Минералогия пород ловозерской свиты и продуктов их контактово-метасоматического преобразования в щелочных массивах

Хибинский и Ловозерскнй массивы — крупнейшие в мире массивы нефелиновых сиенитов и фоидолитов. Своей уникальностью, заключающейся, прежде всего, в колоссальных запасах апатито-нефелиновых, эвдпалитовых и лопаритовых руд и в богатейшей минералогии, они уже второе столетие привлекают внимание геологов самых разных специальностей (Ферсман и др., 1928; Зак и др., 1972; Буссен, Сахаров, 1972; Галахов, 1975; Костылева-Лабунцова и др., 1978; Боруцкий, 1988; Хомяков, 1990; Пеков, 2001; Yakovenchuk et al, 2005 и др.). Данная работа является частью многолетних исследований Хибинского и Ловозерского массивов, проводимых сотрудниками лабораторий самоорганизации минеральных систем и физических методов изучения пород, руд и минералов Геологического института Кольского НЦ РАН.

Ксенолиты вулканогенно-осадочных пород ловозерской свиты, как неметаморфизо-ванных, так и подвергшихся контактово-метасоматической переработке, являются неотъемлемыми структурными элементами Ловозерского и Хибинского массивов, поэтому их всестороннее изучение представляет несомненный научный интерес. Однако, в работах, посвященных геологии упомянутых массивов, породам ловозерской свиты уделено недостаточно внимания. Практически не изучена петрография неметаморфизованных пород свиты, преобладающих в составе ксенолитов в Ловозерском массиве, а также их орогови-кованных и фенитизированных аналогов («глиноземистых роговиков») из ксенолитов в Хибинском массиве. Вплоть до недавнего времени исследование этих пород было затруднено их чрезвычайной тонкозернистостью (первые микрометры-десятки микрометров), так что предшественниками был, по сути, определен лишь состав наиболее крупных порфироблас-тов, а также секущих эти породы жил (Костылева-Лабунцова и др., 1978; Шлюкова, 1986; Боруцкий, 1988). С развитием физических методов исследования минералов и появлением в Геологическом институте Кольского НЦ РАН современных приборов (прежде всего, сканирующего электронного микроскопа LEO 1450 с энергодисперсионной приставкой Rontek) возможности для изучения состава рассматриваемых пород значительно расширились. Образование необычных минеральных ассоциаций роговиков (анортоклазо-секанинаитовой, фаялито-герцинито-анортоклазовой. андалузито-топазо-анортоклазовой, кварцево-кордие-рито-анортоклазовой п др.) связано с контактово-метасоматическими преобразованиями весьма необычного вида и это обуславливает актуальность проблемы с петрологической точки зрения. Спорным до сих пор являлся вопрос и о первичной природе роговиков.

Чрезвычайно богата и разнообразна, но мало изучена минералогия вулканогенно-осадочных пород и образовавшихся по ним роговиков и фенитов — здесь сосредоточено 30% минералов из известных в пределах Хибино-Ловозерского комплекса (169 из 574). Изначально весьма примитивные по составу вулканогенно-осадочные породы в ходе термального метаморфизма и фенитизации обогащаются элементами, не свойственными ни для самих этих пород, ни для нефелиновых сиенитов, порождая целый ряд соединений V, W, Sn, Sb и Те, в том числе и неизвестные науке фазы.

Кроме того, ксенолиты высокометам^рфизованных вулканогенно-осадочных пород и в Хибинском, и в Ловозерском массиве пространственно связаны с месторождениями и рудопроявленнями фторапатита, генезис которых до снх пор является предметом не менее оживленных дискуссий, чем генезис самих массивов. Очевидно, что изучение процессов изменения высококальциевых и высокотитанистых вулканогенно-осадочных пород как одного из вероятных источников этих элементов для формирования апатитовых и титанитовых руд является весьма актуальным.

