Высокотемпературный метаморфизм гранулитовых комплексов Сарматии

Актуальность темы

определяется: 1) первостепенным значением железистых формаций докембрия как источника железорудного сырья и возрастающей ролью при этом метаморфических пород (магнетитовых кварцитов) — 2) специфической приуроченностью железистых формаций главным образом к архею и палеопротерозою, что определяет их фундаментальное значение в ранней истории Земли- 3) отсутствием корректных данных для количественной оценки физико-химических условий метаморфизма железистых формаций Курско-Бесединского блока Воронежского кристаллического массива (ВКМ) и Приазовского блока Украинского щита (УЩ).

Цель работы — определение физико-химических условий высокотемпературного метаморфизма архейских железисто-кремнистых формаций (ЖКФ) ВКМ и УЩ на основе детального изучения структур распада твердых растворов в минералах.

Основные задачи исследований- 1) изучение в минералах структур распада твердых растворов и определение последовательности образования генераций минеральных фаз- 2) разработка рациональной методики реконструкции химических составов минералов устойчивых на пике метаморфизма: ферроавгитов, пижонитов и полевых шпатов- 3) оценка физико-химических параметров высокотемпературного метаморфизма.

Научная новизна исследований. 1) Впервые для пород ВКМ и УЩ описаны уникальные структуры распада твердых растворов пироксенов и полевых шпатовпредложена принципиально новая схема их распада. 2) Реконструированы химические составы первичных минералов устойчивых на пике метаморфизма. 3) Впервые систематически и на единой основе выполнены количественные определения физико-химических параметров высокотемпературного метаморфизма железисто-кремнистых пород ВКМ и УЩ. 4) Реконструирован Р-Т тренд метаморфизма мезоархейских гранулитовых комплексов Сарматии.

Практическая значимость результатов работы. 1) Данные определения параметров метаморфизма могут быть использованы при поисково-разведочных работах и оценке перспективности различных метаморфогенных железорудных месторождений.

2) Методические подходы к определению температуры метаморфизма применимы к широкому разнообразию кристаллических пород, минералы которых содержат структуры распада твердых растворов. 3) Результаты исследований использовались в Воронежском государственном университете при составлении карты метаморфизма докембрия Восточно-Европейской платформы масштаба 1:1 000 000 (Госконтракт №-АМ-02−43/15 с Федеральным агентством по недропользованию).

Полученные результаты создают принципиально новые возможности в исследовании железистых формаций докембрия. Они представляют решение научной проблемы — оценки физико-химических условий метаморфизма при формировании железорудных месторождений, методом реконструкции по структурам распада первичных равновесных составов.

Настоящая работа развивает новое направление — исследование структур распада твердых растворов как важнейших индикаторов условий природного минералообразования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Для пироксенов из гранулитовых комплексов Сарматии (ВКМ и УЩ) характерны структуры распада твердых растворов. При реинтеграции ламелей ортои клинопироксенов и матрицы зерен получены составы первичных пижонита: En24>Fs625Wo14 — для ВКМEn16, Fs72,Wo12- для УЩ, и ферроавгита: En23, Fs45,Wo32- для ВКМEni5, Fs5i, Wo35- для УЩ, которые впоследствии распадались по двухступенчатой схеме на гиперстен и авгит.

2. В метапелитах ВКМ присутствуют разнообразные структуры распада полевых шпатов: антипертиты, мезопертиты и пертиты. Определен состав первичных высокотемпературных полевых шпатов: Ab47, An25)Or28 — для зерен содержащих антипертитовыеАЬ5о, Апц, Огз9 -мезопертитовыеАЬ29,Апб, Огб5 — пертитовые структуры распада.

3. По реинтегрированным составам первичного пижонита и ферроавгита температуры гранулитового метаморфизма оцениваются: для КурскоБесединского блока ВКМ — 950°С-1000°С при 10−11 кбардля Приазовского блока УЩ — 890°С-930 °С при 10 кбар. Температуры метаморфизма, полученные по первичным составам полевых шпатов составляют 960°С-1050°С.

Фактический материал. Объектом исследования являлись породы архейской ЖКФ Курско-Бесединского блока ВКМ и Приазовского блока УЩ. Основой для исследований послужили материалы, собранные автором в течении 2003;2007 гг. при выполнении тематических работ, проводившихся по планам научных программ Минобразования РФ, грантам ФЦП «Интеграция» (проект Э-0348), Президента РФ (проект МД-248.2003.05), «Развитие научного потенциала Высшей школы. Университеты России» (НИЧ-5041) и Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 01−05−65 018, 03−05−64 071, 04−05−64 585, 04−05−65 109, 06−05−64 088).

