Клинопироксеновый геобарометр ударного метаморфизма

Несмотря на то, что впервые результаты воздействия ударных волн на вещество были описаны еще в прошлом веке, интенсивное изучение геологами ударных процессов, сопровождавшее признание большого числа кольцевых структур на Земле и планетах как метеоритных кратеров, началось лишь в середине нашего столетия. Выяснилось, что ударный метаморфизм является одним из главных процессов, формирующих облик планет Солнечной системы, а зафиксированные в кратерах ударные эффекты не только широко распространены, но и часто уникальны, то есть большая их часть образуется исключительно под воздействием сильной ударной волны. Необходимость изучения ударных процессов подкрепляется повышенным вниманием к метеоритам, в которых следы ударного воздействия являются совершенно обычным явлением, и это обязательно нужно учитывать для корректного описания и интерпретации характеристик метеоритов и слагающих их минералов. Пока нет полной ясности в вопросе о влиянии метеоритной бомбардировки на процессы эволюции земной коры и биосферы, но уже практически доказана приуроченность нескольких крупных ударных событий к границе мела и палеогена, и, таким образом, возможно существование связи между метеоритными ударами и глобальными преобразованиями живой среды в этот период земной истории. О большом значении ударных процессов в современной геологии говорит недавнее появление крупной международной программы «Impact», посвященной изучению различных аспектов этой проблемы (адрес программы в Интернете: http://www.esf.org/life/lp/Impact/impacta.htm).

При всей заинтересованности науки в детальном исследовании импактных структур и импактированных пород, проблема определения главного параметра ударной волны — ударного давления, воздействовавшего на конкретный образец, остается на сегодняшний день открытой. Знание величины ударной нагрузки позволяет оценить другой важнейший параметр — послеударную температуру, используя экспериментально установленные зависимости между этими параметрами (например, для кварца в работе [Ударные кратеры., 1983]). Оценка Р-Т параметров протекания процессов образования и изменения горных пород является главной задачей петрологических исследований, и все работы по экспериментальному воспроизведению ударных процессов в горных породах и минералах прямым или косвенным образом были посвящены именно этому вопросу. Некоторые успехи были достигнуты в результате попыток калибровки по давлению различных ударных эффектов в кварце, который широко распространен в земных астроблемах и является простым минералом с точки зрения структуры и состава. Однако он встречается не во всех земных породах и практически не известен в породах кор других планет Солнечной системы и метеоритах. К тому же, уже при 30 ГПа, то есть при средней для крупных ударных событий нагрузке, кварц изотропизируется, и при больших давлениях главные его характеристики не меняются.

Из вышесказанного следует, что для создания барометрических зависимостей, подобных сделанным для кварца, то есть для калибровки изменения свойств минерала в зависимости от силы ударного воздействия, логично было бы использовать темноцветные минералы, которые, во-первых, входят в число породообразующих в основных и ультраосновных горных породах (к числу которых относятся метеориты и породы кор планет) и, во-вторых, обладают высокой устойчивостью к удару. Это отличает их от плагиоклаза, который также широко представлен в перечисленных типах пород, но, как и кварц, сравнительно легко изотропизируется.

Клинопироксен является удобным для создания геобарометра ударного метаморфизма, так как он имеет сравнительно простой состав, и поэтому можно предположить, что состав не будет оказывать существенного влияния на изменение минерала при ударно-волновом нагружении. К тому же, он входит в состав импактированных гнейсов Пучеж-Катункской астроблемы — одной из крупнейших ударных структур на территории России, что позволяет экспериментальные исследования пироксена подкрепить изучением природных образцов, где вместе с клинопироксеном встречается и кварц. Поэтому целью работы было построение клинопироксенового геобарометра ударного метаморфизма.

В ходе работы решались следующие задачи:

— всестороннее исследование ударного метаморфизма клинопироксена, чтобы изучить возможность использования свойств этого минерала для создания геобарометра ударного метаморфизма;

— поиск образцов, имеющих различный минеральный состав и содержащих клинопироксен разного состава для проведения ударных экспериментов;

— всестороннее изучение экспериментально нагруженных пород с клинопироксеном и пород из Пучеж-Катункской астроблемы;

— определение ударного давления в изучаемых образцах из Пучеж-Катункской астроблемы по кварцевому геобарометру;

— выявление свойств клинопироксена, закономерно меняющихся с ростом нагрузки и получение ударного геобарометра путем калибровки их по давлению.

