Коматиит / k oʊ ˈ m ɑː t i ˌ aɪ t / - это тип ультрамафической мантийной вулканической породы, определяемой как кристаллизовавшаяся из лавы , содержащей не менее 18 мас.% оксида магния (MgO). [1] Он 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 типового 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 в архейский эон (4,03–2,5 миллиарда лет назад), известно несколько более молодых ( протерозойских или фанерозойских ) примеров. Считается, что это ограничение возраста связано с охлаждением мантии, которая могла быть на 100–250 °C (212–482 °F) горячее в архейский период. [4] [5] На ранней Земле было гораздо больше тепла из-за остаточного тепла от планетарной аккреции , а также большего количества радиоактивных изотопов, особенно короткоживущих, таких как уран 235 , который производит больше тепла распада . Более низкотемпературные мантийные расплавы, такие как базальт и пикрит, по сути заменили коматииты в качестве извергающейся лавы на поверхности Земли.
Географически коматииты преимущественно ограничены в распространении в областях архейского щита и встречаются с другими ультраосновными и высокомагнезиальными основными вулканическими породами в архейских зеленокаменных поясах . Самые молодые коматииты находятся на острове Горгона на Карибском океаническом плато у тихоокеанского побережья Колумбии, а редкий пример протерозойского коматиита обнаружен в коматиитовом поясе Виннипегосис в Манитобе , Канада.
Магмы коматиитового состава имеют очень высокую температуру плавления , с расчетными температурами извержения до, а возможно, и выше 1600 °C. [6] [7] [8] [9] Базальтовые лавы обычно имеют температуру извержения около 1100–1250 °C. Более высокие температуры плавления, необходимые для образования коматиита, были приписаны предполагаемым более высоким геотермическим градиентам в архейской Земле.
Коматиитовая лава была чрезвычайно жидкой, когда она извергалась (обладая вязкостью, близкой к вязкости воды, но с плотностью породы). По сравнению с базальтовой лавой гавайских базальтов плюма при температуре ~1200 °C, которая течет как патока или мед, коматиитовая лава быстро текла по поверхности, оставляя чрезвычайно тонкие потоки лавы (толщиной до 10 мм). Таким образом, основные коматиитовые последовательности, сохранившиеся в архейских породах, считаются лавовыми трубками , прудами лавы и т. д., где скапливалась коматиитовая лава.
Химический состав коматиита отличается от химического состава базальтовых и других распространенных магм мантийного происхождения из-за различий в степенях частичного плавления . Считается, что коматииты образовались в результате высоких степеней частичного плавления, обычно более 50%, и, следовательно, имеют высокое содержание MgO при низком содержании K2O и других несовместимых элементов .
Существует два геохимических класса коматиитов: неистощенный алюминием коматииты (AUDK) (также известные как коматииты группы I) и обедненный алюминием коматииты (ADK) (также известные как коматииты группы II), определяемые их отношениями Al 2 O 3 /TiO 2. Часто предполагается, что эти два класса коматиитов представляют собой реальную разницу петрологического источника между двумя типами, связанную с глубиной образования расплава. Обедненные алюминием коматииты были смоделированы с помощью экспериментов по плавлению как полученные в результате высоких степеней частичного плавления при высоком давлении, когда гранат в источнике не плавится, тогда как неистощенные алюминием коматииты получены в результате высоких степеней частичного плавления на меньшей глубине. Однако недавние исследования флюидных включений в хромшпинелидах из кумулятивных зон потоков коматиита показали, что единый поток коматиита может быть получен из смешения родительских магм с диапазоном соотношений Al 2 O 3 /TiO 2 , что ставит под сомнение такую интерпретацию образований различных групп коматиита. [10] Коматииты, вероятно, образуются в чрезвычайно горячих мантийных плюмах [11] или в архейских зонах субдукции. [12]
Бонинитовый магматизм похож на коматиитовый магматизм, но образуется в результате флюидного плавления над зоной субдукции . Бониниты с 10–18% MgO, как правило, имеют более высокие концентрации крупноионных литофильных элементов (LILE: Ba , Rb , Sr ), чем коматииты.
Первозданная вулканическая минералогия коматиитов состоит из форстеритового оливина (Fo90 и выше), кальциевого и часто хромового пироксена , анортита (An85 и выше) и хромита .
Значительная популяция образцов коматиита демонстрирует кумулятивную текстуру и морфологию . Обычная кумулятивная минералогия — это богатый магнием форстеритовый оливин, хотя возможны также кумуляты хромового пироксена (хотя и реже).
