Коматиит ( / k oʊ ˈ m ɑː t i ˌ aɪ t / ) представляет собой тип ультраосновной вулканической породы , полученной из мантии , определяемой как кристаллизованная из лавы с содержанием оксида магния (MgO) не менее 18 мас.% . [1] Классифицируется как «пикритовая порода». Коматииты имеют низкое содержание кремния , калия и алюминия и высокое или чрезвычайно высокое содержание магния . Коматиит был назван в честь своего типа местонахождения вдоль реки Комати в Южной Африке [2] и часто демонстрирует текстуру спинифекс , состоящую из крупных дендритных пластин оливина и пироксена . [3]
Коматииты – редкие породы; почти все коматииты образовались во время архейского эона (4,03–2,5 миллиарда лет назад), при этом известно несколько более молодых ( протерозойских или фанерозойских ) примеров. Считается, что это ограничение по возрасту связано с охлаждением мантии, которая в архее могла быть на 100–250 ° C (212–482 ° F) жарче. [4] [5] Ранняя Земля имела гораздо более высокое производство тепла из-за остаточного тепла от планетарной аккреции , а также большего количества радиоактивных изотопов, особенно короткоживущих, таких как уран-235 , которые производят больше тепла при распаде . Мантийные расплавы с более низкой температурой, такие как базальт и пикрит , по существу заменили коматииты в виде изверженной лавы на поверхности Земли.
Географически коматииты преимущественно ограничены в распространении областями архейского щита и встречаются с другими ультраосновными и высокомагнезиальными основными вулканическими породами в архейских зеленокаменных поясах . Самые молодые коматииты происходят с острова Горгона на Карибском океаническом плато у тихоокеанского побережья Колумбии, а редкий пример протерозойского коматиита найден в поясе коматиитов Виннипегосис в Манитобе , Канада.
Магмы коматиитового состава имеют очень высокую температуру плавления с расчетными температурами извержения до, а возможно, и более 1600 °C. [6] [7] [8] [9] Базальтовые лавы обычно имеют температуру извержения от 1100 до 1250 °C. Более высокие температуры плавления, необходимые для производства коматиита, объясняются предполагаемыми более высокими геотермическими градиентами на архейской Земле.
Коматиитовая лава при извержении была чрезвычайно текучей (обладала вязкостью, близкой к вязкости воды, но с плотностью породы). По сравнению с базальтовой лавой гавайских плюмовых базальтов при температуре ~ 1200 ° C, которая течет так же, как патока или мед, коматиитовая лава быстро текла по поверхности, оставляя чрезвычайно тонкие потоки лавы (толщиной до 10 мм). Таким образом, основными коматиитовыми последовательностями, сохранившимися в архейских породах, считаются лавовые трубки , лавовые пруды и т. д., где накапливалась коматиитовая лава.
Химический состав коматиита отличается от химического состава базальтовых и других обычных мантийных магм из-за различий в степени частичного плавления . Считается, что коматииты образовались в результате высокой степени частичного плавления, обычно превышающей 50%, и, следовательно, имеют высокое содержание MgO с низким содержанием K 2 O и других несовместимых элементов .
Существует два геохимических класса коматиита; недеплетированный алюминием коматиит (AUDK) (также известный как коматииты группы I) и коматиит, обедненный алюминием (ADK) (также известный как коматииты группы II), определяемые по соотношению Al 2 O 3 /TiO 2 . Часто предполагается, что эти два класса коматиита представляют собой реальную петрологическую разницу источников между двумя типами, связанную с глубиной образования расплава. В ходе экспериментов по плавлению было смоделировано, что коматииты, обедненные Al, образуются в результате высокой степени частичного плавления при высоком давлении, когда гранат в источнике не плавится, тогда как коматииты, не обедненные Al, образуются в результате высоких степеней частичного плавления на меньшей глубине. Однако недавние исследования флюидных включений в хромшпинелидах из кумулятивных зон коматиитовых потоков показали, что единый коматиитовый поток может образоваться в результате смешения исходных магм с диапазоном соотношений Al 2 O 3 / TiO 2 , что ставит под сомнение этот факт. интерпретация образований различных групп коматиита. [10] Коматииты, вероятно, образуются в чрезвычайно горячих мантийных плюмах [11] или в архейских зонах субдукции. [12]
Бонинитовый магматизм подобен коматиитовому магматизму, но возникает в результате флюидного плавления над зоной субдукции . Бониниты с содержанием MgO 10–18%, как правило, содержат больше крупноионных литофильных элементов (LILE: Ba , Rb , Sr ), чем коматииты.
