. Федеральный бюджет рассматривается .. в трёх чтениях. •В первом чтении принимаются основные параметры бюджета… •Во втором чтении .. утверждает бюджет по разделам, •в третьем — по подразделам. После принятия .. бюджета .. он утверждается .. и подписывается .. Бюджеты Н2О и СО2 (не говоря про другие компоненты) в зонах субдукции едва ли пройдут 1-е чтение