CC BY
15
УДК 552.321.1:550.42:553.065(571.55)
ГЕОХИМИЧЕСКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ В КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ ЛИТОСФЕРЕ КАК ВОЗМОЖНЫЕ ИСТОЧНИКИ РЕДКОМЕ-ТАЛЛЬНЫХ ГРАНИТОИДОВ И СВЯЗАННОГО С НИМИ ОРУДЕНЕНИЯ
С.В. Ефремов1
Институт геохимии имени А.П.Виноградова СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а. На основании анализа изотопно-геохимической информации по магматическим и метаморфическим породам показана возможность образования в континентальной коре геохимически специализированных резервуаров, потенциальных источников редкометалльных гранитоидов. Резервуары образуются при воздействии на породы континентальной литосферы флюидов, выделившихся при дегидратации океанической литосферы в зоне субдукции. Редкометалльные гранитоиды образуются при ремобилизации этих резервуаров в ходе последующих тектонических перестроек. Ил. 5. Библиогр. 14 назв.
Ключевые слова: редкометалльные гранитоиды; геохимически специализированные источники.
GEOCHEMICAL SPECIALIZED SOURCES IN THE CONTINENTAL LITHOSPHERE AS POSSIBLE SOURCE OF THE RARE METAL GRANITOIDS
S.V.Efremov
Institute of Geochemistry SB RAS, 1-a Favorsky St., Irkutsk-33, Russia, 664033.
In the article, possibility of formation of geochemical specialized sources of rare-metal granitoids in the continental crust was shown. Reservoirs are formed by influence on the rocks of the continental lithosphere fluids evolved during dehydration of oceanic lithosphere in the subduction zone. Rare-metal granitoids formed by re-mobilization of it, during subsequent tectonic reconstructions.
5 figures. 14 sources.
Key words: rare-metal granitoids; geochemical specialized sources.
Введение
Статья посвящена одной из главных проблем генезиса редкометалльных гранитоидов и связанного с ними ору-денения - идентификации источников редких элементов. В настоящий момент существует несколько гипотез, рассматривающих в качестве подобных источников:
- породы осадочной оболочки континентальной коры [7];
- производные геохимически специализированных мантийных магм [8];
- трансмагматические флюидные потоки [9];
геохимически специализированные резервуары в континентальной коре [15].
Все эти гипотезы неравнозначны. Если первая и четвертая опираются на конкретные геохимические резервуары, то вторая и третья характеризуют способ передачи металлогенической специализации и требуют уточнения местоположения источника вещества.
Результаты, полученные при изучении редкометалльного магматизма Чукотки, показали, что главным источником гранитофильных элементов является осадочное вещество верхней континентальной коры, рециклированное в зоне субдукции [2]. Редкометалльные гранитоиды образуются в результате смешения геохимически специализированных ультракалиевых магм с кислыми коровыми расплавами [1, 5].
Ефремов Сергей Васильевич - старший научный сотрудник, кандидат геолого-минералогических наук, а/я 4019, тел.: (3952) 429935, e-mail: esv@igc.irk.ru
Efremov Sergey - Senior Research Worker, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, tel.: (3952) 429935, e-mail: esv@igc.irk.ru
Источник ультракалиевых магм расположен в субконтинентальной литосфер-ной мантии и образовался под воздействием метасоматизирующего агента, выделившегося при дегидратации океанической литосферы в зоне субдукции [2].
Эти результаты позволяют объединить три первые гипотезы в одну, связав образование источников редких элементов с рециклингом вещества континентальной коры в зоне субдукции. С этих позиций, источником редких элементов являются породы осадочной оболочки Земли, металлогеническая специализация передается посредством мантийных магм, источники которых образовались при воздействии «трансмагматических флюидов» на породы континентальной литосферы.
