Помощь студентам в учебе
ГЕОХИМИЯ, ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ВОЗРАСТ МЕТАМАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД РАННЕЙ СИАЛИЧЕСКОЙ КОРЫ АЛДАНСКОГО ЩИТА
|
ВВЕДЕНИЕ 5-10
ГЛАВА 1. 11-29
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Вводные положения 11
1.2. Структура континентальной коры кратонов 13
1.3. Исходный состав ранней сиалической коры 24
ГЛАВА 2 30-47
ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ФУНДАМЕНТА АЛДАНСКОГО ЩИТА
2.1. Ранний архей 32
2.1.1. Раннеархейские образования Нимнырского блока 32
2.1.2. Олекминская гранит-зеленокаменная область 33
2.2. Поздний архей 35
2.2.1. Тимптонская гранулито-гнейсовая область 35
2.2.1.1. Мелемкенский блок .36
2.2.12. Сеймский блок .36
2.2.2. Южно-Алданская гранулит-гнейсовая область 37
222.1. Сутамский блок .37
2222. Зверевский блок .39
2223. Курультинский блок .40
2.3. Ранний протерозой . . . . . . . . . . . . . . . . . ...41
2.3.1. Восточно-Алданская гранулит-гнейсовая область 41
2.3.1.1. Джугджурский блок 41
2.3.1.2. Суннагинский блок 43
2.3.2. Батомгская гранит-зеленокаменная область 44
ГЛАВА 3 48-72
РАННЯ СИАЛИЧЕСКАЯ КОРА РАННЕГО АР ХЕЯ
3.1. Центрально-Алданская гранулит-гнейсовая область 48
НИМНЫРСКИЙ БЛОК
3.1.1. Литолого-петрографический состав нимнырского комплекса 48
3.1.2. Геохимичские особенности гранулитов нимнырского комплекса и состав
исходных магматических протолитов. 50
Метавулканиты известково-щелочной серии 53
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 56
3.2. Олекминская гранит-зеленокаменная область . . . . ..59
3.2.1. Литолого-петрографический состав 59
3.2.2. Геохимические особенности пород
амфиболит-плагиогнейсовой ассоциации и их исходная природа 62
Метавулканиты известково-щелочной серии 64
Метавулканиты коматиит-толеитовой серий 66
3.3. Оломокитский блок гранулитовых пород . . . . . . . .70
ГЛАВА 4 73-97
РАННЯ СИАЛИЧЕСКАЯ КОРА ПОЗДНЕГО АРХЕЯ
4.1. Сутамский блок 73
4.1.1. Литолого-петрографический состав пород сутамского комплекса 73
4.1.2 Геохимические особенности гранулитов и их исходная природа ..79
4.1.2.1 Ассоциация метавулканитов
известково-щелочной петрохимической серии 83
4.1.2.2. Ассоциация метавулканитов
коматиит-толеитовой петрохимической серии 86
4.2. Курультинский блок 91
4.2.1. Литолого-петрографический состав Курультинского комплекса 91
4.2.2. Геохимические особенности гранулитов
и их исходная природа 91
Метавулканиты известково-щелочной серии 94
Метавулканиты коматиит- толеитовой серии 95
ГЛАВА 5. 98-118
РАННЯЯ СИАЛИЧЕСКАЯ КОРА НИЖНЕГО ПРОТЕРОЗОЯ
5.1 Восточно-Алданская гранулит-гнейсовая область 98
5.1.1. Джугджурский блок 98
5.1.2. Геохимические особенности гранулитов и их исходная природа 98
Метавулканиты известково-щелочной серии 102
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 102
5.1.2. Суннагинский блок 107
5.12.1Литолого-пегрографический состав пород суннагинского комплекса 107
5.1.2.2. Геохимические особенности гранулитов и их исходная природа 108
Метавулканиты известково-щелочной серии 108
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 109
5.2. Батомгская гранит-зеленокаменная область 110
5.2.1. Литолого-петрографический состав пород Батомгского комплекса 110
5.2.2. Геохимические особенности метаморфических пород
батомгского комплекса и их исходная природа 111
Метавулканиты известково-щелочной серии 114
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 116
ГЛАВА 6. 119 - 136
ПЕТРОГЕНЕЗИС ИСХОДНЫХ ВУЛКАНИТОВ РАННЕЙ СИАЛИЧЕСКОЙ КОРЫ АЛДАНСКОГО ЩИТА
6.1. Петрогенезис раннекоровой исходной андезит-дацитовой ассоциации известково-щелочной серии
раннего архея Алданского щита 119
6.1.1. Раннеархейские эндербиты нимнырского комплекса 119
6.1.2. Биотитовые и биотит-амфиболовые плагиогнейсы
олёкминского комплекса 124
6.1.3 Петрогенезис исходной андезит-дацитовой ассоциац
известково-щелочной серии позднего архея Алданского щита 124
6.1.4. Петрогенезис исходной андезит-дацитовой ассоциации
известково-щелочной серии раннего протерозоя Восточно-Алданской гранулит-гнейсовой области 125
6.1.5. Петрогенезис исходной андезит-дацитовой ассоциации
известково-щелочной серии раннего протерозоя Батомгской гранит-зеленокаменной области 127
6.2. Петрогенезис метавулканитов коматиит-толеитовой серии ...127
ГЛАВА 7 136-144
ПРОИСХОЖДЕНИЕ РАННЕЙ СИАЛИЧЕСКОЙ КОРЫ
7.1. Существующие модели образования ранней сиалической коры 136
7.2. Петролого-геодинамическая модель формирования ранней сиалической коры Алданского щита и этапы её становления ....'140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145-146
ТАБЛИЦЫ 147-195
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 196-219
ГЛАВА 1. 11-29
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Вводные положения 11
1.2. Структура континентальной коры кратонов 13
1.3. Исходный состав ранней сиалической коры 24
ГЛАВА 2 30-47
ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ФУНДАМЕНТА АЛДАНСКОГО ЩИТА
2.1. Ранний архей 32
2.1.1. Раннеархейские образования Нимнырского блока 32