Первозданная вулканическая минералогия коматиитов состоит из форстеритового оливина (Fo90 и выше), кальциевого и часто хромистого пироксена , анортита (An85 и выше) и хромита .
Значительная популяция образцов коматиита демонстрирует кумулятивную текстуру и морфологию . Обычная кумулатная минералогия представляет собой форстеритовый оливин с высоким содержанием магния , хотя также возможны хромистые пироксеновые кумулаты (хотя и реже).
Вулканические породы, богатые магнием, могут образовываться путем накопления вкрапленников оливина в базальтовых расплавах нормального химического состава: примером является пикрит . Часть доказательств того, что коматииты не богаты магнием просто из-за кумулятивного оливина, является текстурной: некоторые содержат текстуру спинифекс , текстуру, приписываемую быстрой кристаллизации оливина в термическом градиенте в верхней части потока лавы. Текстура «Spinifex» названа в честь общего названия австралийской травы Triodia , [13] которая растет комками схожей формы.
Другое свидетельство состоит в том, что содержание MgO в оливинах, образующихся в коматиитах, приближается к почти чистому составу MgO-форстерита, которого можно достичь только в массе путем кристаллизации оливина из высокомагнезиального расплава.
Редко сохранившиеся брекчии верхней части потока и зоны подушковидной окраины в некоторых потоках коматиита представляют собой по существу вулканическое стекло, закаленное в контакте с вышележащей водой или воздухом. Поскольку они быстро охлаждаются, они представляют собой жидкий состав коматиитов и, таким образом, содержат содержание безводного MgO до 32% MgO. Некоторые из самых высоких магнезиальных коматиитов с четкой структурной сохранностью находятся в поясе Барбертон в Южной Африке, где жидкости с содержанием MgO до 34% можно определить по составам массивных пород и оливина.
Минералогия коматиита систематически меняется в типичном стратиграфическом разрезе потока коматиита и отражает магматические процессы, которым коматииты подвержены во время их извержения и остывания. Типичное минералогическое изменение - от основания потока, состоящего из кумулата оливина, до текстурированной зоны спинифекса, состоящей из пластинчатого оливина и, в идеале, зоны пироксенового спинифекса и богатой оливином зоны закалки на верхней эруптивной корке блока потока.
Первичные (магматические) минеральные виды, также встречающиеся в коматиитах, включают оливин, пироксены , авгит, пигеонит и бронзит , плагиоклаз , хромит , ильменит и редко паргаситовый амфибол . Вторичные (метаморфические) минералы включают серпентин , хлорит , амфибол, натриевый плагиоклаз, кварц , оксиды железа и редко флогопит , бадделеит , а также пироп или гидрогроссуляр гранат .
Все известные коматииты подверглись метаморфизации , поэтому технически их следует называть «метакоматиитами», хотя неизбежно предполагается приставка «мета». Многие коматииты сильно изменены и серпентинизированы или карбонатизированы в результате метаморфизма и метасоматоза . Это приводит к значительным изменениям в минералогии и текстуре.