В процессе выполнения работ задокументирован керн 36 скважин и детально описано более 1500 шлифов по 22 скважинам. При исследовании вещественного состава метаморфических образований использовался комплекс методов оптической микроскопии и аналитических исследований, который включает 57 силикатных анализов пород. Изучен химический состав 1520 минералов в 75 препаратах. Наиболее информативные минеральные ассоциации и зерна минералов со структурами распада изучались на растровых электронных микроскопах — Jeol 6380 LV (ВГУ) CamScan 2300 (ИЭМ РАН). Химические составы минеральных фаз были получены с помощью энергодисперсионной приставки INCA 250 (ИЭМ РАН, ВГУ).

Апробация работы. Материалы по теме диссертации докладывались на международных и российских конференциях: «ECROFI» (Siena, Italy, 2005) — «Granulites and Granulites 2006» (Brazil, 2006), X Всероссийском петрографическом совещании (Апатиты, 2004), «Геологи 21 века» (Саратов, 2004, 2006), Ломоносов-2005 (Москва, 2005), «Гранулитовые комплексы в геологическом развитии докембрия и фанерозоя» (Санкт-Петербург, 2007), а также на научных сессиях Воронежского государственного университета (2003;2007 гг.). Основное содержание диссертации отражено в 10 опубликованных статьях и в тезисах вышеупомянутых совещаний и конференций. Работа выполнена на кафедре полезных ископаемых и недропользования Воронежского государственного университета.

Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 115 страниц, включая 55 страниц текста, 19 таблиц, 36 рисунков и список литературы из 73 наименований, состоит из введения, семи глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена изучению высокотемпературного метаморфизма гранулитовых комплексов Сарматии: ВКМ и УЩ. Своеобразный состав пород архейской железисто-кремнистой формации накладывает отпечаток на процессы минералообразования в них. Особенности гранулитового метаморфизма в железистых кварцитах изучены недостаточно, в отличие от метапелитов и метабазитов. Это связано с рядом причин, в том числе общего характера:

• для пород железисто-кремнистых формаций еще не разработана смена фаций и субфаций, как, например, для метапелитов;

• попытки физико-химической интерпретации условий метаморфизма железистых формаций основаны на ограниченном экспериментальном материале;

• отсутствие плагиоклаза, низкая глиноземистость пироксенов, высокая железистость и кальциевость гранатов не позволяют использовать эти парагенезисы и составы минералов для определения давления из-за отсутствия геобарометров или расчетов активностей соответствующих твердых растворов.

Поэтому, если в последнее время и появились работы по изучению фазовых равновесий в породах палеопротерозойских железисто-кремнистых формаций, то архейские железисто-кремнистые формации в этом отношении не изучены вовсе. Однако с помощью находок минералов (пироксенов, полевых шпатов) содержащих структуры распада твердых растворов, появилась уникальная возможность определения пиковых температур метаморфизма, а при интерпретации газово-жидких включений из этих минералов — еще и давлений при метаморфизме.

Большую роль в воссоздание составов первичных минералов устойчивых на пике метаморфизма сыграл методологический аспект изучения. С помощью двух независимых методик реинтегрирования были получены составы ферроавгита (En23,Fs45,Wo32) и пижонита (En24,Fs62,Woi4),.

103 имеющие температуры кристаллизации 1000 и 950 °C соответственно. Дополнительным подтверждением полученных значений может служить нахождение в ассоциированных с железистыми породами метапелитах структур распада полевых шпатов — антипертитов, мезопертитов, пертитов, а также присутствие в них высокотемпературной минеральной ассоциации — низкоцинковой шпинели контактирующей с кварцем и высокоглиноземистых ортопироксенов (AI2O3 до 8 мае. %) Помимо этого в метапелитовых гранулитах зафиксированы структуры распада шпинели — тонкие ламели магнетита, которые, по мнению ряда авторов, также свидетельствуют о высокотемпературных условиях метаморфизма.

Температуры метаморфизма полученные по реинтегрированным зернам полевых шпатов составляют: для антипертитов (АЬ47,Ап25,Ог28) -1050 °С, для мезопертитов (Ab5o, Ani ьОг39) -1000 °С, для пертитов (АЬ29,Ап6,Огб5) — 960 °C. Близкие температуры кристаллизации первичных полевых шпатов были ранее получены и для других регионов ультравысокотемпературного метаморфизма ЖКФ — комплексов Скоури и Напиер.

