События, Новости. Геологический институт РАН.

Неоархейский высокобарный гранулитовой фации анатексис континентальных пород в Беломорской эклогитовой провинции, Россия

В 2022 году в журнале Precambrian Research вышла большая статья коллектива авторов Dokukina K.A., Khiller V.V., Khubanov V.B., Mints M.V., Dokukin P.A., Natapov L., Belousova E., Yakushik M.A., 2022. Neoarchean high-pressure granulite-facies anatexis of continental rocks in the Belomorian Eclogite Province, Russia. Precambrian Research 381, 106843. https://doi.org/10.1016/j.precamres.2022.106843 (Неоархейский высокобарный гранулитовой фации анатексис континентальных пород в Беломорской эклогитовой провинции, Россия).

В статье представлены результаты исследования областей пост-эклогитового высокобарного анатексиса в пределах ассоциации эклогитов Гридино на западе Фенноскандинавского щита. Мигматиты формировались в неоархейское время ~2.71 млрд лет назад и локально затронули сложный по строению континентальный субстрат, включающий в себя разные типы гранитоидов (ТТГ гнейсы, граниты и мигматиты) и породы основного состава (мафические дайки и фрагменты мафических пород). Исследованные мигматиты приурочены к границам контрастным по составу кислым и основным пород, которые, по-видимому, были наиболее благоприятны для миграции флюидов, диффузии компонентов и частичного плавления. Хороший пример частичного плавления контрастных по составу пород представлен на мысе Варгас (рис. 1), который находится в 3-х километрах от села Гридино. Здесь распространены ТТГ гнейсы с прослоями амфиболовых гнейсов, интрудированные дайками метагаббро и содержащие многочисленные тела амфиболитов и эклогитов различного (от первых сантиметров до первых метров) размера, от изометричной до сильно уплощенной формы. Кислые и мафические породы испытали частичное и плавление в условиях фации высокобарных гранулитов.

Рисунок 1. Геологическая схематическая карта мыса Варгас (Dokukina et al., 2012).

Выделяются два типа калиевой гранитной лейкосомы с контрастными геохимическими признаками (рис. 2). Гранат и фенгитсодержащие лейкосомы замещают вмещающие гнейсы ТТГ и просачиваются в основные породы. Эта лейкосома отличается высоким содержанием Ba, яркими положительными аномалиями Eu и Sr и соответствующими низкими концентрациями всех других микроэлементов. Составы лейкосомы фиксируют первоначальную сегрегацию и миграцию расплава от остаточного источника и последующее кристаллическое фракционирование вытекшего расплава с преобладанием полевых шпатов. Миграция анатектических расплавов привела к формированию мелких тел лейкогранита, характеризующихся высокими содержаниями редких элементов и отрицательными аномалиями Eu и Sr. Лейкограниты образовались из порций фракционированного расплава, который просочился через мигматиты и затвердел.

Рисунок 2. Типичные обнажения мигматитов на мысу Варгас. (а) Недеформированная дайка метагаббро, пересекающая вмещающие гнейсы; (b) Лейкосома пронизывает деформированную дайку метагаббро; (с) дайка метагаббро деформируется вместе с гнейсами; мигматиты локализуются в шарнире складки; (d) деформированная и мигматизированная дайка метагаббро; прерывистые линии подчеркивают несогласные границы между полосчатостью гнейсов и лейкосомой, приуроченной к контакту дайки. (е) Красновато-ржавые тела, локализованные внутри хаотического кластера метаморфизованных мафических пород с лейкократовыми прожилками и нерасплавленными фрагментами плагиогнейсов внутр лейкосомы. (g) Лейкосома, приуроченная к телу амфиболтов. (h) Строматолитовые и небулитовые мигматиты, где светлые области выполнены фенгит- и гранат-содержащей лейкосомой, а темные части представлены клинопироксеном, гранатом, амфиболом и биотитом. Лейкогранитная жила пересекает мигматиты. (i) Лентикулярное лейкогранитное тело пересекае строматитовые мигматиты.