2.1.2. Олекминская гранит-зеленокаменная область 33
2.2. Поздний архей 35
2.2.1. Тимптонская гранулито-гнейсовая область 35
2.2.1.1. Мелемкенский блок .36
2.2.12. Сеймский блок .36
2.2.2. Южно-Алданская гранулит-гнейсовая область 37
222.1. Сутамский блок .37
2222. Зверевский блок .39
2223. Курультинский блок .40
2.3. Ранний протерозой . . . . . . . . . . . . . . . . . ...41
2.3.1. Восточно-Алданская гранулит-гнейсовая область 41
2.3.1.1. Джугджурский блок 41
2.3.1.2. Суннагинский блок 43
2.3.2. Батомгская гранит-зеленокаменная область 44
ГЛАВА 3 48-72
РАННЯ СИАЛИЧЕСКАЯ КОРА РАННЕГО АР ХЕЯ
3.1. Центрально-Алданская гранулит-гнейсовая область 48
НИМНЫРСКИЙ БЛОК
3.1.1. Литолого-петрографический состав нимнырского комплекса 48
3.1.2. Геохимичские особенности гранулитов нимнырского комплекса и состав
исходных магматических протолитов. 50
Метавулканиты известково-щелочной серии 53
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 56
3.2. Олекминская гранит-зеленокаменная область . . . . ..59
3.2.1. Литолого-петрографический состав 59
3.2.2. Геохимические особенности пород
амфиболит-плагиогнейсовой ассоциации и их исходная природа 62
Метавулканиты известково-щелочной серии 64
Метавулканиты коматиит-толеитовой серий 66
3.3. Оломокитский блок гранулитовых пород . . . . . . . .70
ГЛАВА 4 73-97
РАННЯ СИАЛИЧЕСКАЯ КОРА ПОЗДНЕГО АРХЕЯ
4.1. Сутамский блок 73
4.1.1. Литолого-петрографический состав пород сутамского комплекса 73
4.1.2 Геохимические особенности гранулитов и их исходная природа ..79
4.1.2.1 Ассоциация метавулканитов
известково-щелочной петрохимической серии 83
4.1.2.2. Ассоциация метавулканитов
коматиит-толеитовой петрохимической серии 86
4.2. Курультинский блок 91
4.2.1. Литолого-петрографический состав Курультинского комплекса 91
4.2.2. Геохимические особенности гранулитов
и их исходная природа 91
Метавулканиты известково-щелочной серии 94
Метавулканиты коматиит- толеитовой серии 95
ГЛАВА 5. 98-118
РАННЯЯ СИАЛИЧЕСКАЯ КОРА НИЖНЕГО ПРОТЕРОЗОЯ
5.1 Восточно-Алданская гранулит-гнейсовая область 98
5.1.1. Джугджурский блок 98
5.1.2. Геохимические особенности гранулитов и их исходная природа 98
Метавулканиты известково-щелочной серии 102
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 102
5.1.2. Суннагинский блок 107
5.12.1Литолого-пегрографический состав пород суннагинского комплекса 107
5.1.2.2. Геохимические особенности гранулитов и их исходная природа 108
Метавулканиты известково-щелочной серии 108
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 109
5.2. Батомгская гранит-зеленокаменная область 110
5.2.1. Литолого-петрографический состав пород Батомгского комплекса 110
5.2.2. Геохимические особенности метаморфических пород
батомгского комплекса и их исходная природа 111
Метавулканиты известково-щелочной серии 114
Метавулканиты коматиит-толеитовой серии 116
ГЛАВА 6. 119 - 136
ПЕТРОГЕНЕЗИС ИСХОДНЫХ ВУЛКАНИТОВ РАННЕЙ СИАЛИЧЕСКОЙ КОРЫ АЛДАНСКОГО ЩИТА
6.1. Петрогенезис раннекоровой исходной андезит-дацитовой ассоциации известково-щелочной серии
раннего архея Алданского щита 119
6.1.1. Раннеархейские эндербиты нимнырского комплекса 119
6.1.2. Биотитовые и биотит-амфиболовые плагиогнейсы
олёкминского комплекса 124
6.1.3 Петрогенезис исходной андезит-дацитовой ассоциац
известково-щелочной серии позднего архея Алданского щита 124
6.1.4. Петрогенезис исходной андезит-дацитовой ассоциации
известково-щелочной серии раннего протерозоя Восточно-Алданской гранулит-гнейсовой области 125
6.1.5. Петрогенезис исходной андезит-дацитовой ассоциации
известково-щелочной серии раннего протерозоя Батомгской гранит-зеленокаменной области 127
6.2. Петрогенезис метавулканитов коматиит-толеитовой серии ...127
ГЛАВА 7 136-144
ПРОИСХОЖДЕНИЕ РАННЕЙ СИАЛИЧЕСКОЙ КОРЫ
7.1. Существующие модели образования ранней сиалической коры 136
7.2. Петролого-геодинамическая модель формирования ранней сиалической коры Алданского щита и этапы её становления ....'140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145-146
ТАБЛИЦЫ 147-195
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 196-219
Актуальность исследований
Происхождение и состав земной коры является фундаментальной проблемой геологии. Особую значимость представляют ранние этапы ее становления, которым отвечают глубоко метаморфизованные породы фундамента кратонов. К настоящему времени по этой проблеме накоплен значительный геологический, геохимический и изотопногеохронологический материал, однако многие вопросы ранней истории Земли остаются дискуссионными. В составе структур фундамента кратонов выделены гранулит-гнейсовые и гранит-зеленокаменные области, характер взаимоотношения которых до сих пор окончательно не решен, как не решены и вопросы исходного состава слагающих эти области метаморфических комплексов, что в особенной мере относится к гранулит-гнейсовым областям. Решение этих проблем требует поставновки детальных геохимических исследований метаморфических пород гранулит-гнейсовых и гранит-зеленокаменных областей кратонов по единой методике.
