Анортозит: состав, происхождение и распространение

Введение

Мафическая интрузивная магматическая порода, состоящая преимущественно из плагиоклаза.

Анортозит (/ə/'/n//ɔr//θ//ə//s//aɪ//t/) – фанеритная, интрузивная магматическая порода, характеризующаяся своим составом: преимущественно плагиоклазовый полевой шпат (90–100%) с минимальным мафическим компонентом (0–10%). Пироксен, ильменит, магнетит и оливин – наиболее часто встречающиеся мафические минералы. Анортозиты представляют огромный геологический интерес, поскольку до сих пор не до конца понятно, как они формируются. Большинство моделей предполагает разделение кристаллов плагиоклаза на основе их плотности. Кристаллы плагиоклаза обычно менее плотные, чем магма, поэтому по мере кристаллизации плагиоклаза в магматической камере кристаллы плагиоклаза всплывают наверх, концентрируясь там.

Анортозиты архейского возраста.
Протерозойские анортозиты (также известные как масси́вные анортозиты) – наиболее распространенный тип анортозитов на Земле.
Слои в пределах слоистых интрузий (например, интрузий Бушвельда и Стиллвотера).
Анортозиты срединно-океанических хребтов и зон разломов.
Ксенолиты анортозита в других породах (часто гранитах, кимберлитах или базальтах).
Из них первые два наиболее распространены. Эти два типа имеют различные способы образования, по-видимому, ограничены разными периодами в истории Земли и, предположительно, имеют разное происхождение.

Возраст

Протерозойские анортозиты были внедрены в течение Протерозойского эона (ок. 2500–542 млн лет назад), хотя большинство из них образовалось между 1800 и 1000 млн лет назад в северном Лабрадоре, Канада. Крупные проявления протерозойского анортозита встречаются на юго-востоке США, в Аппалачских горах (например, в Хонибрукском нагорье восточной Пенсильвании), в восточной Канаде (например, в провинции Гренвилл), в южной Скандинавии и восточной Европе. При нанесении на континентальную конфигурацию Пангеи того эона, все эти проявления располагаются в едином прямом поясе, что указывает на их внутрикратонное внедрение. Условия и ограничения, определяющие эту закономерность происхождения и распространения, остаются неясными. Подробности см. в разделе "Происхождение" ниже.

Физические характеристики

Поскольку они в основном состоят из плагиоклазового полевого шпата, большинство протерозойских анортозитов в обнажениях выглядят серыми или голубоватыми. Отдельные кристаллы плагиоклаза могут быть черными, белыми, синими или серыми и могут проявлять иридосценцию, известную как лабрадоресценция, на свежих поверхностях. Разновидность полевого шпата лабрадорит обычно присутствует в анортозитах. В минералогическом отношении лабрадорит – это композиционный термин для любого богатого кальцием плагиоклазового полевого шпата, содержащего 50–70 мольных процентов анортита (An 50–70), независимо от того, проявляет ли он лабрадоресценцию. Мафическим минералом в протерозойском анортозите может быть клинопироксен, ортопироксен, оливин или, реже, амфибол. Оксиды, такие как магнетит или ильменит, также распространены. Большинство анортозитовых плутонов имеют очень крупнозернистую структуру, то есть отдельные кристаллы плагиоклаза и сопутствующий мафический минерал имеют длину более нескольких сантиметров. Менее часто кристаллы плагиоклаза достигают мегакристических размеров, то есть более одного метра в длину. Однако большинство протерозойских анортозитов деформированы, и такие крупные кристаллы плагиоклаза рекристаллизовались, образуя более мелкие кристаллы, оставляя лишь очертания более крупных. Хотя многие протерозойские анортозитовые плутоны, по-видимому, не имеют крупных реликтовых магматических структур (имея вместо этого структуры, образовавшиеся после внедрения), некоторые обладают магматической слоистостью, которая может определяться размером кристаллов, содержанием мафических элементов или химическими характеристиками. Такая слоистость явно имеет происхождение из магмы, находившейся в реологически жидком состоянии.

Химические и изотопные характеристики

Протерозойские анортозиты обычно состоят более чем на 90% из плагиоклаза, при этом состав плагиоклаза чаще всего варьируется между An40 и An60 (40–60% анортита). Некоторые исследования были посвящены определению изотопного состава неодима (Nd) и стронция (Sr) в анортозитах, в особенности в анортозитах комплекса Nain Plutonic Suite (NPS). Такие изотопные определения полезны для оценки вероятности различных источников магмы, из которой образовались анортозиты. Некоторые результаты приведены ниже в разделе "Происхождение".