В этой модели неиспользованной остается только гипотеза о геохимически специализированных коровых источниках редкометалльных гранитои-дов, существование которых ставится под сомнение. Более детальные работы, выполненные при тестировании моделей смешения, использованных в [1, 3, 5], показали, что смешивающимися компонентами были ультракалиевая магма и редкометалльный гранитоид-ный расплав [4]. Это свидетельствует о том, что ультракалиевая магма и редко-металльный гранитоидный расплав существовали одновременно. Наличие самостоятельной редкометалльной магмы однозначно требует существования геохимически специализированного коро-вого источника на момент магмогенера-ции.
Используя модель рециклинга осадочного вещества в зоне субдукции, мы вполне можем допустить воздействие метасоматизирующего агента на породы континентальной коры с образованием геохимически специализированного домена, чтобы «вписать» гипотезу о геохимически специализированных коро-вых источниках в предложенную выше модель. Однако для этого у нас пока нет
веских оснований. Чтобы использовать эту модель, необходимо показать возможность существования геохимически специализированных коровых источников и идентифицировать процессы, приводящие к их образованию.
Таким образом, главной целью представленной работы является идентификация существующих геохимически специализированных коровых источников и получение генетической информации по процессам, приведшим к их образованию.
Объекты исследований
В качестве района исследований было выбрано восточное побережье Чаунской губы на Чукотке. В пределах этого региона выделяется два возрастных уровня редкометалльного гранито-идного магматизма, связанных с ран-немеловым коллизионным событием и позднемеловой активизацией складчатой области при заложении Охотско-Чукотского вулканогенного пояса (ОЧВП) [2].
Раннемеловые гранитоиды входят в состав позднеорогенной вулкано-плутонической ассоциации. По морфологии, размеру, составу в пределах ассоциации выделяется два типа гранито-идов. Первые образуют небольшие штоки с отчетливой гомодромной зональностью (рис.1). Им свойственна генетическая ассоциация с производными ультракалиевых магм. На базе этих интрузий была построена модель, связывающая образование источников редких элементов с рециклингом вещества континентальной коры в зоне субдукции [4], и рассчитан вклад различных геохимических резервуаров в суммарную вещественную характеристику гранито-идов [3]. Далее, в тексте статьи, эти гра-нитоиды будут называться гибридными.
Гранитоиды второй группы образуют крупные изометричные плутоны (см. рис.1) и имеют выдержанный состав.
171° 173'в.д.
го района Центральной Чукотки: 1-3 -
вулканогенно-осадочные отложения: 1 - ран-немеловые, 2 - триасовые, 3 - палеозойские осадочные; 4-6 - гранитоиды: 4 - постороген-ные, 5 - позднеорогенные «коровые», 6 - позд-неорогенные гибридные; 7 - позднеорогенные вулканиты; 8 - разломы: а - по геологическим данным, б - по геофизическим данным
Согласно модели, изложенной в работе [5], они являются продуктом смешения ультракалиевых магм и кислых коровых расплавов. Однако балансы вещества показывают, что рассчитанный вклад ультракалиевых магм (10% [4]) в суммарную геохимическую характеристику не может обеспечить обогащение гранитоидов редкими элементами. Об этом же свидетельствуют и объемы гранитоидных плутонов, значительно превосходящие объемы производных ультракалиевых и гибридных магм. Все это свидетельствует о существовании самостоятельного источника вещества для редкометалльных грани-тоидов этой группы, и этот источник, учитывая содержание кремнекислоты в этих породах, должен находиться в континентальной коре. Именно гранитоиды этой группы являются главным объектом исследования в представленной статье. Далее, в тексте статьи, они будут называться «коровыми».
Состав и эволюция континентальной коры региона
Чтобы идентифицировать геохимически специализированный источник, расположенный в континентальной коре региона, необходимо располагать информацией о ее строении, эволюции и составе. С учетом этого наибольшее значение приобретает выделение геологической толщи, находившейся на уровне магмогенерации во время образования позднеорогенных гранитоидов, и ее способность генерировать редкоме-талльные расплавы. С этих позиций, учитывая уровень гранитообразования (20-30 км [12]), наибольший интерес представляют породы докембрийского основания.
