CC BY
113
УДК 550.93:55171(470.21)
ВЫСОКОКАЛЬЦИЕВЫЕ АЛЮМОСИЛИКАТНЫЕ ГНЕЙСЫ ЦЕНТРАЛЬНО-КОЛЬСКОГО БЛОКА: ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И МЕТАМОРФИЧЕСКАЯ ПРИРОДА В.П. Петров1, Л.С. Петровская2, М.Н. Петровский2, М.Г. Тимофеева2
Вольский научный центр РАН 2Г еологический институт КНЦ РАН
Аннотация
Дана геолого-петрологическая и петрогеохимическая характеристика алюмосиликатных высококальциевых гнейсов кольской серии Центрально-Кольского блока Кольского п-ова, характеризующихся специфическим химическим и минеральным составом по сравнению с «классическими» гнейсами кольской серии. На основании анализа петрохимических данных, в сочетании с особенностями распределения микроэлементов в породе проведена попытка реконструкции состава и природы протолита, а также геодинамических обстановок их формирования.
Ключевые слова:
Центрально-Кольский блок, высококальциевые гнейсы, метаморфизм, Р-Т условия, возраст, реконструкция, протолит, геодинамические обстановки.
Изучение метаморфических образований докембрия акцентируется на различных аспектах, один из которых- реконструкция первичной, дометаморфической природы пород с выходом на понимание особенностей развития породообразующих осадочных и магматических процессов в докембрийские периоды формирования земной коры. В последнее время внимание петрологов-метаморфистов концентрируется на детальном исследовании термодинамических условий, режимов формирования конкретных пород и слагаемых ими породных комплексов для решения задач палеотектонических и палеогеодинамических реконструкций.
Метаморфические комплексы докембрия, как правило, неоднородны по своему петрографическому составу и включают породы, обладающие по своему химическому и минеральному составу, уровню и сложности метаморфических преобразований различным информационным потенциалом для исследования в рамках обозначенных проблем. Иногда выявление в составе конкретного метаморфического комплекса пород с необычным или специфическим составом, с какими-то петрологическими и геохимическими особенностями позволяет получить новую информацию о природе всего метаморфического комплекса. К числу таких пород относятся гнейсы с повышенным содержанием извести, обнаруженные в районе Пулозеро - Полнек-Тундры Центрально-Кольского блока (ЦКБ).
Геологическая позиция
В районе Пулозеро - Полнек-Тундры, расположенном в центральной части Кольского п-ова (рис. 1), архей представлен высокометаморфизованными супракрустальными и интрузивными породами, объединяемые термином эндербит-гранулитовый комплекс [1]. Супракрустальные образования комплекса по своему петрографическому составу типичны для кольской серии зон высокотемпературного метаморфизма [1-7 и др.]. Они представлены алюмосиликатными силлиманит-гранат-биотитовыми и гранат-биотитовыми гнейсами, а также двуслюдяными гнейсами, относимыми к волшпахской толще нестратифицированного кольско-беломорского комплекса [8]. В гнейсовом комплексе были обнаружены ранее неизвестные породы, специфические по химическому и минеральному составу, с повышенным валовым содержанием кальция по сравнению с обычными гнейсами [9-11]. В дальнейшем они для краткости называются нами высококальциевыми гнейсами, противопоставляя их рядовым бедным и умеренно кальциевым породам.
Высококальциевые гранат-биотитовые и биотитовые гнейсы слагают тело подковообразной формы в северо-западной части эндербитового куполовидного массива, вытянутого в северо-западном направлении. Площадь массива составляет 70 км2. Он расположен к юго-востоку от оз. Пулозеро и занимает район от низовьев р. Орловка через г. Полнек-Тундра до оз. Большое Энгое (рис. 1).
Рис. 1. Обзорная геологическая карта района Пулозеро - Полнек-Тундра. Составлена по материалам С.А. Дюкова (1957); В.В. Балаганского, М.Н. Богдановой (1987) и личным наблюдениямЛ.С. Петровской, М.Н. Петровского [7]. Условные обозначения:
1 - четвертичные отложения; 2 - пегматоидные жилы; 3 - плагиомикроклиновые граниты;
4 - метагаббро; 5 - эндербиты варьирующего состава от кварцевого диорита до плагиогранита; 6 - высококальциевые гранат-биотитовые и биотитовые гнейсы;
7 - двуслюдяные гнейсы; 8 - гранат-силлиманит-биотитовые гнейсы с подчиненными прослоями биотитовых и гранат-биотитовых гнейсов; 9 - гранат-биотитовые гнейсы с прослоями гранат-силлиманит-биотитовых и биотитовых гнейсов; 10 - пироксеновые и амфибол-пироксеновые гнейсо-диориты, диориты и, частью, гранодиориты;
11 - амфиболиты; 12 - геологические границы; 13 - элементы залегания: а) контактов,Ь) гнейсовидности
Падение гнейсовидности в породах массива от центра массива под углами от 50° до 75°. Контакты с вмещающими породами секущие, частью тектонизированные. Линия контакта срезает гнейсовидность и мигматитовую полосчатость гнейсов кольской серии.Падение контактов эндербитов субсогласно падению гнейсовидности в центре массива под углами от 40° до 70°. Эндербиты в приконтактовых частях более мелкозернистые, чем в центральной части массива, и содержат ксенолиты вмещающих их силлиманит-гранат-биотитовыхгнейсов, размер которых в среднем составляет 5x10 см. Кроме того, из-за контаминации веществом высокоглиноземистых гнейсов в приконтактовых частях интрузива наблюдается развитие гранатовых разностей эндербитов.
Толща высококальциевых гнейсов рассматривается нами как останец кровли эндербитового массива (рис. 1). Видимая ее мощность изменяется в пределах от 350 м до 1.2 км. Простирание гнейсовидности пород субсогласно простиранию их контактов с эндербитами.Падение гнейсовидности варьирует от юго-западного до восточного, а углы падения от 30 до 75°. Следует отметить, что толща высококальциевых гранат-биотитовых и биотитовых мигматизированных гнейсов включает линзовидные тела обычных гранат-силлиманит-биотитовых гнейсов и амфиболитов, а также содержит многочисленные жильные гранитоидные образования, секущие кристаллизационную сланцеватость и мигматитовую полосчатость.