Новизна данного исследования заключается в том, что впервые проведено сравнение характеристик ударно-метаморфизованного клинопироксена, деформированного в природе и эксперименте, получены новые данные по изменению свойств при различном химическом составе минерала и вариациях структурно-текстурных особенностей содержащих его пород. Выявленная зависимость уширения дифракционных пиков от давления может быть использована для оценки ударной нагрузки в импактированных породах. Кроме того, работа демонстрирует принципиальную возможность использования других темноцветных минералов — оливина и ортопироксена — для построения подобных зависимостей.

Защищаемые положения выглядят следующим образом:

1. Геобарометр ударного метаморфизма должен строится на основе интегральной характеристики всех зерен минерала и, таким образом, измерять средневзвешенную нагрузку на породу, а не нагрузку, испытанную отдельными зернами минерала.

2. Исследование в данной работе различных характеристик клинопироксена (оптических величин, плоскостных деформаций, химического состава, структурных параметров), варьирующих при ударно-волновом нагружении, показало, что для построения геобарометрических зависимостей перспективным является только исследования дислокационной структуры клинопироксена.

3. Предлагаемый клинопироксеновый геобарометр ударного метаморфизма описывает связь между приложенной к породе ударной нагрузкой Р, в гигапаскалях, и уширением Р рентгеновского пика (22 1) клинопироксена, в градусах 20, по формуле:

Р = 131(5 + 7.8.

4. Для расчета ударного давления по клинопироксеновому геобарометру составлена компьютерная программа.

В ходе работы было исследовано около 100 образцов из Пучеж-Катункской астроблемыоколо 50 образцов, взятых из различных источников, были изучены как возможный материал для проведения ударных экспериментов. Было проведено 10 ударных экспериментов, из которых 3 оказались неудачными из-за плохой запрессовки вещества во взрывной линзе, и один — из-за разрыва стальной ампулы сохранения и потери образца. Таким образом, для исследований были использованы 6 экспериментально нагруженных образцов, содержащих клинопироксен. Снято около 50 дифрактограмм клинопироксена и обработано 30 профилей дифракционных пиков. Обработка велась с помощью пакета кристаллографических программ на кафедре кристаллографии и кристаллохимии МГУ, табличного редактора QuattroPro и написанных автором данной работы программ на языке qbasic. Для анализа изменений химического состава минерала было сделано несколько десятков анализов на электронном микроскопе.

По результатам исследований были опубликованы статьи в журналах «Доклады Российской Академии наук» и «Вестник МГУ», а также тезисы докладов на различных международных конференциях: по Луне и планетам в Хьюстоне, США (1994, 1996, 1997, 1999), по сравнительной планетологии в Москве (1996, 1997, 1999), «Океанические удары — механизмы и изменения окружающей среды» в Бремерхавене, Германия (1999) и конференции Европейского геологического союза в Страсбурге, Франция (1997).

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук В. И. Фельдману за руководство работой, подцержку и внимание на всех ее стадиях. Главная заслуга в проведении ударных экспериментов принадлежит сотрудникам Научно-исследовательского центра теплофизики импульсных воздействий — Жуку А. 3., Лашу А. А. и Милявскому В. В., кроме того, консультации с ними помогли автору постичь основы физики ударных волн. Создание работы было бы невозможным без помощи сотрудников кафедры кристаллографии и кристаллохимии геологического факультета МГУ: неоценимую помощь в борьбе с дифрактометром оказала Е. Л. Белоконева, по вопросам кристаллографии автора консультировали Ю. К. Кабалов, Я. В. Кучериненко. При написании диссертации автор постоянно чувствовал поддержку и внимание со стороны всех сотрудников кафедры петрологии.

Результаты исследования уширения дифракционных пиков клинопироксена из Пучеж-Катункской астроблемы приведены в табл. 5.3 и на рис. 5.6. Прежде всего, обращает на себя внимание аномальное понижение значений уширения для образцов ВСп-1628 и ВСп-1632. Причиной этого эффекта является высокая послеударная температура, о чем свидетельствует перекристаллизация лейкократовых минералов, зафиксированная при оптических исследованиях рассматриваемых образцов (глава 3, раздел 3.1.1) и отмеченная при изучении других свойств пироксена (глава 4). В результате в клинопироксене произошел отжиг дислокаций, и величина уширения упала до значения, соответствующего 10 ГПа, хотя внешние признаки сильного удара — трещиноватость, планарные деформации и деформационное двойникование — в минерале сохраняются.