Имеющиеся в настоящее время материалы свидетельствуют, что ранняя сиалическая кора не состоит из тоналит-трондьемит-гранодиоритовых (TTG) гнейсов интрузивного происхождения, как принято считать, а имеет более сложный состав и представлена толщей супракрустального типа, сложенной, главным образом, исходными андезитами и дацитами известково-щелочной серии и одновозрастными, подчиненными им, вулканитами коматиит- толеитовой серии, с присутствием осадочных пород. Подробный тип исходного состава ранней сиалической коры, заложенный еще в эоархее (Гренландский щит) характерен для всех архейских кратонов. Формирование вышеуказанной ассоциации одновозрастных магматических протолитов ранней сиалической коры не может быть удовлетворительно объяснено субдукцией океанических плит и потребовало привлечения другого механизма, предусмотренного концепцией плюмового мантийного магматизма.
В металлогеническом отношении сиалическая нижняя кора рассматривается как потенциальный источник рудного вещества месторождений U, Th, Au, связанных с гранитоидами посткратонной стадии, а содержащиеся в ней базит-гипербазитовые протолиты представляют интерес на сульфидное Cu-Ni-Pt оруденение.
Ключевое значение при исследовании происхождения ранней сиалической коры имеет целенаправленное комплексное геохимическое, изотопно-геохимическое и петрологическое изучение исходных магматических пород фундамента древних щитов в их главных структурах: гранулит-гнейсовых и гранит-зеленокаменных областях. В данной работе с этой целью рассматривается Алданский щит, который является крупнейшим выступом фундамента Сибирской платформы.
Цели и задачи исследований.
Основная цель выполненных исследований: установить геохимическую специфику и происхождение магматических протолитов ранней сиалической коры Алданского щита, определить этапы ее становления. Для достижения цели решались следующие задачи:
1. На основе геохимических особенностей раннекоровых пород супракрустальных метаморфических комплексов гранулит-гнейсовых и гранит- зеленокаменных областей Алданского щита установить их магматические протолиты.
2. Установить принадлежность исходных магматических пород ранней сиалической коры к определенным петрохимическим сериям, выявить их геохимические особенности и источники магматических расплавов.
3. Оценить возраст каждого из нижнекоровых метаморфических
комплексов.
Фактический материал и аналитические методики.
В основу работы положены материалы, собранные автором за период работы с 2003 по 2008 год в составе лаборатории физико-химической петрологии и с 2008 по настоящее время в лаборатории аналитической химии ДВГИ ДВО РАН. Работы проводились по плановым темам НИР ДВГИ ДВО РАН и по проектам РФФИ и ДВО РАН (06-05-96-106, 03- А-08-102, 06-05-96-057, 09-2-УО-08-004, интеграционные проекты ДВО РАН, СО РАН, УРО РАН 09-П-СУ-08-003, 12-П-СУ-08-009). Также использованы материалы и коллекции образцов, собранные коллегами по лаборатории физико-химической петрологии М.А.Мишкиным, О.В.Авченко (по Сутамскому блоку Алданского щита), А.М.Ленниковым, (по Джугджурскому блоку и Батомгской гранит-зеленокаменной области
Алданского щита). Кроме того, была обработана коллекция образцов по Олекминской
области, любезно предоставленная |А.П.Смеловым |и
В.И.Березкиным.
В ходе работы над диссертацией были проанализированы опубликованные к настоящему времени результаты геологических, геохимических и изотопно-геохимических исследований по разновозрастным раннедокембрийским супракрустальным метаморфическим комплексам Алданского щита.
Методы исследований включали как широкий круг современных аналитических методов, так и традиционные геохимические и петрографические исследования. Весь объем каменного материала был исследован по следующим позициям: 1. петрографическое изучение шлифов (около 2000 шт.), 2. петрохимические исследования пород (около 1000 обр.), 3. определение состава минералов на рентгеновском микроанализаторе JXA-8100, (около 30 обр.) 4. геохимическое изучение образцов пород с использованием ICP-MS (метод индукционносвязанной плазмы с масс-спектрометрическим окончанием) для анализа на породообразующие окислы и примесные элементы (около 1000 анализов).
Обработка петрогеохимических и изотопно-геологических данных и моделирование проводилось на персональном компьютере с использованием пакетов программ для ОС Windows Vista и прикладных геохронологических и петрологических программ. Исследования проводились на базе лабораторий Аналитического центра Дальневосточного геологического института ДВО РАН, в лаборатории изотопных исследований Института земной коры СО РАН (Иркутск) и Центре изотопных исследований ВСЕГЕИ (Санкт- Петербург). Для изотопно-геохронологических исследований цирконов в лаборатории аналитической химии ДВГИ ДВО РАН был освоен под руководством автора U-Pb локальный метод LA-ICP-MS на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой Agilent 7500a, соединенном с системой лазерной абляции образца UP-213. Геохронологические результаты по цирконам обрабатывались автором с помощью программ «Glitter v. 4.4.2» (Access Macquarie Ltd), отношения нормализовались на соответствующие значения изотопных отношений стандартных цирконов TEMORA-2 и 91500, возраст которых принят равным 416.8 и 1065.4 млн лет соответственно. Диаграмма с конкордией строилась с использованием программы «Isoplot/Ex v. 3.00». Для 30 образцов были проведены Sm-Nd изотопные исследования по валовым пробам и U-Pb геохронологические исследования с привлечением классического U-Pb изотопного метода по микронавескам циркона. Исследования проводились в изотопной лаборатории Кольского НЦ (г.Апатиты) и в Цетре изотопных исследования ВСЕГЕИ (несколько Sm-Nd определений).
Расчет Р-T параметров метаморфизма производился с использованием минеральных геотермобарометров и привлечением материалов компьютерного моделирования физикохимических условий минералообразования на программном комплексе «Селектор». Кроме того, петрологические исследования включали модельные расчёты Р-Т параметров образования исходных андезит-дацитовых ассоциации и ультраосновных расплавов ранней коры, выполненные на основе известных в литературе экспериментов (Вольф, Уайли, 1993, Sen, Dunn, 1994, Nisbet et al., 1993, McKenzi, Bicle, 1988, Scarrow, Cox, 1995)
Научная новизна работы и практическое значение.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Установлена важная закономерность, заключающаяся в том, что исходный состав магматических протолитов архея и раннего протерозоя ранней сиалической коры Алданского щита представлен андезит-дацитовой ассоциацией известково-щелочной петрохимической серии и подчиненными ей вулканитами коматиит-толеитовой серии.
