ПЕТРОХИМИЯ
ПОЗДНЕОРДОВИКСКИХ – РАННЕДЕВОНСКИХ БАЗАЛЬТОИДОВ
ЮЖНОЙ ЧАСТИ ТАГИЛЬСКОЙ ЗОНЫ СРЕДНЕГО УРАЛА
(по данным Уральской сверхглубокой скважины
и околоскважинного пространства)
Введение 3
1 Геологическое строение южной части Тагильской зоны и точки зрения
на ее формирование 6
2 Раннепалеозойские вулканические ассоциации южной части Тагильской структуры 14
2.1 Вулканические ассоциации позднего ордовика – раннего силура 14
2.2 Вулканические ассоциации силура - раннего девона 18
2.3 Последовательность формирования вулканических ассоциаций 24
3 Методы исследований и разбраковка аналитических данных 29
4 Петрографическая, петрохимическая и геохимическая характеристика
раннепалеозойских базальтоидов южной части Тагильской структуры 35
4.1 Петрографическая характеристика базальтоидов 35
4.2 Петрохимическая характеристика базальтоидов 42
4.3 Геохимические особенности базальтоидов 56
4.4 Петрохимические типы и серии базальтоидов 62
4.5 Относительная временная последовательность вулканических (петрохимических) серий базальтоидов 67
5 Петрология и тектоническая обстановка формирования раннепалеозойских базальтоидов Тагильской структуры 72
5.1 Особенности формирования магм в современных островных дугах и
континентальных рифтах 72
5.2 Изотопно-геохимические данные о роли мантийной и коровой составляющих источников плавления раннепалеозойских базальтоидов 75
5.3 Оценка мантийной составляющей источников плавления раннепалеозойских базальтоидов 77
5.4 Природа коровой составляющей источников плавления раннепалеозойских базальтоидов 84
5.5 Палеогеодинамическая обстановка формирования раннепалеозойских
базальтоидов Тагильской структуры 94
Заключение 123
Список использованных источников 128
Приложения 145
Актуальность исследований. Геологические исследования на Урале имеют многовековую историю, с начала прошлого века вулканизм Тагильской зоны исследуется систематически. Петрологии вулканических пород Среднего Урала посвящены многочисленные работы, определены основные особенности развития вулканизма в раннем палеозое.
И, тем не менее, предлагаются различные интерпретации тектонической обстановки их
формирования. Обосновываются две модели формирования Тагильской зоны: континентально-рифтогенная (Каретин, 1997-2004) и надсубдукционная – островодужная (Агеева,
1992; Язева и Бочкарев, 1989, 1995, 2000; Розен и др., 1997, 1999; Румянцева, 1989, 1995;
Петров и др., 2000; Коротеев и др., 2001 и др.). Генезис вулканических пород Тагильской
структуры, принципиально важный для объяснения развития вулканизма этой зоны и всего Урала, таким образом, остается актуальной проблемой. В процессе исследований пород
Уральской СГ-4, вскрывшей в Тагильской зоне раннепалеозойские вулканогенные образования до глубины 6000 м, накоплен значительный объем материалов по петрологии и
геохимии вулканитов, что дает возможность рассмотреть их генезис в сопоставлении с
базальтоидами современных обстановок. В раннепалеозойских вулканических комплексах
Тагильской структуры базальты и андезиты обычно преобладают над кислыми породами,
как и в составе вулканических ассоциаций современных островных дуг и континентальных рифтов. Поэтому по петрологии и геохимии базальтоидов предполагается восстановить их генезис и тектоническую обстановку раннепалеозойского вулканизма.
Целью исследований является определение генезиса базальтоидов позднего ордовика – раннего девона южной части Тагильской зоны и реконструкция геодинамической
обстановки их формирования. Для достижения этой цели были поставлены следующие
задачи: 1. Обобщить петрологические данные по раннепалеозойским базальтоидам южной
части Тагильской зоны и выделить ассоциации вулканических пород (O3-D1). 2. Определить принадлежность базальтоидов к петрохимическим сериям и установить последовательность их образования. 3. Установить геохимические особенности базальтоидов и характер их изменения в пространстве и во времени. 4. Оценить состав источника раннепалеозойских базальтоидов.