Метаморфическая минералогия ультраосновных пород, особенно коматиитов, лишь частично определяется составом. Характер родственных флюидов , присутствующих во время низкотемпературного метаморфизма, будь то прогрессивный или ретроградный , контролирует метаморфический комплекс метакоматиита ( здесь и далее предполагается приставка мета- ).
Фактором, контролирующим минеральный комплекс, является парциальное давление углекислого газа в метаморфической жидкости, называемое XCO 2 . Если XCO 2 выше 0,5, реакции метаморфизма благоприятствуют образованию талька , магнезита (карбоната магния) и тремолит -амфибола. Они классифицируются как реакции карбонизации талька . Ниже XCO 2 0,5 метаморфические реакции в присутствии воды способствуют образованию серпентинита .
Таким образом, существует два основных класса метаморфического коматиита; газированные и гидратированные. Карбонизированные коматииты и перидотиты образуют ряд пород, в которых преобладают минералы хлорит, тальк, магнезит или доломит и тремолит. В гидратно-метаморфических комплексах пород преобладают минералы хлорит, серпентин - антигорит и брусит . Могут присутствовать следы талька, тремолита и доломита, поскольку в метаморфических флюидах очень редко отсутствует углекислый газ. На более высоких стадиях метаморфизма по мере обезвоживания горной массы преобладают антофиллит , энстатит , оливин и диопсид .
Коматиит имеет тенденцию к фракционированию из составов с высоким содержанием магния в основании потока, где доминируют кумулаты оливина, с понижением содержания магния выше в потоке. Таким образом, текущая метаморфическая минералогия коматиита будет отражать химический состав, который, в свою очередь, представляет собой вывод о его вулканологической фации и стратиграфическом положении.
Типичной метаморфической минералогией является тремолит - хлоритовая или тальк -хлоритовая минералогия в верхних зонах спинифекса. Более богатые магнезием и богатые оливином основные фации потока, как правило, свободны от тремолитовой и хлоритовой минералогии и в них преобладают либо серпентин - брусит +/- антофиллит , если он гидратирован, или тальк- магнезит, если он карбонатен. В фациях верхнего течения преобладают тальк, хлорит, тремолит и другие магнезиальные амфиболы ( антофиллит , куммингтонит , жедрит и др.).
Например, типичные фации потока (см. ниже) могут иметь следующую минералогию;
Коматиит можно классифицировать по следующим геохимическим критериям IUGS : [14]
При соблюдении вышеизложенного, но TiO 2 составляет более 1 мас.%, его классифицируют как меймечит.
Аналогичной высокомагнезиальной вулканической породой является бонинит , имеющий 52–63 мас. % SiO 2 , более 8 мас. % MgO и менее 0,5 мас. % TiO 2 .
Вышеуказанная геохимическая классификация должна быть по существу неизменным химизмом магмы, а не результатом накопления кристаллов (как в перидотите ). В типичной последовательности потоков коматиита химический состав породы будет меняться в зависимости от внутреннего фракционирования, которое происходит во время извержения. Это имеет тенденцию к снижению содержания MgO, Cr, Ni и увеличению содержания Al, K 2 O, Na, CaO и SiO 2 к верху потока.
Породы, богатые MgO, K 2 O, Ba, Cs и Rb, могут представлять собой лампрофиры , кимберлиты или другие редкие ультраосновные, калиевые или ультракалиевые породы.
Коматииты часто имеют подушечную структуру лавы , автобрекчированные верхние края соответствуют подводному извержению, образующему жесткую верхнюю оболочку потоков лавы. Проксимальные вулканические фации тоньше и переслаиваются сульфидными отложениями, черными сланцами, кремнями и толеитовыми базальтами . Коматииты образовались из относительно влажной мантии . Об этом свидетельствует их связь с кислыми породами , проявлениями коматиитовых туфов , ниобиевыми аномалиями и богатыми S- и H 2 O минерализациями.
