Блог

Скублов С.Г.
Геохимия минералов в решении проблем метаморфического петрогенезиса

ГЕОХИМИЯ МИНЕРАЛОВ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ МЕТАМОРФИЧЕСКОГО ПЕТРОГЕНЕЗИСА

 С. Г. Скублов

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН, С-Петербург, Россия; skublov@mail333.com 

 

Особенности распределения редких и редкоземельных элементов (РЗЭ) в породообразующих минералах используются в качестве основы для решения многих проблем петрогенезиса изверженных пород, особенно в последнее время с внедрением методов локального микроанализа минералов (ионный и протонный микрозонды, лазерная абляция). Распределение РЗЭ и редких элементов в минералах подчиняется закону Генри и является функцией температуры и давления. Закономерности распределения РЗЭ и редких элементов в минералах из магматических пород широко применяются в определении коэффициентов распределения кристалл–расплав и кристалл–флюид, моделировании процессов плавления и кристаллизации магматических пород, изучении глубинных мантийных процессов и других вопросов петрогенезиса.

Изучение поведения РЗЭ и редких элементов в породообразующих минералах показали возможность их приложения к проблемам петрогенезиса метаморфических пород. Однако метаморфические минералы, может быть за исключением граната, все еще недостаточно изучены в отношении распределения редкоземельных и редких элементов. Исследование закономерностей редкоэлементного состава минералов метаморфических пород является принципиально новым научным направлением, поскольку позволяет получать петрогенетическую информацию о метаморфических процессах, не фиксируемую по главным элементам в минералах.

Варьирующие по химическим свойствам редкие элементы характеризуются широким разбросом содержаний и часто отчетливыми зональными профилями распределения в минералах метаморфических пород и потому являются более чувствительными, по сравнению с главными элементами, индикаторами обстановок кристаллизации, более поздней перекристаллизации и наложенных процессов. Относительно медленные скорости диффузии РЗЭ и редких элементов, их контрастное распределение между метаморфическими минералами, чувствительность на уровне низких концентраций даже к незначительным изменениям температуры и давления и протекающим реакциям позволяют им отражать раннюю метаморфическую историю породы, «стертую» в областях проявления полиметаморфизма.

Состав и характер зональности минералов метаморфических пород по РЗЭ и редким элементам подтверждает значительную роль неравновесных процессов кристаллизации и случаи открытости системы в отношении ряда элементов. Совместное изучение распределения РЗЭ в сосуществующих породообразующих и акцессорных минералах локальными методами позволяет обосновать связь между значениями изотопного возраста и соответствующими им метаморфическими реакциями и параметрами метаморфизма [5].

Локальное изотопно-геохимическое и геохимическое исследование сосуществующих цирконов и гранатов позволяет детально расшифровывать эволюцию полиметаморфических комплексов. Ниже мы рассмотрим примеры такого анализа этапов метаморфизма для беломорского комплекса и кольской серии на основе изучения редкоэлементного состава минералов.

Было проведено локальное геохронологическое и геохимическое исследование цирконов из гранат-биотитового гнейса чупинской толщи района Тупой Губы оз. Ковдозера (обр. 916а), метаморфизованного в условиях высокобарического гранулитового метаморфизма (этап М2) и следующего за ним практически без перерыва высокобарического метаморфизма амфиболитовой фации (этап М3). Предварительное изучение цирконов методом катодолюминесценции позволило выделить призматические зерна циркона с чередованием узких светлых и темных зон и округлые зерна с темными обрастаниями, составляющими до 20–30 % объема. U-Pb датирование цирконов осуществлялось на ионном микрозонде SHRIMP-II. По 11 точкам (ядра и призматические зерна) получен возраст 2806 ± 28 млн лет. По 6 точкам, только обрастаниям с низким Th/U-отношением, получен возраст 2708 ± 32 млн лет [2]. Наши геохронологические данные совпали с опубликованными ранее датировками этапов метаморфизма района Тупой Губы беломорского комплекса, выполненными как классическими, так и локальными методами: 2800 млн лет – возраст первого гранулитового метаморфизма М1, 2700 млн лет – второго гранулитового метаморфизма повышенных давлений М2, переходящего в амфиболитовую фацию практически без перерыва [1]. Ряд цирконов был проанализирован на ионном микрозонде Cameca IMS-4f на содержание РЗЭ и редких элементов в тех же точках, что и при локальном изотопном датировании.

Обрастания зерен циркона резко отличаются от ядер и призматических зерен пониженным содержанием тяжелых РЗЭ (рис. 1), низким Th/U-отношением 0.01–0.06, слабой Eu-аномалией (Eu/Eu* около 0.3–0.5) и отсутствием Ce-аномалии. Эта генерация циркона с плоским профилем распределения тяжелых РЗЭ росла в равновесии с сосуществующим гранатом [4]. Для ядер и призматических зерен циркона Th/U-отношение доходит до 1.2, Ce- и Eu-аномалии отчетливо проявлены. Геохимические характеристики подтверждают разделение цирконов на группы, соответствующие этапам метаморфизма, значения возрастов для которых достаточно близки друг другу с учетом погрешностей.

