На правах рукописи
ГУДИН Александр Николаевич
ПЕТРОЛОГИЯ ПАЛЕОПРОТЕРОЗОЙСКИХ (СУЙСАРСКИХ)
ВАРИОЛИТОВЫХ ЛАВ ОНЕЖСКОЙ СТРУКТУРЫ,
ЦЕНТРАЛЬНАЯ КАРЕЛИЯ,
БАЛТИЙСКИЙ ЩИТ
Специальность 25.00.04 – петрология, вулканология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
Москва - 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) РАН
Научный руководитель:
доктор геолого-минералогических наук, профессор Евгений Витальевич Шарков
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор Виктор Сергеевич Попов доктор геолого-минералогических наук Валерий Федорович Смолькин
Ведущая организация:
Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)
Защита состоится «19» января 2012 года в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.122.01 в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер.,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЕМ РАН Автореферат разослан «16» декабря 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геол.-мин. наук М.А. Юдовская Введение Термин вариолит («оспенный камень») используется для обозначения пятнистых пород с овоидными обособлениями – вариолями, или глобулами размером от миллиметра до нескольких сантиметров, погруженными в микрокристаллическую или стекловатую матрицу. Вариолиты наблюдаются преимущественно в потоках и подушечных лавах, реже - в дайках.
Подобные образования привлекали внимание геологов еще с середины XIX в. Впервые исследование вариолитов в России было начато А.А.
Иностранцевым (1874) с изучения петрографии вариолитовых лав Ялгубского кряжа Центральной Карелии. Классические работы, посвященные описанию и петрогенезису вариолитовых лав, приводятся Ф.Ю. Левинсон-Лессингом (1884) для этих же вариолитов и Г. Розенбушем (1934) для вариолитов Kurplatz (Германия). Этими исследователями были подчеркнуты широкие вариации в соотношениях состава вариолей и вмещающей их матрицы, которые могут различаться значительно по содержанию кремнезема, железа и щелочных металлов.
Глобулярные породы описаны в целом ряде вулканических провинций по всему миру (Fergusson, 1972; Gelinas, Brooks, 1976; Fowler et al., 2002;
Красивская и др., 2010 и др), и известны в породах различного возраста, от очень древних, как, например, в метабазитах зеленокаменного пояса Исуа с возрастом 3.8-3.7 млрд. лет (Appel et al., 2009), так и в фанерозойских породах (Косарев и др., 2009; Sandsta et al., 2011). Кроме того, вариолиты были обнаружены в осевой зоне Срединно-Атлантического хребта (Красивская и др., 2010). Вариолиты чаще всего встречаются в комплексах раннедокембрийского возраста. Присутствие глобулярных пород считается столь же типичной особенностью древних коматиитов, что и структуры спинифекс. Это, например, отмечалось в архейских коматиитовых разрезах Абитиби (Arndt, Fowler, 2004) и пояса Барбертон (Sandsta et al., 2011).
Актуальность исследования. Изучение вариолитов важно для решения одной из фундаментальных проблем магматической петрологии, постоянно обсуждаемой в литературе – роли силикатной ликвации в природных системах.
После классических работ Ф.Ю. Левинсон-Лессинга (1884, 1949), вариолиты стали рассматриваться как пример ликвации базальтового расплава, который в результате данного процесса распался на основной и средний расплав.
Установление области несмесимости расплавов (Redder, 1983) в условиях, близких к реальным природным системам, дало возможность распространить ликвационную концепцию не только на глобулярные породы, но и на большие массы контрастных по составу пород вулканических серий, крупных интрузивных комплексов, в том числе расслоенных плутонов, и связанное с ними оруденение (Mc Birney, 1975; Veksler et al, 2007 и др.). Тем не менее, в настоящее время образование глобулярных пород является предметом дискуссии и связывается как с силикатной ликвацией (Смолькин, 1992; Светов, 2008) так и с неполным смешением контрастных по составу расплавов (Apple et al., 2009; Красивская и др., 2010), хотя появились и другие модели (Hughes, 1977; Hanski, 1993; Arndt, Fowler, 2004 и др.).
Таким образом, природа вариолитов представляет особую важность для решения широкого круга петрологических и геохимических проблем, связанных с реальной значимостью ликвации в петрогенезисе магматических пород, а также процессов неполного смешения различных магм. Кроме того, проведенные исследования затрагивают актуальную проблему флюидномагматического взаимодействия с участием расплавов основного состава.
Цель и задачи. Целью работы является определение генезиса классических вариолитовых лав суйсарского комплекса в районе Ялгубского кряжа и острова Суйсари в Онежской структуре, Центральная Карелия, на основании комплексного геологического, петрологического, изотопного и геохимического изучения.
В связи с этой целью, были поставлены следующие задачи:
1. проведение детальных геолого-петрографических исследований;
2. определение состава минеральных фаз и вулканического стекла вариолитов (матрикса и вариолей) с использованием рентгеноспектрального микроанализатора;
3. определение геохимических особенностей вариолитов с использованием прецизионных методов анализа (ICP-MS, LA ICP-MS);
4. проведение изотопно-кислородных исследований;
5. построение модели петрогенезеса вариолитов.
