Флюидный режим метаморфизма архейской железисто-кремнистой формации Сарматии (по данным изучения флюидных включений)

Актуальность работы. Одной из главных проблем в настоящее время является количественная оценка Р-Т условий метаморфизма и реконструкция на этой' основе картины пространственного распределения температур и давления при формировании древних метаморфических толщ. Детальное изучение геологии и петрологии метаморфических комплексов, широкое применение результатов экспериментального моделирования природных процессов и постоянное развитие методов парагенетического анализа значительно расширили в последнее время представления о термодинамических условиях метаморфизма.

Вместе с тем из-за неоднозначности, получаемых результатов и сложности проблемы имеющихся данных все еще недостаточно, иэто составляет место для широкой’дискуссии по самым различным вопросам. Поэтому за последние десятилетия исследование' флюидных включений стало одним из важнейших и перспективных методов познания физико-химических и геохимических особенностей глубинных геологических процессов. Флюидные включения в минералах, захваченные во время их кристаллизации и в ходе последующих метаморфических преобразований, являются единственным прямым источником информации о составе, плотности и эволюции флюида при метаморфизме.

Цель и задачи исследования

Цель настоящей работы — реконструкция условий метаморфизма пород архейских железистых формаций* Сарматии (Воронежский кристаллический массив (ВКМ) и Украинский щит (УЩ)) (Р-Т параметры, флюидный режим и его связь с основными метаморфическими событиями). В соответствии с этой целью при проведении исследования были определены следующие задачи:

• анализ распределения и морфологии флюидных включений в различных минералах гранулитов: пород железистой формации, метапелитов, метабазитов;

• оценка состава и плотности древнего захороненного метаморфического флюида;

• выявление генераций флюидных включений и определение I хронологической последовательности их формирования;

• оценка Р-Т параметров и флюидного режима метаморфизма.

Фактический материал. Объектом исследований являлись породы архейской железисто-кремнистой формации Курско-Бесединского блока ВКМ и Мариупольского рудного поля Приазовского блока УЩ.

Основой для исследований послужили материалы, собранные автором в течение 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), «Российские университеты» (НИЧ-5041 и Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 01−05−65 018, 03−05−64 071, 04−564 585,04−05−65 109,06−05−64 088). ,.

В процессе выполнения работ детально задокументирован керн 36 скважин и детально описаны шлифы и пластинки для изучения флюидных включений по 22 скважинам. При исследовании вещественного состава пород использовался комплекс методов оптической микроскопии и аналитических исследований.

Научная новизна. Все полученные выходе выполнения работы результаты исследований являются новыми и оригинальными.

Детально исследованные углекислотные включения очень высокой плотности из архейских железистых кварцитов Воронежского кристаллического массива и Украинского щита наряду с обнаруженными в этих породах структурами распада сосуществующих ортои клинопироксенов позволили впервые определить условия пикового метаморфизма в регионе.

Интерпретация данных по флюидным включениям в минералах позволила скорректировать параметры и тренд метаморфизма, обосновать его полистадийность, определить флюидный режим метаморфических преобразований. Сделан вывод о гетерогенном, по крайней мере, двухфазовом, характере метаморфогенного флюида.

Установлен реликтовый (протолитовый) характер N2(± СН4) флюида, что определяет его важное значение в качестве биомаркера мезоархейских осадков.

Следует отметить, что до сих пор исследования флюидных включений* в метаморфических породах ВКМ не проводилось.

Практическая значимость результатов работы. Проведенная реконструкция метаморфической истории флюидно-термальных событий архейских железистых формаций ВКМ и УЩ может быть использована для более полной и объективной оценки^ геодинамического режима на ранних стадиях развития Земли (в архее и палеопротерозое) для^ типичных докембрийских регионов.

Комплексное исследование Р-Т параметров и флюидного режима метаморфизма как методами минералогической термобарометрии, так и микротермометрии (исследования флюидных включений в минералах) могут применяться в практике фундаментальных и прикладных исследований.