Изучены симплектитовые срастания водосодержащих минералов (слюда, эпидот) с кварцем в лейкосоме, которые являются важными маркерами замороженных реакционных текстур, образовавшихся в результате обратной гидратационной кристаллизации остаточных расплавов или флюидов при их инфильтрации через области мигматита (рис. 3, 4). Плавление и трансформация подверженных анатексису пород происходили в условиях декомпрессии пород через условия высокобарной гранулитовой фации (16–12 кбар, 800–850 ◦С) до условий амфиболитовой фации (10–9 кбар, 600–700 ◦С).

Рисунок 3. Микрофотография (b) и BSE изображения (a, c-f) лейкосомы. (a) лейкосома, состоящая из граната. Калиевого полевого шпата, плагиоклаза и кварца (образец D17-21). (b-f) Реакционные микроструктуры в лейкосоме: (b) оптически однородные широкие чешуйки фенгита, пересекающие оптически однородный калиевый полевой шпат; фенгит-кварцевые симплектиты при контакте фенгита с калиевым полевым шпатом, XPL, образец D17-22; (с) фенгит-кварцевые срастания и плагиоклаз пересекающие оптически однородный калиевый полевой шпат; цельзиан замещает калиевый полевой шпат вдоль реакционной границы (образец D17-4); (d) широкая фенгитовая чешуйка, окаймленная скелетными фенгит-кварцевыми сростками, образец D17-6b. Обратите внимание на чешуйки биотита в фенгит-кварцевых сростках; (e) срастания вермикулярного эпидот-кварцевого симплектита и фенгит-кварцевого симплектита наблюдаются прямые контакты и распространенs кварцевые роды (образец D17-4). (f) Мезократовый клинопироксен-, гранат- и эпидотсодержащий биотит-плагиоклаз-кварцевый слой в лейкосоме, образец D17-5b. Обратите внимание, ядра плагиоклаза представляют собой антипертит.

В статье представлены данные U-Pb датирования цирконов из разных типов пород методами SHRIMP-II, LA-ICPMS, CHIME, а также данные Lu-Hf изотопии по цирконам.

Рисунок 4. Реакционные микроструктуры в мезократовых прослоях лейкосомы, образец D17-5b. (a) клинопироксен замещается эпидот-кварцевым симлектитом и калиевым полевым шпатом, PPL. Рамка в (а) показывает расположение увеличенного фрагмента в (b). (с) Вермикулярные сростки эпидота и кварца (эпидот-кварцевые симплектит) и ассоциирующий калиевый полевой шпат; амфибол замещает клинопироксен. В рамке (с) показано расположение увеличенного фрагмента в (d); (е) гроссуляровый гранат, замещенный эпидот-кварцевыми симплектитами. В рамке (e) показано расположение увеличенного фрагмента в (f); (f) В плагиоклазе наблюдаются идиоморфный биотит и кристаллы циркона; биотит-кварц-калишпатовые срастания вокруг срастаний оптически однородных эпидота и кварца.

Впервые в России методом неизотопного датирования CHIME были датированы высокорадиоактивные цирконы из высокобарной лейкосомы (рис. 5) в шашке и шлифах. Полученные мезо-неоархейские и палеопротерозойские значения возрастов (~ 2.7, 2.4 и 1.9 млрд лет) хорошо согласуются со значениями U-Pb изотопных возрастов, полученными для этих цирконов ранее методом SHRIMP II, что доказало применимость метода CHIME для дальнейших геохронологических исследований.