В составе супракрустального комплекса рассматриваемого района присутствуют также пироксеновые и амфибол-пироксеновые кристаллосланцами и амфиболиты. Интрузивные образования, кроме эндербитов, представлены габбро- и пагиомикроклиновыми гранитами, образующими мелкие тела, которые прорывают высокоглиноземистые гнейсы, двуслюдяные гнейсы и эндербиты.
Петрографические особенности
Высококальциевые породы района Пулозеро - Полнек-Тундра различаются по своему петрографическому составу и описаны гранат-биотитовыми и биотитовыми гнейсами. При геологическом картировании, между этими разновидностями пород четких контактов не зафиксировано.
Высококальциевые гранат-биотитовые гнейсы- гнейсовидные, среднезернистые породы серого цвета. Структура порфиробластовая за счет выделений граната, структура основной ткани характеризуется сочетанием лепидогранобластовой, гранобластовой с элементами бластокатакластической (рис. 2). Главный породообразующий минерал - битовнит-анортит (4570%), содержание кварца в породе - 20-40%, калиевого полевого шпата - 0-2%. В качестве цветных минералов присутствуют: гранат (1-5%), красно-коричневый биотит (содержание варьирует от 5 до 20%). Вторичные минералы - хлорит, эпидот, мусковит, серицит. Акцессорные минералы: циркон, апатит, титанит, магнетит.
Гранаты высококальциевых гнейсов имеют несколько генераций. Наиболее ранние гранаты (Grt1) зафиксированы выделениями изометричной и неправильной формы (с размерами до 5 мм), насыщенными включениями кварца, биотита и магнетита в центральных частях кристаллов. По трещинам и по краю зерен развивается диафторический светло-зеленый биотит с яркими цветами интерференции. Гранат поздней генерации (Grt2) образует мелкие кристаллы гипидиоморфной и изометричной формы с пойкилобластовыми включениями кварца и биотита во внешней зоне минерала. Биотит (Bt) также наблюдается в виде двух генераций. Первая генерация - коричневый с зеленым оттенком биотит (Bt1), который развит в основной ткани, образует выделения в виде отдельных пластинок, вытянутых по спайности, а также их сростков неправильной формы и изогнутых агрегатов с размерами до 2.5-3.0 мм. По трещинкам и по краям зерен биотита развиваются рутил, хлорит, мусковит и магнетит, микровключения циркона и апатита. Биотит второй генерации (Bt2) наблюдается в виде светло-зеленых изогнутых пластинок, поломанных и раздробленных индивидов, облекающих порфиробласты граната. Плагиоклаз (Pl) по составуварьирует от лабрадор-битовнита (An=63%) до анортита (100%). Увеличение основности плагиоклазов в гранат-биотитовых гнейсах наблюдается «вкрест» их простирания с северо-запада на юго-восток.
Рис. 2. Гранобластовая структура высококальциевых гранат-биотитовых гнейсов с элементами порфиробластовой. Шлиф П-219, николи скрещены, объектив 2.5х
Плагиоклаз первой генерации (Р1х) образует гипидиоморфные, широкотаблитчатые, таблитчатые, изометричные кристаллы и выделения неправильной формы с размерами до 4 мм (средний размер зерен 1.8х1.6 мм). Наблюдаются кристаллы с прямой и обратной зональностью, причем составы их центральных зон в некоторых образцах близки. Плагиоклаз второй генерации (Р12) описан как выделения неправильной формы с размерами до 1 мм, ксеноморфными по отношению к плагиоклазу ранней генерации. По составу ранний плагиоклаз (Р1х) варьирует от 69 до 100% анортитового компонента, поздний плагиоклаз (Р12) содержит анортит в пределах 6392%. По поверхности зерен развивается серицит, эпидот, микровключения циркона, кварца и биотита. Кварц (Р12) также образует несколько генераций. Кварц первой генерации (Р^) дает зерна вытянутой, изометричной, неправильной формы с извилистыми очертаниями с размерами до 3.0-3.6 мм, погасание волнистое, трещиноват. Кварц второй генерации (Р122) - мелкий, гранулированный, развит по краю более крупных зерен и по трещинкам в них.
Высококальциевые безгранатовые биотитовые гнейсы- темно-серые, среднезернистые, гнейсовидные породы, обычно более однородные, плотные и менее мигматизированные по сравнению с гранат-биотитовыми гнейсами (рис. 3). Главный породообразующий минерал -битовнит (60-70%), содержание калиевого полевого шпата достигает 10%, кварца - 15-30%. Цветной минерал описан как биотит зеленого цвета с буроватым оттенком (15-20%). Вторичными минералами являются хлорит, эпидот, мусковит, серицит. Акцессорные минералы -циркон, апатит, титанит, рудный минерал. Зеленый биотит (В1:) наблюдается в виде пластинчатых выделений, размером до 3 мм, и их сростков, имеющих неправильные очертания. По химическому составу отвечает мероксену истонит-сидерофиллитового ряда с железистостью 30
f = 33-46%. Содержание TiO2 в минерале варьирует в пределах 2.59-2.66%. Плагиоклаз (Pl) образует кристаллы гипидиоморфной, таблитчатой формы размерами до 2 мм, по составу отвечает лабрадор-битовниту (An=53-83%). Как и в гранат-биотитовых гнейсах, кварц образует не менее двух генераций.
Рис. S. Лепидогранобластовая структура высококальциевых биотитовых гнейсов. Шлиф П-218,
николи скрещены, объектив - 2.5х
Петрогеохимическая характеристика
Г еохимические особенности высококальциевых гнейсов кольской серии ЦКБ рассмотрены на основе химических анализов, приведенных в табл. 1. По содержанию кремнезема гнейсы кольской серии, включая и рассматриваемые высококальциевые породы района Пулозеро -Полнек-Тундры, соответствуют породам среднего и кислого составов, имеют нормальную щелочность, при этом высококальциевые породы характеризуются пониженным содержанием суммы щелочей (менее 4%) и более низкими отношениями натрия к калию, по сравнению с умеренно кальциевыми гнейсами. На вариационных диаграммах Харкера такие элементы, как TiO2, БеО*, MgO, Al2O3, имеют также сходные черты распределения. Для них характерно снижение содержания одновременно с ростом содержания SiO2, что хорошо коррелирует с поведением минералов-концентраторов этих элементов: в породах наблюдается снижение количества граната, биотита, магнетита и сульфидов от средних к кислым разностям. Химический состав высококальциевых гнейсов: SiO2- 62.28-72.32; TiO2 - 0.34-1.04; Al2O3 -13.83-16.80; Fe2O3 - 0.86-2.39; FeO - 1.54-3.95; MnO - 0.03-0.25; MgO - 2.06-3.89; CaO - 3.695.71; Na2O - 0.21-1.62; K2O - 1.40-2.65 (мас. %).