Докембрийская кора региона наиболее полно «вскрыта» на полуострове Восточная Чукотка, в пределах Кооленьского гранито-гнейсового купола. Ядро купола сложено гранито-гнейсами эттельхвылеутской серии, а его периферическая часть - гнейсами, кристаллическими сланцами лавренть-евской серии. Предполагается, что породы купола были эксгумированы с глубин 25-30 км в позднемезозойское время, при коллизии Чукотского микроконтинента с Сибирью [10] и до этого времени находились на уровне магмо-генерации. Это позволяет рассматривать породы эттельхвылеутской и лавренть-евской серий как возможные источники позднеорогенных гранитоидных магм.
Строение купола с расположением гранито-гнейсовой толщи в центральной части позволяет использовать модель гранитного слоя [12] и рассматривать породы лаврентьевской серии как источник вещества, а гранито-гнейсы эттельхвылеутской - как продукт его плавления.
Чтобы обосновать это утверждение, была построена изотопная модель эволюции континентальной коры Чукотки (рис.2).
0,730
0,700
2000
1500
500
1000 Т (млн. пет)
Рис. 2. Изотопная модель эволюции докембрийской коры Чукотки. Сплошными линиями дана эволюция изотопной характеристики во времени коровых резервуаров: черного цвета - не гранитизированного, серого -гранитизированного. Окружности, лежащие на линиях эволюции, - средние составы гранитои-дов, контролируемых этими резервуарами. Точки по оси абсцисс - U-Pb возрасты по цирконам и Nd модельные датировки. Остальные пояснения см. в тексте.
Данные были взяты из [6, 15]. В основу модели был положен принцип расчета модельных датировок. В качестве базового геохимического резервуара были взяты кристаллические сланцы и амфиболиты лаврентьевской серии, обладающие изотопными характеристиками, близкими к таковым в верхней мантии Земли. Расчет линий эволюции в пределах этой группы дал общее решение с возрастом 1850 млн лет. Этот возраст наиболее целесообразно рассматривать как возраст регионального метаморфизма пород лаврентьевской серии.
Расчет линий эволюции по кристаллическим сланцам, амфиболитам, гранитизированным и слабогранитизи-рованным гнейсам лаврентьевской серии дал совместное решение при возрасте 1160 млн лет. Эта датировка может рассматриваться как время гранитизации (кратонизации) континентальной коры. С этого времени в пределах региона появилось два геохимических резервуара, эволюция вещества которых отличается кардинально.
В качестве возраста гранито-гнейсов эттельхвылеутской серии была
взята изохронная датировка 782 млн лет [6]. Этот возраст может рассматриваться как возраст образования ядра грани-то-гнейсового купола. Интересной особенностью является то, что точки составов кислых и основных пород этого этапа лежат на линиях эволюции коро-вых резервуаров.
Все это позволяет предположить, что породы, слагающие эттельхвылеут-скую серию, образовались в результате плавления гранитизированных и не гра-нитизированных пород лаврентьевской серии и что два этих резервуара контролировали гранитообразование на протяжении длительного времени. Для проверки этого предположения на диаграмму были нанесены средние значения инициальных отношений изотопов Sr разновозрастных гранитоидов региона. Мы видим, что именно эти геохимические резервуары длительный промежуток времени контролировали грани-тоидный магматизм.
Для проверки выделенных возрастных рубежей диаграмма была дополнена U-Pb (по цирконам) датировками магматических образований [11], Nd модельными датировками [12] и полимодальной линией плотности вероятности распределения U-Pb возрастов по детритовым цирконам из терригенных пород Чукотки и острова Врангеля [13]. Мы видим, что выделенные возрастные рубежи вполне достоверны. Это позволяет говорить о корректности выполненных генетических реконструкций.
