Минералогические и геохимические характеристики циркона в архейских габбро-анортозитах Кольского региона

Кудряшов Н.М. и др. Минералогические и геохимические характеристики циркона...

УДК 550.42

Н.М. Кудряшов, С.Г. Скублов, А.В. Мокрушин, Л.М. Лялина

Минералогические и геохимические характеристики циркона в архейских габбро-анортозитах Кольского региона

N.M. Kudryashov, S.G. Skublov, A.V. Mokrushin, L.M. Lyalina

Mineralogical and geochemical characteristics of zircon from Archaean gabbro-anorthosites of the Kola region

Аннотация. Проведено минералого-геохимическое исследование циркона из габбро-анортозитов Цагинского массива неоархейского возраста (2659 ± 3 млн лет) и массива Северный мезоархейского возраста (2935 ± 8 млн лет). Изучение морфологии циркона, внутреннего строения в катодолюминесценции и отраженных электронах, а также содержания и распределения редкоземельных элементов позволило получить важную информацию об условиях роста циркона при формировании разновозрастных габбро-анортозитовых массивов. Циркон из обоих массивов обладает всеми признаками магматического происхождения с общими чертами распределения REE. Установлены различия в содержании ряда редких элементов (Th, U, Ti) в цирконе изученных массивов, что свидетельствует о разных условиях и составе кристаллизующей среды циркона. Расчетные температуры кристаллизации циркона в Цагинском массиве составили 673-714 °С, в Северном массиве - 730-813 °С.

Abstract. Mineralogical and geochemical research of zircon from the gabbro-anorthosites of Tsaginski (2659 ± 3 Ma) and Severny (2935 ± 8 Ma) intrusions has been conducted. Study of the zircon morphology, its internal structure in the cathodoluminescence and backscattered electron, as well as studying the content and distribution of rare earth elements provided important information on the conditions of the zircon growth. Zircon from both intrusions has all the features of magmatic origin with similar REE patterns. The differences in the content of trace elements (Th, U, Ti) in zircons of the studied intrusions have been established, indicating the different conditions of zircon crystallization. Calculated zircon crystallization temperature in the Tsaginski intrusion is in the range of 673-714 °C, in the Severny intrusion - 730-813 °C.

Ключевые слова: архей, габбро-анортозит, циркон, геохимия, минералогия, Кольский регион Key words: Archaean, gabbro-anorthosite, zircon, geochemistry, mineralogy, the Kola region

1. Введение

Кольская габбро-анортозитовая провинция объединяет десятки крупных и небольших массивов разного возраста, формирование которых происходило на протяжении длительного (~ 1 млрд лет) времени, от мезоархея до среднего протерозоя. Их размещение связано с разновременными тектоническими структурами Кольского региона. Неоархейский этап габбро-анортозитового магматизма проявлен, главным образом, в обрамлении Кейвского составного террейна и представлен большой группой массивов, объединенных в единый Кейвско-Колмозерский комплекс (Шарков, 1984). В состав этого комплекса были включены Цагинский, Медвежье-Щучьеозерский, Ачинский, Пачинский, Патчемварекский, Северный, а также массивы Северо-Кейвской группы. U-Pb изотопногеохронологическое датирование циркона и бадделеита из габбро-норитов и анортозитов Цагинского, Ачинского и Медвежье-Щучьеозерского массивов установило возрасты, укладывающиеся в диапазон 2.68-2.66 млрд лет (Баянова, 2004). Позднее для Патчемварекского и Северного массивов, расположенных на сочленении Кейвского террейна с зеленокаменным поясом Колмозеро-Воронья и Мурманским доменом, по циркону были получены значения возраста 2.93-2.92 млрд лет (Кудряшов, Мокрушин, 2011). Эти значения отвечают более раннему, мезоархейскому, этапу анортозитового магматизма. Проведенные ранее изотопно-геохронологические и петрологические исследования позволили установить составы первоначальной магмы архейского анортозитового магматизма разного возраста и геодинамические обстановки их образования (Кудряшов, Мокрушин, 2011). Настоящая работа посвящена результатам изучения минералого-геохимических характеристик циркона из Цагинского массива неоархейского возраста и массива Северный мезоархейского возраста с целью получения информации о генезисе и термодинамических условиях его кристаллизации.

