CC BY
39
^ectHimc, март, 2013 г., № 3
УДК 551.242 (470.57)
ПЕРВЫЕ ДАННЫЕ ПП ГЕОХИМИИ И ИЗОТОПИИ УГЛЕРОДА ГРАФИТОВЫХ ЗКЛПГИТПВ МАКСЮТОВСКОГО КОМПЛЕКСА (ЮЖНЫЙ УРАЛ)
С. Г. Ковалев, Е. А. Тимофеева
Институт геологии Уфимского научного центра РАН, Уфа [email protected]
Приводятся первые данные по геохимии и изотопии углерода графитовых эклогитов максютовского метаморфического комплекса. Установлено, что графитовые эклогиты обогащены всей группой редкоземельных элементов при резком преобладании LREE. Кроме того, в них отмечаются высокие содержания U, Th, Sr, P и Nd. Изотопные характеристики углерода изменяются в пределах от -22.1 до -25.0 %о, составляя в среднем -23.8 %о, что в целом близко к содержанию S13C в графите, рассеянном в силикатной массе пород мантии. Делается вывод о том, что протолитами графитовых эклогитов указанного комплекса являлись либо углеродсодержащие магматические породы, либо мантийные эклогиты, тектонически внедренные в субстрат комплекса при взаимодействии субдуцирующей плиты с веществом верхней мантии.
Ключевые слова: максютовский комплекс, графитовые эклогиты, изотопы углерода, протолит, гранат, омфацит.
THE FIRST TRACE ELEMENTS GEOCHEMISTRY AND CARBON ISOTOPE DATA OF THE GRAPHITE ECLOGITES OF THE MAKSYUTOV COMPLEX (SOUTHERN URALS MOUNTAINS)
S. G. Kovalev, E. A. Timofeeva
Institution of Russian Academy of Sciences Institute of geology of the Ufimian scientific centre
We present the first data on the geochemistry and isotopes of carbon graphite eclogite maksyutov metamorphic complex. Found that graphite eclogites are enriched as a group of rare earth elements with a sharp predominance of LREE. In addition, they have high content of U, Th, Sr, P and Nd. Carbon isotopic characteristics vary between -22.1 to -25.0 %o, averaging -23.8 %o, which generally close to the S13C content in graphite dispersed in the silicate mantle rock mass. It is concluded that the graphite eclogite protolith maksyutov metamorphic complex were either carbon-igneous rocks, or they are fragments of mantle eclogites, tectonically complex embedded in the substrate interaction subducting slab upper mantle.
Keywords: maksyutov complex, graphite eclogites, carbon isotopes, protolith, garnet, omphacite.
Эклогиты и эклогитоподобные породы, развитые в пределах метаморфических комплексов, имеют широкое географическое распространение. В России эти образования в основном сосредоточены в пределах Байкало-Муйского и Уральского складчатых поясов. Относительно хорошая геологическая изученность уральских объектов, и в частности максютовского метаморфического комплекса (ММК), выразившаяся в значительном количестве публикаций [1, 4, 6—15], тем не менее не решила целый ряд принципиальных проблем.
Одним из наиболее дискуссионных вопросов, нуждающихся в корректном решении, является проблема установления генетической при-
роды эклогитов и их протолитов. В настоящее время формирование эк-логитов ММК объясняется изофа-циальным метаморфизмом магматических протолитов и вмещающих их осадочных или вулканогенно-осадочных толщ, тектоническим внедрением мантийных эклогитов или непосредственной кристаллизацией эклогитов из магматических расплавов.
Редкой разновидностью метаморфических пород ММК являются графитовые эклогиты, описанные А. А. Алексеевым [1] и нами [4], представляющие собой среднезер-нистые темно-серые породы с мелкими выделениями розового граната и шлировидными обособлениями зеленого омфацита. Для них
характерны порфиронематоблас-товая и пойкилобластовая структуры и массивная с элементами шли-рово-такситовой текстура. Породообразующие минералы представлены: гранатом (10—20 %), омфаци-том (60—70 %), графитом (14— 18 %); акцессорные: кварцем (редко), апатитом (0.5 %) и сфеном (1.5 %).