 Другим примером проявления полиметаморфизма, тоже из района Тупой Губы беломорского комплекса, является глиноземистый гнейс (обр. 208), в котором на ионном микрозонде NORDSIM были установлены три основные генерации циркона: терригенные ядра с возрастом древнее 2900 млн лет и Th/U-отношением около 0.5–0.7; зональные кристаллы, сформированные в ходе раннего метаморфизма, с возрастом 2780–2840 млн лет и Th/U-отношением около 0.3; высокобарические кристаллы с возрастом около 2700 млн лет [1]. Высокобарический циркон отличается от зонального низкобарического морфологией и пониженным содержанием U, кристаллизация его протекала в условиях гранулитовой и амфиболитовой фаций повышенных давлений. Нами на ионном микрозонде была исследована зональность граната из этого же образца по главным, редким и редкоземельным элементам (рис. 2). Большая часть граната (точки профиля 1–4) характеризуется слабо выраженной зональностью как по главным, так и по редким элементам с увеличением к точке 4 содержания Y и тяжелых РЗЭ, что соответствует регрессивному типу зональности высокотемпературных гранатов. По содержанию пиропового и гроссулярового миналов кристаллизация этой основной части (более 80 % общего объема) происходила в условиях раннего умереннобарического гранулитового метаморфизма, которому также соответствуют зональные цирконы. Оторочка граната (точки профиля 4а–6) сильно корродирована, отличается наличием большого количества включений кварца. По составу в ней в 3 раза больше содержание гроссулярового миналя и в 1.5–2 раза меньше содержание пиропового минала, – главные элементы отражают повышение давления и понижение температуры метаморфизма. Также скачкообразно меняется содержание ряда редких элементов, высокосовместимых по отношению к гранату – Er, Yb, Y, Cr. В оторочке в свою очередь содержание тяжелых РЗЭ плавно увеличивается к краю, дублируя характер распределения в центральной части зерна (см. рис. 2). Такие особенности состава оторочки граната свидетельствуют о ее принадлежности к отдельному этапу метаморфизма – более высокобарическому и низкотемпературному по сравнению с ранним гранулитовым метаморфизмом. Параметры второго, высокобарического метаморфизма были не ниже высокотемпературной амфиболитовой фации, поскольку профиль распределения редких элементов является типичным регрессивным. Временной интервал между этими этапами метаморфизма равнялся примерно 100 млн лет [2].

Исследование цирконов из диафторированных гранулитов кольской серии в катодолюминесценции показало их неоднородность [3]. Ядро циркона с четко выраженной ростовой зональностью характеризуется распределением РЗЭ как у магматических цирконов – с положительной Ce-аномалией и отрицательной Eu-аномалией (см. рис. 1 б). Более чем наполовину зерно циркона состоит из темной оторочки с Th/U-отношением 0.12, типичным для метаморфических разновидностей. В оторочке распределение РЗЭ в целом повторяет характер их распределения в центральной части с выполаживанием Ce-аномалии и пониженным содержанием тяжелых РЗЭ. Последнее свидетельствует о совместной кристаллизации оторочки циркона и граната в процессе метаморфизма гранулитовой фации. Двусторонняя внешняя тонкая кайма, черная в катодолюминесценции, отличается от раннеобразованной оторочки еще более низким Th/U-отношением (0.02) и высоким содержанием U. Слабо контрастный профиль распределения редкоземельных элементов в кайме с положительной Eu-аномалией свидетельствует о резкой смене условий кристаллизации циркона и, скорее всего, об аллохимическом характере этого процесса. Таким образом, состав цирконов свидетельствует о сложной метаморфической эволюции гнейсов кольской серии, которые испытали последовательно метаморфизм гранулитовой и амфиболитовой фации.

Впервые на обширном аналитическом материале, полученном на основе комплекса современных методов, в том числе локальных методов микроанализа, проведено систематическое изучение геохимии РЗЭ и редких элементов в породообразующих минералах полиметаморфических комплексов. Установлена индикаторная роль РЗЭ и редких элементов в метаморфических минералах в качестве критериев равновесия в ходе метаморфизма, для оценки РТ-параметров метаморфизма, интенсивности проявления регрессивных процессов и метасоматических изменений пород. Впервые предложено использовать особенности распределения РЗЭ и редких элементов в метаморфических минералах для определения последовательности минералообразования, выделения этапов метаморфизма и оценки их продолжительности.

Степень равновесия по РЗЭ и редким элементам наиболее высока в минералах высокотемпературных фаций метаморфизма, где породы не подверглись регрессивным изменениям. При этом значения коэффициентов распределения РЗЭ между метаморфическими минералами подобны для однотипных групп пород. Закономерное распределение РЗЭ между сосуществующими минералами свидетельствует о равновесии между ними или позволяет оценить их пригодность для определения РТ-условий метаморфизма и геохронологических построений. Установлен эффект наследования профиля распределения РЗЭ при замещении одного минерала другим, несмотря на то, что для каждого минерала существуют вполне универсальные профили такого распределения.

