Зёрна мантии

По работе столкнулся с задачей: какой размер у кристаллов минералов в мантии Земли. Казалось бы, простейший вопрос для специалиста-петролога, но, как оказалось, не всё так просто.

Стремясь ответить на этот вопрос максимально полно, я решил начать с литературного обзора...

Практически-прикладной интерес к изучению пород из мантии Земли начинается с алмазов. Так как они происходят с очень больших глубин и лишь выносятся на поверхность, понимание условий их образования довольно-таки важно для их поиска их в природе, как на действующих месторождениях, так и при поиске оных. Кроме того, изучение мантии нужно для понимания условий образования большинства месторождений металлов, извержения вулканов и прочих, не столько очевидных тем.

Есть всего два главных источника мантийного вещества для исследователей. Первый - это ксенолиты, то есть фрагменты пород, захваченных на глубине, и вынесенных на земную поверхность магмами. Найденные ксенолиты относятся к глубинам до 300-400 км, то есть к верхней мантии, редко - к переходной зоне.

Магмами-транспортёрами могут быть кимберлиты и сходные с ними магмы, идущие с глубины (и именно с ними связаны алмазы). Но, помимо этого, довольно много ксенолитов выносится самыми обычными лавами - базальтами, правда, обычно щелочными.

Второй источник - это выведенные на земную поверхность фрагменты самых верхов верхней мантии. Такое происходит в тех случаях, когда океаническая литосферная плита по каким-либо причинам не уходит под континентальную (субдуцирует), а "заползает" наверх (обдуцирует). Процесс этот довольно редок, но, тем не менее, за земную историю такая ситуация возникала не раз.

В литературе описываются и более специфические случаи, но это уже совсем экзотические ситуации.

Возвращаясь к озвученной мной проблеме. Вопрос возник из того, что размер зёрен вещества имеет большое влияние на эффективную вязкость пород (что важно, если мы пытаемся узнать о процессах за миллионы лет земной истории). 

Как ни странно, литература оказалась на редкость скудна. Есть сотни статей о всех тонкостях химического состава пород, но вот размер зёрен практически всегда оказывается опущен. Да, часто упоминается, что породы "грубозернистые", что, в переводе с русского на понятный, значит что-то вроде "от 3 до 10 мм" (по материалам самих статей).

Вообще, это совершенно неправильно, когда в описании фактического материала допускаются подобные пропуски. Во многих случаях именно простейшие описания оказываются весьма важны для понимания процессов.

Проблем нет с тем, какие это минералы. В верхней мантии это оливин, гранат и пироксен (и их полиморфные модификации). Эти минералы выносятся ксенолитами. В нижней - периклаз и пироксен со структурой перовскита. Эти минералы выносятся микроскопическими включениями в алмазах. Это подтверждено как экспериментами, так и непосредственными наблюдениями фазового состава. Интересующих отправляю к статье [Kaminsky, 2012].

В итоге я составил карту (файл для Google Earth), на которую нанёс все найденные мной упоминания размеров зёрен (если что-то пропустил - напишите, буду благодарен). Соответственно, максимальный размер зёрен оливина (как главного минерала верхней мантии) показан размером символа, белым показаны ксенолиты, жёлтым - выходы перидотитов (мантийных пород) на земную поверхность. Описания точек сопровождаются цитатами из соответствующих статей, заимствованными исключительно с образовательными целями :)

Почему выбран максимальный размер зёрен?

Во-первых, даже в пределах одного геологического объекта в разных работах приводятся разные данные по размеру зёрен. Мне кажется, это может быть связано с тем, что обычный метод изучения пород в шлифах (пластинки пород ~2x4 см) может легко привести к пропуску зёрен в 1-2 см или же их "срезанию" краями препарата.

Во-вторых, в некоторых работах отмечено дробление зёрен, в том числе, и то, которое, по-видимому, происходило во время их транспортировки на земную поверхность. Поэтому, по-видимому, именно максимальный размер зёрен будет точнее характеризовать то, что мы видим "на местах".

Основные результаты получаются такие:

Все зёрна минералов в одном образце породы обычно имеют схожий размер.

В центре кратонов (стабильных участков земли) мы находим ксенолиты с зёрнами размером 1-2 см, что совсем не мало. Также более крупные зёрна, по-видимому, приурочены к плюмам - потокам тепла и вещества из глубин Земли. Эти зёрна являются изометричными.

Во всех остальных местах наблюдаются значительно более мелкие зёрна, обычно не превышающее 5 мм в поперечнике. Нередко эти зёрна из-за тектонических процессов деформированы, вплоть до отношения сторон 1:4-1:5.

Главный вывод же получается такой:

Если вы хотите жить там, где нет землетрясений, ищите зёрна оливина размером от 1 см!