Таблица 1
Содержание главных (масс.%) и рассеянных (г/т) элементов в высококальциевых гнейсах кольской серии
Гранат-биотитовые гнейсы Биотитовые гнейсы
Номер пробы П- 205 П- 206 П- 208 П- 212 П- 215 П- 219 П- 210 П- 213 П- 214 П- 216 П- 218
8102 64.44 65.25 65.76 66.43 70.08 62.28 68.00 64.99 69.71 72.32 69.03
Т1О2 0.64 0.77 0.65 0.64 0.31 1.04 0.59 0.58 0.38 0.40 0.43
А1203 16.80 15.90 15.73 14.99 13.90 15.32 14.69 14.56 14.03 13.26 13.77
Бе20з 1.03 1.48 1.71 1.78 1.13 2.39 1.21 1.73 1.02 0.61 0.89
БеО 2.36 2.83 2.82 2.59 1.87 3.94 2.31 1.88 1.85 1.71 1.63
Мп0 0.03 0.05 0.05 0.07 0.11 0.16 0.01 0.19 0.04 0.01 0.02
Ме0 2.79 3.89 2.91 3.11 2.06 2.94 2.73 2.96 2.41 2.70 2.22
Са0 5.46 5.08 5.50 5.53 3.69 5.71 5.34 6.80 4.72 5.00 4.98
Na20 1.62 0.66 1.03 0.53 0.90 0.21 0.92 0.51 0.80 0.37 1.27
К20 2.64 2.36 1.96 2.10 3.43 2.65 2.02 1.95 2.69 1.71 2.42
Сумма 97.81 98.27 98.12 97.77 97.48 96.64 97.82 96.15 97.65 98.09 96.66
Си 63 41 46 73 26 39 39 41 <20 34 44
N1 54 49 36 42 23 100 100 31 27 31 31
Со 16 18 15 16 <10 24 24 12 10 <10 <10
Сг 36 20 32 34 12 290 290 24 14 12 17
V 110 120 120 120 48 190 190 100 88 72 72
РЬ 9.8 8.6 2.4 5.6 17 7.6 7.6 6.3 9.4 8.2 12
2п 66 120 110 90 64 120 120 89 63 78 56
Ва 287 180 260 188 627 130 130 160 260 90 350
№ 8 9 9 <7 <7 6 6 8 7 7 9
2г 168 129 164 140 86 181 181 151 123 97 124
У <6 6 8 13 15 30 30 8 6 6 6
8г 174 69 108 59 79 108 108 60 64 59 113
ЯЬ 58 69 84 51 60 96 96 52 60 50 47
и <15 14 <15 <15 <16 13 13 14 15 15 15
ТЬ <11 11 15 11 <12 10 10 11 11 11 11
Умереннокальциевые силлиманит-гранат-биотитовые гнейсы и высококальциевые гранат-биотитовые и биотитовые гнейсы различаются по содержанию таких элементов, как СаО, №20 и БеО*. В высококальциевых гнейсах содержание СаО почти в 2 раза выше, а №20- в 3-4 раза ниже, чем в умереннокальциевых гнейсах при близких содержаниях кремнезема.
Высококальциевые гранат-биотитовые и биотитовые гнейсы отличаются от умереннокальциевых гнейсов более низкими содержаниями таких элементов, как Си, N1, Сг, V, РЬ, 8г, Ва, и более высоким содержаниемва и 8п при близких содержаниях кремнезема. Содержания и, ТЬ, 2г, У, ЯЬ, NЬ и ве в этих породах близки.
Особенности химизма минеральных парагенезисов
В обычных высокоглиноземистых гнейсах рассматриваемого района выделяются 2 минеральных парагенезиса, характеризующих основные этапы их метаморфической истории [1]. В высококальциевых породах так же, как было показано выше, выделяются 2 основные генерации граната и биотита.
Гранаты ранних генераций в высококальциевых породах, как и гранаты из обычных гнейсов, по компонентному составу отвечают гранулитовой фации (рис. 4) [12]. Для них характерны сходные тренды химической зональности с возрастанием доли суммы альмандинового и спессартинового компонентов от центральных к краевым зонам кристаллов (рис. 5 а, б). Примечательно, что «гранулитовый» компонентный состав имеют также и гранаты из жильных гранитоидных пород, секущих гнейсы кольской серии.
Рис. 4. Компонентный состав гранатов из гнейсов кольской серии и связанных с ними жильных гранитоидных образований на диаграмме гроссуляр -альмандин+спессартин - пироп; границы фаций метаморфизма показаны по [12].Составы гранатов: 1 - раннего минерального парагенезиса и 2 - позднего минерального парагенезиса из умереннокальциевых гнейсов;
3 - раннего минерального парагенезиса и 4 - позднего минерального парагенезиса из высококальциевых гнейсов. Значками обозначены центральные части гранатов, стрелкой показано изменение состава к краевым частям кристаллов
Отличительная особенность гранатов высококальциевых пород состоит в повышенном содержании гроссулярового компонента (от 6 до 12% в гранатах ранних генераций и до 18% в гранатах поздних генераций) при том, что в обычных гнейсах содержание гроссулярового компонента не превышает 5%. Наблюдается достаточно четкая зависимость содержания кальция в гранате от его валового содержания в породе (рис. 6). Химическая зональность индивидуальных кристаллов граната в высококальциевых и обычных глиноземистых гнейсах характеризуется наличием внутренних зон, практически однородных в части распределения магния, железа и марганца, и краевых зон с регрессивной зональностью, выражающейся в повышении содержания железа и марганца при снижении содержания магния. Ширина внешних «регрессивных» зон достигает 400 мкм. Распределение кальция на концентрационных профилях неравномерное, скачкообразное, но в краевых частях оно обычно снижается.