Табл. 5.3. Уширение дифракционных линий (в град. 20 х Ю-2) диопсида из Пучеж-Катункской астроблемы в зависимости от давления.

Номера образцов Ударное давление по кварцевому геобарометру, ±3 ГПа Уширение пиков, град. 20 4 О-2.

22 I 220.

ВГ-14 891 9.5 6.7 7.2.

ВГ-14 139 11.1 6.7.

ВГ-13 838 11.3 8.4 6.2.

ВГ-10 861 12.6 7.5 8.2.

ВГ-2664 17.4 10.5 8.6.

ВГ-1969 18.0 10.5 11.9.

ВГ-1234 18.6 10.9.

ВГ-821 18.9 10.5.

ВГ-471 19.5 10.3.

ВСп-1818 23.5 16 12.4.

ВСп-1632 23.7 7.3 6.2.

ВСп-1628 23.7 7.3 6.2.

Таким образом, рассматриваемая группа образцов была исключена из дальнейшего рассмотрения зависимости уширения от давления.

Сформулируем некоторые выводы, сделанные на основании представленных результатов изучения уширения пиков клинопироксена из астроблемы:

1. Зависимость уширения дифракционных пиков для диопсида из Пучеж-Катункской астроблемы, как и в случае экспериментального нагружения, носит линейный характер.

2. Колебания минерального состава исследуемых образцов не вызывают значимых изменений зависимости уширения от нагрузки. Количественно влияние этого фактора на изменение поведения минералов при ударе в литературе не изучалось, хотя возможность такого влияния почти всегда отмечается (см., например, [Lambert, 1979]). В исследуемых в настоящей работе образцах в широких пределах колеблется содержание лейкократовой составляющей (от 10% в ВГ-1969 до 50% в ВГ-821) и биотита (в ряде образцов отсутствует, а в ВСп-1818 его доля — 20−25%). Как следует из рис. 5.6, все эти колебания состава пород приводят к отклонениям точек друг от друга не более, чем на величину ошибки метода определения давления, то есть ошибки кварцевого геобарометра. Однако, вполне вероятно, что при более высоких концентрациях биотита и лейкократовых минералов в породе влияние минерального состава породы будет более существенным. Таким образом, оценки давления с помощью клинопироксена можно вести только в случае присутствия этого минерала в качестве главного в породе. При наличии «мягкой» матрицы (лейкократовые минералы, слоистые силикаты) в количествах более 60% (плагиоклаз+биотит составляют примерно 60% образца ВГ-821) полученное давление может отличаться от реального более чем на 3 ГПа.

5.3. Использование величины уширения пиков в качестве клинопироксенового геобарометра ударного метаморфизма.

Прежде всего, подлежит обсуждению вопрос о том, какой параметр должен быть использован для построения геобарометра. Данные, рассмотренные в разделе 5.2.1, показывают, что на величину уширения оказывают влияние как размер областей когерентного рассеяния, так и микронапряжения (рис. 5.4, табл. 5.2). Обе величины падают с давлением, однако, учитывая низкую точность расчета с помощью метода аппроксимаций, использовать величину микронапряжений и размер блоков когерентного рассеяния для вычисления ударного давления нельзя. Как уже отмечалось, для всех рассмотренных в работе пиков крутизна наклона аппроксимирующих линий увеличивается с ростом угла дифракции. Подобная закономерность отмечалось еще в работе [Ногг, 0>1шс1е, 1973]. Поэтому для дальнейшего анализа с целью построения геобарометра наиболее удобной является зависимость, полученная для отражения (22 1) клинопироксена (демонстрирующий больший эффект пик (060), к сожалению, фиксируется только для авгита).

Сравнение величин уширения пика (22 1) клинопироксена, деформированного в природе и эксперименте, показывает их значительное расхождение (рис. 5.7). Существует целый ряд особенностей, отличающих нагружение в лабораторных условиях и в природе, на это неоднократно указывали многие исследователи [БшНег, 1972; 81бШег, 1974; Бадюков, 1986; Фельдман, 1990 и др.]. Главные из этих особенностей будут рассмотрены ниже.