Мегакристаллы высокоалюминиевого ортопироксена (HAOM)

Многие анортозиты протерозойского возраста содержат крупные кристаллы ортопироксена с характерным составом. Это так называемые высокоалюминиевые ортопироксиновые мегакристы (HAOM). HAOM отличаются тем, что 1) они содержат большее количество алюминия, чем обычно встречается в ортопироксенах; 2) они прорезаны многочисленными тонкими пластинами плагиоклаза, которые могут быть ламелями выделения; и 3) они, по-видимому, образовались раньше, чем анортозиты, в которых они найдены. Согласно этой модели, HAOM представляют собой кумуляты нижней коры, связанные с магмой-источником анортозита. Однако одна из проблем этой модели заключается в том, что она предполагает длительное нахождение магмы-источника анортозита в нижней коре. Чтобы обойти это, некоторые исследователи отказываются от идеи происхождения из нижней коры вообще.

Происхождение протозойских анортозитов

Происхождение протерозойских анортозитов было предметом теоретических дебатов на протяжении многих десятилетий. Краткое изложение этой проблемы следующее:

Проблема начинается с образования магмы, необходимого предшественника любой магматической породы. Магма, образующаяся при небольшом частичном плавлении мантии, обычно имеет базальтовый состав. В нормальных условиях состав базальтовой магмы требует кристаллизации от 50 до 70% плагиоклаза, при этом основная часть оставшейся магмы кристаллизуется в виде мафических минералов. Однако анортозиты характеризуются высоким содержанием плагиоклаза (90–100% плагиоклаза) и не встречаются в ассоциации с современными ультрамафическими породами. Однако впоследствии было показано, что дамбы (дайки) оказались сложнее, чем предполагалось изначально. В итоге, хотя процессы в расплавленном состоянии явно протекают в некоторых анортозитовых плутонах, сами плутоны, вероятно, не образовались из анортозитовых магм. Многие исследователи утверждают, что анортозиты являются продуктами базальтовой магмы, и что произошло механическое удаление мафических минералов. Поскольку мафические минералы не встречаются вместе с анортозитами, эти минералы должны были остаться либо на большей глубине, либо в основании коры. Типичная теория выглядит следующим образом: частичное плавление мантии генерирует базальтовую магму, которая не сразу поднимается в кору. Вместо этого базальтовая магма формирует крупную магматическую камеру у основания коры и фракционирует большое количество мафических минералов, которые опускаются на дно камеры. Сокристаллизующиеся кристаллы плагиоклаза всплывают и в конечном итоге внедряются в кору в виде анортозитовых плутонов. Большая часть опускающихся мафических минералов формирует ультрамафические кумуляты, которые остаются в основании коры. Эта теория имеет множество привлекательных черт, в том числе способность объяснить химический состав мегакристаллов высокоалюминистого ортопироксена (HAOM). Это подробно описано ниже в разделе, посвященном HAOM. Однако сама по себе эта гипотеза не может последовательно объяснить происхождение анортозитов, поскольку она не согласуется, в частности, с некоторыми важными изотопными измерениями, проведенными на анортозитных породах в комплексе Nain Plutonic Suite. Изотопные данные по Nd и Sr показывают, что магма, образовавшая анортозиты, не могла быть получена исключительно из мантии. Вместо этого магма, породившая анортозиты комплекса Nain Plutonic Suite, должна была иметь значительную корковую составляющую. Это открытие привело к несколько более сложной версии предыдущей гипотезы: большое количество базальтовой магмы формирует магматическую камеру у основания коры и, кристаллизуясь, ассимилирует значительные объемы коры. Это небольшое дополнение объясняет как изотопные характеристики, так и некоторые другие химические особенности протерозойских анортозитов. Однако, по крайней мере, один исследователь убедительно аргументировал, основываясь на геохимических данных, что роль мантии в образовании анортозитов должна быть на самом деле весьма ограниченной: мантия обеспечивает лишь импульс (тепло) для плавления коры и небольшое количество частичного расплава в виде базальтовой магмы. Таким образом, с этой точки зрения, анортозиты почти полностью образовались из расплавов нижней коры.