Кристаллы поздних гранатов из высококальциевых гнейсов по компонентному составу соответствуют гранатам амфиболитовой фации метаморфизма [12]. Они также имеют регрессивный тип зональности (рис. 5 в, г). В некоторых зернах центральные зоны химически однородны по распределению FeO и MgO; распределение МпОсодержит положительный пик, а распределение CaO неравномерное с наличием локальных положительных пиков. Широкая регрессивная зона более 200 мкм характеризуется скачкообразным повышением CaO и понижением FeO, концентрация MnO плавно уменьшается. Затем в узкой краевой зоне шириной около 40 мкм наблюдается увеличение к краю зерна содержания MnO, FeO и снижение MgO. Химическое строение краевых зон кристаллов поздних генераций неоднородно, особенно в отношении распределения кальция и марганца. Оно характеризуется наличием положительных и отрицательных пиков, причем в зеркальном отображении друг к другу. На границе гранатов с биотитом наблюдается снижение концентрации MgO и CaO, и повышение FeO и MnO, что характерно для регрессивной эволюции граната. Такое распределение элементов по концентрационным профилям в гранатах поздней генерации из высококальциевых гнейсов можно также объяснить влиянием наложенных более низкотемпературных метаморфических преобразований.
б
а
в
г
Рис. 5. Морфология и химическая зональность гранатов из высокальциевых гнейсов кольской серии (образцы П-208; П-219), сформированных в условиях гранулитовой (а, б) и амфиболитовой
(в, г) фаций метаморфизма
Биотиты высококальциевых гранатовых гнейсов по химическому составу соответствуют мероксену аннит-флогопитового ряда. Наблюдаются две генерации минерала. Биотиты ранней генерации характеризуются повышенными содержаниями Т102 (2.59-3.16 масс. %) и вариациями железистости в широких пределах (32.9-46.2%) относительно биотитов поздней генерации (1.94— 1.96 масс. % и 35.3% соответственно), что находит своё отражение на фациальной диаграмме Т102, масс. % - Г атомное количество (ат.к.)[12], где фигуративные точки составов биотита располагаются в полях, соответствующих определенным условиям их формирования, т.е. ранняя генерация коричневого биотита отвечает условиям гранулитовой фации метаморфизма, а поздняя генерация светло-зелёного биотита - амфиболитовой.
Рис. 6. Диаграмма зависимости содержания гроссулярового минала в гранатах от содержания CaO в гнейсах кольской серии. Составы гранатов из: раннего (1) и позднего(2) минеральных парагенезисов из умереннокальциевых гнейсов; раннего (3) и позднего (4) минеральных парагенезисов из высококальциевых гнейсов
Аналогичным образом на этой диаграмме располагаются и фигуративные составы биотитов из умереннокальциевых гнейсов, красно-коричневые биотиты ранней генерации находятся в пределах поля гранулитовой фации метаморфизма, а светло-зелёные поздней генерации - амфиболитовой. Составы биотитов из эндербитов на фациальной диаграмме TÍÜ2, масс. % - f, ат.к. [12] располагаются в пределах поля гранулитовой фации и лишь с появлением зеленоватого оттенка смещаются к границе поля амфиболитовой фации метаморфизма. Незначительное повышение MnO у биотитов первой генерации для всех разновидностей пород наблюдается с возникновением у них зеленого оттенка, что подтверждает присутствие в разной степени диафторированных
Термодинамические условия образования минеральных парагенезисов метаморфизма
Ранние парагенезисы Grt55-69 + Bt25-32 (красно-коричневый) ± Sil + Pl23-29 ± Kfs+Qtz в умереннокальциевых гнейсах и Grt59-69 + Bt32-45 (коричневый) + Pl69-99 ± Kfs + Qtz в высококальциевых гнейсах свидетельствует о принадлежности изученных пород на кульминационной стадии метаморфизма гранулитовой фации.
Термодинамические условия образования минеральных парагенезисов высококальциевых гнейсов определялись с использованием Grt-Bt геотермометра Л.Л. Перчука и др. [13], и эмпирически откалиброванных Т. Хойшем [14, 15] геобарометрических равновесий для ассоциации Grt+Bt+Pl+Qtz.
По данным изучения химических составов ядерных зон минералов ассоциации Grt-Bt-Pl термодинамические значения раннего кульминационного метаморфизма гранулитовой фации оцениваются в Т = 765-830 оС и Р = 8.5-11.3 кбар.
Полученные оценки давления для высококальциевых гнейсов завышены, что, возможно, обусловлено спецификой химизма их пород и минералов, а также, соответственно, возможностями использованных геотермобарометров, которые были разработаны для умеренно кальциевых ассоциаций. [9, 10].
Для оценок Р-Т условий более поздних преобразований, с которыми связано образование следующей генерации гранат-биотит-плагиоклазовых парагенезисов высококальциевых пород были использованы составы минеральных пар в точках их соприкосновения, а также центральные части новообразованных минеральных ассоциаций из рассланцованных разностей пород. Следует отметить, что составы всех минералов переменного состава в краях зерен существенно колеблются в пределах одного шлифа и даже одного зерна, что может свидетельствовать о неравновесности изученных систем. В таком случае можно предположить, что составы контактирующих минералов в местах их соприкосновения находились в равновесии, но каждый из этих участков отражает разные ступени
равновесия, которое достижимо при разных температурах. Причины прекращения реакций на разных ступенях охлаждения,возможно,были обусловлены исключительно локальными кинетическими факторами [16]. Равновесность соприкасающихся минералов косвенным образом подтверждается тем, что полученные по ним значения температуры и давления находятся в близкой линейной зависимости друг от друга и поэтому не могут рассматриваться как случайные.
Полученные оценки Р-Т параметров для центральных частей гранатов второй генерации равны 580-640 оС и 4.0-6.0 кбар. В целом Р-Т условия стадии образования внешних зон граната первой генерации при наложенном метаморфизме для большинства образцов из умереннокальциевых гнейсов отвечают параметрам, рассчитанным для центральных частей гранатов второй генерации, и изменяются от 634 до 533 оС и от 5.6 до 2.0 кбар. Значения 742-655 оС и 6.7-3.6 кбар, полученные по составам краевой части граната первой генерации и матричного биотита, возможно, отражают самые начальные этапы охлаждения. Оценки температуры и давления ретроградной стадии метаморфизма с учётом биотитов, включенных в гранат первой генерации, определяются в интервале 620-450 оС, а с учетом биотитов, включенных в гранат второй генерации, равны 530-520 оС, что в среднем на 100 оС ниже, чем расчеты в ассоциации с матричными биотитами. Полученные оценки Р-Т параметров для краевых зон гранатов второй генерации составляют 644-533 оС и 5.3-2.2 кбар.