Научная новизна. Впервые на основании петролого-геохимических и изотопных исследований установлено, что палеопротерозойские вариолитовые лавы Ялгубы и о-ва Суйсари образовались в результате быстрого затвердевания продуктов диффузионных взаимодействий между пикробазальтовым расплавом и обособившимся от него водно-солевым флюидом. В работе представлен комплексный системный подход к изучению классических вариолитов Онежской структуры с использованием современных аналитических методов.
Защищаемые положения:
1. Установлено, что палеопротерозойские (~2 млрд. лет) вариолитовые лавы Онежской структуры, характеризующиеся наличием кислых по составу концентрически-зональных вариолей в пикробазальтовом матриксе, сформировались в результате подводного излияния и быстрой закалки гетерогенного расплава.
2. Предложен механизм гетерогенизации исходного пикробазальтового расплава и формирования в нем высококремнеземистого расплава-раствора, образовавшего вариоли (глобули). Этот механизм обусловлен диффузионным переносом элементов, преимущественно кремнезема и глинозема, из пикробазальтового расплава в глобули водно-солевого флюида, обособившегося от расплава в процессе декомпрессии в промежуточной камере.
3. Показано, что возникновение концентрически-зонального строения вариолей обусловлено диффузионным обменом между пикробазальтовым матриксом и высококремнеземистым расплавом-раствором вариолей. Этот обмен, происходивший после излияния гетерогенного расплава на дно морского бассейна, приводил к образованию диффузионных кайм на границе вариольматрикс и к перераспределению элементов-примесей между ними.
4. Разработана многостадийная модель формирования вариолитов Онежской структуры. На первой стадии, в процессе подъема пикробазальтового расплава через толщи каменных солей в основании Онежской структуры происходил захват водно-солевого флюида. На второй стадии в промежуточной камере формировался высококремнеземистый расплав-раствор. На третьей стадии, после подводного излияния гетерогенного расплава, образовались диффузионные каймы.
Практическая значимость работы. Полученные результаты важны для развития представлений о роли силикатной ликвации, смешения контрастных по составу расплавов в геологических процессах. Особую важность это представляет для решения проблемы различных флюидно-магматических взаимодействий в природных системах, в том числе для выявления происхождения контрастных магматических ассоциаций и связанного с ними оруденения.
диссертационной работы составляют результаты личных исследований вариолитов Ялгубского кряжа и о-ва Суйсари, проводившихся автором в течение 2007-2011 г. Аналитические исследования выполнялись преимущественно в ИГЕМ РАН. В процессе работы было изучено около петрографических шлифов; при этом были выполнены как точечные микрозондовые определения минералов (60 анализов) и стекловатых фаз ( анализов), так и около 50 площадных определений составов зон вариолитов (сканирующий энергодисперсионным спектрометром «INCA-Energy 350»). Также было выполнено 40 анализов петрогенных элементов методом РФА и 12 анализов содержаний Cl- и F- потенциометрическим методом с помощью ионоселективного электрода, 40 анализов редкоземельных элементов были выполнены методом ICP-MS (валовые составы пород, составы вариолей и матрикса), LA ICP-MS (локальные определения в образцах). Кроме того, были проведены изотопно-кислородные исследования в лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ИГЕМ РАН. Обработка полученной информации производилась на компьютере с использованием пакета «Microsoft Office», а также ряда специализированных разработок геологического и петрологического направления: «Comagmat», «Petrolog» и др.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано работ. Материалы диссертации докладывались на российских и международных совещаниях: XVII Научных чтениях памяти профессора И. Ф.
Трусовой (Москва, 2008 г.), IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009 г.), XXI молодежной конференции памяти К. О.
Кратца (С.-Петербург, 2010 г.), XI Всероссийском петрографическом совещании (Екатеринбург, 2010 г.), II Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов памяти А. П. Карпинского (С.Петербург, 2011 г.), Всероссийской Конференции, посвященной памяти академика В.И. Коваленко (Москва, 2011 г.), V Всероссийском симпозиуме по вулканологии и палеовулканологии «Вулканизм и Геодинамика»
(Екатеринбург, 2011 г.) Структура и объем работы. Диссертация содержит 122 страницы, рисунков, 18 таблиц и состоит из Введения, 5 глав и Заключения. Список использованной литературы включает 123 наименования.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за консультации и практическую помощь в процессе подготовки данной работы научному руководителю диссертации д.г.-м.н. Е.В. Шаркову и заведующему лабораторией петрографии ИГЕМ РАН д.г.-м.н. А.В. Самсонову. Автор искренне признателен сотрудникам ИГЕМ РАН А.В. Чистякову, А.А. Носовой, Е.О. Дубининой, Л.Я. Арановичу, за ценные консультации и всестороннее содействие в проведении работы, а также В.О. Япаскурту (МГУ), В.К.
Карандашеву (ИПТМ РАН), А.И. Якушеву (ИГЕМ РАН) и Н.В. Васильеву (ФГУП ИМГРЭ) за помощь в проведении аналитических работ.