Подробно стоит остановиться на возможном влиянии времени сжатия на ударные деформации в минералах: в эксперименте оно составляет 10−6 е., тогда как в астроблеме эта величина на 5−6 порядков выше. Несмотря на такое гигантское различие, большинство авторитетных исследователей полагает, что вариации времени сжатия не влияют на главные типы диаплектовых изменений минералов, происходящих, в основном, на фронте ударной волны [Stoffier, 1974]. Однако существует и другая точка зрения, отстаиваемая А. А. Вальтером и Е. П. Гуровым, согласно которой при увеличении времени нагружения происходит значительный рост ударной деформации минералов [Вальтер, Гуров, 1979]. В этой работе приводится график, позволяющий сравнить ударные нагрузки, необходимые для получения одинаковых деформаций в кварце при разных длительностях сжатия (рис. 5.8). Если принять время нагружения в эксперименте Ю-6 е., а в Пучеж-Катункской астроблемеоколо 1 с. (согласно табл. 1 в работе [Вальтер, Гуров, 1979]), то для корректного сравнения деформаций с наблюдаемыми в природе давление при экспериментальном нагружении должно быть уменьшено в два раза. Это приводит к удовлетворительному совпадению точек для пироксена из астроблемы и из эксперимента. Однако такой подход считается крайне нетрадиционным, и приведенная зависимость давления от времени сжатия нуждается в дополнительной проверке. Анализ литературных данных, на основании которых составлен график, приведенный на рис. 5.8, дал следующие результаты:

— Первая группа цифр (1 на рис. 5.8) взята из работы [Muller, Defourneaux, 1968], где изучались полученные при экспериментальном нагружении планарные элементы в кварце. Даже поверхностный просмотр результатов этой работы показывает, что трудно определить точные параметры появления той или иной системы планарных элементов, так как в ряде случаев при одинаковых условиях эксперимента наблюдались элементы с разной кристаллографической ориентировкой. Выбор А. А. Вальтером и Е. П. Гуровым из этой работы двух определенных.

Рис. 5.8. Зависимость отношения P/Pj (Р — ударное давление длительностью t,.

— 8.

Pj — ударное давление длительностью 4¹⁰ с.) от длительности времени сжатия t, е.: 1 — экспериментальные данные по планарным элементам- 2 — данные по планарным элементам, произведенным в результате ядерных взрывов- 3 -соотношение статического и динамического пределов упругости- 4 — соотношение импульсного и статического давления, необходимых для достижения блокования, наблюдаемого в регионально-метаморфизованных породах [Вальтер, Гуров, 1979]. экспериментов для построения графика носит, таким образом, субъективный характер.

— Определение нагрузок в ядерно-взрывном кратере Хардхет (2 на рис. 5.8), сделанное в работе [Short, 1968b], по непонятным причинам в работе [Вальтер, Гуров, 1979] было скорректировано. Кроме того, нужно отметить, что оценка давлений в подобных объектах всегда очень приблизительна, поэтому нагрузки, необходимые для образования определенных ориентировок плоскостных деформаций, нельзя считать точными.

— Последние точки на графике (3 и 4 на рис. 5.8) были получены при сравнении данных из статических и ударных экспериментов, что недопустимо, учитывая разные механизмы преобразования вещества в этих случаях. К тому же, авторы анализируют уже не планарные элементы, а совершенно иные типы деформации, для которых временная зависимость, если она и существует, может быть другой. Проведенный анализ показывает некорректность графика, приведенного на рис. 5.8. Следовательно, нет оснований говорить о каком-либо влиянии времени сжатия на степень ударных деформаций минералов.

Еще одно значительное отличие природы и эксперимента — это скорость остывания горных пород после прохождения ударной волны. В астроблемах этот процесс протекает в течение нескольких тысяч лет, тогда как в эксперименте образец охлаждается до комнатной температуры за несколько минут. Однако это может вызвать лишь обратный наблюдаемому эффект, то есть большие деформации в экспериментально деформированных образцах по сравнению с образцами из астроблем. Высокотемпературное, а, возможно, и флюидное воздействие проявилось в образцах ВСп-1628 и ВСп-1632, где произошел отжиг дислокаций и, как результат, увеличение угла оптических осей (глава 4, раздел 4.3) и падение величины уширения пиков на дифрактограммах (раздел 5.2.2 данной главы). В остальных образцах, где следов перекристаллизации лейкократовых минералов нет, послеударная температура, по-видимому, не превышала 800−900°С [Feldman et al., 1994]. Обзор данных по высокотемпературным экспериментам (глава 2, раздел 2.4) показал, что при температурах до 1500 °C плотность дислокаций в пироксене практически не меняется. Следовательно, в этих образцах послеударное тепло не должно вызывать существенных изменений дислокационной структуры клинопироксена.