Для центральных частей гранатов второй генерации из высококальциевых гнейсов получены Р-Т параметры 600-675 оС и 5.0-7.7 кбар. Оценки Р-Т условий стадии роста граната первой генерации для образцов из высококальциевых гнейсов укладываются в интервал 611-675 оС и 5.5-8.0 кбар и хорошо согласуются с результатами по ядерным зонам гранатов второй генерации[9, 10].
С учетом указанных выше оценок Т и Р архейский метаморфизм в гнейсах исследуемого района относится к типу умеренных давлений по В.А. Глебовицкому [17]. Общая эволюция Р-Т режимов метаморфизма по оценкам Р-Т параметров соответствует серии АБ, промежуточной между And и Ky-Sil типами.
Возраст образования метаморфических парагенезисов
2 4 6 8 ю 12 14
Рис. 7. и-РЬ диаграмма с конкордией для цирконов из умереннокальциевых гнейсов кольской серии [18]
Проведенное минералогическое и изотопно-геохронологическое изучение акцессорных цирконов в высококальциевых гнейсах кольской серии позволило установить разновозрастные генерации этого минерала, отвечающие двум этапам минералообразования (метаморфизма) в данной породе [18]. Ранняя генерация цирконов образована призматическими, прозрачнымикристаллами изометрического облика, светло-коричневого цвета с алмазным блеском, средние размеры - 0.09 х 0.09
мм, Ку=1. Величина массы среднего кристалла - 3х10"6 г. Концентрациии (до 90 ppm) и Pb низкие (до 50 ppm); такие цирконы по генезису отнесены к гранулитовым. U-Pb возраст цирконов ранней генерации определен в 2733±5.1 млн лет (рис. 7) при СКВО = 0.4 [18]. Этот возраст интерпретируется как время проявления метаморфизма гранулитовой фации в высококальциевых гранат-биотитовых гнейсах кольской серии, что близко по времени кэтому же параметру гранулитового метаморфизма в умереннокальциевых гнейсах кольской серии (2724±49 млн лет) [1].
Поздняя генерация цирконов -призматические кристаллы гиацинтово-цирконового типа, водянопрозрачного цвета, стеклянного блеска. Средние размеры - 0.123х0.07 мм, Ку = 1.8. Величина массы среднего кристалла составляет 2.4х10-6 г. По высоким концентрациям U (125-250 ppm) и Pb (120-220 ppm) генезис таких цирконов может быть метаморфическим и соответствует амфиболитовой фации метаморфизма в высококальциевых гнейсах. U-Pb возраст цирконов поздней генерации определен в 2551.4±8.9 млн лет при СКВО =0.33 [18]. Этот возраст интерпретируется как время проявления наложенного метаморфизма амфиболитовой фации в высококальциевых гранат-биотитовых гнейсах кольской серии, что близко к наложенному метаморфизму в умереннокальциевых гнейсах кольской серии (2568±10 млн лет) [1].
Проблема первичной природы высококальциевых гнейсов.
Высокоглиноземистые гнейсы, как отмечалось выше, слагают обособленную толщу, в которой одновременно присутствуют обычные гнейсы и амфиболиты. Метаморфическая история высококальциевых гнейсов по времени и термодинамическим характеристикам аналогична метаморфической истории обычных гнейсов кольской серии. Это однозначно свидетельствует о принадлежности высококальциевых гнейсов к супракрустальному комплексу. Остается открытым вопрос: это первично осадочные, терригенные образования, или же первично специфические по составу вулканиты и осадочно-вулканогенные породы?
Была предпринята попытка осветить этот вопрос с использованием различных классификационных диаграмм, основанных на соотношении главных петрогенных элементов: бинарной диаграммы H. (de) LaRoche, М. Roubault[19] с координатами х = Al/3 - Na, y = Al/3 - К(ат.к.); FAK (мол.к.) А.А. Предовского; диаграммы М.И. Дубровского, А.Н. Микляева [21] Qu^ - [Al-(2Ca+Na+K)] (ат.к.); А.Н. Неелова [22] с координатами Al/Si - Fe2+ + Fe3+ + Mn + Mg + Ca (ат.к.).
На диаграмме Н. де Ля Роша [19] фигуративные точки составов высококальциевых гнейсов располагаются в поле осадочных пород, другая часть точек составов высокоглиноземистых гнейсов находится в полях вулканитов, что может свидетельствовать о гетерогенном осадочном и осадочно-вулканогенном генезисе гнейсов. Для сравнения были взяты составы архейских супракрустальных пород Титовского, Терского, Аннамско-Хихнаярвинского [23] и Центрально-Кольского блоков Кольского региона [6]. Расположение полей, образованных точками составов этих пород, сходно с положением фигуративных точек гнейсов кольской серии района Пулозеро - Полнек-Тундры, они также частично охватывают поля осадочных пород и вулканитов, что указывает на их вероятную осадочно-вулканогенную природу [11].
Фигуративные точки гнейсов кольской серии района Пулозеро на диаграмме
A.А. Предовского [20] лежат в полях зернистых осадочных и смешанных пород (граувакки и субграувакки) и пелитов (гидрослюдистые глины). Здесь же находятся поля аналогичных позднеархейских супракрустальных пород из сопоставляемых гранулитовых комплексов. С помощью петрохимического анализа диаграммы FAK устанавливается, что среди гнейсов кольской серии района Пулозеро различаются аналоги умеренной основности: для умереннокальциевых гнейсов это гидрослюдистые глины и граувакки с F=0.100-0.254, а для высококальциевых гнейсов - граувакки и субграувакки с F=0.07-0.138 [11]. По данным
B.П. Петрова и др. [23], глинистые кластолиты по особенностям метаморфических преобразований ближе к глинам, чем к песчаникам, и поэтому разграничение метапелитов и метапсаммитов предлагается проводить по среднему значению А ~ 40, что не совсем совпадает с принятой границей полей глин и кластолитов по А.А. Предовскому [20].