Вулканические породы, богатые магнием, могут быть образованы путем накопления фенокристаллов оливина в базальтовых расплавах обычного химического состава: примером является пикрит . Часть доказательств того, что коматииты не богаты магнием просто из-за кумулятивного оливина, является текстурным: некоторые содержат текстуру спинифекс , текстуру, приписываемую быстрой кристаллизации оливина в термическом градиенте в верхней части потока лавы. Текстура «спинифекс» названа в честь общепринятого названия австралийской травы Triodia , [13] которая растет комками схожей формы.
Другим доказательством является то, что содержание MgO в оливинах, образованных в коматиитах, приближается к составу почти чистого MgO форстерита, который может быть достигнут в больших объемах только путем кристаллизации оливина из высокомагнезиального расплава.
Редко сохранившиеся зоны брекчии верхнего потока и подушечной границы в некоторых потоках коматиита по сути представляют собой вулканическое стекло, закаленное при контакте с вышележащей водой или воздухом. Поскольку они быстро охлаждаются, они представляют собой жидкий состав коматиитов и, таким образом, регистрируют безводное содержание MgO до 32% MgO. Некоторые из самых магнезиальных коматиитов с четкой сохранностью текстуры находятся в поясе Барбертон в Южной Африке, где жидкости с содержанием MgO до 34% можно вывести с использованием составов валовой породы и оливина.
Минералогия коматиита систематически меняется в типичном стратиграфическом разрезе потока коматиита и отражает магматические процессы, которым подвержены коматииты во время их извержения и остывания. Типичное минералогическое изменение — от основания потока, состоящего из оливинового кумулата, до текстурированной зоны спинифекс, состоящей из лопастного оливина и, в идеале, пироксеновой зоны спинифекса и зоны охлаждения, богатой оливином, на верхней эруптивной корке потока.
Первичные (магматические) минеральные виды, также встречающиеся в коматиитах, включают оливин, пироксены авгит , пижонит 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 и пироп или гидрогроссуляровый гранат .
Все известные коматииты были метаморфизованы , поэтому технически должны называться «метакоматиитами», хотя приставка «мета» неизбежно предполагается. 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, в частности коматиитов, лишь частично контролируется составом. Характер коннатных флюидов , которые присутствуют во время низкотемпературного метаморфизма, будь то проградный или ретроградный, контролирует метаморфическую ассоциацию метакоматиита ( далее предполагается приставка мета- ).
Фактором, контролирующим минеральную ассоциацию, является парциальное давление углекислого газа в метаморфической жидкости, называемое XCO 2 . Если XCO 2 выше 0,5, метаморфические реакции благоприятствуют образованию талька , магнезита (карбоната магния) и амфибола тремолита . Они классифицируются как реакции талькокарбонатизации . Ниже XCO 2 0,5 метаморфические реакции в присутствии воды благоприятствуют образованию серпентинита .
Таким образом, существует два основных класса метаморфических коматиитов: карбонатные и гидратированные. Карбонизированные коматииты и перидотиты образуют ряд пород, в которых преобладают минералы хлорита, талька, магнезита или доломита и тремолита. Гидратированные метаморфические ассоциации пород преобладают минералы хлорита, серпентина - антигорита и брусита . Могут присутствовать следы талька, тремолита и доломита, так как очень редко в метаморфических жидкостях отсутствует углекислый газ. На более высоких степенях метаморфизма преобладают антофиллит , энстатит , оливин и диопсид по мере дегидратации горной массы.
Коматиит имеет тенденцию фракционировать от высокомагнезиальных составов в основаниях потока, где доминируют кумуляты оливина, к более низкомагнезиальным составам выше в потоке. Таким образом, текущая метаморфическая минералогия коматиита будет отражать химию, которая, в свою очередь, представляет собой вывод относительно его вулканологической фации и стратиграфического положения.
Типичная метаморфическая минералогия - это тремолит - хлоритовая или тальк -хлоритовая минералогия в верхних зонах спинифекса. Более богатые магнезией оливином фации базового потока, как правило, свободны от тремолитовой и хлоритовой минералогии и в них преобладает либо серпентин - брусит +/- антофиллит, если он гидратирован, либо тальк- магнезит , если он карбонатирован. В верхних фациях потока, как правило, преобладают тальк, хлорит, тремолит и другие магнезиальные амфиболы ( антофиллит , куммингтонит , жедрит и т. д.).
Например, типичные фации потока (см. ниже) могут иметь следующий минералогический состав;
Коматиит можно классифицировать по следующим геохимическим критериям Международного союза геофизических исследований (IUGS) : [14]
При соответствии вышеперечисленным условиям, но содержании TiO2 более 1 мас.%, его классифицируют как меймечит.
Подобная вулканическая порода с высоким содержанием магния — бонинит , содержащий 52–63 мас.% SiO 2 , более 8 мас.% MgO и менее 0,5 мас.% TiO 2 .