Установлено, что андезит-дацитовая ассоциация исходных магматических протолитов ранней сиалической коры Алданского щита отличаются от средне-кислых вулканитов современных внутриокеанических островных дуг обогащением LILE, U, Th и LREE.
Исходные коматииты ранней коры Алданского щита отличаются от меловых коматиитов Тихого океана обогащением LILE, U, Th и LREE, что свидетельствует об изначальном геохимическом отличии раннедокембрийской мантии от современной мантии Тихого океана.
Выполненными изотопно-геохронологическими исследованиями установлено, что ранняя сиалическая кора восточной части Алданского щита относится к раннему протерозою, а не к архею, как считалось ранее.
Впервые образование магматических протолитов ранней сиалической коры Алданского щита рассмотрено на основе концепции мантийных плюмов.
Выявленная временная последовательность формирования ранней сиалической коры может быть использована для составления и уточнения легенд к геологическим картам нового поколения м-ба 1:200000 и 1:1000000 докембрия Алданского щита. Полученные результаты могут быть использованы при геохимическом районировании раннедокембрийских образований как Алданского щита, так и других выступов фундамента Сибирской платформы - Анабарского щита, Шарыжалгайского и Ангаро-Канского поднятий.
Результаты работы позволят уточнить поисковые признаки месторождений U, Th, Au, связанных с гранитоидами посткратонной стадии, а базит-гипербазитовые протолиты представляют интерес на сульфидное Cu-Ni-Pt оруденение.
Материалы диссертации используются в образовательных программах бакалавриата и магистратуры направления «Геология» в Дальневосточном федеральном университете.
Защищаемые положения.
1. Ранняя сиалическая кора архея и раннего протерозоя Алданского щита в гранулит-гнейсовых областях представлена метабазит-эндербитовой, а в гранит- зеленокаменных амфиболит-плагиогнейсовой породными ассоциациями. Магматическими протолитами этих ассоциаций являются вулканиты андезит-дацитового состава известковощелочной петрохимической серии, которым подчинены коматииты, коматиитовые и толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии.
2. Исходные известково-щелочные андезиты и дациты ранней сиалической коры относятся к натровому петрохимическому ряду нормальной щелочности. В сравнении со средне-кислыми вулканитами современных внутриокеанических дуг, они обогащены LILE и рядом элементов группы HFSE, в том числе U, Th, и LREE, что отражает геохимические особенности источников их расплавов - первичной базитовой коры.
3. Раннекоровые исходные толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии отличаются от толеитовых базальтов MOR Тихого океана повышенными содержаниями LILE, U и Th. Отношения Nb, Zr, Y свидетельствуют о плюмовом происхождении раннекоровых исходных толеитов. Метакоматииты, в сравнении с меловыми коматиитами о. Горгона Тихого океана, обогащены LILE, U, Th, и LREE, что свидетельствует о геохимической специфике раннедокембрийской мантии Алданского щита.
4. Модель формирования ранней сиалической коры предусматривает подъем верхнемантийного плюма, его декомпрессионное частичное плавление с образованием магм коматиит-толеитовой серии, метаморфизм амфиболитовой фации основания первичной базитовой коры, ее частичное плавление и образование расплавов среднего и кислого составов. В раннем архее (3,3-3,2 млрд лет назад) было сформировано сиалическое ядро будущего Алданского щита, в позднем архее (3,1-3 млрд лет) и раннем протерозое (2,25-2,06 млрд лет) мантийное плюмообразование последовательно смещалось на юг и восток от этого ядра, в результате чего завершилось образование Алданского микроконтинента.
Публикации и апробация работы.
По теме диссертации опубликовано более 30 работ, включая одну авторскую монографию, а также 15 статей в журналах перечня ВАК
Основные результаты докладывались и представлялись на 33-ем Международном геологическом конгрессе, 5-ти международных, а также на 10-ти всероссийских и региональных симпозиумах, совещаниях и конференциях за период с 2003 по 2013 год.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, общим объемом 240 страниц, включая 89 рисунков, 30 таблиц и списка литературы из 273 наименований.
Благодарности.
Настоящий труд является итогом многолетней работы автора, в котором нашли отражение идеи его учителей - д.г.-м.н. В.Т.Фролова (МГУ им. М.В.Ломоносова) и д.г.-м.н. М.А.Мишкина (ДВГИ ДВО РАН), способствовавшим научному становлению автора, которым он выражает глубочайшую признательность.
Особую благодарность автор выражает д.г.-м.н. А.Д.Ножкину (ИГМ СО РАН) за конструктивное и доброжелательное обсуждение данной работы и многолетнее творческое общение. Выполнению исследований способствовали плодотворные дискуссии с директором ДВГИ ДВО РАН, академиком А.И.Ханчуком, которому автор обязан еще и прекрасной рабочей атмосферой на протяжении всей своей научной деятельности.
Искреннюю благодарность автор выражает коллегам по институту, которые поддерживали автора и с которыми обсуждались мнпроблемы, затронутые в работе - чл.- корр. РАН В.Г.Сахно, д.г.-м.н. О.В.Авченко, д.г.-м.н. |А.М.Ленникову|, к.г.-м.н. Р.А.Октябрьскому, д.г.-м.н. С.В.Высоцкому, к.г.-м.н. И.А.Александрову, к.г.-м.н. С.Н.Лаврику. Трудно переоценить аналитическую и методическую помощь коллег из Аналитического центра ДВГИ ДВО РАН в лице Н.В.Зарубиной, к.г.-м.н. А.А.Карабцова, к.г.- м.н. В.В.Иванова. Геохронологические исследования были бы неполными без поддержки к.г.-м.н В.И.Киселева, А.А.Вельдемар, к.г.-м.н. С.А.Сергеева, к.г.-м.н Н.В.Бережной, к.ф.- м.н. И.Н.Капитонова, И.Г.Ванганен.
Выполнению работы способствовали советы академика Д.Ю.Пущаровского, д.г.-м.н.
Л.Л.Перчука, д.г.-м.н. О.М.Розена, д.г.-м.н. Д.Г.Кощуга, д.г.-м.н.Т.И.Фроловой, д.г.-м.н.