Гранат (ВЮ2 — 35.8, ТЮ2 — 0.19, А1203 — 19.12, Бе203 — 3, Бе0 — 21.9, МпО — 1.78, М§0 — 2.95, СаО — 9.7, ш20 — 0.06, к20 — 0.02, С — 4.7, п.п.п. — 0.3, е — 99.52; вес. %) присутствует в идиоморфных кристаллах размером около 1 мм (реже до 1.5 мм). Он содержит включения графита (рис. 1, а, б), омфацита и кварца. В его нормативно-количе-
Рис. 1. Микрофотографии включений графита (черное) в гранатах (а, б), омфаците (в, г) из графитовых эклогитов. gr — гранат, отГ — омфацит
ственном составе преобладает альмандин.
Омфацит представлен двумя разновидностями. Омфацит-1 слагает основную массу породы в виде короткопризматических кристаллов размером до 0.2—0.3 мм со слабым плеохроизмом от бесцветного до светло-зеленоватого. Часто содержит многочисленные включения графита (рис. 1, в, г) размером 0.01—0.03 мм. Омфацит-11 присутствует в виде разноориентирован-ных прожилково-шлировидных обособлений мощностью до нескольких мм (реже до 0.5—1.0 см). Он представлен призматическими кристаллами размером до 0.25— 1.5 мм и имеет более заметный плеохроизм. Химические составы разновидностей близки (омфацит-1: ВЮ2 — 47.4, ТЮ2 — 1.38, А1203 — 10.77, Бе203 — 2.39, Бе0 — 3.74, МпО — 0.12, Mg0 — 5.6, СаО — 10.21, Ш20 — 5.17, К20 — 0.08, С — 11.7, п.п.п. — 1.04, 1 — 99.6, омфацит-11: ВЮ2 — 51.1, ТЮ2 — 1.19, А1203 — 12.05, Бе203 — 3.52, Бе0 — 4.37, Мп0 — 0.18, Mg0 — 5.3, Са0 — 11.8, Ш20 — 5.65, К20 — 0.1 % С — 4.74, п.п.п. — 0.2, 1 — 100.2; вес. %), как и содержания жадеитового компонента = 34 %.
Графит в виде многочисленных мелких (0.01—0.05 мм) включений и более крупных скоплений (до 0.5—1.5 мм) сгусткообразной формы присутствует в гранате и омфа-
ците (см. рис. 1), а также в интер-стициях между кристаллами породообразующих минералов. Иногда включения микроагрегатов графита имеют кубоидную форму (см. рис. 1), что было описано ранее для безграфитовых эклогитов ММК [10]. Химическое определение содержания углерода в породах варьирует в пределах 15—17 вес. %.
Сравнительный анализ геохимических характеристик графитовых эклогитов с безграфитовыми разновидностями и метаморфизо-ванными габбродиабазами ММК свидетельствует о том, что они обогащены всей группой редкоземельных элементов при резком преобладании LREE. Кроме того, в них отмечаются высокие содержания U, Th, Sr, P и Nd (рис. 2). При относительно простом минеральном составе (гранат+омфацит+графит) основным концентратором REE в породах может являться гранат, а урана и тория — графит. Если гранат графитовых эклогитов обогащен группой LREE, то это в значительной степени отличает его от гранатов «нормальных» безграфитовых эклогитов, так как предыдущими исследованиями было установлено, что в химическом составе граната из типичных эклогитов ММК практически полностью отсутствует вся группа LREE [7].
Для исследования изотопных характеристик углерода были ото-
браны образцы графитовых эклогитов и различных разновидностей углеродсодержащих сланцев, входящих в состав второй стратиграфической единицы ММК, соответствующей карамалинской свите [6].
На термограммах, полученных при дифференциально-термическом анализе углеродистого вещества из графитовых эклогитов, отсутствуют экзо- и эндотермические эффекты, которые можно было бы связать с присутствием геополимеров нерегулярной структуры (асфальтенов-керогенов). Экзотермические эффекты, присутствующие в интервале температур 550—560 °С...900— 915 °С с четко выраженными двойными максимумами (730—750 °С и 860—870 °С), свидетельствуют о наличии мелкочешуйчатых и крупночешуйчатых разновидностей графита. Для углеродсодержащих сланцев и графитовых кварцитов также характерны экзотермические эффекты, но со сдвигом в более низкотемпературную область (интервал 570—890 °С, максимум 660— 715 °С), что может свидетельствовать о большей структурной упорядоченности графита из эклогитов.