Рисунок 5. Датированные цирконы из лейкосомы Мыса Варгас. (а-с) образец D17-7: (a, b) CL изображения, (с) BSE изображения, соответствующие цирконам в (b). Белые кружки соответствуют точкам датирования методом SIMS (SHRIMP II); белые прерывистые кружки – точки анализов методом LA-ICP-MS; 207Pb/206Pb возраст приведен в млрд лет; красные кружки в (с) – места анализов методом CHIME (EPM)ж химический возраст приведен в млрд лет. (d) схемы распределения химических возрастов в цирконе из (b) и (с). Белые области моложе, чем 2.1 млрд лет, серые области попадают во временной интервал 2.1-2.5 млрд лет, черные области имеют возраст древнее чем 2.5 млрд лет. (e-g) шлиф D17-21b: (e) BSE изображение лейкосомы в шлифе; и (f) увеличенное изображение датированного циркона. Красные кружки - места химических анализов возраста (EPM). Химический возраст приведен в млрд лет. (g) CL изображение и карты X-ray интенсивности в изученном цирконе.

Новообразованные граниты по составу попадают в поле синтетических стекол, полученных в экспериментах по частичному плавлению Архейских тоналитов и метатоналитов в сухих условиях при 6-12 кбар и 15-32 кбар (Patiño Douce A. E., 2005; Watkins et al., 2007) (рис. 6а). Содержание РЗЭ, значения Eu/Eu* и Sr/Sr* в лейкосоме, лейкогранитах и ТТГ гнейсах хорошо коррелируют. Такая корреляция характеризует ТТГ гнейсы как источник кислого расплава (рис. 6б-г).

Рисунок 6. Диаграммы для кислых пород мыса Варгас: (а) Нормативные составы пород на классификационной диаграмме Ab–An–Or. Показаны поля экспериментальных стекол, полученных в результате плавления амфиболитов (косая штриховка), цоизитовых эклогитов (вертикальная штриховка) по (Skjerlie, Patiño Douce, 2002), и плавления ТТГ гнейсов (серое поле). Номерами в кружках показаны результаты экспериментов по плавлению: (1) Wolf, Wyllie (1994); (2) Rushmer (1991); (3) Winther (1996); (4-5) Watkins et al. (2007): (4) образец SC4, (5) образец SC5; и (6) Patiño Douce (2005). (б) Ba vs. Eu/Eu*; (в) total REE vs. Eu/Eu*; (г) Sr/Sr* vs. Eu/Eu*.

Результаты геохимического моделирования, проведенного для проверки гипотезы, что гранитная магма эволюционировала через частичное плавление ТТГ гнейсов с последующей сепарацией и фракционной кристаллизации расплава в целом воспроизвели плавление гнейсов с формированием небольших объемов лейкогранитов и лейкосомы, которая представляет собой остаточный полевошпатовый кумулат при степени плавления F = 20-40 % (рис. 7).

Рисунок 7. Результаты моделирования. (а) результаты моделирования состава лейкогранитного расплава, сформированного при порционном плавлении тоналитового гнейса (усредненный состав). При моделировании использовался средний модальный состав немигматизированных тоналитовых гнейсов: Pl 50%, Kfs 10%, Qtz 15%, Hbl 10%, Bt 10% и Grt 5%. (b) Результаты моделирования состава лейкосомы (РЗЭ) как твердого остатка, сформированного при разной степени потери расплава (10%, 20%, 30%, 40%). При моделировании использовался природный состав лейкосомы (образец D17-6 при содержании Pl 40%, Kfs 55%, Grt 3 % и Zrn 2 %. Коэффиценты распределения элементов для породообразующих минералов из Arth (1976), Martin (1987), и Rapp (1994).

Локализация процессов плавления на границах контрастных по составу пород, по-видимому, не случайно. Как следует из результатов экспериментального плавления расслоенных кристаллических протолитов в сухих условиях, породы, истощенные в подвижных компонентах, неспособные произвести расплав в нормальных условиях становятся более способными на контактах с породами, которые содержат компоненты, дестабилизирующие водные фазы и инициирующие дегидратационное плавление. В таком случае, анатектические граниты могут включать элементы из двух или более источников, которые участвуют в плавлении (Skjerlie et al., 1993; Skjerlie, Patiño Douce, 2002).