Точки составов высококальциевых гранат-биотитовых и биотитовых гнейсов, а также умереннокальциевых силлиманит-гранат-биотитовых гнейсов на диаграмме М.И. Дубровского и А.Н. Микляева [21^инор - [Al-(2Ca+Na+K)] располагаются как в поле осадочных пород, так и
в полях вулканитов от андезитов до риолитов. Составы аналогичных позднеархейских супракрустальных пород из сопоставляемых гранулитовых комплексов также находятся как в полях осадочных пород, так и полях вулканитов [11].
На диаграмме А.Н. Неелова [22], для определения исходной природы метаосадочных пород точки составов высококальциевых гнейсов имеют субгоризонтальный тренд и лежат в пределах полей граувакковых песчаников (Шб), аркозов и субаркозов (IIIa), а также полимиктовых (IVa) и граувакковых (1Уб) алевролитов и туффитов основного состава. Составы умереннокальциевых гнейсов характеризуются субвертикальным трендом и более низкими значениями параметра b в связи с более низким содержанием СаО. Точки их составов находятся в диапазоне полей от аркозов, субаркозов (IIIa) до полей, соответствующим пелитовым аргиллитам(У1а), что, вероятно, может отражать рост доли глинистого компонента [24].
Таким образом, отмеченное при реконструкции первичной природы петрохимическое сходство гнейсов кольской серии района Пулозеро - Полнек-Тундра с позднеархейскими супракрустальными гранулитовыми комплексами Кольского п-ова позволяет предположить, что исходными породами для них также были осадочные и вулканогенно-осадочные породы [11, 24].
Однако этот вывод относительно высококальциевых гнейсов не согласуется с положением их фигуративных составов на диаграмме C.D. Werner [25] (рис. 8), высококальциевые гнейсы четко обособляются от обычных гнейсов и ложатся в поле ортопород (магматитов), образуя единое поле с точками эндербитов, слагающих интрузивный комплекс, для которого гнейсы кольской серии - вмещающие породы.
0 2 4 6 8
МдО/СаО
♦ 1 я 2 а З X 4
Рис. 8. Диаграмма P2O5/TÍO2 - MgO/CaO[25] для разновидностей пород ЦКБ Условные обозначения: 1-2 - умереннокальциевые гнейсы кольской серии ЦКБ:
1 - северо-западной части блока (район реки Малая Титовка); 2 - центральной части блока (район озера Пулозеро);3 - высококальциевые гнейсы кольской серии центральной части ЦКБ
(гора Полнек-Тундра); 4 - эндербиты
В связи с тем, что на классификационной диаграмме C.D. Werner [25] составы высококальциевых гнейсов кольской серии, совместно с эндербитами, находятся в поле ортопород, их дальнейшая классификация проводилась с использованием диаграммы для магматических пород в системе координат TAS (рис. 9). На этой диаграмме фигуративные точки
38
составов высококальциевых гнейсов и эндербитов располагаются в поле пород дацитового состава. Высококальциевые гнейсы имеют пониженную щелочность по сравнению с эндербитами в силу специфики своего химического состава.
S¡02, мас.%
а 1 х 2
Рис. 9. Химическая классификация высококальциевых гнейсов кольской серии и эндербитов в системе координат TAS. Условные обозначения:
1 - высококальциевые гнейсы кольской серии центральной части ЦКБ (гора Полнек-Тундра);
2 - эндербиты
Для дальнейшей петрохимической классификации химический анализ высококальциевых гнейсов и эндербитов был пересчитан на нормативный минальный состав по методу CIPWD и нанесен на классификационную диаграмму М.И. Дубровского [26]. По классификации М.И. Дубровского (рис. 10), эндербиты относятся к кварцнормативной группе (гранодиориты, микроклин-плагиоклазовые граниты, плагиограниты) низкой щелочности, но при этом фигуративные точки составов пород смещены к границе пород нормального ряда. По коэффициенту фемичности породы отвечают мезо- и лейкократовым разностям. Расположение фигуративных точек эндербитов в поле микроклин-плагиоклазовых гранитов связано с присутствием в породе до 15% биотита. Высококальциевые гнейсы также принадлежат к кварцнормативной группе (лейкограниты, силекситы) низкой щелочности и, как и составы эндербитов, смещены к границе пород нормального ряда (рис. 10), но по коэффициенту фемичности они не отвечают ни одному из родов, т.к. точки составов выходят за пределы треугольника днорм - fem - feld (рис. 10). По рис. 10 видно, что фигуративные точки составов высококальциевых пород лежат левее линии fem50 - д50норм, т.е. в изученных породах содержание fem компоненты больше, чем может существовать в кислых магматических системах, что, вероятно, указывает на немагматическую природу этих гнейсов.
и эндербитов на классификационной диаграмме для кварцнормативных «плутонических» пород Fe-Mg ряда [26]. Условные обозначения: 1 - высококальциевые гнейсы кольской серии центральной части ЦКБ (гора Полнек-Тундра); 2 - эндербиты.q- нормативный кварц; Крі = (Ab+An)/(Ab+An+Or)x100% -полевошпатовое отношение; Kaak = 2Ca'- [Al-(Na+K)]/2Ca (в атом.кол.) - коэффициент щелочности; fem- фемичность породы (сумма фемических минералов без акцессориев)
Discriminant function I
4 1 □2 АЗ
Рис. 11. Положение фигуративных точек составов гнейсов кольской серии на дискриминантной диаграмме Б1 - Б2 [27]. Условные обозначения: 1-2 - умереннокальциевые гнейсы кольской серии ЦКБ: 1 - северо-западной части блока (район реки Малая Титовка);
2 - центральной части блока (район озера Пулозеро); 3 - высококальциевые гнейсы кольской серии центральной части ЦКБ (гора Полнек-Тундра)
Применение петрохимических методов реконструкции первичной характеристики метаморфических пород района Пулозеро - Полнек-Тундры показало, что природу высококальциевых гнейсов кольской серии нельзя назвать однозначно осадочной или магматической.