По-видимому, главным фактором, ответственным за различное поведение свойств клинопироксена в природе и эксперименте, является структура фронта ударной волны. При экспериментальном нагружении максимальное давление достигается в результате переотражений ударной волны в образце (стр. 57, рис. 3.4). Многие исследователи [Stoffler, 1972; Martinez et al., 1995 и др.] указывали на вероятность особого поведения вещества в случае, если конечное давление достигается не в результате однократного импульса, а при многочисленных переотражениях. Д. Д. Бадюков при исследовании уширения пиков на дифрактограммах кварца сделал предположение, что основные деформации при подобном нагружении должны протекать именно на фронте первой входящей в образец ударной волны [Бадюков, 1987]. Такой подход вполне допустим, исходя из теоретических соображений. Главная масса дислокаций должна образовываться именно на фронте первой волны, где происходит наибольший по амплитуде скачок давления и температуры в веществе, в котором эти параметры первоначально находятся на «нулевых» отметках, а количество дислокаций крайне незначительно. Следующая идущая по образцу волна, имеющая значительно меньшую амплитуду (скачок давления во второй волне составляет менее 50% от амплитуды первой), сжимает нагретый до нескольких сотен градусов материал, который уже содержит большое число дислокаций, порожденных первой волной. Поэтому предположение о неизменности дислокационной структуры в течение последующего сжатия вещества до максимального давления можно считать вполне оправданным. Следовательно, ударная нагрузка в эксперименте должна оцениваться по амплитуде первой входящей в образец ударной волны (последняя колонка табл. 3.2 на стр. 50). Если вернуться к зависимостям угла оптических осей и уширения пика (22 Т) от давления и пересчитать таким образом экспериментальные нагрузки, то, как показывают рис. 5.9 и 5.10, точки, соответствующие нагружению в эксперименте и в астроблеме, существенно сближаются. Следует подчеркнуть, что такой подход к расчету давления может применяться только для тех ударных изменений в минерале, которые происходят на фронте волны, а на процессы, протекающие в веществе на пике давления и на этапе разгрузки, «ступенчатая» структура фронта может никак не влиять.

Таким образом, прямую, аппроксимирующую точки, соответствующие авгиту и диопсиду из эксперимента на рис. 5.10. можно использовать для оценки нагрузок в природных условиях. Предлагаемый клинопироксеновый геобарометр ударного метаморфизма связывает приложенную к породе ударную нагрузку Р, в гигапаскалях, и уширение 3 рентгеновского пика (22 1) клинопироксена, в градусах 26, по формуле: диопсид из эксперимента -1- диопсид из астроблемы.

Рис. 5.9. Зависимость угла оптических осей (2У, град.) диопсида от ударной нагрузки (Р, ГПа) при расчете экспериментального давления по амплитуде первой входящей в образец ударной волны. 2.

Рис. 5.10. Зависимость уширения пика (221) (р, град. 20 хЮ) клинопироксена от ударной нагрузки (Р, ГПа) при расчете экспериментального давления по амплитуде первой входящей в образец ударной волны.

Р = 131? + 7.8 (7).

Программу расчета уширения дифракционных пиков (раздел 5.1 данной главы) можно преобразовать в программу вычисления ударной нагрузки по клинопироксеновому геобарометру путем добавления формулы (7) в конец программы:

REM РАСЧЕТ НАГРУЗКИ ПО КЛИНОПИРОКСЕНОВОМУ ГЕОБАРОМЕТРУ Р= 13 i betta+7.8 PRINT «Р=" — Р END.