Результаты исследований использовались в Воронежском государственном университете при составлении карты метаморфизма докембрия Восточно-Европейской платформы масштаба 1:1 000 000 (объект 7.4 — 4 106 Федерального агентства по недропользованию России).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Архейские гранулиты ВКМ содержат преимущественно углекислотные включения и значительно реже азотно-метановые, азотно-водные, водно-солевые и водные. Выделено три генерации углекислотных включений: FL1 с минимальными температурами гомогенизации -49.2°С, FL2a и FL2b с Thm, n= -14.2 и 0.1 °С соответственно, и FL3 с Thmin = 22.3 °С.

2. В гранулитах Приазовского блока УЩ присутствуют в основном углекислотные включения и в значительно меньшем количестве азотно-метановые, водно-солевые и водные включения. Выделяются две генерации углекислотных включений: FL1 с минимальными температурами гомогенизации -46.6°С и FL2 с Thmin = -29.3 °С.

3. По положению изохор углекислотных включений и данных минералогической термобарометрии в метаморфической истории выделяются следующие метаморфические события, для гранулитов ВКМMl — при Т> 1000 °C, Р = 10−11 кбарМ2 — Т= 710 °C, Р = 4.6−5.2 кбарМЗТ— 615 °C, Р = 3.5 кбардля гранулитов Приазовского блока УЩ — Ml — при Т > 930 °C, Р = 9−10 кбарМ2 — Т= 695 °C, Р = 5−5.4 кбар.

Апробация результатов исследования. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и российских совещаниях («ECROF1» (Siena, Italy, 2005)) — «Granulites and Granulites 2006» (Brazil, 2006)), «Геологи XXI века» (Саратов-2005) — «Ломоносов-2005» (МГУ им. М. В. Ломоносова, 2005 г) — «Апатиты-2006″ (Апатиты, 2006) — „Метаморфизм и геодинамика“ (Екатеринбург, 2006) — Гранулитовые комплексы вгеологическом развитии докембрия и фанерозоя» (Санкт-Петербург, 2007)), а также на ежегодных научных сессиях геологического факультета Воронежского государственного университета (2004;2007 гг.). Основное содержание диссертации отражено в 11 опубликованных работах и тезисах вышеупомянутых совещаний и конференций. Работа выполнена на кафедре полезных ископаемых и недропользования Воронежского государственногоуниверситета и в. лаборатории метаморфизма Института экспериментальной минералогии РАН’с 2003 по 2007 год.

Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 105 страниц, включая 65 страниц текста, 8 таблиц, 27 рисунков и список литературы из 73 наименований, состоит из введения, шести глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена реконструкцииусловий метаморфизма (оценка Р-Т параметровглубинности и флюидного режима): пород железистых формаций докембрия? Воронежскогокристаллическогомассива^ (Курско-Бесединский блок) и Украинского щита (Мариупольское рудноеполе Приазовский блок).

В? результате проведенных исследований обработаны, данные: по флюидным включениям в высокометаморфизованныхпородах: железистойформации Воронежского кристаллического: массива1И:Украинского щита. .

Флюидные включения в породах Воронежского" кристаллического' массива (Курско-Бесединский гранулитовыи блок)' - магнетитовых кварцитах, глиноземисто-железистых породах, метапелитах и метаклинопироксенитах представлены углекислотными' и в подчиненном— количестве — азотно,-метановыми,. азотно • (+метан?)-воднымиводно-солевыми и водными разновидностямиВыделено три генерации СОг включений с: минимальными температурами: гомогенизации: -49.2°С (FL1), -14.2 и 0:1 (соответственно, FL2a и FL2b), 22.3 (FL3). Наиболее • плотные, включения FL1 характеризуют условия пикового метаморфизма и встречены только, в магнетитовых кварцитах, которые часто1 содержат, уникальные клинои ортопироксеньь со структурами распада и температурой первичной кристаллизации > 1000HG. G ними ассоциируют N2-CH4 включения (СН4 от 8 до 39' мол.%). В более позднем по сравнению с пироксенами гранате присутствуют первичные СОг включения исключительно генерации (FL2a, b), состав, и плотность которых, таким образомсоответствуют условиям? его кристаллизации. Водно-солевые включениячасто ассоциирующие с, С02 и N2-CMj разностями, характеризуются относительно^низкими: концентрациями 1.9−4.9 мас.% NaCl экв. По общему химическому составу магнетитовые кварциты и железисто-силикатные: породы заметно отличаются от метабазитов и метаультрабазитов, а темноцветные минералы в них обладают очень высокой и близкой железистостью (например, XFe Grt варьирует от 0.81−0.86 до 0.95−0.97). Это указывает на общность их первичного (осадочного) происхождения. В целом для всех, пород характерна относительно высокая гомогенность этих минералов по составу. Для конкретных зерен граната-: содержащих ОСЬ включения генерации FL2a, b были определены Р-Тусловий их захвата.