Изотопные характеристики углерода графитовых эклогитов изменяются в пределах от —22.1 до —25.0 %о (табл.), составляя в среднем —23.8 %, что в целом близко к содержанию 813С в углеродсодержащих сланцах при небольшом «облегчении» их среднего значения — 813С = -24.95 %.
С одной стороны близость изотопных характеристик графитовых эклогитов и углеродсодержащих сланцев можно объяснить метаморфизмом первично биогенного органического углерода, входившего в состав сланцевых толщ, так как минимальная температура появления графитовой фазы равна = 400 °С, а термобарические условия формирования минеральных ассоциаций эк-логитов оцениваются в 17 кбар при температуре ~ 570 °С [6]. Более того, ряд исследователей допускает, что первоначальный пиковый метаморфизм пород ММК мог осуществляться в пределах поля стабильности алмаза с максимальными термодинамическими параметрами: Т = 650 °С, Р = 3.2 ОРа [10, 14]. Сам процесс гра-фитизации пород можно представить в виде перехода газообразных восста-
ÂectHimc, март, 2013 г., № 3
СаЯЬВаТИ и ИЬ К |_аСе РгЭг Р ЫаггЗггЕиТ! йу У УЫи 01 П2 ШЗ
Рис. 2. Спайдер-диаграммы для метаморфических пород максютовского метаморфического комплекса. Хондрит и примитивная мантия по [15]. 1 — графитовые эклогиты, 2 — эклогиты и глаукофанизированные эклогиты, 3 — мета-габбродиабазы и аподиабазовые ортосланцы. Содержания РЗЭ определены на масс-спектрометре ЕЬАК-9000 и на масс-спектрометрической системе высокого разрешения ИК 1СР-М8 ЕЬЕМЕКТ2 (TheгmoFinnigan) в лаборатории физических и химических методов исследования ИГиГ УрО РАН (г. Екатеринбург)
Изотопный состав углерода из графитовых эклогитов и углеродсодержащих сланцев максютовского комплекса
№ п/п № обр. Порода SbCpûu, %
1 А-12191 графитовый эклогит -25.0
2 А-12193 графитовый эклогит -24,2
3 А-5654 графитовый эклогит -22.1
4 А-7499 графитовый эклогит -23.8
5 А-6299 графит-амфибол-кварцевый сланец -25.5
6 А-5570 углисто-слюдисто-кварцевый сланец -23.6
7 А-5591 графит-кварцевый сланец -24,7
8 А-5629 графит-кварцевый сланец -24.2
9 А-6112 граф ит-кварцевый сланец -25.5
10 А-7506 графитовый кварцит -26,2
Примечание: Измерение изотопного отношения 13С/12С проведено на масс-спектрометре Finnigan MAT 253 в ИГиГ УрО РАН (г. Екатеринбург). Воспроизводимость анализа изотопного отношения 13С/12С менее ±0.1 %с.
новленных форм углерода в газооб-раз-ный оксид и графит по схеме: CnHm+O2 ^ H2O+CO2T+C°i. При этом упорядочение структуры углеводородов от асфальтенов-кероге-нов, геополимеров нерегулярной структуры к графиту с кристаллической трехмерной структурой приводит к «утяжелению» их изотопного состава (керит —25.5 %о; антраксолит -25.0 %; графит -23.9 %) [5].
С другой стороны, наличие включений графита в гранатах и ом-фацитах графитовых эклогитов подразумевает, что углерод присутствовал первоначально в протолитах, по которым они образовались, а изотопные характеристики графита, рассеянного в силикатной массе пород мантии, по данным Э. М. Гали-мова с соавторами, колеблются в интервале -21.96...-26.46 % [3]. Более того, относительная редкость и локальность распространения данных образований среди пород комплекса не позволяет предполагать переход биогенного углерода из сланцев в газообразную фазу с последующим перераспределением и кристаллизацией графита в эклоги-тах, т. к. в таком случае значительная часть эклогитов ММК относилась бы к графитовым или графит-содержащим разновидностям.