Объекты исследований располагаются в пределах западной части Онежской структуры (Центральная Карелия, 30 км к СВ от г. Петрозаводска), приуроченной к Водлозерскому блоку Карельского кратона Балтийского щита.
Эта структура сложена палеопротерозойскими вулканогенно-осадочными комплексами (рис. 1). По данным Онежской параметрической скважины (ОПС) (Морозов и др., 2010), пробуренной в западной части Онежской мульды архейский (позднелопийский - 2716+/-9 млн. лет) гранитоидный фундамент залегает на глубине 2940 м. На архейском гранитоидном фундаменте непосредственно залегают ятулийские толщи каменных солей мощностью порядка 194 м. Кроме того, в разрезе присутствуют магнезитовые породы с признаками эвапоритовых режимов седиментации (Ахмедов, Крупеник, 1995).
Особенностью тектонического строения этой в целом синклинальной структуры является чередование широких брахисинклиналей и узких линейных антиклиналей, сопряженных с зонами сдвиговых деформаций. В пределах синклиналей, имеющих ширину 6-12 км, степень структурно-вещественных преобразований палеопротерозойских комплексов очень невелика. Породы сохраняют субгоризонтальное залегание, разрывная и сдвиговая тектоника имеют локальные проявления. Степень метаморфизма пород не превышает зеленосланцевой фации, а часто отвечает уровню зеленокаменных изменений (Онежская…, 2011). Такой стиль тектонического развития способствовал сохранности текстурно-структурных особенностей вариолитовых лав, оказавшихся в синклинальных участках структуры.
Были изучены вариолитовые лавы из вулканитов Ялгубского кряжа и о-ва Суйсари, относящиеся к суйсарской свите людиковия возрастом около 2 млрд.
лет. Суйсарское время характеризуется масштабными проявлениями базитового вулканизма плюмовой природы, который, наряду с лавовыми излияниями, сформировал многочисленные расслоенные силлы и рои даек.
Возрастным репером для суйсарской свиты являются породы ультрамафитмафитового Кончезерского силла (1980±57 млн. лет, Куликов и др., 1999). С этим же этапом связывается и формирование крупных расслоенных силлов Койкаро-Святонаволокского (1983.4±6.5 млн. лет, Филлипов, 2007) в западном, и Пудожгорского (1984±8 млн.лет, Филлипов, 2007) в восточном борту Онежской структуры.
Вариолиты Ялгубского кряжа слагают как участки массивных потоков (рис. 2 а), так и образуют подушечные лавы. Массивные лавовые потоки имеют мощность 5-15 м; в них наблюдаются линзы с вариолитовым строением, в которых содержание вариолей может достигать 90% объема. В пиллоу-лавах размеры подушек варьируют от первых десятков см до 2 м в диаметре.
Наибольшее количество вариолей обычно наблюдается в центральных частях подушек. Вариолиты представляют собой стекловатую вулканическую породу, состоящую из округлых глобул концентрически-зонального строения размером от 0,1 до 1 см и основной массы (матрикса). В вариолях с четко проявленной внутренней зональностью обычно присутствует тонкая краевая зона (кайма) мощностью 0,1-1 мм, далее к центру - более крупнозернистая зона (мощностью 1 мм) и ядро (мощностью 1-2 мм) контрастного темного цвета. Количество вариолей варьирует от первых процентов до 45-50%, увеличиваясь к кровле потоков. Для вариолитов характерна коалесценция глобул, т.е. ядра вариолей слипались и обрастали общей каймой.
Вариолиты о-ва Суйсари наблюдаются на самой северной оконечности острова – мыс Кельтнаволок. Вариолиты наблюдаются только в подушечных лавах (рис. 2 б). Размер подушек от 50 см до 2 м. Распределение вариолей в подушках неравномерно. В одних случаях количество вариолей увеличивается в периферии подушек, а в других – возрастает к их центру. Наблюдаются преимущественно мелкие вариоли (размер 0,5-1 мм). Форма вариолей близка к шарообразной. Практически во всех вариолях четко проявлена зональность.
Как и в Ялгубе, наблюдается коалесценция ядер вариолей.
Рис. 2. Макротекстуры вариолитов Ялгубы (а) и о-ва Суйсари (б): а – центральная часть лавового потока. Наблюдаются существенные вариации количественных соотношений вариолей (светлое) и матрикса (темное). В центральной части потока – линза, в которой содержание вариолей составляет до 90% от объема породы; б – подушечные лавы, о-в Суйсари. На врезке – увеличенный фрагмент фотографии, на котором наблюдается увеличение количества вариолей в периферии подушек.
Глава 2. Петрографическая характеристика вариолитовых лав Вариолиты Ялгубского кряжа представляют собой породы с четко проявленной вариолитовой текстурой, сложенные двумя разными фазами:
светлым зеленовато-серым матриксом и рассеянными в нем одиночными или тесно слипшимися темными сферическими вариолями с четкими фазовыми границами. Микроскопически порода выглядит полустекловатой или криптокристаллической. И в матриксе и в вариолях присутствуют кристаллы