А.П.Смелова|, к.г.-м.н. Н.И.Гусева. За творческое общение, науку полевых исследований автор благодарен д.г.-м.н. М.М.Буслову, д.г.-м.н.А.Н.Диденко, чл.- корр. РАН Е.В.Склярову, д.г.-м.н. В.С.Имаеву, к.г.-м.н. Л.П.Имаевой, д.г.-м.н. А.В.Корсакову.
Большая техническая помощь в оформлении работы была оказана Л.И.Грабко, Л.И.Смирновой, которым автор весьма признателен.
Автор благодарен семье и близким за поддержку и душевный комфорт, которые способствовали написанию данного труда.
Происхождение и состав земной коры является фундаментальной проблемой геологии. Особую значимость представляют ранние этапы ее становления, которым отвечают глубоко метаморфизованные породы фундамента кратонов. К настоящему времени по этой проблеме накоплен значительный геологический, геохимический и изотопногеохронологический материал, однако многие вопросы ранней истории Земли остаются дискуссионными. В составе структур фундамента кратонов выделены гранулит-гнейсовые и гранит-зеленокаменные области, характер взаимоотношения которых до сих пор окончательно не решен, как не решены и вопросы исходного состава слагающих эти области метаморфических комплексов, что в особенной мере относится к гранулит-гнейсовым областям. Решение этих проблем требует поставновки детальных геохимических исследований метаморфических пород гранулит-гнейсовых и гранит-зеленокаменных областей кратонов по единой методике.
Имеющиеся в настоящее время материалы свидетельствуют, что ранняя сиалическая кора не состоит из тоналит-трондьемит-гранодиоритовых (TTG) гнейсов интрузивного происхождения, как принято считать, а имеет более сложный состав и представлена толщей супракрустального типа, сложенной, главным образом, исходными андезитами и дацитами известково-щелочной серии и одновозрастными, подчиненными им, вулканитами коматиит- толеитовой серии, с присутствием осадочных пород. Подробный тип исходного состава ранней сиалической коры, заложенный еще в эоархее (Гренландский щит) характерен для всех архейских кратонов. Формирование вышеуказанной ассоциации одновозрастных магматических протолитов ранней сиалической коры не может быть удовлетворительно объяснено субдукцией океанических плит и потребовало привлечения другого механизма, предусмотренного концепцией плюмового мантийного магматизма.
В металлогеническом отношении сиалическая нижняя кора рассматривается как потенциальный источник рудного вещества месторождений U, Th, Au, связанных с гранитоидами посткратонной стадии, а содержащиеся в ней базит-гипербазитовые протолиты представляют интерес на сульфидное Cu-Ni-Pt оруденение.
Ключевое значение при исследовании происхождения ранней сиалической коры имеет целенаправленное комплексное геохимическое, изотопно-геохимическое и петрологическое изучение исходных магматических пород фундамента древних щитов в их главных структурах: гранулит-гнейсовых и гранит-зеленокаменных областях. В данной работе с этой целью рассматривается Алданский щит, который является крупнейшим выступом фундамента Сибирской платформы.
Цели и задачи исследований.
Основная цель выполненных исследований: установить геохимическую специфику и происхождение магматических протолитов ранней сиалической коры Алданского щита, определить этапы ее становления. Для достижения цели решались следующие задачи:
1. На основе геохимических особенностей раннекоровых пород супракрустальных метаморфических комплексов гранулит-гнейсовых и гранит- зеленокаменных областей Алданского щита установить их магматические протолиты.
2. Установить принадлежность исходных магматических пород ранней сиалической коры к определенным петрохимическим сериям, выявить их геохимические особенности и источники магматических расплавов.
3. Оценить возраст каждого из нижнекоровых метаморфических
комплексов.
Фактический материал и аналитические методики.
В основу работы положены материалы, собранные автором за период работы с 2003 по 2008 год в составе лаборатории физико-химической петрологии и с 2008 по настоящее время в лаборатории аналитической химии ДВГИ ДВО РАН. Работы проводились по плановым темам НИР ДВГИ ДВО РАН и по проектам РФФИ и ДВО РАН (06-05-96-106, 03- А-08-102, 06-05-96-057, 09-2-УО-08-004, интеграционные проекты ДВО РАН, СО РАН, УРО РАН 09-П-СУ-08-003, 12-П-СУ-08-009). Также использованы материалы и коллекции образцов, собранные коллегами по лаборатории физико-химической петрологии М.А.Мишкиным, О.В.Авченко (по Сутамскому блоку Алданского щита), А.М.Ленниковым, (по Джугджурскому блоку и Батомгской гранит-зеленокаменной области
Алданского щита). Кроме того, была обработана коллекция образцов по Олекминской
области, любезно предоставленная |А.П.Смеловым |и
В.И.Березкиным.
В ходе работы над диссертацией были проанализированы опубликованные к настоящему времени результаты геологических, геохимических и изотопно-геохимических исследований по разновозрастным раннедокембрийским супракрустальным метаморфическим комплексам Алданского щита.
Методы исследований включали как широкий круг современных аналитических методов, так и традиционные геохимические и петрографические исследования. Весь объем каменного материала был исследован по следующим позициям: 1. петрографическое изучение шлифов (около 2000 шт.), 2. петрохимические исследования пород (около 1000 обр.), 3. определение состава минералов на рентгеновском микроанализаторе JXA-8100, (около 30 обр.) 4. геохимическое изучение образцов пород с использованием ICP-MS (метод индукционносвязанной плазмы с масс-спектрометрическим окончанием) для анализа на породообразующие окислы и примесные элементы (около 1000 анализов).