314

Вестник МГТУ, том 17, № 2, 2014 г.

стр. 314-319

2. Методики минералогических и геохимических исследований

Исследования циркона в режиме катодолюминесценции проведены на растровом электронном микроскопе "LEO1450", оснащенном приставкой "PANA CL". Рабочее расстояние - 13 мм, величина тока зонда - 75-300 пА, ускоряющее напряжение - 20 кВ. Визуализация осуществлялась с помощью фотоумножителя "GATAN" с диапазоном области спектра 400-700 нм. Окончательное катодолюминесцентное изображение циркона фиксировалось в цифровом виде.

Содержание редкоземельных (REE) и редких элементов в цирконах определялось на ионном микрозонде Cameca IMS-4f (ЯФ ФТИАН, аналитики С.Г. Симакин, Е.В. Потапов) по методикам, приведенным в (Hinton, Upton, 1991; Федотова и др., 2008). Размер исследуемого участка минерала не превышал в диаметре 15-20 мкм; относительная ошибка измерения для большинства элементов составляла 10-15 %; порог обнаружения элементов в среднем равен 10 ppb. При построении спектров распределения REE составы цирконов нормировались на состав хондрита С1 (McDonough, Sun, 1995). Оценка температуры кристаллизации циркона выполнена с помощью сольвусного Ti-в-цирконе термометра (Watson et al., 2006).

3. Результаты минералогических исследований

Акцессорный циркон, выделенный из габбро-анортозитов Цагинского массива, представлен прозрачными коричневыми зернами призматического габитуса с четкими ребрами (рис. 1). В огранке доминирует цирконовая призма {110}, из дипирамид развита {111}. Гиацинтовая призма {100} развита не всегда, если присутствует, то в виде узких граней. Трещиноватость крайне слабая, кристаллы практически без трещин. Внутрифазовая неоднородность представлена в виде тонкоритмичной (первые мкм) зональности, повторяющей контуры кристаллов. Фазовая неоднородность (включения) не выявлена.

Рис. 1. Внутреннее строение циркона в отраженных электронах из габбро-анортозитов Северного (PV-9) и Цагинского массивов (ЦГ-13). Кружками отмечены места анализирования на ионном микрозонде

Акцессорный циркон, выделенный из габбро-анортозитов массива Северный, присутствует в виде непрозрачных призматических зерен розоватой и желтоватой окраски с хорошо сохранившимися ребрами (рис. 1). Кристаллы призматического (до длиннопризматического) габитуса, образованные гранями цирконовой призмы {110} с подчиненным развитием дипирамид {111} и {311}. Степень трещиноватости варьирует от слабой до сильной. В отдельных кристаллах наблюдаются две зоны: внутренняя, практически свободная от трещин, и внешняя - сильно трещиноватая. Внутрифазовая неоднородность представлена ритмичной зональностью. Мощность отдельных зон варьирует от 1 мкм до 50 мкм. Контуры зон указывают на смену габитусных форм кристаллов при кристаллизации циркона. Фазовая неоднородность представлена единичными включениями других минеральных фаз.

315

Кудряшов Н.М. и др. Минералогические и геохимические характеристики циркона...

4. Результаты геохимических исследований

Цирконы из анортозитов Цагинского массива достаточно однородны, поэтому были проанализированы центральные части зерен. Спектры распределения REE в них практически сливаются в одну линию на рис. 2а и демонстируют четко выраженную дифференциацию от легких к тяжелым REE (LuN/LaN отношение составляет в среднем 27 400, см. табл.), значительную по величине положительную Cе-аномалию (Се/Се* в среднем около 100) и отрицательную Eu-аномалию (Eu\Eu* в среднем 0.03). Общий уровень содержания REE можно охарактеризовать как высокий (суммарное содержание REE в среднем превышает 2000 ppm) со значительным преобладанием тяжелых REE над легкими REE (табл.). По характеру распределения REE цирконы из анортозитов Цагинского массива соответствуют типичным цирконам магматического генезиса (Hoskin, Schaltegger, 2003). Содержание ряда других редких элементов также достаточно выдержано - содержание U в среднем составляет около 1 200 ppm, Th -около 600 ppm, Th/U отношение варьирует от 0.39 до 0.66, в среднем - 0.51, что также указывает на магматическую природу изученных цирконов. Для них характерно повышенное, по сравнению с цирконами из других типов пород (Belousova et al., 2002), содержание Y (в среднем около 3500 ppm), Nb и Li (около 40 ppm), Hf (около 9 200 ppm). Содержание P также значительно по сравнению с цирконами из основных пород и составляет в среднем около 400 ppm (табл.). Содержание Са и Ti, неформульных для циркона элементов, невелико - в среднем 14 и 6 ppm соответственно, что косвенно указывает на высокую степень кристалличности циркона и отсутствие наложенных гидротермальнометасоматических изменений (Скублов и др., 2009). Оценку температуры кристаллизации циркона по Ti-в-цирконе термометру (Watson et al., 2006), находящуюся в диапазоне 673-714 °С, можно принимать как нижнюю температурную границу их образования.