Полевые наблюдения и микроструктурные особенности исследованных мигматитов показывают, что породы основного состава также вовлекались в плавление и становились источником элементов для новообразованных гранитов. Соотношение между элементами в гранитах, гнейсах и основных породах демонстрируют повышенные концентрации ТРЗЭ в лейкогранитах, относительно гнейсов. По-видимому, основные породы могли быть источником ТРЗЭ.

Рисунок 8. Обобщение. (а) Предполагаемые P-T траектории плавления под высоким давлением. Линия T82 указывает на фенгит + кварцевый солидус (Thompson, 1982) и VH88 (Vielzeuf & Holloway, 1988), Si в фенгите (SiPh) по Massonne & Schreyer, 1989. 1 – P-T пути плавления под высоким давлением (настоящая работа); 2 - P-T тренд гридинских пород по (Dokukina et al., 2014); 3 - P-T тренд гридино основных пород по (Volodichev et al., 2004); 4 - P-T тренд эклогитов по (Perchuk, Morgunova, 2014); 5-8 - Р-Т оценки мигматитов Варгаса: 5 - лейкосома; 6 – граница между лейкосомой и основными породами; 7 – основные породы; 8 – гнейс; (б) – схематические изображения последовательности реакций плавления при обратной кристаллизации гидратации: 1-3 – начальное плавление гнейса и образование лейкосомы; 4-6 – расход граната и клинопироксена темноцветного гранулита при взаимодействии с анатектическими расплавами; 7-8 - субсолидусная реакция минералов лейкосомы с остаточным водным расплавом с образованием белой слюды (по калиевому полевому шпату и биотиту) и эпидота (по гранату и клинопироксену). (c) Схематическое изображение образования и перекристаллизации циркона во времени. .

На рисунке 8a-b показан предполагаемый P-T путь частичного плавления декомпрессии и последовательность образования лейкосом и окружающих основных пород. Для гридинских эклогитов минимальное давление 16–17.5 кбар получено с помощью Jd геобарометра (Holland, 1980). Ранее обсуждалась возможность существования условий сверхвысокого давления в породах Гридино (Perchuk, Morgunova, 2014; Dokukina et al., 2014) (рис. 8а). Комплексы эклогитовых фаций в тоналитовых гнейсах не обнаружены. Гнейсы, по-видимому, подверглись частичному плавлению в эклогитовых условиях в незначительной степени или вовсе не плавились, хотя в некоторых кислых породах произошло плавление в некоторой степени (Dokukina et al., 2014). Отсутствие частичного плавления может отражать низкие геотермические градиенты, характерные для метаморфизма высокого давления (5–20 °С/км, например, Chopin, 2003). или это также демонстрирует, что свободные флюиды, богатые водой, обычно не присутствуют во время субдукции континентальных пород.

Согласованная оценка давления и температуры (геотермометрия и расчеты псевдоразрезов) в основных и кислых породах дает минимальные условия ок. 10–16 кбар при 800–950 °С для частичного плавления тоналитовых гнейсов. Максимальные PT-условия (13.6 кбар, 867 °C) дали реакционные минеральные ассоциации, сформированные на границе между лейкосомами и основными породами (рис. 8а).

Анатексис произошел в неоархейское время (~ 2.7 млрд лет назад). Участки циркона, богатые ураном, были частично или полностью затронуты радиационными повреждениями, что привело к несогласованным разбросам дат между 2.7 и 1.9 млрд лет, что интерпретируется как отражение термального и флюидного воздействий, которые вызвали перекристаллизацию и потерю Pb в неоархейских цирконах (рис. 8с).

