Лавсонит: Свойства, образование и значение в геодинамике

Введение

Лоусонит – водяной кальциево-алюминиевый соросиликатный минерал с формулой CaAl₂Si₂O₇(OH)₂·H₂O. Лоусонит кристаллизуется в орторромбической системе в призматических, часто таблитчатых кристаллах. Кристаллическое двойникование – обычное явление. Он образует прозрачные или полупрозрачные бесцветные, белые, розовые и синевато-розово-серые стеклянные или жирные кристаллы. Показатели преломления: nα = 1,665, nβ = 1,672 – 1,676, и nγ = 1,684 – 1,686. Обычно он почти бесцветный в тонких срезах, но некоторые образцы лоусонита проявляют плеохроизм от бесцветного до бледно-желтого до бледно-голубого, в зависимости от ориентации. Минерал имеет твердость по Моосу 7,5 и удельную плотность 3,09. Он обладает совершенным спайностью в двух направлениях и хрупким изломом. Не следует путать с ларсонитом – окаменелым яшмом, добываемым в штате Невада. Лоусонит – метаморфический минерал, типичный для фации голубых сланцев. Он также встречается как вторичный минерал в измененных габбро и диоритах. Сопутствующие минералы включают эпидот, титанит, глаукофан, гранат и кварц. Это редкий компонент эклогита. Его редкость в эклогитах, поднятых на поверхность Земли, не отражает его распространенность на глубине в зонах субдукции, а скорее то, что лоусонит легко замещается другими минералами. Лоусонит был впервые описан в 1895 году по образцам с горы Ринг на полуострове Тибурон, округ Марин, штат Калифорния, и назван в честь геолога Эндрю Лоусона (1861–1952) из Калифорнийского университета двумя его аспирантами, Чарльзом Палахе и Фредериком Лесли Рэнсомом.

Состав

Лоусонит – метаморфический силикатный минерал, химически и структурно связанный с группой эпидотов. Его состав близок к идеальной формуле CaAl2Si2O7(OH)2·H2O, что обуславливает сходство химического состава с анортитом CaAl2Si2O8 (его безводным аналогом), однако лоусонит обладает большей плотностью и иной координацией алюминия (Comodi et al., 1996). Значительное количество воды, связанной в кристаллической структуре лоусонита, высвобождается при его разложении на более плотные минералы в условиях прогрессивного метаморфизма. Это означает, что лоусонит способен транспортировать существенное количество воды на большие глубины в зоне субдукции океанической литосферы (Clarke et al., 2006). Экспериментальные исследования, направленные на изучение поведения лоусонита при различных температурах и давлениях, являются одними из наиболее интенсивно изучаемых аспектов, поскольку именно эти характеристики определяют его способность переносить воду в глубины мантии, подобно другим содержащим гидроксильные группы фазам, таким как антигорит, тальк, фенгит, ставролит и эпидот (Comodi et al., 1996).

Геологическое происхождение

Лоусонит – широко распространенный минерал, вызвавший значительный интерес благодаря своей важности как индикатора умеренного и высокого давления (6000–25000 бар) и низкой температуры (300–600 °C) в природных условиях (Clarke et al., 2006). В основном он встречается вдоль континентальных окраин (зон субдукции), таких как: Францисканская формация в Калифорнии у станции Рид, полуостров Тибурон округа Марин, Калифорния; сланцы в Новой Зеландии, Новой Каледонии, а также в других точках Тихоокеанского орогенного пояса; метаморфические породы Пьемонта в Италии; Китай, Япония, Греция и Турция.

Кристальная структура

Хотя законсонит и анортит имеют схожий состав, их структуры значительно различаются. В то время как анортит характеризуется тетраэдрической координацией алюминия (Al замещает Si в полевых шпатах), законсонит имеет октаэдрическую координацию с Al, что делает его орторомбическим соросиликатом с пространственной группой Cmcm, состоящей из групп Si2O7 и O, OH, F и H2O с катионами в координационных полиэдрах [4] и/или >[4]. Это гораздо больше похоже на группу эпидотов, с которыми законсонит часто встречается совместно, поскольку они также являются соросиликатами, так как их структура состоит из двух соединенных тетраэдров SiO4 и соединяющего катиона. Наличие воды в структуре обусловлено полостями, образованными кольцами из двух октаэдрических групп Al и двух групп Si2O7, каждая из которых содержит изолированную молекулу воды и атом кальция. Гидроксильные группы связаны с общими ребрами октаэдров Al (Baur, 1978).

Физические свойства

Лоусонит формирует кристаллы орторомбической призматической формы, представляющие собой вытянутые в виде тонких призм или трубочек, с размерами, тонкими в одном направлении, и обладающие двумя направлениями совершенного спайности. Кристалл прозрачен или полупрозрачен и варьируется в цвете от белого до светло-голубого и бесцветного, с белой чертой и стеклянным или жирным блеском. Он имеет относительно низкую плотность – 3,1 г/см³, и достаточно высокую твердость – 7,5 по шкале Мооса, немного превышающую твердость кварца. Под микроскопом лоусонит проявляет синий, желтый или бесцветный цвет при наблюдении в поляризованном свете при вращении стола микроскопа. Лоусонит характеризуется тремя показателями преломления: nα = 1.665, nβ = 1.672–1.676 и nγ = 1.684–1.686, что обуславливает двойное лучепреломление δ = 0.019–0.021 и положительную двуосную интерференционную картину.