Таблица. Содержание редкоземельных и редких элементов (ppm) в цирконе

Точка ЦГ-13-1 ЦГ-13-2 ЦГ-13-3 ЦГ-13-4 ЦГ-13-5 PV-9-1 PV-9-3 PV-9-5 PV-9-9

анализа Цагинский массив Северный массив

La 0.04 0.08 0.06 0.07 0.06 0.16 0.09 0.20 0.09

Ce 53.3 67.3 84.0 46.6 64.7 15.9 27.9 9.66 3.20

Pr 0.37 0.40 0.50 0.61 0.27 0.17 0.13 0.17 0.10

Nd 6.06 6.86 7.72 11.9 5.21 2.67 2.69 2.96 2.07

Sm 15.0 12.2 14.5 19.0 10.6 8.21 10.5 8.62 6.74

Eu 0.49 0.20 0.23 0.29 0.19 0.31 0.06 0.36 0.45

Gd 85.3 61.6 69.9 89.6 58.7 68.9 103 69.9 52.3

Dy 380 240 279 324 247 371 572 370 225

Er 825 511 564 634 528 852 1 193 855 394

Yb 1 434 861 928 1 007 905 1 511 1 632 1 508 608

Lu 218 133 146 160 143 234 230 243 85.8

Li 49.7 37.5 45.3 15.9 61.5 23.7 151 16.1 10.1

P 382 436 442 305 474 692 1 548 491 154

Ca 11.0 11.7 23.8 13.6 10.2 9.91 57.5 11.4 21.8

Ti 4.25 7.16 6.90 5.26 6.52 20.9 8.62 18.2 4.58

Sr 2.14 1.62 1.77 2.03 1.76 1.80 2.11 1.87 0.89

Y 4 716 2 932 3 258 3 794 3 028 4 826 7 636 4 851 2 438

Nb 50.7 36.7 47.4 27.0 45.1 43.5 37.8 48.2 47.9

Ba 1.87 2.72 1.74 2.09 1.12 2.50 1.80 1.74 1.17

Hf 10 109 8 969 8 402 8 882 9 547 8 682 9 664 7 639 6 795

Th 613 510 779 447 686 174 1350 119 160

U 1 581 1 004 1 174 885 1 443 303 3 155 224 130

Th/U 0.39 0.51 0.66 0.51 0.48 0.58 0.43 0.53 1.22

Eu/Eu* 0.04 0.02 0.02 0.02 0.02 0.04 0.01 0.04 0.07

Ce/Ce* 106 94.3 114 55.2 121 23.2 61.8 12.6 7.86

EREE 3 018 1 893 2 094 2 294 1 963 3 065 3 770 3 068 1 378

ELREE 59.7 74.6 92.3 59.2 70.3 18.9 30.8 13.0 5.47

EHREE 2 943 1 806 1 987 2 215 1 882 3 037 3 729 3 046 1 365

LuN/LaN 53 081 17 060 22 050 22 603 22 319 14 060 23 847 11 417 8 764

LuN/GdN 20.7 17.5 16.9 14.4 19.7 27.5 18.1 28.1 13.3

SmN/LaN 607 260 365 448 274 81.8 181 67.4 114

Т(Л),°С 673 714 711 689 707 813 730 799 678

316

Вестник МГТУ, том 17, № 2, 2014 г.