Научная новизна работы. Впервые получены новые данные по геохимии позднеордовикских - раннедевонских базальтоидов южной части Тагильской зоны и обобщены
петрохимические данные по району СГ-4. Это позволило обосновать палеоостроводужный генезис этих пород. Этот вывод получил дополнительное подтверждение при сопоставлении базальтоидов Тагильской зоны с базальтами современных различных геодина-4
мических обстановок, что позволило представить общую последовательность развития
вулканизма в раннем палеозое на Среднем Урале.
Основные защищаемые положения:
1. Установлено, что базальтоидный вулканизм в южной части Тагильской зоны
эволюционировал от однородного толеитового к дифференцированному известковощелочному и, затем, к шошонитовому - в последовательности, типичной для современных
островных дуг.
2. Показано, что геохимические особенности базальтоидов определялись составом
деплетированного мантийного субстрата, преобразованного под воздействием флюиднорасплавной компоненты субдукционной природы.
3. Выявлена поперечная петрогеохимическая зональность базальтоидов с запада на
восток Тагильской зоны. Она объясняется обеднением источника водным флюидом, снижением степени плавления и увеличением глубины очага магмагенерации.
4. Полученный комплекс данных доказывает, что раннепалеозойский базальтоидный вулканизм южной части Тагильской зоны происходил в островодужной обстановке.
Фактическая основа работы. Было исследовано более 500 образцов базальтоидов
из вулканических комплексов (O3-D1) южной части Тагильской зоны, собранных в полевых исследованиях 1995-2004 г.г. Проведено опробование Уральской СГ-4, структурных
скважин и коренных выходов на поверхности поперек структуры, на широте СГ-4. Проведено петрографическое изучение базальтоидов в шлифах (более 1000), в том числе и из
коллекции ФГУП НПЦ "Недра". Детально изучена коллекция базальтоидов (100 образцов), для которых были определены содержания главных компонентов и элементовпримесей. Был детально изучен составов клинопироксенов из нижнепалеозойских базальтоидов на электронном (более 500 анализов) и ионном (около 20 анализов) зондах. В работе использовано около 200 химических анализов базальтоидов, данных Е.М. Ананьевой
(1983), Н.С. Чурилина (1985), А.Ф. Кирьякова (1987), Н.А. Румянцевой (1988), В.Б. Пояркова (1988), О.М. Розена (1995), Ю.С. Каретина (2000), К.Г. Башты и Ан.И. Марченко
(1992-2003). Использованы данные по базальтоидам современных островных дуг (180
анализов) и континентальных рифтов (160 анализов) из электронной базы GEOROC
(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc).
Практическое значение. Результаты работы имеют большое практическое значение для изучения палеозойского этапа развития Урала. Методический подход, использованный при изучении палеозойских вулканитов, может быть применен в исследованиях
палеотипных вулканических пород, в палеогеодинамических реконструкциях Урала и регионов со сходным тектоническим строением.5
Аппробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на научных чтениях памяти профессора И.Ф. Трусовой (Москва, МОИП, 1996-1999),
на Втором Всероссийском петрографическом совещании “Петрография на рубеже XXI
века. Итоги и перспективы” (г. Сыктывкар, 2000), на X Всероссийском совещании «Петрография XXI века» (г. Апатиты, 2005). По теме диссертации опубликовано 29 работ (7
статей и 22 тезиса докладов).
Структура и объем работы. Работа состоит из 5 глав, введения, заключения и
приложений; имеет общий объем 144 страницы, содержит 2 таблицы и 48 рисунков; табличные приложения из 23 страниц; список литературы включает 182 наименования. В первой главе рассматриваются геологическое строение района исследований, проблемы, важные для объяснения развития раннепалеозойского вулканизма, задачи исследований. Во
второй главе дана характеристика вулканических ассоциаций (O3-D1). В третьей главе
приводится методика исследований. В четвертой главе дана характеристика состава и
геохимических особенностей базальтоидов. В пятой главе рассматривается генезис и палеогеодинамическая обстановка формирования базальтоидов.