Основные особенности, отличающие нагружение в природе и эксперименте, уже обсуждались выше, поэтому существующее различие между прямыми на рис. 5.10, по-видимому, вызвано несовпадением ударных давлений, определяемых по кварцу (точки, соответствующие образцам из астроблемы) и клинопироксену (точки, соответствующие экспериментальным данным). Это наглядно иллюстрируется на рис. 5.П., где проведено сравнение нагрузок, полученных для пород из Пучеж-Катункской структуры с помощью кварцевого и клинопироксенового геобарометров. Наиболее логичным объяснением несовпадения давлений можно считать различие акустических импедансов (жесткостей) пироксена и кварца. Рассмотрим упрощенную двухслойную модель [Зельдович, Райзер, 1966], показанную на рис. 5.12., где слои представлены веществами с разными жесткостями, в данном случае, кварцем и пироксеном. При движении плоского фронта ударной волны в направлении, показанном стрелками, давление в более жестком минерале пироксене (слой 1, точка 1 на графике) будет выше, чем давление первой ударной волны, идущей от границы «пироксен-кварц» в менее жесткий минерал кварц (слой 2, точка 2.

8 12 16 20 24 28 кпир

Рис. 5.11. Сравнение результатов определения ударной нагрузки в породах Пучеж-Катункской астроблемы по кварцевому (Ркв, ГПа) и клинопироксеновому (Ркпир, ГПа) геобарометрам.

Рис. 5.12. Сравнение ударных давлений в пироксене и кварце для двухслойной модели на графике зависимости ударной нагрузки (Р, ГПа) от массовой скорости (и, км/с). на графике). Разница в нагрузках составляет несколько гигапаскалей и, как видно из рис. 5.12., растет с увеличением силы удара. Конечно, реальную горную породу лишь в первом приближении можно анализировать с помощью такой двумерной модели в виде «слоев-минералов» с разной жесткостью. Кроме того, в результате последующего взаимодействия многочисленных отраженных ударных волн и волн разгрузки, во всех минералах горной породы установится общее давление, определяемое свойствами этой породы (определение именно этого давления является главной целью построения геобарометров). Однако, как было показано выше, главные деформации в минералах должны происходить на фронте первой ударной волны. Поэтому данная модель позволяет сделать общий качественный вывод — в породе, где сосуществуют кварц (или другой лейкократовый минерал) с пироксеном ударное воздействие на первый будет ниже, чем на пироксен.

Приведенные выше рассуждения объясняют завышенные значения давлений для пород Пучеж-Катункской структуры, полученные при расчете их по клинопироксену по сравнению с оценками по кварцу. Вопрос о том, какой барометр в данном случае дает более точную оценку, решается в результате сравнения состава пород астроблемы и образцов, с которыми проводились ударные эксперименты для построения обоих барометров. Кварцевый геобарометр был построен на основе экспериментов с монокристаллами кварца [Horz, 1968]. Он должен давать хорошие результаты для существенно лейкократовых пород, где большую часть составляют кварц и полевые шпаты (минералы, имеющие почти одинаковые низкие ударные импедансы). Клинопироксеновый геобарометр построен в данной работе в результате экспериментов как с мономинеральными клинопироксеновыми породами (авгититами), так и с породами, с содержанием меланократовой составляющей около 60%. Последние по составу близки к анализируемым породам астроблемы. Таким образом, оценки ударной нагрузки для образцов из Пучеж-Катункской структуры с помощью клинопироксенового геобарометра следует признать более точными. Можно также говорить о том, что в породах с содержанием меланократовых минералов около 50% и выше кварцевый геобарометр дает заниженные оценки. Спектр пород, в которых для расчета давлений можно использовать клинопироксеновый геобарометр — более широк, как показали проведенные в данной работе эксперименты, оценки в породах с содержанием лейкократовых минералов 0 и 40% не различаются в пределах ошибки измерений. Таким образом, можно рекомендовать применение геобарометра в любых породах, содержащих клинопироксен в качестве главного минерала, хотя, аналогично случаю с кварцевым геобарометром, нужно учесть, что в существенно лейкократовых породах оценки давления по клинопироксену могут быть завышенными.

Факторы, определяющие точность клинопироксенового геобарометра — те же, что и кварцевого: вариации минерального состава и структурно-текстурных особенностей пород, в которых определяется давление. Поэтому ошибку расчета давления по клинопироксену, как и по кварцу, следует оценить в 3 ГПа. Расчеты можно производить только в массивных породах, при высокой пористости воздействие ударной волны на вещество носит совершенно иной характер [Фельдман, 1990]. Верхний предел давлений, достигнутый в данной работе, составляет 28.1 ГПа, и дальнейшие эксперименты с пироксеном могут показать, насколько корректно эта зависимость может быть использована при более высоких нагрузках. Нужно учесть, что при высокой послеударной температуре происходит отжиг дислокаций, приводящий к значительному занижению значения уширения, как это было отмечено для образцов ВСп-1628 и ВСп-1632. Оптические исследования пироксена не дают сведений о высокой температуре, но об этом может свидетельствовать наличие в породе перекристаллизованных лейкократовых минералов. В этом случае применение клинопироксенового геобарометра будет некорректным.