Геохимически специализированные резервуары в континентальной коре региона
Контроль этими двумя геохимическими резервуарами гранитоидного магматизма с мезопротерозоя до конца мезозоя позволяет предполагать, что они являлись потенциальным источником вещества для «коровых» гранитои-дов ассоциации. Чтобы проверить это предположение, необходимо просто
сравнить геохимические характеристики позднеорогенных «коровых» грани-тоидов с другими продуктами плавления этих резервуаров. Сделать это можно с помощью диаграммы подобия, п]эиведенной на рис.3.
Для «коровых» гранитоидов ассоциации выполняется условие закрытой магматической системы (горизонтальный вектор на диаграмме). Это свидетельствует о том, что обогащение гра-нитофильными элементами являются свойством источника гранитоидных магм.
Рис.3. Геохимическая характеристика пород позднеорогенной ассоциации:
1 - «коровые» гранитоиды; 2 - гибридные гранитоиды; 3 - ультракалиевые шошониты. Пояснения см в тексте.
Диаграмма наглядно иллюстрирует то, что составы сравниваемых гранитоидов довольно близки. Значимые отличия фиксируются только для флюи-домобильных элементов. Учитывая близкие концентрации кремнекислоты в сравниваемых составах, подобное обогащение нельзя получить при фракционировании минеральных фаз и снижении степени плавления протолита. Это позволяет утверждать, что их источники отличались по составу, либо расплавы «коровых» позднеорогенных гранитои-дов были обогащены гранитофильными элементами в результате флюидного подтока вещества.
Проверить последнее предположение можно, используя принцип постоянства элементных отношений в закрытой магматической системе (рис.4). Нарушение условий равновесия (подток Cs) фиксируется только для гибридных гранитоидов, образующих с производными ультракалиевых магм единую мантийно-коровую флюидную систему (наклонный вектор на диаграмме).
200
зоо
400
500
Rb
Рис.4. Диаграмма Rb - Cs/Rb: условные обозначения соответствуют таковым на рис.3.
Для объяснения этих отличий существует два возможных варианта: «ко-ровые» гранитоиды ассоциации имеют самостоятельный источник вещества, расположенный вне пределов рассмотренных коровых резервуаров; рассмотренные коровые резервуары были преобразованы под воздействием потока вещества, обогащенного флюидомо-бильными элементами.
Первый вариант не вполне реален, так как предполагает расположение источника магм на глубинах менее 20 и более 30 км. Это будет требовать дополнительных энергозатрат и делает практически невозможным выплавление больших объемов гранитоидных магм [12].
Второй вариант более приемлем, однако для его обоснования необходимо определить источник флюидомобиль-ных элементов. Некоторые соображения по этому поводу могут быть высказаны при анализе диаграммы (см. рис.3), где помимо гранитоидов дан состав среднего ультракалиевого шошонита. Мы видим, что гранитоиды и шошониты обогащены одними и теми же группами элементов. Одинаковый возраст и ассоциация элементов привноса позволяют
говорить о том, что источники их магм образовались под воздействием единого процесса. Для источника ультракалиевых магм этим процессом была проработка пород субконтинентальной мантии метасоматизирующим агентом, выделившимся при дегидратации океанической литосферы в зоне субдукции [2]. Используя принцип аналогии, можно считать, что этот же механизм может быть применен для источника «коро-вых» гранитоидов ассоциации.
Все это позволяет сделать заключение, что источником «коровых» гра-нитоидов был геохимически специализированный домен, расположенный в пределах континентальной коры региона. Этот домен был сформирован при воздействии на породы континентальной коры флюидов, выделившихся при дегидратации океанической литосферы.
Этот вывод важен, так как позволяет говорить о существовании в континентальной литосфере геохимически специализированных источников ред-кометалльных гранитоидов. Чтобы проверить его обоснованность, нужно протестировать его с помощью других, независимых методов.
В качестве доказательства попробуем просчитать эту модель на базе Rb/Sr и O изотопных систематик с использованием рассчитанных оценок резервуаров и реальных составов магматических пород.