В последние годы в нефелиновых сиенитах, вмещающих ксенолиты роговиков, установлен ряд новых микропористых минералов кальция, которые имеют уникальные свойства катионообменников и молекулярных сит — мннералы групп зорита, иванюкита, лабун-цовита и др. (Иванюк и др., 2002; КлуоуюЬеу е1 а1., 2007), и этот факт еще более повышает актуальность данной работы.

Целью работы явилось изучение геологического положения, петрографии и минералогии вулканогенно-осадочных пород ловозерской свиты и продуктов их контактово-мета-соматического преобразования. Отсюда вытекают следующие задачи исследования:

1. Установить геологическое положение вулканогенно-осадочных пород и роговиков в разрезе Ловозерского и Хибинского массивов;

2. Изучить петрографию и петрохимшо вулканогенно-осадочных пород, роговиков и образовавшихся по ним фенитов;

3. Установить природу исходных пород роговиков Хибинского массива-'.

4. Детально изучить минералогию пород ловозерской свиты и проследить эволюцию ми-нералообразовапия в ходе термально-метасоматического преобразования вулканогенно-осадочных пород в роговики и фениты.

Объем и структура работы. Первая глава диссертации посвящена краткой геолого-петрографической характеристике Хибинского и Ловозерского массивов, с анализом геологической позиции ксенолитов вулканогенно-осадочных пород: по кольцевым разломам в первом из них и по всему объему дифференцированного комплекса, во втором. Вторая глава касается петрографии вулканогенно-осадочных пород и продуктов их контактово-ме-тасоматического изменения. Контактово-метасоматические изменения изначально примитивных по минеральному составу базальтов, кварцитов и туффитов породили многочисленные, подчас весьма неожиданные минералы и их ассоциации, описанию которых посвящена самая большая по объему третья глава. В составе вулканогенно-осадочных пород Хибинского и Ловозерского массивов нами достоверно установлено 169 минералов, 75 из которых — впервые для рассматриваемых пород, а 26 — впервые для данных массивов. Установлено 7 не известных науке фаз и начато их детальное изучение с целью утверждения в качестве минеральных видов. Для каждого минерала выполнено исследование химического состава, дано описание ассоциации, морфологии и анатомии индивидов и агрегатов, вторичных изменений, приведены гранулометрические характеристики и т. д. Диагностика большинства минералов подтверждена методами рентгенофазового анализа. Четвертая глава представляет собой обобщение результатов петролого-мпнералогических исследований, включая данные по петрохимии.

Работа общим объемом 328 страниц включает 101 таблицу, 253 рисунка и список цитированной литературы из 148 наименований. В качестве основных генетических выводов проведённых исследований выдвинуты следующие защищаемые положения:

1. Ловозерская свита представлена ксенолитами переслаивающихся оливиновых базальтов, их туфов, туффитов и кварцито-песчаников трапповой формации, подвергшихся более (в Хибинском массиве) или менее (в Ловозерском массиве) интенсивному термальпо-метаеоматическому преобразованию на контакте с щелочными породами;

2. В вулканогенно-осадочных породах ловозерской свиты и продуктах их контак-тово-метасоматического изменения сосредоточено 30% минералов, известных в пределах Хибппо-Ловозерского комплекса (169 из 574), причем все разнообразие их ассоциаций обусловлено интенсивностью н температурным режимом фенитизации;

3. Уменьшение температуры и щелочности фенитизирующих растворов по мере их продвижения вглубь ксенолита вулканогенно-осадочных пород приводит к разрушению комплексных ионов редких и рассеянных элементов и образованию не характерных для щелочных массивов минералов V, У, Бп, БЬ и Те, включая ряд не известных науке фаз.