Благодарности. Автор выражает благодарность к. г-м. н. А.А. Носовой (ИГЕМ
РАН) и Л.В. Сазоновой (МГУ) за инициацию этой работы, помощь в отборе и обработке
материалов, обсуждении результатов, а также за участие в изучении составов клинопироксенов, корректирующее ход исследований. Автор благодарит к. г-м. н. А.Я. Докучаева
за организацию полевых работ.
Осуществление этой работы было бы невозможным без помощи в полевых исследованиях руководителей и геологов Уральской ГРЭ (Уральская скважина СГ-4) К.Г. Башты, В.А. Горбунова, Ан.И. Марченко, Ал.И. Марченко, Л.Н. Шахториной.. Особая признательность д. г-м. н. Ю.С. Каретину (ИГиГ УрО РАН) за участие в совместных полевых работах.
Автор благодарит руководство ФГУП НПЦ "Недра" за финансовую поддержку.
Изучение раннепалеозойских (O3-D1) базальтоидов южной части Тагильской зоны
показало следующее:
Вулканические ассоциации южной части Тагильской зоны образуют два формационных ряда.
Формационный ряд позднего ордовика – раннего силура включает
1. базальтовую, содержащую плагиориодациты, нижнекабанскую ассоциацию (O3),
2. базальт-плагиодацит-плагиориолитовую верхнекабанскую (O3),
3. андезибазальт-андезит-плагиодацитовую красноуральскую (S1).
Формационный ряд силура – раннего девона включает
1. базальт-андезибазальт-андезит-плагиориодацитовую павдинско–липовскую ассоциацию (S1),
2. базальт-андезибазальтовую именновскую (S1-2),
3. базальтовую, содержащую дациты, гороблагодатскую (S2),
4. шошонит-латитовую туринскую (S2-D1).
Характер и обстановка базальтоидного вулканизма изменялись во времени. В позднем ордовике - раннем силуре доминировал эффузивный вулканизм в подводной обстановке (подушечные лавы и гиалокластиты кабанского и красноуральского комплексов). В
силуре – раннем девоне базальтоидный вулканизм эффузивно-эксплозивного типа проходил в подводной обстановке (подушечные лавы и туфы павдинского-липовского, именновского и гороблагодатского комплексов) и в подводной-субаэральной обстановке (подушечные лавы, субвулканические тела и игнимбритоподобные лаво- и гиалокластиты
туринского комплекса).
Базальтоиды преобразованы в эпидот-хлоритовой и пренит-пумпеллиитовой субфациях регионального метаморфизма, из темноцветных минералов первичный состав сохраняет только клинопироксен, плагиоклаз замещен альбитом, стекло - вторичными минералами. В ранних (O3-S1) вулканических ассоциациях (нижнекабанской, верхнекабанской и красноуральской) преобладают афировые базальтоиды, мелкопорфировый облик
изредка имеют верхнекабанские и красноуральские базальтоиды. Микровкрапленники
клинопироксенов из нижнекабанских базальтов имеют состав высокомагнезиального авгита – эндиопсида, состав клинопироксенов из верхнекабанских и красноуральских базальтоидов изменяется от высокомагнезиального авгита, изредка диопсида во вкрапленниках до железистого авгита в микролитах. В вулканических ассоциациях (S1-2) (павдинско-липовской и именновской) доминируют порфировые базальтоиды. По преобладанию
во вкрапленниках клинопироксена либо плагиоклаза выделены магнезиальные и глинозе-124
мистые разности (петротипы) базальтоидов. Клинопироксены из них представлены 3-4-
мя генерациями, имеют сложную зональность, их состав изменяется от высокомагнезиальных авгитов - эндиопсидов во вкрапленниках до железистых авгитов - ферроавгитов в
микролитах. Среди именновских базальтоидов присутствуют обильноминдалекаменные
афировые разности с редкими микровкрапленниками плагиоклаза и клинопироксена авгита довольно однородного состава. Базальтоиды поздних вулканических ассоциаций (S2-
D1): редкопорфировые ферробазальты (гороблагодатские), редкопорфировые и порфировые латиты и обильнопорфировые шошониты (туринские). В этих породах во вкрапленниках плагиоклаз преобладает над клинопироксеном, присутствуют микровкрапленники
титаномагнетита и акцессорные минералы: апатит, ильменит, сфен. Клинопироксены
вкрапленников салиты – высококальциевые авгиты и ферросалиты-ферроавгиты в микролитах.