Вышеуказанная геохимическая классификация должна быть по существу неизмененной химией магмы, а не результатом накопления кристаллов (как в перидотите ). В типичной последовательности потока коматиита химия породы будет меняться в соответствии с внутренним фракционированием, которое происходит во время извержения. Это имеет тенденцию к снижению MgO, Cr, Ni и повышению Al, K 2 O, Na, CaO и SiO 2 по направлению к верхней части потока.
Породы, богатые MgO, K2O , Ba, Cs и Rb, могут быть лампрофирами , кимберлитами или другими редкими ультраосновными, калиевыми или ультракалиевыми породами.
Коматииты часто демонстрируют структуру подушечной лавы , автобрекчированные верхние края, соответствующие подводному извержению, образующие жесткую верхнюю оболочку для потоков лавы. Проксимальные вулканические фации тоньше и перемежаются сульфидными осадками, черными сланцами, кремнями и толеитовыми базальтами . Коматииты образовались из относительно влажной мантии . Доказательством этого является их ассоциация с фельзитами , наличие коматиитовых туфов , аномалии ниобия и богатые минерализации, содержащие S и H 2 O.
Распространенная и отличительная текстура известна как текстура спинифекс и состоит из длинных игольчатых вкрапленников оливина (или псевдоморфоз минералов изменений по оливину) или пироксена, которые придают породе лезвийный вид, особенно на выветренной поверхности. Текстура спинифекс является результатом быстрой кристаллизации высокомагнезиальной жидкости в термическом градиенте на краю потока или силла .
Текстура харрисита , впервые описанная в интрузивных породах (не коматиитах) в заливе Харрис на острове Рам в Шотландии , образуется путем зарождения кристаллов на дне магматической камеры . [15] [16] Известно, что харриситы образуют мегакристаллические агрегаты пироксена и оливина длиной до 1 метра. [17] Текстура харрисита обнаружена в некоторых очень толстых лавовых потоках коматиита, например, в зеленокаменном поясе Норсман-Вилуна в Западной Австралии, в котором произошла кристаллизация кумулятов . [18]
Морфология коматиитового вулкана интерпретируется как имеющая общую форму и структуру щитового вулкана , типичную для большинства крупных базальтовых построек, поскольку магматическое событие, формирующее коматииты, извергает меньше магнезиальных материалов.
Однако первоначальный поток большинства магнезиальных магм интерпретируется как формирование канализированной фации потока, которая представляется как трещинный жерловой канал, выпускающий высокотекучую коматиитовую лаву на поверхность. Затем она течет наружу из жерловой трещины, концентрируясь в топографических понижениях и формируя канальные среды, состоящие из адкумулята оливина с высоким содержанием MgO , окруженного шлейфами «пластинчатой фации потока» из тонкопоточных пластин спинифекса с низким содержанием MgO.
Типичный поток лавы коматиита состоит из шести стратиграфически связанных элементов;
Отдельные единицы потока могут не полностью сохраниться, так как последующие единицы потока могут термически разъедать потоки спинифекса зоны А. В дистальных тонких фациях потока зоны В слабо развиты или отсутствуют, так как недостаточно проточной жидкости для роста адкумулята.
Затем русловые и чешуйчатые потоки покрываются высокомагнезиальными базальтами и толеитовыми базальтами, поскольку вулканическое событие эволюционирует к менее магнезиальным составам. Последующий магматизм, будучи расплавами с более высоким содержанием кремния, имеет тенденцию формировать более типичную архитектуру щитового вулкана.
Коматиитовая магма чрезвычайно плотная и вряд ли достигнет поверхности, скорее всего, она будет собираться ниже в коре. Современные (после 2004 г.) интерпретации некоторых крупных тел оливиновых кумуляций в кратоне Йилгарн показали, что большинство проявлений коматиитовых оливиновых кумуляций, вероятно, имеют субвулканическую или интрузивную природу.
Это подтверждается на примере месторождения никеля Маунт-Кит , где в пределах низконапряженных контактов были обнаружены интрузивные текстуры вмещающих пород и ксенолиты кислых вмещающих пород. [19] Предыдущие интерпретации этих крупных тел коматиита состояли в том, что они были «суперканалами» или реактивированными каналами, которые выросли до более чем 500 м в стратиграфической толщине во время длительного вулканизма.
Эти интрузии считаются канализированными силлами , образованными инъекцией коматиитовой магмы в стратиграфию и инфляцией магматической камеры. Экономически ценные никелево-минерализованные оливиновые адкумулятивные тела могут представлять собой форму силлоподобного канала, где магма собирается в промежуточной камере перед извержением на поверхность.
Экономическое значение коматиита впервые было широко признано в начале 1960-х годов с открытием массивной минерализации сульфида никеля в Камбалде, Западная Австралия . Никель-медная сульфидная минерализация, содержащаяся в коматиите, сегодня составляет 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 в Южной Америке.