Научная новизна. Проведено комплексное изучение структурно-вещественной зональности Хибинского массива по профилю от ж/д станции Хибины через апатитовое рудопрояв-ление Пика Марченко и месторождение Коашва к краю массива у подножья г. Китчепахк, пересекшем все основные участки локализации ксенолитов вулканогенно-осадочных пород в этом массиве. Приведены новые сведения о геологическом строении, петрографии, минералогии и геохимии большинства других ксенолитов вулканогенно-осадочных пород в нефелиновых сиенитах и фоидолитах Хибинского и Ловозерского массивов. Детально изучено 169 минеральных видов (30% от известных в пределах Хибино-Ловозерского комплекса минералов), в том числе 75 — впервые для рассматриваемых пород и 26 — впервые для этих массивов, а также 7 новых фаз. Впервые изучены статистические свойства полосчатости туффитов и продуктов их контактово-метасоматического изменения, оказавшиеся полностью идентичными. Показано соответствие вулканогенно-осадочных пород ловозерской свиты трапповой формации. На основании анализа минеральных парагенезисов роговиков предложена принципиально новая модель их происхождения в резульгате высокотемпературной фенитизации базальтов, кварцитов и туффитов. Показано, что основное разнообразие акцессорных и редких минералов связано с регрессивным этапом фенитизации, равно как накопление и локализация в виде самостоятельных фаз не свойственных для рассматриваемых комплексов V, 8п, 8Ь и Т. е.

Фактический материал и методы исследований. В работе использованы материалы полевых исследований автора 2001—2003 гг. и полевых работ Ю. П. Меньшикова (ГИ КНЦ РАН), а также материалы, опубликованные другими исследователями. Изучено более 300 комбинированных шлифов, проведена диагностика всех установленных фаз по данным микрозондового и рентгенофазового анализов (964 анализа), выполнен расчет формул минералов для всех проанализированных зерен, проведена статистическая обработка полученных данных с целью выявления схем изоморфных замещений и типохимизма. Выполнено описание петрографии и минералогии 268 образцов по всем этим данным. Обработано 73 полных химических анализа пород. Проведен анализ фрактальной размерности слоистости вулканогенно-осадочных пород и полосчатости роговиков посредством Фурье-анализа.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования её результатов для выявления участков развития микропористых титаносиликатов с уникальными свойствами катионообменников и молекулярных сит, для поиска и всестороннего изучения новых химических соединений, для разработки моделей концентрирования рудных и микроэлементов в щелочных комплексах.

Апробация работы и публикации. Результаты настоящих исследований обсуждались на I, II, III и V ферсмановских научных сессиях Кольского отделения РМО (Апатиты, 2004, 2005,2006 и 2007), а также на международном совещании «Minerals as advanced materials I» (Апатиты, 2007). По вопросам, так или иначе затрагиваемым в диссертации, опубликованы 3 статьи в международных журналах, 5 статей в отечественных реферируемых журналах и 10 статей в сборниках трудов и материалов конференций.

Благодарности. Исследования проводились в соответствии с научными программами лабораторий самоорганизации минеральных систем и физических методов изучения пород, руд и минералов Геологического института Кольского НЦ РАН (4−99−4804 «Самоорганизация минеральных систем: геодинамические и металлогенические следствия», 4−2004;3201 «Новые и уникальные минералы палеозойских щелочных массивов» и 4−2004;4801 «Пер-коляционные кластеры как ведущий мотив геологического структурирования тектоносфер-ных ансамблей» в тесном сотрудничестве с д.г.-м.н. Г. Ю. Иванюком, Ю. П. Меныпиковым, к.г.-м.н. Я. А. Пахомовским, к.г.-м.н. В. Н. Яковенчуком и Н. Г. Коноплёвой. Все микрозондо-вые анализы минералов, РЭМ-фотографии кристаллов и изображения шлифов в обратно-рассеянных электронах выполнены Я. А. Пахомовскимрентгеновские исследования проведены Ю. П. Меньшиковым. Начальные этапы изучения ксенолитов вулканогенно-осадочных пород поддерживались грантами Комитета природных ресурсов по Мурманской области (51−99−21/1: «Сбор и обобщение материалов по минералогии пород и руд Хибинского массива» и 51−2001;1/1: «Сбор и обобщение данных по геологическому строению, полезным ископаемым и минералам Ловозерского массива»). Полевые работы в полном объеме финансировались ОАО «Минералы Лапландии» (г. Апатиты) и ОАО «Апатит» (г. Кировск). Всем названным лицам и организациям я выражаю самую искреннюю благодарность.