Обработка петрогеохимических и изотопно-геологических данных и моделирование проводилось на персональном компьютере с использованием пакетов программ для ОС Windows Vista и прикладных геохронологических и петрологических программ. Исследования проводились на базе лабораторий Аналитического центра Дальневосточного геологического института ДВО РАН, в лаборатории изотопных исследований Института земной коры СО РАН (Иркутск) и Центре изотопных исследований ВСЕГЕИ (Санкт- Петербург). Для изотопно-геохронологических исследований цирконов в лаборатории аналитической химии ДВГИ ДВО РАН был освоен под руководством автора U-Pb локальный метод LA-ICP-MS на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой Agilent 7500a, соединенном с системой лазерной абляции образца UP-213. Геохронологические результаты по цирконам обрабатывались автором с помощью программ «Glitter v. 4.4.2» (Access Macquarie Ltd), отношения нормализовались на соответствующие значения изотопных отношений стандартных цирконов TEMORA-2 и 91500, возраст которых принят равным 416.8 и 1065.4 млн лет соответственно. Диаграмма с конкордией строилась с использованием программы «Isoplot/Ex v. 3.00». Для 30 образцов были проведены Sm-Nd изотопные исследования по валовым пробам и U-Pb геохронологические исследования с привлечением классического U-Pb изотопного метода по микронавескам циркона. Исследования проводились в изотопной лаборатории Кольского НЦ (г.Апатиты) и в Цетре изотопных исследования ВСЕГЕИ (несколько Sm-Nd определений).
Расчет Р-T параметров метаморфизма производился с использованием минеральных геотермобарометров и привлечением материалов компьютерного моделирования физикохимических условий минералообразования на программном комплексе «Селектор». Кроме того, петрологические исследования включали модельные расчёты Р-Т параметров образования исходных андезит-дацитовых ассоциации и ультраосновных расплавов ранней коры, выполненные на основе известных в литературе экспериментов (Вольф, Уайли, 1993, Sen, Dunn, 1994, Nisbet et al., 1993, McKenzi, Bicle, 1988, Scarrow, Cox, 1995)
Научная новизна работы и практическое значение.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Установлена важная закономерность, заключающаяся в том, что исходный состав магматических протолитов архея и раннего протерозоя ранней сиалической коры Алданского щита представлен андезит-дацитовой ассоциацией известково-щелочной петрохимической серии и подчиненными ей вулканитами коматиит-толеитовой серии.
Установлено, что андезит-дацитовая ассоциация исходных магматических протолитов ранней сиалической коры Алданского щита отличаются от средне-кислых вулканитов современных внутриокеанических островных дуг обогащением LILE, U, Th и LREE.
Исходные коматииты ранней коры Алданского щита отличаются от меловых коматиитов Тихого океана обогащением LILE, U, Th и LREE, что свидетельствует об изначальном геохимическом отличии раннедокембрийской мантии от современной мантии Тихого океана.
Выполненными изотопно-геохронологическими исследованиями установлено, что ранняя сиалическая кора восточной части Алданского щита относится к раннему протерозою, а не к архею, как считалось ранее.
Впервые образование магматических протолитов ранней сиалической коры Алданского щита рассмотрено на основе концепции мантийных плюмов.
Выявленная временная последовательность формирования ранней сиалической коры может быть использована для составления и уточнения легенд к геологическим картам нового поколения м-ба 1:200000 и 1:1000000 докембрия Алданского щита. Полученные результаты могут быть использованы при геохимическом районировании раннедокембрийских образований как Алданского щита, так и других выступов фундамента Сибирской платформы - Анабарского щита, Шарыжалгайского и Ангаро-Канского поднятий.
Результаты работы позволят уточнить поисковые признаки месторождений U, Th, Au, связанных с гранитоидами посткратонной стадии, а базит-гипербазитовые протолиты представляют интерес на сульфидное Cu-Ni-Pt оруденение.
Материалы диссертации используются в образовательных программах бакалавриата и магистратуры направления «Геология» в Дальневосточном федеральном университете.
Защищаемые положения.
1. Ранняя сиалическая кора архея и раннего протерозоя Алданского щита в гранулит-гнейсовых областях представлена метабазит-эндербитовой, а в гранит- зеленокаменных амфиболит-плагиогнейсовой породными ассоциациями. Магматическими протолитами этих ассоциаций являются вулканиты андезит-дацитового состава известковощелочной петрохимической серии, которым подчинены коматииты, коматиитовые и толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии.
2. Исходные известково-щелочные андезиты и дациты ранней сиалической коры относятся к натровому петрохимическому ряду нормальной щелочности. В сравнении со средне-кислыми вулканитами современных внутриокеанических дуг, они обогащены LILE и рядом элементов группы HFSE, в том числе U, Th, и LREE, что отражает геохимические особенности источников их расплавов - первичной базитовой коры.
3. Раннекоровые исходные толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии отличаются от толеитовых базальтов MOR Тихого океана повышенными содержаниями LILE, U и Th. Отношения Nb, Zr, Y свидетельствуют о плюмовом происхождении раннекоровых исходных толеитов. Метакоматииты, в сравнении с меловыми коматиитами о. Горгона Тихого океана, обогащены LILE, U, Th, и LREE, что свидетельствует о геохимической специфике раннедокембрийской мантии Алданского щита.
4. Модель формирования ранней сиалической коры предусматривает подъем верхнемантийного плюма, его декомпрессионное частичное плавление с образованием магм коматиит-толеитовой серии, метаморфизм амфиболитовой фации основания первичной базитовой коры, ее частичное плавление и образование расплавов среднего и кислого составов. В раннем архее (3,3-3,2 млрд лет назад) было сформировано сиалическое ядро будущего Алданского щита, в позднем архее (3,1-3 млрд лет) и раннем протерозое (2,25-2,06 млрд лет) мантийное плюмообразование последовательно смещалось на юг и восток от этого ядра, в результате чего завершилось образование Алданского микроконтинента.
Публикации и апробация работы.
По теме диссертации опубликовано более 30 работ, включая одну авторскую монографию, а также 15 статей в журналах перечня ВАК
Основные результаты докладывались и представлялись на 33-ем Международном геологическом конгрессе, 5-ти международных, а также на 10-ти всероссийских и региональных симпозиумах, совещаниях и конференциях за период с 2003 по 2013 год.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, общим объемом 240 страниц, включая 89 рисунков, 30 таблиц и списка литературы из 273 наименований.
Благодарности.
Настоящий труд является итогом многолетней работы автора, в котором нашли отражение идеи его учителей - д.г.-м.н. В.Т.Фролова (МГУ им. М.В.Ломоносова) и д.г.-м.н. М.А.Мишкина (ДВГИ ДВО РАН), способствовавшим научному становлению автора, которым он выражает глубочайшую признательность.