Литература

Arth, J. G., 1976. Behaviour of trase elements during magmatic processes – a summary of theoretical models and their applications. Journal of Research of the U. S. Geological Survey, 4, 41-47.
Chopin, C., 2003. Ultrahigh-pressure metamorphism: tracing continental crust into the mantle. Earth and Planetary Science Letters, 212, 1–14.
Dokukina, K. A., Bayanova, T. B., Kaulina, T. V., Travin, V. V., Mints, M. V., Konilov, A. N., & Serov, P. A., 2012a. The Belomorian eclogite province: the sequence of events and the age of magmatic and metamorphic rocks of the Gridino eclogite association. Russian Geology and Geophysics, 53, 1023–1054.
Dokukina, K. A., Kaulina, T. V., Konilov, A. N., Mints, M. V., Van, K. V., Natapov, L., Belousova, E., Simakin S. G., & Lepekhina E. N., 2014. Archaean to Paleoproterozoic high-grade evolution of the Belomorian eclogite province in Fennoscandian shield (Gridino area): geochronological evidences. Gondvana Research, 25, 585–613. http://dx.doi.org/10.1016/j.gr.2013.02.014.
Holland, T. J. B., 1980. The reaction albite=jadeite+quartz determined experimentally in the range 600–1200 ºC. American Mineralogist, 65, 129–134.
Martin, H., 1987. Petrogenesis of Archaean trondhjemites, tonalites and granodiorites from eastern Finland: major and trace element geochemistry. Journal of Petrology, 28, 921-953
Massonne, H.-J., & Schreyer, W., 1987. Phengite geobarometry based on the limiting assemblage with K-feldspar, phlogopite, and quartz. Contributions to Mineralogy and Petrology, 96, 212–224.
Patiño Douce A. E. Vapor-absent melting of tonalite at 15 - 32 kbar // Journal of Petrology, 2005. V. 46. P. 275-290.
Perchuk, A. L., & Morgunova, A. A., 2014. Variable P–T paths and HP-UHP metamorphism in a Precambrian terrane, Gridino, Russia: Petrological evidence and geodynamic implications. Gondwana Research, 25, 614–629.
Rapp, R. P., 1994. Partial melting of metabasalts at 2-7 Gpa: experimental results and implications for lower crustal and subduction zone processes. Mineralogical Magazine, 58A, 760-761.
Rushmer, T., 1991. Partial melting of two amphibolites: contrasting experimental results under fluid-absent conditions. Contributions to Mineralogy and Petrology, 107, 41-59.
Skjerlie K. P., Patiño Douce A. E., Johnston D. A. Fluid absent melting of a layered crustal protolith: implications for the generation of anatectic granites // Contribution to Mineralogy and Petrology. 1993. V. 114. P. 365-378.
Skjerlie K. P., Patiño Douce A. E. The fluid-absent partial melting of a zoisite-bearing quartz eclogite from 1.0 to 3.2 GPa; implications for melting in thickened continental crust and for subduction zone processes // Journal of Petrology. 2002. V. 43. P. 291–314.
Thompson, A. B., 1982. Dehydration melting of pelitic rocks and the generation of H2O undersaturated granitic liquids. American Journal of Science, 282, 1567–1595.
Vielzeuf, D., & Holloway, J.R., 1988. Experimental determination of the fluid-absent melting relations in the pelitic system. Consequences for crustal differentiation. Contribution Mineralogy and Petrology, 98, 257-276.
Volodichev, O. I., Slabunov, A. I., Bibikova, E. V., Konilov, A. N., & Kuzenko, T. I., 2004. Archean eclogites in the Belomorian mobile belt, Baltic Shield. Petrology, 12(6), 540-560.
Watkins J., Clemens J., Treloar, P. Archaean TTGs as sources of younger granitic magmas: melting of sodic metatonalites at 0·6-1·2 GPa //Contributions to Mineralogy and Petrology. 2007. V. 154. P. 91-110.
Winther, K. T., 1996. An experimentally based model for the origin of tonalitic and trondhjemitic melts. Chemical Geology, 127, 43-59.
Wolf, M. B., & Wyllie, P. J., 1994. Dehydration-melting of amphibolite at 10 kbar: the effects of temperature and time. Contributions to Mineralogy and Petrology, 115, 369-383.

Новость опубликована: 22.12.2022

Все новости >>>