Отдельно хочу отметить моих университетских учителей к.г.-м.н. Н. И. Краснову и к.г.-м.н. С. Н. Бритвина, прививших мне первые навыки скрупулезной работы с веществом, а также к.г.-м.н. В. Н. Яковенчука, много времени потратившего на их совершенствование.

Наконец, я выражаю особую признательность моим научным руководителям д.г.-м.н., проф. П. М. Горяинову, д.г.-м.н. Г. Ю. Иванюку и Ю. П. Меньшикову, под чьей постоянной заботой я пребывала, начиная с полевых работ в Хибинских и Ловозерских тундрах, и заканчивая версткой данной работы.

Основные выводы работы могут быть сформулированы следующим образом:

Ловозерская свита представлена ксенолитами переслаивающихся оливиновых базальтов, их туфов, туффитов и кварцито-песчаннков трапповой формации, подвергшихся более (в Хибинском массиве) или менее (в Ловозерском массиве) интенсивному термально-метасоматическому преобразованию на контакте с щелочными породами;

2. В вулканогенно-осадочных породах ловозерской свиты и продуктах их контактово-метасоматического изменения сосредоточено 30% минералов, известных в пределах Хибино-Ловозерского комплекса (169 из 574), причем все разнообразие их ассоциаций обусловлено интенсивностью и температурным режимом фенитизации;

3. Уменьшение температуры и щелочности фенитизирующих растворов по мере их продвижения вглубь ксенолита вулканогенно-осадочных пород приводит к разрушению комплексных ионов редких и рассеянных элементов и образованию минералов V, У, $п, вЬ и Те, включая ряд не известных науке фаз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа посвящена изучению геологии, петрографии и минералогии вулканогенно-оса-дочных пород ловозерскои свиты, залегающих в виде ксенолитов среди щелочных пород Ловозерского и Хибинского массивов, выполненном автором в лаборатории самоорганизации минеральных систем Геологического института Кольского НЦ РАН под руководством проф. П. М. Горяинова.

В Ловозерском массиве, сложенном ритмично чередующимися слоями нефелиновых сиенитов фойяит-малиныггового ряда (луявритов) и ийолит-уртитов, ксенолиты вулкано-генно-осадочных пород распределены в виде отдельных скоплений по всему 2-километровому разрезу дифференцированного комплекса (включая его верхнюю обогащенную эвдиалитом часть), имеют пластовую или линзовую форму и сложены переслаивающимися друг с другом кварцитами, туффитами и оливиновыми базальтами трапповой формации. В пределах собственно дифференцированного комплекса степень контактово-метасоматичес-кого изменения вулканогенно-осадочных пород стремится к нулю вследствие низкой теплоемкости сравнительно небольших инъекций щелочных пород, послойно внедрявшихся в трапповую толщу. Ближе к кровле массива, в пределах комплекса эвдиалитовых луявритов, увеличение объема щелочных расплавов привело к преобразованию слагающих ксенолиты туффитов п базальтов в герцинито-аннито-анортоклазовые роговики и фениты, частичной их ассимиляции и обогащению луявритов н ийолит-уртитов кальцием и магнием — вплоть до формирования апатито-титанитовых пород хибинского типа.