Главная особенность распределения РЗЭ в минералах из метасоматитов выражается в пониженной на несколько порядков концентрации РЗЭ по сравнению с одноименными минералами вмещающих пород, в отсутствии отрицательной Eu-аномалии в гранатах и в отчетливо выраженной зональности в результате высокой скорости кристаллизации минералов и быстрого изменения состава флюидов.

Метаморфические минералы часто обнаруживают зональность по РЗЭ и редким элементам, при этом геохимическая зональность не всегда совпадает с зональностью по главным элементам. Зональность по РЗЭ обусловлена фракционной кристаллизацией (ростовая зональность), изменением РТ-параметров при наложенном метаморфизме и проявлением регрессивных процессов. Особенности состава гранатов, когда хорошо выраженная по главным элементам регрессивная зональность в гранате сосуществует с сохранившейся прогрессивной зональностью по РЗЭ, позволяют изучать более ранние этапы метаморфизма, предшествующие переходу от пика метаморфизма к регрессивному этапу. Используя экспериментально определенные коэффициенты диффузии для тяжелых РЗЭ, можно рассчитать длительность метаморфизма независимо от результата геохронологических определений. Прерывистая зональность минералов по РЗЭ и редким элементам обусловлена проявлением повторного метаморфизма, что подтверждается изотопно-геохимическим изучением акцессорных минералов-геохронометров.

Геохимические особенности распределения редкоземельных и редких элементов в породообразующих минералах зависят от условий регионального метаморфизма. Низкокальциевые гранаты гранулитовой фации отличаются от низкокальциевых гранатов амфиболитовой фации слабо контрастным спектром распределения РЗЭ с более высокими концентрациями Sm и Nd и четко выраженным Eu-минимумом. При повышении температуры увеличивается суммарная концентрация РЗЭ в амфиболах и падает содержание тяжелых РЗЭ и Y в гранатах. При этом отмечена тенденция уменьшения коэффициентов распределения тяжелых РЗЭ между гранатом и клинопироксеном, гранатом и биотитом; легких РЗЭ – между сосуществующими пироксенами. С ростом давления снижается концентрация РЗЭ в клинопироксенах и тяжелых РЗЭ – в гранатах и ортопироксенах [2]. 

Наиболее перспективным развитием этого направления представляется совместное геохимическое и изотопно-геохронологическое изучение сосуществующих породообразующих и акцессорных минералов метаморфических пород локальными методами (ионный микрозонд и лазерная абляция). Такой подход позволит датировать время метаморфизма, для которого реконструированы РТ-тренды, и предложить обоснованную их геодинамическую интерпретацию. Геохимические особенности распределения РЗЭ и редких элементов в породообразующих минералах являются полноценным источником информации при решении проблем петрогенезиса метаморфических комплексов, прошедших сложную историю развития. 

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ МД-551.2007.5.

 

Литература 

  1. Бибикова Е. В., Богданова С. В., Глебовицкий В. А. и др.Этапы эволюции Беломорского подвижного пояса по данным U-Pb цирконовой геохронологии (ионный микрозонд NORDSIM) // Петрология, 2004. Т. 12. № 3. C. 227–244.
  2. Скублов С. Г.Геохимия редкоземельных элементов в породообразующих метаморфических минералах. СПб.: Наука, 2005. 147 с.
  3. Скублов С. Г., Мыскова Т. А.Сопоставление архейского метаморфизма в глиноземистых гнейсах кольской и тундровой серий Центрально-Кольского блока по данным геохимии минералов // Геология и геодинамика архея. Матер. I Росс. конфер. по проблемам геологии и геодинамики докембрия. СПб., 2005. С. 364–369.
  4. Hoskin P. W. O., Schaltegger U.The Composition of Zircon and Igneous and Metamorphic Petrogenesis // Rev. Mineral. Geochem., 2003. Vol. 53. P. 27–62.
  5. Whitehouse M. J., Platt J. P.Dating high-grade metamorphism – constraints from rare-earth elements in zircon and garnet // Contrib. Mineral. Petrol., 2003. Vol. 145. P. 61–74.

 

 

 

Подписи к рисункам ст. Скублова

 

Рис. 1. Спектры контрастно-зонального распределения РЗЭ в цирконах. а – из гранат-биотитового гнейса беломорского комплекса (район Тупой губы); б – из гранат-биотитового гнейса кольской серии. Обозначения: светлые кружки – ядра кристаллов циркона, темные кружки – зоны обрастаний, темные треугольники – тонкая кайма циркона второй генерации.

 

Рис. 2. Изменение состава граната из гранат-биотитового гнейса беломорского комплекса (район Тупой губы) по профилю от цетра зерна к краю.

а – СаО (мас. %); б – Er, Yb (ppm); в – Y (ppm).