На диаграмме MukulR. Bhatia [27] F1 - F2 (рис. 11) фигуративные точки составов высококальциевых гнейсов кольской серии ЦКБ образуют поле, которое охватывает область значений, характерных для отложений, сформированных как в обстановках океанических вулканических дуг, так и активных континентальных окраин. Точки же умереннокальциевых гнейсов кольской серии северозападной и центральной части ЦКБ располагаются в области значений,которые характерны для отложений, сформированных в обстановках активных континентальных окраин.
Анализ диаграмм La/Sc - Th/Co [28] и Co/Hf - Ce/Cr [29] указывает, что существенную роль в качестве источника сноса играли магматические породы кислого состава (рис. 12), которые по своему геохимическому составу близки к среднему архейскому аргиллиту (рис.13).
Th/Co 20 10
Silicic
^ Rocks
0.1
0.01
Basic Rocks '
1
0.01
0.1
La/Sc
ю
1 ♦ 2 ■ ЗА
Рис. 12. Положение фигуративных точек составов гнейсов кольской серии на дискриминантной диаграмме La/Sc - Th/Co [28]. Условные обозначения см. на рис. 11
Co/Hf
Рис. 13. Положение фигуративных точек составов гнейсов кольской серии на дискриминантной диаграмме La/Sc - Th/Co [29]. Условные обозначения: 1-3 см. на рис. 11;
4 - PAAS - постархейский глинистый сланец [30]; 5 - ARSh- средний архейский аргиллит
Таким образом, изучены специфические по составу высококальциевые гнейсы кольской серии ЦКБ, отличающиеся от умереннокальциевых гнейсов по содержанию таких элементов, как СаО, №20 и БеО*. В высококальциевых гнейсах содержание СаО почти в два раза выше, а №20 в 3-4 раза ниже, чем в умереннокальциевых гнейсах при близких содержаниях кремнезема, а также отмечается более низкое содержание таких элементов, как Си, N1, Сг, V, РЬ, 8г, Ва, и более высокое содержание ва и 8п относительно умереннокальциевых гнейсов.
Результаты геолого-петрографических исследований алюмосиликатных высококальциевых гнейсов кольской серии района горы Полнек-Тундра ЦКБ позволяют сделать вывод об их полиметаморфической природе. В них установлены два минеральных парагенезиса: ранний парагенезис представленО1;59-б9 + В132-45 (коричневый) + Р1б9-99 ± КГ8+^2, поздний - Оі: 74-81+ В^-38 (зеленый) + Р1б3-92 + ^2. Значения раннего кульминационного метаморфизма гранулитовой фации оцениваются в Т = 765-830оС и Р = 8.5-11.3 кбар, а позднего - Т = 600-675 оС и Р = 5.0-7.7 кбарсоответственно.
и-РЬ возраст цирконов ранней минеральной ассоциации определен в 2733±5.1 млн лет [18] и интерпретируется как время проявления метаморфизма гранулитовой фации в высококальциевых гнейсах кольской серии, что близко к гранулитовому метаморфизму в умереннокальциевых гнейсах кольской серии (2724±49 млн лет) [1].Полученный И-РЬ возраст цирконов поздней генерации 2551.4±8.9 млн лет [18] интерпретируется как время проявления наложенного метаморфизма амфиболитовой фации в высококальциевых гранат-биотитовых гнейсах кольской серии, это близко к наложенному метаморфизму в умереннокальциевых гнейсах кольской серии (2568±10 млн лет) [1].
Применение петрохимических методов реконструкции первичной природы высококальциевых и умереннокальциевых гнейсов ЦКБ показало, что их протолиты нельзя назвать однозначно осадочными или магматическими. Особенности их химического состава можно объяснить смешанным осадочным и осадочно-вулканогенным генезисом исходных пород, а также влиянием процессов метаморфизма. С учетом анализа данных по редкоземельным элементам из глиноземистых гнейсов Центрально-Кольского блока [6] и модели, предложенной С.М. Мак-Леннаном, С.Р. Тейлором [30, 31], можно предположить, что гнейсы кольской серии Центрально-Кольского блокаесть также высокометаморфизованные и мигматизированные продукты эрозии и смешения выветривавшихся пород бимодальных вулканоплутонических комплексов.
В заключение следует отметить, что проблема природы специфических высококальциевых гнейсов кольской серии ЦКБ пока до конца не решена. Возможно, это специфические образования неоархея, дальнейшее изучение которых позволит более подробно реконструировать геологическую историю высокометаморфизованных гранулито-гнейсовых областей ЦКБ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Этапы и условия формирования архейского эндербит-гранулитового комплекса района Пулозеро - Полнек-Тундра Центрально-Кольского блока (Кольский п-ов) / Л.С. Петровская [и др.] // ДАН. 2007. Т. 416, №3. С. 370373. 2. Бондаренко Л.П. Стратиграфия кольской серии архея в зоне Центрально-Кольского антиклинория / Л.П. Бондаренко, В.Б. Дагелайский // Стратиграфия и изотопная геохронология докембрия восточной части Балтийского щита. Л.: Наука, 1971. С. 15-20. 3. Бондаренко Л.П. Геология и метаморфизм пород архея центральной части Кольского п-ова / Л.П. Бондаренко, В.Б. Дагелайский // Л.: Наука, 1986. 168 с. 4. Добржинецкая Л.Ф. Структурно-метаморфическая эволюция кольской серии // М.: Наука, 1978. 148 с. 5. Горяинов П.М. Кольско-Норвежский мегаблок - древнейший кратон в докембрии Кольского п-ова // Региональная геотектоника раннего докембрия СССР. Л.: Наука, 1980. С. 88-103. 6. Авакян К.Х. Геология и петрология Центрально-Кольской гранулито-гнейсовой области архея / М.: Наука, 1992. 168 с. 7. Неоархейский эндербит-гранулитовый комплекс района Пулозеро - Полнек-Тундра Центрально-Кольского блока: этапы и
термодинамические режимы развития (Кольский п-ов) / Л.С. Петровская [и др.] // Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2010. 78 с. 8. Радченко А.Т. Объяснительная записка к геологической карте северо-восточной части Балтийского щита масштаба 1:500000 / А.Т. Радченко, В.В. Балаганский, А.А. Басалаев //Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1994. 96 с. 9. Петровская Л.С. Метаморфизм гнейсов кольской серии района Полнек-Тундры (Центрально-Кольский блок) / Л.С. Петровская, М.Н. Петровский, А.В. Базай // Петрология и рудоносность регионов СНГ и Балтийского щита.Международное (X Всероссийское) петрографическое совещание: Петрография XXI век. Т. 3. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2005 а. С. 223-225. 10. Петровская Л.С. Термодинамические условия образования гранатов из высококальциевых гнейсов кольской серии района Полнек-Тундры (Центрально Кольский блок) / Л.С. Петровская, М.Н. Петровский, А.В. Базай // XV Российское совещание по экспериментальной минералогии. Сыктывкар: Геопринт, 2005 б. С. 292-294. 11. Петровская Л.С. Петрогеохимическая реконструкция первичной природы позднеархейских гнейсов кольской серии района Пулозеро - Полнек-Тундры (Кольский п-ов) / Петрология магматических и метаморфических комплексов. / Л.С. Петровская, М.Н. Петровский // Материалы Всероссийской петрографической конференции. Вып. 5, т. 2. Томск, 2005. С. 385-391. 12. Другова Г.М.