Особую благодарность автор выражает д.г.-м.н. А.Д.Ножкину (ИГМ СО РАН) за конструктивное и доброжелательное обсуждение данной работы и многолетнее творческое общение. Выполнению исследований способствовали плодотворные дискуссии с директором ДВГИ ДВО РАН, академиком А.И.Ханчуком, которому автор обязан еще и прекрасной рабочей атмосферой на протяжении всей своей научной деятельности.
Искреннюю благодарность автор выражает коллегам по институту, которые поддерживали автора и с которыми обсуждались мнпроблемы, затронутые в работе - чл.- корр. РАН В.Г.Сахно, д.г.-м.н. О.В.Авченко, д.г.-м.н. |А.М.Ленникову|, к.г.-м.н. Р.А.Октябрьскому, д.г.-м.н. С.В.Высоцкому, к.г.-м.н. И.А.Александрову, к.г.-м.н. С.Н.Лаврику. Трудно переоценить аналитическую и методическую помощь коллег из Аналитического центра ДВГИ ДВО РАН в лице Н.В.Зарубиной, к.г.-м.н. А.А.Карабцова, к.г.- м.н. В.В.Иванова. Геохронологические исследования были бы неполными без поддержки к.г.-м.н В.И.Киселева, А.А.Вельдемар, к.г.-м.н. С.А.Сергеева, к.г.-м.н Н.В.Бережной, к.ф.- м.н. И.Н.Капитонова, И.Г.Ванганен.
Выполнению работы способствовали советы академика Д.Ю.Пущаровского, д.г.-м.н.
Л.Л.Перчука, д.г.-м.н. О.М.Розена, д.г.-м.н. Д.Г.Кощуга, д.г.-м.н.Т.И.Фроловой, д.г.-м.н.
А.П.Смелова|, к.г.-м.н. Н.И.Гусева. За творческое общение, науку полевых исследований автор благодарен д.г.-м.н. М.М.Буслову, д.г.-м.н.А.Н.Диденко, чл.- корр. РАН Е.В.Склярову, д.г.-м.н. В.С.Имаеву, к.г.-м.н. Л.П.Имаевой, д.г.-м.н. А.В.Корсакову.
Большая техническая помощь в оформлении работы была оказана Л.И.Грабко, Л.И.Смирновой, которым автор весьма признателен.
Автор благодарен семье и близким за поддержку и душевный комфорт, которые способствовали написанию данного труда.
Анализ полученных геологических, геохимических и изотопногеохронологических данных по нижнекоровым сиалическим образованиям Алданского щита позволили сделать следующие выводы.
Нижняя сиалическая кора Алданского щита формировалась в раннем, позднем архее и раннем протерозое. Раннеархейская нижняя сиалическая кора распространена в Центрально-Алданской гранулит-гнейсовой (Нимнырский блок) и Олёкминской гранит- зеленокаменной областях, где представлена метабазит-эндербитовой и амфиболит- плагиогнейсовой ассоциациями метаморфических пород, соответственно. Позднеархейские раннекоровые сиалические образования приурочены к Южно- Алданской гранулит-гнейсовой области, где известны в Сутамском, Зверевском, Курультинском блоках, сложенных метабазит-эндербитовой ассоциацией метаморфических пород. Раннепротерозойская нижнаяя сиалическая кора слагает восточную часть Алданского щита в Восточно-Алданской гранулит-гнейсовой (Джугджурский и Суннагинский блоки) и Батомгской гранит-зеленокаменной областях, где представлена метабазит-эндербитовой и амфибол-плагиогнейсовой ассоциациями метапород. Установлено, что магматическими протолитами указанных ассоциаций метаморфических пород как в в гранулит-гнейсовых, постоянно являются вулканиты андезит-дацитового состава известково-щелочной петрохимической серии, которым подчинены коматииты, коматиитовые и толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии.
Исходные известково-щелочные андезиты и дациты ранней сиалической коры относятся к натровому петрохимическому ряду нормальной щелочности. В сравнении со средне-кислыми вулканитами современных внутриокеанических дуг, они обогащены LILE и рядом элементов группы HFSE, в том числе U, Th, и LREE, что отражает геохимические особенности источников их расплавов - первичной базитовой коры.
Раннекоровые исходные толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии отличаются от толеитовых базальтов MOR Тихого океана повышенными содержаниями LILE, U и Th. Отношения Nb, Zr, Y свидетельствуют о плюмовом происхождении раннекоровых исходных толеитов. Метакоматииты, в сравнении с меловыми коматиитами о.Горгона Тихого океана, обогащены LILE, U, Th, и LREE, что свидетельствует о геохимической специфике раннедокембрийской мантии Алданского щита.
Постоянное совместное нахождение в исходных раннекоровых супракрустальных толщах средне-кислых вулканитов известково-щелочной серии, коматиитов, коматиитовых и толеитовых базальтов может быть объяснено только на основе модели плюмового мантийного магматизма. Это модель формирования ранней сиалической коры предусматривает подъем верхнемантийного плюма, его декомпрессионное частичное плавление с образованием магм коматиит-толеитовой серии, метаморфизм амфиболитовой фации основания первичной базитовой коры и ее частичное плавление и образование расплавов среднего и кислого составов.
Модельные расчёты образования расплавов ранней сиалической коры, выполненные на основе экспериментов дегидратационного плавления амфиболитов, свидетельствуют, что оно происходило при давлениях Р > 10 < 15 кбар, при температуре 900-985оС. Состав метакоматиитов раннекоровых метабазит-эндербитовой и амфиболит- плагиогнейсовой ассоциаций свидетельствует, что температура в очагах расплавов архейских коматиитов достигала 1890оС, а раннепротерозойских -1760оС, давление составляло 3.7 ГПа и 2.6 ГПа соответственно, что подтверждает закономерность снижения температуры мантии в геологической истории развития Земли с течением времени. Источниками мантийных полюмов архея и раннего протерозоя, судя по геохимическим особенностям метакоматиитов, служила примитивная и обогащённая мантия.