Общая и отличительная текстура известна как текстура спинифекс и состоит из длинных игольчатых вкрапленников оливина (или псевдоморфоз минералов изменений после оливина) или пироксена, которые придают породе пластинчатый вид, особенно на выветренной поверхности. Текстура спинифекса является результатом быстрой кристаллизации высокомагнезиальной жидкости в температурном градиенте на границе потока или порога .
Текстура харрисита , впервые описанная в интрузивных породах (не коматиитах) в заливе Харрис на острове Ром в Шотландии , образуется в результате зарождения кристаллов на дне магматической камеры . [15] [16] Харриситы, как известно, образуют мегакристаллические агрегаты пироксена и оливина длиной до 1 метра. [17] Харриситовая текстура встречается в некоторых очень толстых лавовых потоках коматиита, например, в зеленокаменном поясе Норсман-Вилуна в Западной Австралии, в котором произошла кристаллизация кумулатов . [18]
Морфология коматиитового вулкана интерпретируется как имеющая общую форму и структуру щитового вулкана , типичную для большинства крупных базальтовых построек, поскольку магматическое событие, в результате которого образуются коматииты, извергает меньше магнезиальных материалов.
Однако первоначальный поток большинства магнезиальных магм интерпретируется как формирующий фацию канализированного потока, которая рассматривается как трещинное отверстие, выбрасывающее на поверхность высокотекучую коматиитовую лаву. Затем он вытекает наружу из жерловой трещины, концентрируясь в топографических понижениях и образуя среду каналов, состоящую из накоплений оливина с высоким содержанием MgO , окруженных «слоистыми фациями потока» из пластин спинифекса с более низким содержанием MgO и пироксена.
Типичный поток коматиитовой лавы состоит из шести стратиграфически связанных элементов;
Отдельные единицы потока не могут быть полностью сохранены, поскольку последующие единицы потока могут термически разрушить потоки спинифекса зоны А. В дистальной фации тонкого потока зоны B развиты слабо или отсутствуют, так как существовало недостаточно проточной жидкости для роста аккумулята.
Затем каналы и слоистые потоки покрываются высокомагнезиальными базальтами и толеитовыми базальтами по мере того, как вулканическое событие развивается в сторону менее магнезиальных составов. Последующий магматизм, представляющий собой расплавы более высокого кремнезема, имеет тенденцию формировать более типичную архитектуру щитового вулкана.
Коматиитовая магма чрезвычайно плотна и вряд ли достигнет поверхности, поскольку с большей вероятностью скапливается ниже в земной коре. Современные (после 2004 г.) интерпретации некоторых более крупных тел оливиновых отложений в кратоне Йилгарн показали, что большинство залежей коматиитовых оливиновых отложений, вероятно, имеют субвулканическую или интрузивную природу.
Это выявлено на никелевом месторождении Маунт-Кит , где в пределах контактов с низкими напряжениями обнаружены интрузивные текстуры вмещающих пород и ксенолиты кислых вмещающих пород. [19] Предыдущие интерпретации этих крупных коматиитовых тел заключались в том, что они представляли собой «суперканалы» или реактивированные каналы, стратиграфическая мощность которых выросла до более чем 500 м во время продолжительного вулканизма.
Эти интрузии считаются канализированными силлами , образованными в результате инъекции коматиитовой магмы в стратиграфию и инфляции магматического очага. Экономические никель-минерализованные оливиновые отложения могут представлять собой форму подоконника, в котором магма накапливается в промежуточной камере перед извержением на поверхность.
Экономическое значение коматиита было впервые широко признано в начале 1960-х годов с открытием массивной минерализации сульфида никеля в Камбалде, Западная Австралия . На никель-медно-сульфидную минерализацию, содержащуюся в коматиите, сегодня приходится около 14% мирового производства никеля , в основном в Австралии, Канаде и Южной Африке.
Коматииты связаны с месторождениями никеля и золота в Австралии, Канаде, Южной Африке и совсем недавно на Гвианском щите Южной Америки.