стр. 314-319

Цирконы из анортозитов Северного массива также демонстрируют черты распределения редких и редкоземельных элементов, характерные для магматических цирконов, - дифференцированный характер спектра REE, наличие четко выраженных Ce- и Eu-аномалии (рис. 2б). Однако они отличаются от цирконов из анортозитов Цагинского массива меньшей степенью дифференцированности REE (LuN/LaN отношение составляет в среднем 14 500, табл.) при более высоком общем уровне содержания REE (в среднем около 2 800 ppm). Спектры распределения REE демонстрируют меньшую воспроизводимость для индивидуальных анализов, тем не менее сохраняется магматический характер каждого спектра (рис. 1б). Цирконы из анортозитов Северного массива отличает от цирконов из Цагинского массива значительно меньшее содержание Th и U (три анализа, за исключением PV-9-3), при этом Th/U отношение составляет в среднем 0.78. Анализ циркона PV-9-3 отличается от других цирконов из Северного массива не только повышенным содержание Th и U (1 350 и 3 155 ppm соответственно), но и повышенным содержанием других неформульных редких элементов - Nb, P, Ca, Y, Li, что можно объяснить частичной метамиктизацией структуры цирконы, благоприятствующей изоморфному вхождению этих элементов. Содержание Ti в цирконах из Северного массива варьирует от 4 до 21 ppm (в среднем 13 ppm, табл.), при этом расчетная температура кристаллизации циркона несколько выше, чем в цирконах из Цагинского массива и находится в диапазоне 730-813 °С.

Рис. 2. Спектры распределения РЗЭ в цирконе из габбро-анортозитов Северного

и Цагинского массивов

317

Кудряшов Н.М. и др. Минералогические и геохимические характеристики циркона...

5. Заключение

Изучение минералогических и геохимических характеристик циркона из Цагинского и Северного массивов выявило в них общие черты распределения REE, обусловленные единым, магматическим генезисом циркона. Кроме этого установлены достоверные различия в содержании ряда редких элементов (Th, U, Ti) в цирконе изученных массивов, что свидетельствует о разном составе и условиях кристаллизующей среды. Расчетные температуры кристаллизации циркона в Цагинском массиве составили 673-714 °С, они заметно ниже, чем в Северном массиве - 730-813 °С.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 5.2115.2014/K на 2014-2016 гг.

Литература

Belousova E.A., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., Fisher N.I. Igneous zircon: Trace element composition as an indicator of source rock type. Contrib. Mineral. Petrol., v. 143, p. 602-622, 2002.

Hinton R.W., Upton B.G.J. The chemistry of zircon: Variations within and between large crystals from syenite and alkali basalt xenoliths. Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 55, p. 3287-3302, 1991.

Hoskin P.W.O., Schaltegger U. The composition of zircon and igneous and metamorphic petrogenesis. Rev. Mineral. Geochem., v. 53, p. 27-62, 2003.

McDonough W.F., Sun S.S. The composition of the Earth. Chemical Geology, v. 120, p. 223-253, 1995. Watson E.B., Wark D.A., Thomas J.B. Crystallization thermometers for zircon and rutile. Contributions to mineralogy and petrology, v. 151, p. 413-433, 2006.

Баянова Т.Б. Возраст реперных геологических комплексов Кольского региона и длительность процессов магматизма. СПб., Наука, 176 с., 2004.

Кудряшов Н.М., Мокрушин А.В. Мезоархейский габбро-анортозитовый магматизм Кольского региона: петрохимические, геохронологические и изотопно-геохимические данные. Петрология, т. 19, № 2, c. 173-189, 2011.

Скублов С.Г., Лобач-Жученко С.Б., Гусева Н.С., Гембицкая И.М., Толмачева Е.В. Распределение редкоземельных и редких элементов в цирконах из миаскитовых лампроитов Панозерского комплекса Центральной Карелии. Геохимия, № 9, c. 958-971, 2009.

Федотова А.А., Бибикова Е.В., Симакин С.Г. Геохимия циркона (данные ионного микрозонда) как индикатор генезиса минерала при геохронологических исследованиях. Геохимия, № 9, c. 980-997, 2008.

Шарков Е.В. Анортозитовые ассоциации Кольского полуострова. Анортозиты Земли и Луны. М., Наука, c. 5-61, 1984.