В раннем архее (3,3-3,2 млрд лет назад) было сформировано сиалическое ядро будущего Алданского щита (Нимнырский блок Центрально-Алданской гранулит- гнейсовой области). В конце раннего архея (3.2 млрд лет назад) мантийное плюмообразование сместилось западнее Нимнырского блока, в Олёкминскую гранит- зеленокаменную область (в современных географических координатах). В позднем архее (3,1-3 млрд лет) мантийное плюмообразование сместилось на юг и восток от мест проявления магматизма раннеархейских плюмов. В раннем протерозое (2,25-2,06 млрд лет), в связи с планетарным понижением температуры мантии происходит понижение степени плавления мантийных плюмов, о чем косвенно свидетельствует обогащение мантийных расплавов элементами LIL и частично HFS. Среди сиалических коровых образований впервые появляются субщелочные породы. Мантийное плюмообразование смещается на восток, в пределы Восточно-Алданской гранулит-гнейсовой и Батомгской гранит-зеленокаменной областей, где на рубеже 2.06 млрд лет процесс формирования Алданского микроконтинента завершается.
Сделан вывод, что раннесиалические метаморфические образования Восточно- Алданской гранулит-гнейсовой и Батомгской гранит-зеленокаменной областей является частью раннепротерозойской складчатой системы, обрамляющей на востоке архей Алданского щита и протягивающейся до устья р.Лена, что подтверждается изотопным датированием.
Нижняя сиалическая кора Алданского щита формировалась в раннем, позднем архее и раннем протерозое. Раннеархейская нижняя сиалическая кора распространена в Центрально-Алданской гранулит-гнейсовой (Нимнырский блок) и Олёкминской гранит- зеленокаменной областях, где представлена метабазит-эндербитовой и амфиболит- плагиогнейсовой ассоциациями метаморфических пород, соответственно. Позднеархейские раннекоровые сиалические образования приурочены к Южно- Алданской гранулит-гнейсовой области, где известны в Сутамском, Зверевском, Курультинском блоках, сложенных метабазит-эндербитовой ассоциацией метаморфических пород. Раннепротерозойская нижнаяя сиалическая кора слагает восточную часть Алданского щита в Восточно-Алданской гранулит-гнейсовой (Джугджурский и Суннагинский блоки) и Батомгской гранит-зеленокаменной областях, где представлена метабазит-эндербитовой и амфибол-плагиогнейсовой ассоциациями метапород. Установлено, что магматическими протолитами указанных ассоциаций метаморфических пород как в в гранулит-гнейсовых, постоянно являются вулканиты андезит-дацитового состава известково-щелочной петрохимической серии, которым подчинены коматииты, коматиитовые и толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии.
Исходные известково-щелочные андезиты и дациты ранней сиалической коры относятся к натровому петрохимическому ряду нормальной щелочности. В сравнении со средне-кислыми вулканитами современных внутриокеанических дуг, они обогащены LILE и рядом элементов группы HFSE, в том числе U, Th, и LREE, что отражает геохимические особенности источников их расплавов - первичной базитовой коры.
Раннекоровые исходные толеитовые базальты коматиит-толеитовой серии отличаются от толеитовых базальтов MOR Тихого океана повышенными содержаниями LILE, U и Th. Отношения Nb, Zr, Y свидетельствуют о плюмовом происхождении раннекоровых исходных толеитов. Метакоматииты, в сравнении с меловыми коматиитами о.Горгона Тихого океана, обогащены LILE, U, Th, и LREE, что свидетельствует о геохимической специфике раннедокембрийской мантии Алданского щита.
Постоянное совместное нахождение в исходных раннекоровых супракрустальных толщах средне-кислых вулканитов известково-щелочной серии, коматиитов, коматиитовых и толеитовых базальтов может быть объяснено только на основе модели плюмового мантийного магматизма. Это модель формирования ранней сиалической коры предусматривает подъем верхнемантийного плюма, его декомпрессионное частичное плавление с образованием магм коматиит-толеитовой серии, метаморфизм амфиболитовой фации основания первичной базитовой коры и ее частичное плавление и образование расплавов среднего и кислого составов.
Модельные расчёты образования расплавов ранней сиалической коры, выполненные на основе экспериментов дегидратационного плавления амфиболитов, свидетельствуют, что оно происходило при давлениях Р > 10 < 15 кбар, при температуре 900-985оС. Состав метакоматиитов раннекоровых метабазит-эндербитовой и амфиболит- плагиогнейсовой ассоциаций свидетельствует, что температура в очагах расплавов архейских коматиитов достигала 1890оС, а раннепротерозойских -1760оС, давление составляло 3.7 ГПа и 2.6 ГПа соответственно, что подтверждает закономерность снижения температуры мантии в геологической истории развития Земли с течением времени. Источниками мантийных полюмов архея и раннего протерозоя, судя по геохимическим особенностям метакоматиитов, служила примитивная и обогащённая мантия.
В раннем архее (3,3-3,2 млрд лет назад) было сформировано сиалическое ядро будущего Алданского щита (Нимнырский блок Центрально-Алданской гранулит- гнейсовой области). В конце раннего архея (3.2 млрд лет назад) мантийное плюмообразование сместилось западнее Нимнырского блока, в Олёкминскую гранит- зеленокаменную область (в современных географических координатах). В позднем архее (3,1-3 млрд лет) мантийное плюмообразование сместилось на юг и восток от мест проявления магматизма раннеархейских плюмов. В раннем протерозое (2,25-2,06 млрд лет), в связи с планетарным понижением температуры мантии происходит понижение степени плавления мантийных плюмов, о чем косвенно свидетельствует обогащение мантийных расплавов элементами LIL и частично HFS. Среди сиалических коровых образований впервые появляются субщелочные породы. Мантийное плюмообразование смещается на восток, в пределы Восточно-Алданской гранулит-гнейсовой и Батомгской гранит-зеленокаменной областей, где на рубеже 2.06 млрд лет процесс формирования Алданского микроконтинента завершается.
Сделан вывод, что раннесиалические метаморфические образования Восточно- Алданской гранулит-гнейсовой и Батомгской гранит-зеленокаменной областей является частью раннепротерозойской складчатой системы, обрамляющей на востоке архей Алданского щита и протягивающейся до устья р.Лена, что подтверждается изотопным датированием.