Некоторые закономерности изменения состава граната, биотита, роговой обманки при региональном метаморфизме / Г.М. Другова, В.А. Гпебовицкий // Региональный метаморфизм докембрийских формаций СССР. Л.: Наука, 1965. С. 33-45. 13. ПерчукЛ.Л. Биотит-гранат-кордиеритовые равновесия и эволюция метаморфизма / Л.Л. Перчук, И.В. Лаврентьева, Л.Я. Аранович. M.: Наука, 1983. 197 с. 14.Hoisch T.D. Empirical calibration of six geobarometers for the mineral assemblage quartz+muscovite+biotite+plagioclase+garnet // Contrib. Mineral. and Petrol. 1990. Vol. 104. P. 225-234. 15. Hoisch T.D. Equlibria within the mineral assemblage
quartz+muscovite+biotite+plagioclase, and implication for the mixing properties of octahedrally-coordinated cations in muscovite and biotite // Contrib. Mineral. andPetrol. 1991. Vol. 108. P. 43-54. 16. Герасимов В.Ю. Температурная эволюция метаморфизма и обратимость минеральных равновесий. М.: Наука, 1992. 129 с.
17. Глебовицкий В.А.Минеральные фации как критерии оценки Р-Т параметров метаморфизма // Термо- и барометрия метаморфических пород. Л.: Наука, 1977. С. 5-39. 18. Petrovskaya L.S. The Neoarchaean enderbite-granulite complex of the Central Kola block: Stages of evolution (Kola Peninsula) / L.S. Petrovskaya, T.B. Bayanova, V.P. Petrov // ВестникМГТУ. 2012. Т. 15. № 2.С. 395-402. 19. La Roche H. (de), Roubault M.Comporterment geochimique differentiel de Na et Al dans les formations volcaniques et sedimentaires: un guide pour L'etude des formations metamorphiques et plutoniques // Completes Rendus. Acad. Sci. Paris. 1968. V. 267. P. 39-42. 20. Предовский А.А. Реконструкция условий седиментогенеза и вулканизма раннего докембрия / Л.: Наука, 1980. 152 с. 21. Дубровский М.И. Геология, вещественный состав и генезис «гиперстеновых диоритов» восточного предгорья Главного хребта / М.И. Дубровский, А.Н. Микляев // Основные и ультраосновные породы Кольского п-ова и их металлогения. Апатиты: Изд. Кольский филиал АН СССР, 1975. С. 91-108. 22. Неелов А.Н. Петрохимическая классификация метаморфизованных и вулканических пород // Л.: Наука, 1980. 100 с. 23. Петров В.П. Метаморфизм супракрустальных комплексов раннего докембрия: (северо-восточная часть Балтийского щита) / В.П. Петров, О.А. Беляев, З.М. Волошина. Л.: Наука, 1986. 272 с. 24. Петровская Л.С. К вопросу о первичной природе и возрасте высококальциевых гнейсов кольской серии, Центрально-Кольский блок / Л.С. Петровская [и др.]// Минералогия, петрология и полезные ископаемые Кольского региона. Труды VIII Всероссийской (с международным участием) Ферсмановской научной сессии, посвященной 135-летию со дня рождения академика Д.С. Белянкина (18-19 апреля 2011 г.). Апатиты: Изд-воК&М, 2011. С. 196-202. 25. Werner C.D. Saxonian granulites - a contribution to the geochemical diagnosis of original rocks in high metamorphic complexes // Gerlands Beitr. Geophys. 1987. Vol. 96, № 3-4. P. 271-290. 26. Дубровский М.И. Парагенетический анализ минеральных ассоциаций минеральных ассоциаций гранитоидов // Л.: Наука, 1987. 256 с. 27. Bhatia M.R. Plate tectonics and geochemical composition of sandstones // J. Geology. 1983. Vol. 91, № 6. P. 611-627. 28.Cullers R.L.Implications of elemental concentrations for provenance, redox conditions, and metamorphic studies of shales and limestones near Pueblo, CO, USA // Chemical Geology. 2002. Vol. 191. P. 305-327. 29. Gu XX. Geochemical characteristics of the Triassic turbidities in the northwestern Sichuan, China, implications for provenance and interpretation of the tectonic setting // Geochim. et cosmohim, acta. 1994. Vol. 58. P. 4615-4631. 30.Тейлор С.Р. Континентальная кора её состав и эволюция. Рассмотрение геохимической летописи, запечатленной в осадочных породах / С.Р. Тейлор, С.М. Мак-Леннан. М.: Мир, 1988. 384 с. 31.Мак-Леннен С.М. Архейские осадочные породы и их соотношения с составом архейской континентальной коры / С.М. Мак-Леннен,
С.Р. Тейлор // Геохимия архея. М.: Мир, 1987. С. 68-97.
Сведения об авторах
Петров Валентин Петрович - д.г.-м.н., профессор, зам. председателя КНЦ РАН; e-mail: [email protected]
Петровская Лариса Сергеевна - к.г.-м.н., научный сотрудник; e-mail: [email protected]
Петровский Михаил Николаевич - к.г.-м.н., научный сотрудник; e-mail: [email protected]
Тимофеева Марина Геннадьевна - к.б.н., научный сотрудник; e-mail: [email protected]