Суммируя результаты представленной работы, можно сформулировать следующие защищаемые положения:

1. Геобарометр ударного метаморфизма должен строится на основе интегральной характеристики всех зерен минерала и, таким образом, измерять средневзвешенную нагрузку на породу, а не нагрузку, испытанную отдельными зернами минерала.

2. Исследование в данной работе различных характеристик клинопироксена (оптических величин, плоскостных деформаций, химического состава, структурных параметров), варьирующих при ударно-волновом нагружении, показало, что пригодным для построения геобарометрических зависимостей являются только исследования, отражающие изменение дислокационной структуры пироксена.

3. Предлагаемый клинопироксеновый геобарометр ударного метаморфизма описывает связь между приложенной к породе ударной нагрузкой Р, в гигапаскалях, и уширением Р рентгеновского пика (22 1) клинопироксена, в градусах 28, по формуле:

Р= 1310 + 7.8.

4. Для расчета ударного давления по клинопироксеновому геобарометру составлена компьютерная программа.

Заключение

.

По результатам изучения ударных преобразований клинопироксена и построения клинопироксенового барометра можно сделать следующие выводы:

1. Клинопироксен является крайне устойчивым к удару минералом, о чем говорит как анализ предыдущих работ по диаплектовым изменениям темноцветных минералов, так и настоящее исследование. С ростом нагрузки практически не меняются химический состав, ряд оптических и структурных характеристик.

2. Демонстрирующая тенденцию к закономерному росту давлением доля трещин с редкими индексами может быть только качественным показателем силы удара, так как определяется с очень низкой точностью и показывает большой разброс значений от образца к образцу.

3. Информативным оказывается изучение различными методами дислокационной структуры темноцветных минералов — клинопироксена, что показала данная работа, и оливина, согласно анализу литературных данных. Увеличение плотности дислокаций фиксируется как напрямую, с помощью электронной микроскопии [Ash worth, 1985], так и косвенными методами — при исследовании угла оптических осей и уширений пиков на дифрактограммах.

4. Уширение дифракционных пиков клинопироксена — значимо различимый ударный эффект. Главные характеристики уширения: линейный рост с увеличением давления для большинства отраженийнезависимость от химического состава минералаувеличение с ростом угла дифракции.

5. Построенные зависимости «величина уширения пика — ударное давление» могут быть использованы в качестве геобарометров. Наиболее удобным в этом отношении является отражение (22 1). Точность определения давления при этом составляет около 3 ГПа до нагрузок порядка 30 ГПа. Использование барометра при более высоких нагрузках, вероятно, также возможно, но этот вопрос требует дополнительных экспериментальных исследований.

6. Применение полученной зависимости может проводиться для массивных пород с клинопироксеном, присутствующим в качестве главного минерала. При наличии «мягкой» матрицы (каркасные и слоистые силикаты) в количествах более 60% нагрузки, определенные по клинопироксену, могут быть завышенными. Кроме того, при наличии следов перекристаллизации сосуществующих с клинопироксеном лейкократовых минералов, нужно учитывать, что рассчитанное давление будет ниже, чем реально воздействовавшая на породу нагрузка, вследствие отжига дислокаций в клинопироксене.

7. Барометр, построенный для клинопироксена, показывает принципиальную возможность получения подобных результатов для других темноцветных минералов — оливина и ортопироксена, что позволит определять ударные нагрузки в любых породах основного и ультраосновного состава.

8. Важным дополнительным результатом является новый взгляд на интерпретацию данных получаемых при экспериментальном нагружении минералов в случае, если максимальная нагрузка в образце достигается в результате многократных переотражений ударной волны. При этом определяющей оказывается амплитуда первой входящей в образец ударной волны, а последующее «догружение» образца до максимального давления не приводит к значительным деформациям. Такой подход можно считать допустимым при исследовании преобразований, проходящих на фронте ударной волны. Однако, следует признать, что этот вопрос до конца не ясен и требует дальнейших исследований.