Изотопная характеристика
Использование двух изотопных систем дает возможность проверить корректность сделанных оценок составов геохимических резервуаров и генетических построений. Построенные модели приведены на рис.5. Обе модели иллюстрируют взаимодействие коровых резервуаров гранитоидов с метасомати-зирующим агентом, а также образование «коровых» и гибридных гранитоидов ассоциации.
о О
ги
Рис. 5. Изотопные модели, иллюстрирующие образование геохимически специализированного корового источника. Римскими цифрами обозначены геохимические резервуары: I - негранитизиро-ванная континентальная кора (87Sr/86Sr = 0,7043, 87Rb/86Sr = 0,085, 5 18O = 6, Sr = 100, O = 45.4), II
- гранитизированная (87Sr/86Sr = 0,712, 87Rb/86Sr = 0,6, 5 18O = 10, Sr = 330, O = 48), III - флюид (87Sr/86Sr = 0,722, 87Rb/86Sr = 1,2, 5 18O = 20, Sr = 360, O = 88.9). Сплошные линии - линии смешения. Незалитыми окружностями обозначены пропорции смешения кратные 10. A - B - линия смешения в гибридных гранитоидах: A - ультракалиевый шошонит (87Sr/86Sr = 0,71216, 87Rb/86Sr = 0,87, 5 18O = 7,1, Sr = 770, O = 44.2), B
- кислый гранитоидный расплав, образовавшийся при плавлении гранитизированного корового источника, дополненного 20% рецикли-рованного вещества (87Sr/86Sr = 0,71414, 87Rb/86Sr = 3,519, 5 18O = 13,2, Sr = 300, O = 64). Пунктиром даны пропорции плавления геохимически специализированных коровых источников, метод расчета и необходимые параметры приведены в работе [5]. Расчет инициальных значений выполнен на возраст 110 млн лет. UM
- оценка состава литосферной мантии [5]. Кривая UM - Флюид иллюстрирует образование источника ультракалиевых магм в субконтинентальной литосферной мантии. Остальные условные обозначения соответствуют таковым на рис.3.
Модель, построенная на базе диа-
18 87 86
граммы 5 O - ( Sr/ Sr)i, показывает,
что «коровые» гранитоиды ассоциации образовались при плавлении негранити-зированного корового резервуара, дополненного 10% рециклированного вещества. Гибридные гранитоиды образовались при взаимодействии ультракалиевых магм с продуктами плавления гра-нитизированного корового резервуара, дополненного 20% рециклированного вещества.
Аналогичные результаты были получены при построении модели на базе диаграммы 87КЬ/868г-(878г/868г)ь В отличие от предыдущей, она позволяет контролировать степень обогащения грани-тоидной магмы при плавлении геохимически специализированных коровых источников. Так же как и в первом случае, были получены доли рециклиро-ванного вещества, которые необходимо добавить к каждому из коровых резервуаров, чтобы адекватно описать эволюцию составов гранитоидов (10 и 20% соответственно).
Помимо этого, модель позволяет оценить степень плавления этих резервуаров для образования гранитоидных магм с необходимыми геохимическими характеристиками. Расчеты показали, что степень плавления колеблется в пределах 10-20%, что является обычным при масштабном коровом гранито-образовании [12].
Обе изотопные модели вполне корректно описывают эволюцию реальных составов гранитоидов. Это позволяет считать выводы о существовании в континентальной коре геохимически специализированных источников ред-кометалльных гранитоидов вполне обоснованными.
Существование подобных источников дает возможность по-новому взглянуть на проблему металлогениче-ского районирования территорий. Образуясь в зоне субдукции, они существуют длительный период времени и могут быть ремобилизованы при последующих тектонических перестройках. Типичным примером подобного региона
является Чукотка, где выделяется два возрастных уровня редкометалльного гранитоидного магматизма. Первый из них связан с коллизионным событием, произошедшим после закрытия океанического бассейна, а второй - с заложением ОЧВП [2].
Заключение
Полученные результаты позволяют уверенно говорить о существовании в континентальной коре геохимически специализированных доменов, являющихся источниками редкометалльных гранитоидов.