Раннепалеозойские базальтоиды принадлежат к следующим петрохимическим сериям: в позднем ордовике – раннем силуре: Na толеиты (O3) сменяются известковощелочными K-Na базальтами (O3) и Na андезибазальтами-андезитами (S1); в силуре – раннем девоне: известково-щелочные высокомагнезиальные K-Na, Na базальтыандезибазальты-андезиты (S1) сменяются известково-щелочными и толеитовыми Na базальтами-андезибазальтами (S1-2), затем K-Na базальтами переходного к субщелочному
типа (S2) и K шошонитами-латитами (S2-D1). Базальтоидный вулканизм (O3-D1) в южной
части Тагильской зоны развивался, в целом, от однородного толеитового к дифференцированному известково-щелочному и, затем, к субщелочному шошонитовому. Последовательность петрохимических серий базальтоидов позволяет охарактеризовать геодинамическую обстановку их формирования как островодужную.
Общими геохимическими особенностями базальтоидов являются отрицательные
аномалии ВЗЭ (Nb, Ta, Zr, Hf, Ti, Y) и максимумы КИЛЭ (K, Rb, Ba, Pb) относительно NMORB, низкие относительно хондрита содержания ТРЗЭ и высокие ЛРЗЭ. Значительным
дефицитом ВЗЭ и ТРЗЭ, и невысокими содержаниями КИЛЭ и ЛРЗЭ характеризуются
нижнекабанские толеиты, начинающие ряд ранних (O3-S1) вулканических ассоциаций, и
павдинско-липовские высокомагнезиальные базальтоиды, начинающие ряд поздних (S1-2-
D1) вулканических ассоциаций. Содержание КИЛЭ и ЛРЗЭ, и обогащение КИЛЭ/ВЗЭ и
ЛРЗЭ/ТРЗЭ последовательно возрастают в каждом формационном ряду и, в целом, от толеитовых базальтоидов к известково-щелочным и к субщелочным.
Геохимические особенности базальтоидов объясняются формированием их расплавов из мантийного источника в присутствии водных флюидов, о чем свидетельствует характер отношений между элементами-примесями. В них наблюдается прямая зависимость125
между Nb/Ta и Zr/Hf, Th/Yb и La/Yb, не характерна для базальтов СОХ и континентальных рифтов (КР), но типичная для базальтов островных дуг (ОД). Низкие значения указанных отношений объясняются предшествующим плавлению взаимодействием мантийного субстрата с водным флюидом, равновесным с эклогитовой рутил-содержащей ассоциацией; высокие значения указывают на снижение в составе метаморфизующего компонента водного флюида и возрастание доли расплава.
Флюиды и расплавы, поступавшие в мантийный источник, имели субдукционную
природу. Базальтоиды (O3-D1) Тагильской структуры, как и базальты ОД, почти на порядок обогащены КИЛЭ/ВЗЭ и ЛРЗЭ/ТРЗЭ (Sr/Nb, Ba/Nb, Pb/Y, La/Yb и др.) относительно
базальтов СОХ, ОО и КР. Они характеризуются дефицитом Ta, что соответствует высокой
степени плавления, но при этом, обогащены Th (имеют высокое Th/Ta отношение). Дополнительное поступление Th в источник плавления возможно с субдукционным компонентом, формирующимся за счет океанических осадков. Для оценки воздействия субдукционного флюида на мантийный источник проведены расчеты содержания Nb и Th в базальтовых расплавах из метасоматизированных флюидами перидотитов при различной
степени плавления по модели (Brenan et. al., 1995). Эти расчеты показали, что поступление
флюидов, равновесных с рутил-содержащей эклогитовой ассоциацией, в мантийный источник составляет около 10-20%. Подобные оценки получены для базальтов современных
ОД. Расчетная степень плавления для базальтоидов с низким содержанием Nb (
и гороблагодатского, и туринского комплексов) степень плавления снижается до 10% и
5%, соответственно. Такая последовательность согласуется с изменением состава и геохимических особенностей базальтоидов во времени и с удалением от фронта в современных ОД.