Значение лоусонита

Лоусонит является важным метаморфическим минералом, поскольку его можно использовать в качестве индексного минерала для условий высокого давления. Индексные минералы применяются в геологии для определения степени метаморфизма, которую испытала порода. Новые метаморфические минералы формируются в результате обмена катионами в твердой фазе, следующего за изменением давления и температуры, воздействующими на протолит (первоначальную, неметаморфизованную породу). Этот новый минерал, образующийся в метаморфизованной породе, и является индексным минералом, указывающим на минимальное давление и температуру, которых должен был достичь протолит для образования этого минерала. Лоусонит известен своим образованием в условиях высокого давления и низкой температуры, наиболее часто встречаясь в зонах субдукции, где холодная океаническая кора опускается в океанические желоба в мантию (Comodi et al., 1996). Изначально низкая температура плиты и флюиды, уносимые с ней, понижают изотермы и поддерживают плиту значительно холоднее окружающей мантии, что позволяет формироваться этим необычным условиям высокого давления и низкой температуры. Глаукофан, гранат, фенгит и зоизит или другие минералы группы эпидота – другие распространенные минералы в блюшистах. Блюшисты, образованные из базальтовых исходных пород, содержат либо лоусонит, либо эпидот. Совместное присутствие глаукофана + лоусонита или эпидота является диагностическим признаком фации голубых сланцев. Лоусонит также встречается в эклогитах, хотя он редко сохраняется в геологической летописи. Типичный минеральный состав лоусонитового эклогита – гранат + омфацит + лоусонит + фенгит + рутил ± глаукофан. Лоусонит встречается в виде включений в гранате, в качестве матричной фазы и в прожилках, предоставляя детальную информацию об истории субдукции и эксгумации. Лоусонит наиболее часто встречается в метабазальтических породах, но также образуется в метаседиментарных породах, таких как метакремень и метакарбонатные породы. Он также формируется в породах, образованных метасоматизмом во время субдукции, например, в контактной зоне ультрамафических пород (серпентинита) и других пород. Помимо того, что кристаллическая структура лоусонита содержит значительное количество воды (11,5 мас.%), он содержит существенные количества микроэлементов, таких как уран, торий, свинец, стронций и редкоземельные элементы, по сравнению с другими минералами в блюшистах и эклогитах. Некоторые образцы лоусонита также содержат железо, хром и титан. Содержание этих элементов обычно варьируется внутри отдельных кристаллов. Разложение лоусонита рассматривается как один из механизмов, посредством которого генерируются землетрясения средней глубины в зонах субдукции.

Lawsonite is a significant metamorphic mineral as it can be used as an index mineral for high pressure conditions. Index minerals are used in geology to determine the degree of metamorphism a rock has experienced. New metamorphic minerals form through solid state cation exchanges following changing pressure and temperature conditions imposed upon the protolith (pre metamorphosed rock). This new mineral that is produced in the metamorphosed rock is the index mineral, which indicates the minimum pressure and temperature the protolith must have achieved in order for that mineral to form. Lawsonite is known to form in high pressure, low temperature conditions, most commonly found in subduction zones where cold oceanic crust subducts down oceanic trenches into the mantle (Comodi et al., 1996). The initially low temperature of the slab and fluids taken down with it depress isotherms and keep the slab much colder than the surrounding mantle, allowing for these unusual high pressure, low temperature conditions. Glaucophane, garnet, phengite, and zoisite or other epidote group minerals are other common minerals in blueschist. Blueschists that form from basaltic parent rocks contain either lawsonite or epidote. The coexistence of glaucophane + lawsonite or epidote is diagnostic of the blueschist facies. Lawsonite also occurs in eclogite, although it is rarely preserved in the geologic record. A common assemblage in lawsonite eclogite is garnet + omphacite + lawsonite + phengite + rutile ± glaucophane. Lawsonite occurs as inclusions in garnet, as a matrix phase, and in veins, providing a detailed history of subduction and exhumation. Lawsonite most commonly occurs in metabasaltic rocks but also forms in metasedimentary rocks such as metachert and metacarbonate rocks. It also forms in rocks that form by metasomatism during subduction, such as in the contact zone of ultramafic rocks (serpentinite) and other rocks. In addition to being a major host for water (11.5 wt%) in its crystal structure, lawsonite contains significant amounts of trace elements such as uranium, thorium, lead, strontium, and rare earth elements relative to other minerals in blueschists and eclogites. Some lawsonite also contains iron, chromium, and titanium. The abundance of these elements typically varies within single crystals. The breakdown of lawsonite has been invoked as one mechanism by which intermediate depth earthquakes are generated in subduction zones.