Полученные значения плотности углекислотных включений (Fonarev et. al., 2006) указывают, что давление при метаморфизме архейских магнетитовых кварцитов Сарматии должно быть порядка 10−11 кбар, что соответствует глубинам не менее 36 — 40 км.

Эти результаты, по-видимому, требует объяснения механизмов как погружения первичных осадков на столь значительные глубины, так и их последующей эксгумации. Очевидно, что такое погружение не могло быть следствием простого погребения железистых пород под мощной толщей осадков. Полученные данные свидетельствуют о тектонических механизмах транспортировки их к основанию земной коры, где они претерпели высокотемпературный метаморфизм. Вывод этих пород к земной поверхности, сопровождавшийся заметными регрессивными преобразованиями, был, вероятно, связан с глобальными геотектоническими процессами в последующей тектоно-термальной истории региона.

В соответствии с геологическими данными, высокометаморфизованные магнетитовые кварциты Сарматии тесно ассоциируют с архейскими метаультрабазитами и метабазитами. Эти породы указывают на существовании глубинного источника тепла, связанного, вероятно, с верхней мантией или астеносферой. Вместе с тепловым потоком из этого источника, базитовые и ультрабазитовые магмы могли обеспечить необходимую температуру метаморфической перекристаллизации захороненных железистых осадков.

Новые данные относительно ультравысокотемпературных условий пикового метаморфизма магнетитовых кварцитов и ассоциированных с ними гранулитов Сарматии определяют уникальность этих пород и вместе с ними всего региона как источника информации о состоянии земной коры в архее.

Древнейшие (архейские) толщи, включающие первичноосадочные породы — железистые кварциты (BIF) развиты также на других древнейших кратонах Земли: Исуа (Гренландия), Пилбара (Австралия), Каапвааль (Южная Африка), Земля Эндерби (Антарктида), Скоури (Шотландия) с возрастом соответственно (млрд. лет.): 3,85 (Nutman et.al., 2000), 3,45 (Bolhar et al., 2005), порядка 3,48−3,49 (de Wit, Hart, 1993), 3,07 (Sheraton, Black, 1983) и 2,96−2,49 (Friend, Kinny, 1995). В первых трех регионах сохранились практически неметаморфизованные (< 250 °С) (Пилбара) или слабометаморфизованные (зеленосланцевая и амфиболитовая фации) породы (Исуа, Каапвааль). Эти условия могут соответствовать верхним частям разреза архейских толщ, в то время как их мощность и первичная глубина залегания остаются неизвестными, хотя и предпринимаются попытки их косвенной оценки (Минц, 1999). Значительно более информативны в этом отношении гранулитовые комплексы Шотландии, Украинского щита, Земля Эндерби и ВКМ. Обнаруженные в железистых породах (магнетитовых кварцитах, эвлизитах и др.) из этих комплексов первичные пироксены со структурами распада свидетельствуют об ультравысоких температурах метаморфизма не менее 1000−1020 °С.

Глубина залегания (метаморфизма) железистых пород ВКМ и Шотландии оценивается величиной порядка 35−40 км (Fonarev et al., 2006; Barnicoat, O’Hara, 1979). Для комплекса Напиер, (Антарктида) оценки давления при метаморфизме варьируют от 7−8 кбар до 10−11 кбар (Harley, 1985; Harley, Motoyoshi, 2000), что соответствует глубине 25−30 и 35−40 км. Для Украинского щита, к сожалению, достаточно корректные оценки давлений первичного (пикового) метаморфизма пока отсутствуют. Таким образом, все данные, которые позволяют количественно оценить глубину залегания (и метаморфизма) первично осадочных пород Архея, свидетельствуют о достаточно мощной земной коре (порядка 40 км), сопоставимой с более молодой, в том числе и современной корой. Вопрос о механизмах, ответственных за погружение древнейших первичных осадков Земли на столь значительные глубины, остается пока без однозначного ответа.

Однако очевидно, что одинаковая постметаморфическая эволюция Курско — Бесединского блока ВКМ и Приазовского блока УЩ свидетельствует об общей метаморфической истории регионов в мезоархее в пределах Сарматского нуклеара и ставит их в один ряд с другими ультравысокотемпературными комплексами мира.