Магматические образования с породообразующим графитом относятся к редкому типу пород, но тем не менее они описаны в структурно-вещественных комплексах Восточно-Европейской платформы [2]. Следовательно, можно предположить, что протолитами графитовых эклогитов ММК являлись близкие по составу породы либо они являются фрагментами мантийных эклоги-тов, тектонически внедренными в субстрат комплекса при взаимодействии субдуцирующей плиты с веществом верхней мантии [13].
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Соглашения № 8358 и № 8312).
Литература
1. Алексеев А. А., Алексеева Г. В. Графитовый эклогит из максютовс-кого метаморфического комплекса, Южный Урал // ДАН, 2000. Т. 372. № 1. С. 86-88.
2. Галдобина Л. П., КалининЮ. К. Магматизм, метаморфизм и геохро-
нология докембрия Восточно-Европейской платформы в связи с крупномасштабным картированием. Петрозаводск, 1987. С. 76—77.
3. Галимов Э. М., Соловьева Л. В., Беломестных А. В. Изотопный состав углерода метасоматически измененных пород мантии // Геохимия, 1989. № 4. С. 508—515.
4. Ковалев С. Г., Тимофеева Е. А., Пиндюрина Е. О., Ковалев С. С. Геохимия и условия образования эклоги-тов максютовского комплекса // Геологический сборник № 9. Ин-форм. мат-лы / ИГ УНЦ РАН. Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2011. С. 236—245.
5. Поцелуев А. А. Углеродистые вещества в гидротермальных урановых и редкометалльных месторождениях // Известия Томского политех. ун-та, 2010. Т. 316. № 1. С. 16—23.
6. Пучков В. Н. Геология Урала и Приуралья (актуальные вопросы стратиграфии, тектоники, геодинамики и металлогении). Уфа: Ди-зайнПолиграфСервис, 2010. 280 с.
7. Рахимов И. Р., Беликова Г. И., Мороз Т. Н., Салихов Д. Н. Новые
данные о распределении микроэлементов в гранатах Максютовского метаморфического и Миндяк-ского габброидного комплексов, Южный Урал // Металлогения древних и современных океанов-2011. Миасс: ИМин УрО РАН, 2011. С. 258-262.
8. Beane R. andM. Leech. The Mak-syutov Complex: The first UHP terrane 40 years later. Geological Society of America Special Papers, January 1, 2007. 419(0). P. 153-169.
9. Beane R. J. and J. N. Connely. 40Ar/39Ar, U-Pb, and Sm-Nd constraints on the timing of metamorphic events in the Maksyutov Complex, southern Ural Mountains. Journal of the Geological Society, 2000. V. 157. № 4. P. 811-822.
10. Bostick B. C., Jones R.E., Ernst W.G., Chen C., Leech M. L. and Beane R. J. Low-temperature microdiamond aggregates in the Maksyutov Metamorphic Complex, South Ural Mountains, Russia // American Mineralogist, 2003. V. 88. P. 1709-1717.
11.Brown D, Hetzel R., and J. H. Scarrow. Tracking arc-continent colli-
sion subduction zone processes from high-pressure rocks in the southern Urals. Journal of the Geological Society. September 1, 2000. 157(5). P. 901— 904.
12. Deines P. The carbon isotope geochemistry of mantle xenoliths // Earth. Sci, 2002. Rev. 58. P. 247—278.
13. Hetzel R. Geology and geodi-namic evolution of the high-P/low-T Maksyutov Complex, Southern Urals, Russia // Geol. Rundschau, 1999. V. 87. P. 577—588.
14. Leech M. L., Ernst W. G. Petro-tectonic evolution of the high to ultra-high-pressure Maksyutov Complex, Karayanova area, south Ural Mountains: structural and oxygen isotope constraints // Lithos, 2000. V. 52/ P. 235— 253.
15. Sun S. S, McDonought W. F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for the mantle composition and processes // Magmatism in the oceanic basins. London: Geol. Soc. Spec. Publ., 1989. P. 313—345.
Рецензент д. г.-м. н. А. М. Пыстин