Эти геохимически специализированные источники образуются под воздействием вещества, выделившегося при дегидратации океанической литосферы в зоне субдукции, на породы континентальной литосферы. Они могут быть ремобилизованы при последующих тектонических перестройках.
Все модели образования редкоме-талльных гранитоидов могут рассматриваться как составляющие единого процесса - рециклинга вещества верхней континентальной коры в зоне суб-дукции.
Полученные результаты могут быть использованы для создания дополнительных критериев при металло-генических построениях. Выполнено при поддержке ИП СО РАН №№ 13, 37.
Библиографический список
1. Ефремов С.В., Козлов В. Д. Ультракалиевые базиты Центральной Чукотки и их роль в понимании генезиса оловоносных гранитоидов // Геология и геофизика. 2007. Т.48, №2. С.283-286.
2. Ефремов С.В. Геохимия и генезис ультракалиевых и калиевых магма-титов Восточного побережья Чаун-ской губы (Чукотка), их роль в ме-таллогенической специализации
оловоносных гранитоидов // Тихоокеанская геология. 2009. № 1. С.84 -95.
3. Ефремов С.В. Источники металло-генической специализации редко-металльных гранитоидов // Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту). Иркутск, 2009. Т.2. С.75-77.
4. Ефремов С.В. Оловоносные грани-тоиды как индикаторы процессов глубокой перестройки континентальной литосферы // Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту). Иркутск, 2010. Т. 1. С.116-117.
5. Ефремов С.В., Дриль С.И., Санди-мирова Г. П. и др. О достоверности Rb/Sr изотопных датировок мелового гранитоидного комплекса Центральной Чукотки // Геология и геофизика. 2010. № 12. С.1257-1261.
6. Жуланова И. Л. Земная кора Северо-Востока Азии в докембрии и фане-розое. М.: Наука, 1990. 289 с.
7. Таусон Л.В. Геохимические типы и потенциальная рудоносность грани-тоидов. М.: Наука, 1977. 280 с.
8. Трошин Ю.П. Геохимия летучих компонентов в магматических породах, ореолах и рудах Восточного Забайкалья. Новосибирск: Наука, 1978. 165 с.
9. Щеглов А.Д., Говоров И.Н. Нелинейная металлогения. М.: Наука, 1985. 325 с.
10. Akinin,V.V., Calvert A.T., Cretaceous mid-crustal metamorphism and exhumation of the Koolen gneiss dome, Chukotka Peninsula, NE Russia // Crustal Evolution of the Bering-Chukchi Region of Russia and Alaska and Adjacent Arctic Ocean, Spec. Pap. Geol. Soc. Am., 2002, V. 360. P.147-166.
11. Amato J.M., Toro J., Miller E.L., Geh-rels G.E., Farmer G.L., Gottlieb E.S., Till A.B. Late Proterozoic-Paleozoic evolution of the Arctic Alaska-Chukotka terrane based on U-Pb igneous and detrital zircon ages: Implications for Neoproterozoic paleogeo-graphic reconstructions // GSA Bulletin, 2009, v. 121, № 9/10. P. 1219-1235.Chen G.N., Grapes R. Granite genesis: in situ melting and crustal evolution. Springer, 2007, 273c.
12. Miller E.L., Toro J., Gehrels G.E., Amato J.M., Prokopiev A., Tuchkova M.I., Akinin,V.V., Dumitru T.A., Moore T.E. New insights into Arctic paleogeography and tectonics from U-Pb detrital zircon geochronology // Tectonics, 2006, V.25. P.1-19.
13. Rowe H.D. Petrogenesis of plutons and hypabyssal rocks of the Bering Strait region, Chukotka, Russia. Rice University, Houston, Texas, 1998, 103 p.
14. Schuiling R.D. Tin belt on the continents around the Atlantic ocean // Econom. Geol., 1967, V. 2, № 4. P. 540-550.
Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, профессор Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета Г.Д.Мальцева