В Хибинском массиве ксенолиты вулканогенно-осадочных пород ловозерскои свиты сосредоточены, преимущественно, в пределах Малого и Главного кольцевых разломов, выполненных различными фоидолитами и связанными с ними метасоматическими породами. Степень контактово-метасоматических преобразований слагающих ксенолиты пород возрастает по мере приближения к Главному кольцу от практически не метаморфизованных кварцитов, базальтов и туффитов в ксенолитах периферических участков массива к секанинаито-аннито-кварцевым, диопендо-эденито-анортоклазовым, фаялнто-аннито-анортоклазовым роговикам и развивающимся по ним фенптам Малого кольца и, далее, к герциннто-корун-до-анортоклазовым, андалузито-топазовым, аннито-секанинаитовым, аннито-фаялитовым и другим высокометаморфизованным роговикам и фенптам района Главного кольца. Такая зональность, очевидно, связана с прогревом и метасоматнческой переработкой фойяитов с ксенолитами вулканогенно-осадочных пород фоидолитовыми расплавами, внедрившимися по кольцевом разломам (сравнительно слабыми в пределах Малого кольца и более интенсивными в пределах Главного).

Характеристика полосчатости метатуффитов посредством Фурье-анализа последовательностей интенсивности черного цвета в окраске шлифов и полированных образцов показала, что эти породы имеют единственный весьма характерный тип полосчатости, практически отсутствующий во вмещающих метаморфических породах: периодическое чередование мало и высокожелезистых минералов на интервале масштабов до 3−6 мм сменяется хаотическим на больших масштабах. Иными словами, все изученные последовательности представляют собой марковские цепи низших (второго, от силы третьего) порядков, в которых полностью отсутствует память о предыдущих событиях уже на расстоянии 3−6 мм. Важно и то, что в ходе ороговикования и фенитизации статистические характеристики полосчатости практически не изменяются, и высокометаморфизованные роговики Хибинского массива в этом плане совершенно идентичны неизмененным туффитам Ловозерского массива.

Нашими исследованиями в вулканогенно-осадочных породах и развивающихся по ним роговиках и фенитах из ксенолитов в нефелиновых сиенитах и ийолит-уртитах Ловозерского и Хибинского массива установлено более 170 минеральных видов, 26 из которых — впервые для данных массивов. Это составляет 30% от всех известных в Хибино-Ловозерском комплексе минералов. Кроме того, приведены сведения о 7 неизвестных фазах, которые находятся в стадии подготовки к утверждению в КНМММА (и это лишь небольшая часть присутствующих в роговиках неизвестных науке соединений). Скрупулезный анализ взаимоотношений минералов и их ассоциаций в ходе контактово-метасоматического преобразования кварцитов, туффитов и оливиновых базальтов позволил нам связать образование так называемых глиноземистых роговиков, аналоги которых отсутствуют не только в неизмененных породах Ловозерской свиты, но и в обрамлении обоих массивов, с процессом высокотемпературной фенитизации вулканогенно-осадочных пород.

При этом образуются роговики достаточно примитивного минерального состава, исчерпывающегося приведенными в реакциях минералами. Однако по мере падения температуры и дальнейшего развития процессов фенитизации в них появляется множество акцессорных минералов, часть которых (лоренценит, розенбушит, ловенит, куспидин, эвдиалит, арфведсонит и др.) характерна и для вмещающих нефелиновых сиенитов и фоидолитов, а часть (минералы V, XV, Бп, 8Ь и Те) представляет собой совершенно уникальное для щелочных массивов явление, обусловленное сорбцией роговиками рассеянных элементов из перколирующих щелочных флюидов.

В конце концов как вулканогенно-осадочпые породы, так и продукты их термально-метасоматического преобразования (роговики) превращаются в собственно фениты—тонкомелкозернистые породы, химический и минеральный состав которых не отличим от состава вмещающих нефелиновых сиенитов и фоидолитов (нефелин, содалит, эгирнн, титанит, лоренценит, энигматит, астрофиллнт, арфведсонит и другие щелочные амфиболы, лопарит-(Се) и т. д.).