Петрохимическая зональность в одновозрастных базальтоидах западной и восточной части Тагильской структуры, несмотря на сложную картину, позволяет идентифицировать западную часть структуры как фронтальную, а восточную как тыловую зону вулканического фронта островной дуги или островодужной системы. Одновозрастные базальтоиды позднего ордовика (нижнекабанские на западе и нижнекрасноуральские на востоке) и раннего силура (павдинские на западе и липоские на востоке) могли формироваться в пределах единого вулканического фронта в параллельных грядах (современный аналог – Курильская дуга). На западе базальтоиды кристаллизовались из более дифференцированных расплавов, здесь породы и ранние генерации клинопироксенов характеризуются
меньшей магнезиальностью. Формирование более дифференцированных расплавов во126
фронтальной части вулканического фронта Курильской дуги связывают с большей мощностью островодужной коры (Bindeman, Bailey, 1999). На востоке реконструируется тыловая зона вулканического фронта по возрастанию глубины очага плавления базальтоидов
липовского комплекса (S1).
Поперечная зональность проявляется в Тагильской структуре с запада на восток в
том, что толеитовые базальтоиды сменяются известково-щелочными и субщелочными калиевыми. В базальтоидах ранней (O3-S1) и поздней (S1-2-D1) вулканических ассоциаций с
запада на восток возрастает общая щелочность, содержание Sr, Rb и др. КИЛЭ, ЛРЗЭ
(La+Ce+Nd), Zr и др. ВЗЭ. Подобная зональность типична для ОД, она объясняется (Kuno,
1966; Whitford, 1975; Tatsumi, 1991) закономерными изменениями условий генерации и
эволюции магм с удалением от фронта дуг: возрастанием глубины и снижением степени
частичного плавления, изменением состава источника от деплетированного к обогащенному.
Состав мантийного источника раннепалеозойских базальтоидов, по содержанию и
степени фракционирования РЗЭ в базальтоидах и в клинопироксенах, изменялся от деплетированного шпинелевого лерцолита или шпинелевого гарцбургита (толеиты O3) к амфибол-шпинелевому лерцолиту (известково-щелочные базальтоиды O3-S1-2) и к обогащенному перидотиту, содержащему слюду и амфибол (шошониты, латиты S2-D1). Источником
высокомагнезиальных известково-щелочных базальтоидов (S1) на востоке мог служить
гранатовый лерцолит.
Метасоматическое обогащение мантийного субстрата базальтоидов Тагильской
структуры с запада на восток прослеживается так же по возрастанию в них ЛРЗЭ и Th относительно КИЛЭ и Pb. Подобная зональность наблюдается в островных дугах с удалением от фронта, она возникает при снижении в составе субдукционного компонента, метасоматизирующего мантийный субстрат, доли флюида и увеличении доли расплава (Kent,
Elliott, 2002 и др.). С запада на восток в базальтоидах снижаются Pb/Ce и Ba/Th отношения, за исключением субщелочных разностей в тыловой зоне, где нивелирование отношений связано с плавлением более глубинного субстрата.
Геохимические особенности раннепалеозойских базальтоидов Тагильской структуры показывают участие в их генезисе деплетированной, метасоматизированной, мантии и
коры океанического типа. Сопоставление раннепалеозойских базальтоидов с базальтоидами современных обстановок по геохимическим особенностям, показало, что их формирование происходило в островодужной обстановке, в субокеанических условиях без участия континентальной коры. Это подтверждается данными исследований изотопного состава Sr и Nd вулканогенных пород (O3-S1-2) (Розен и др., 1999; Бубнов и др., 2001).127
Время собственно островодужного вулканизма в Тагильской зоне на Среднем Урале по палеонтологическим и изотопным данным ограничивается поздним ордовиком (448
млн. лет) - ранним девоном (401 – 408 млн. лет) и составляет около 40-50 млн. лет. Современную Тагильскую структуру можно рассматривать как аккретированную островную дугу. Выделенные формационные ряды вулканических ассоциаций могут представлять образования двух (ранней и поздней) или более дуг, либо, как минимум, две последовательные стадии формирования древней дуги