Сопоставлением положения изохор углекислотных включений, с данными минералогическойтермобарометрии было, установлено 3 метаморфических (тектоно-термальных) события в' истории, региона: — Mb — пиковый метаморфизм при Т > 1000 °C, Р =• 10−11 кбар, D (глубина) = 36−405 кмМ2 — Т — 710НС, Р — 4.6−5.2 кбар, D.= 16−18 кмМЗ — Т = 615 °C, Р = 3.5 кбар,. D — 12 км. Предполагается также низкотемпературный (М4) метаморфизм, с Т < 400−500°С и Р порядка- 2 кбар. Существенная разница между T-P (D) условиями: пиковой и последующих ретроградных (М2 и МЗ) стадий метаморфизма: может свидетельствовать о существенном разрыве: во: времени также и периодов тектоно-термальной активизации региона.

Флюидные включения в породах Украинского щита (Мариупольское рудное: поле Приазовского блока) — железистых кварцитах представлены: углекислотными и в подчиненном количестве — азотно-метановыми, водно-солевыми и водными разностями. '.

Выделено две генерации С02 включений с минимальными температурами, гомогенизации: -46.6°С (FL1), -29l3?C (FE2). Наиболее плотные включения FL1 по аналогии с ВКМ характеризуют условия пикового метаморфизма и встречены в железистых кварцитах, которые содержат уникальные клинои ортопироксены со структурами распада и температурой первичной кристаллизации. > 930 °C. С ними ассоциируют N2-СЩ включения (СН4 от 3 до 35 мол.%) и водно-солевыми, разностями, характеризующиеся относительно низкими концентрациями 3.85 — 7.01 мас.% NaCl экв.

Сопоставлением положения изохор углекислотных включений с данными минералогическойтермобарометрии было установлено 2 метаморфических (тектоно-термальных) события в истории региона: Ml — пиковый метаморфизм при Т > 930 °C, Р = 9−10 кбар, D (глубина) = 34−36 кмМ2 — Т = 695 °C, Р = 5−5.4 кбар, D = 18−20 км.

Флюидный режим эволюционировал от пика метаморфизма* к ретроградным стадиям, хотя и не очень значительно. На ранних стадиях (пиковые условия) кроме углекислоты, очевидно, глубинного-происхождения, и небольшого количества воды существенную роль во флюиде играла смесь реликтового (протолитового) азота (преимущественно) с метаном, связанная с первичными процессами осадкообразования. На ретроградных метаморфических стадиях (М2 и МЗ) преобладал расслоенный (гетерогенизированный) водно-углекислотный флюид. — Такая гетерогенизация привела в, результате к чисто углекислотному характеру включений в минералах, которые нередко ассоциируют с водно-солевыми включениями. Присутствие азотно-метанового флюида при метаморфизме железистых пород Курско-Бесединскогогранулитового блока ВКМ и-Мариупольского рудного поля Приазовского блока Украинского щита определяет его важнейшее значение как биомаркера докембрийских осадочных процессов.

В высокометаморфизованных железистых кварцитах Воронежского кристаллического массива (Курско-Бесединский блок) впервые обнаружены высокоплотные углекислотные включения и ортои клинопироксены со структурами распада, полностью аналогичными для Мариупольского рудного поля (Приазовский блок, Украинский щит). Это свидетельствует о* близких пиковых температурах метаморфизма (высоких) исследованных первично осадочных пород ВКМ и УЩ, что, в свою очередь, подтверждает представления о распаде крупного континента Сарматии, существовавшего в докембрии, на два сегмента — Украинский щит и ВКМ.