The problem begins with the generation of magma, the necessary precursor of any igneous rock. Magma generated by small amounts of partial melting of the mantle is generally of basaltic composition. Under normal conditions, the composition of basaltic magma requires it to crystallize between 50 and 70% plagioclase, with the bulk of the remainder of the magma crystallizing as mafic minerals. However, anorthosites are defined by a high plagioclase content (90–100% plagioclase), and are not found in association with contemporaneous ultramafic rocks. However, the dykes were later shown to be more complex than was originally thought. In summary, though liquid state processes clearly operate in some anorthosite plutons, the plutons are probably not derived from anorthositic magmas. Many researchers have argued that anorthosites are the products of basaltic magma, and that mechanical removal of mafic minerals has occurred. Since the mafic minerals are not found with the anorthosites, these minerals must have been left at either a deeper level or the base of the crust. A typical theory is as follows: partial melting of the mantle generates a basaltic magma, which does not immediately ascend into the crust. Instead, the basaltic magma forms a large magma chamber at the base of the crust and fractionates large amounts of mafic minerals, which sink to the bottom of the chamber. The co crystallizing plagioclase crystals float, and eventually are emplaced into the crust as anorthosite plutons. Most of the sinking mafic minerals form ultramafic cumulates which stay at the base of the crust. This theory has many appealing features, of which one is the capacity to explain the chemical composition of high alumina orthopyroxene megacrysts (HAOM). This is detailed below in the section devoted to the HAOM. However, on its own, this hypothesis cannot coherently explain the origins of anorthosites, because it does not fit with, among other things, some important isotopic measurements made on anorthositic rocks in the Nain Plutonic Suite. The Nd and Sr isotopic data show the magma which produced the anorthosites cannot have been derived only from the mantle. Instead, the magma that gave rise to the Nain Plutonic Suite anorthosites must have had a significant crustal component. This discovery led to a slightly more complicated version of the previous hypothesis: Large amounts of basaltic magma form a magma chamber at the base of the crust, and, while crystallizing, assimilating large amounts of crust. This small addendum explains both the isotopic characteristics and certain other chemical niceties of Proterozoic anorthosite. However, at least one researcher has cogently argued, on the basis of geochemical data, that the mantle's role in production of anorthosites must actually be very limited: the mantle provides only the impetus (heat) for crustal melting, and a small amount of partial melt in the form of basaltic magma. Thus anorthosites are, in this view, derived almost entirely from lower crustal melts.

Лунный анортозит

На Луне анортозит является преобладающим типом пород лунных нагорий, покрывающих около 80% лунной поверхности. Лунный анортозит классифицируется как ферроаннортозит (FAN) или магниевый анортозит (MAN). Изначальный лунный FAN представляет собой одни из самых древних лунных пород и первичный кумулят лунного магматического океана, а Mg-серия образовалась в результате более поздних ударов и плутонических процессов. Однако существуют споры относительно фракционирования магматического океана, усложненные перемешиванием пород в результате поверхностных ударов, и имеются данные, которые могут указывать на то, что MAN является более древним и примитивным. Лунный анортозит связан с двумя другими типами пород: норитом и троктолитом. Вместе они образуют "ANT" серию лунных пород.

Археические анортозиты

Архейские анортозиты представляют собой вторые по величине анортозитовые месторождения на Земле. Большинство из них датированы периодом от 3200 до 2800 млн лет назад и обычно ассоциируются с базальтами и/или зелеными каменными поясами. Архейские анортозиты отличаются по текстуре и минеральному составу от протерозойских анортозитных тел. Их наиболее характерной особенностью является наличие равноосных, хорошо оформленных крупных кристаллов (мегакристов) плагиоклаза размером до 30 см, окруженных мелкозернистой мафической основной массой. Содержание анортита в плагиоклазе этих анортозитов обычно составляет An80–90.

Экономическая ценность

Основная экономическая ценность анортоситовых тел – титаносодержащий оксид илменит. Однако некоторые анортозитовые тела протерозоя содержат значительное количество лабрадорита, который добывают как в качестве драгоценного камня, так и строительного материала. Архейские анортозиты, благодаря высокому содержанию алюминия, имеют большое количество алюминия, замещающего кремний; некоторые из этих тел разрабатываются как алюминиевые руды. Анортозит был широко представлен в образцах горных пород, доставленных с Луны, и играет важную роль в изучении Марса, Венеры и метеоритов.

Разработка почв на анортоситах

В горах Адирондак почвы на анортозите обычно представляют собой каменистый супесчаник с выраженным классическим подзолистым профилем. В горах Сан-Габриэль почвы на анортозите характеризуются преобладанием глинистых минералов 1:1 (каолинита и галлуазита), в отличие от более мафических пород, на которых формируются глины 2:1.