References

Belousova E.A., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., Fisher N.I. Igneous zircon: Trace element composition as an indicator of source rock type. Contrib. Mineral. Petrol., v. 143, p. 602-622, 2002.

Hinton R.W., Upton B.G.J. The chemistry of zircon: Variations within and between large crystals from syenite and alkali basalt xenoliths. Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 55, p. 3287-3302, 1991.

Hoskin P.W.O., Schaltegger U. The composition of zircon and igneous and metamorphic petrogenesis. Rev. Mineral. Geochem., v. 53, p. 27-62, 2003.

McDonough W.F., Sun S.S. The composition of the Earth. Chemical Geology, v. 120, p. 223-253, 1995.

Watson E.B., Wark D.A., Thomas J.B. Crystallization thermometers for zircon and rutile. Contributions to mineralogy and petrology, v. 151, p. 413-433, 2006.

Bayanova T.B. Vozrast repernyih geologicheskih kompleksov Kolskogo regiona i dlitelnost protsessov magmatizma [Age of the main geological complexes of the Kola region and duration of magmatk processes]. SPb., Nauka, 176 p., 2004.

Kudryashov N.M., Mokrushin A.V. Mezoarheyskiy gabbro-anortozitovyiy magmatizm Kolskogo regiona: petrohimicheskie, geohronologicheskie i izotopno-geohimicheskie dannyie [Mesoarchaean gabbroanorthosite magmatism of the Kola region: Petrochemical, geochronological, and isotope-geochemical data]. Petrologiya, t. 19, N 2, p. 173-189, 2011.

Skublov S.G., Lobach-Zhuchenko S.B., Guseva N.S., Gembitskaya I.M., Tolmacheva E.V. Raspredelenie redkozemelnyih i redkih elementov v tsirkonah iz miaskitovyih lamproitov Panozerskogo kompleksa Tsentralnoy Karelii [Rare earth and trace element distribution in zircons from miaskite lamproites of the Panozero Complex, Central Karelia]. Geohimiya, N 9, p. 958-971, 2009.

318

Вестник МГТУ, том 17, № 2, 2014 г.

стр. 314-319

Fedotova A.A., Bibikova E.V., Simakin S.G. Geohimiya tsirkona (dannyie ionnogo mikrozonda) kak indikator genezisa minerala pri geohronologicheskih issledovaniyah [Ion-microprobe zircon geochemistry as an indicator of mineral genesis during geochronological studies]. Geohimiya, N 9, p. 980-997, 2008. Sharkov E.V. Anortozitovyie assotsiatsii Kolskogo poluostrova [Anorthosite associations of the Kola Peninsula]. Anortozityi Zemli i Lunyi. M., Nauka, p. 5-61, 1984.

Информация об авторах

Кудряшов Николай Михайлович - Г еологический институт КНЦ РАН, канд. геол. -мин. наук, науч. сотрудник, e-mail: nik@geoksc.apatity.ru

Kudryashov N.M. - Geological Institute KSC RAS, Cand. of Geol. & Miner. Sci., Researcher, e-mail: nik@geoksc.apatity.ru

Скублов Сергей Геннадьевич - Институт геологии и геохронологии докембрия РАН;

Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", д-р геол.-мин. наук, профессор, e-mail: skublov@yandex.ru

Skublov S.G. - Institute of Precambrian Geology and Geochronology RAS; National Mineral Resources University (University of Mines), Dr of Geol. & Miner. Sci., Professor, e-mail: skublov@yandex.ru

Мокрушин Артем Васильевич - Г еологический институт КНЦ РАН, канд. геол. -мин. наук, уч. секретарь, e-mail: mokrushin@geoksc.apatity.ru

Mokrushin A.V. - Geological Institute KSC RAS, Cand. of Geol. & Miner. Sci., Scientific Secretary, e-mail: mokrushin@geoksc.apatity.ru

Лялина Людмила Михайловна - Геологический институт КНЦ РАН, канд. геол.-мин. наук, науч. сотрудник, e-mail: lilyalina@geoksc.apatity.ru

Lyalina L.M. - Geological Institute KSC RAS, Cand. of Geol. & Miner. Sci., Researcher, e-mail: lilyalina@geoksc.apatity.ru

319