Геохимические особенности состава флюидов и распределение Сорг в метаморфических породах Лапландского гранулитового пояса

Геохимические особенности состава флюидов и распределение Сорг в метаморфических породах Лапландского гранулитового пояса

A.А. Аведисян1, Н.Е. Козлов1'2, C.B. Икорский1, И.Л. Каменский1,

B.А. Припачкин1'2

1 Геологический институт КНЦ РАН 1 Естественно-технический факультет МГТУ

Аннотация. В статье приводятся характеристики особенностей состава флюидных включений, установленных на основе изотопно-геохимических исследований. Проведенные исследования показали, что полученные результаты могут являться источником дополнительной информации в решении вопроса о протоприроде, реконструкции условий образования и метаморфизма пород, образовавшихся в древних активных зонах Земли.

Abstract. In the paper the characteristics of fluid inclusions structure established on the basis of isotope-geochemical researches are resulted. The researches have shown that the received results can be a source of additional information for the question about protonature, reconstruction of formation conditions and metamorphism of rocks formed in ancient active zones of the Earth.

1. Введение

Реконструкция условий образования и метаморфизма пород, образовавшихся в древних активных зонах Земли, является предметом длительной дискуссии. Изучение флюидных включений в минералах широко используется в решении многих дискуссионных проблем магматической и метаморфической петрологии, т.к. состав включений в минералах метаморфических пород может служить источником прямой информации о составе и плотности минералообразующих растворов. К настоящему времени флюидные включения изучены во многих метаморфических комплексах и широко используются для реконструкции петрогенеза, флюидного режима и эволюции нижней коры континентов. Включения минералообразующих сред являются высокоинформативными системами, которые представляют при их изучении, наряду с обширными данными о ведущих физико-химических параметрах и химическом составе минералообразующих растворов и расплавов, также дополнительные данные о последовательности и стадийности процесса минералообразования (Ермаков, Долгов, 1979; Рэддер, 1987). В настоящее время изучение состава флюидов проводится как на уровне индивидуальных включений, так и валовым методом (в породе либо в мономинеральных фракциях).

Исследования состава флюидных включений в породах Лапландского гранулитового пояса являются первой попыткой получения сведений об особенностях флюидного режима их формирования. Характеристика флюидного режима в сочетании с геологическими и изотопно-геохимическими данными поможет более точно реконструировать условия образования и метаморфизма древних активных зон Земли на примере гранулитов Лапландии. Целью проводимого исследования является использование результатов анализа валового состава газов закрытых пор и содержания некарбонатного углерода при рассмотрении вопросов о протоприроде Лапландского гранулитового пояса.

2. Методика исследований

Методика исследований включает анализ валового состава газов закрытых пор, определение содержания некарбонатного углерода (Сорг) и изотопию гелия. Валовое извлечение газов производилось путем измельчения проб в вакуумной мельнице в стаканах из нержавеющей стали с последующим анализом на газовых хроматографах Цвет-102 и F-30 с определением He, H2, O2, N2, CH4, тяжелых углеводородных газов (УВГ) С2-С5, CO и CO2. Минимально определяемые концентрации компонентов (в объемных %) составляли: Не - 0.0008, Н2 - 0.0006, 02 - 0.005, N2 - 0.012, CH4 - 0.00005, тяжелых УВГ С2-С5 - 0.00005, СО - 0.003, С02 - 0.008. Определение Сорг (некарбонатного углерода) производилось весовым полумикрометодом, основанным на классической методике сжигания в печи элементарного анализа в токе кислорода навески породы, предварительно обработанной кипячением в соляной кислоте

для удаления карбонатов (Успенский и др., 1975). Минимально определяемое содержание Сорг по этой методике составляет 0.001%.

Наряду с валовым изучением газовой фазы в породе путем ее измельчения было проведено изучение валового состава флюидных включений в мономинеральных фракциях граната и кварца из основных и кислых гранулитов. Изучение проводилось методом газовой хроматографии с термической декрепитацией включений в токе гелия. (Анализы выполнены в ГЕОХИ РАН О.Ф.Мироновой).

Гелий для изотопных исследований извлекался путем измельчения образцов в запаянных вакуумированных стеклянных ампулах (Икорский, Кущ, 1992). В отличие от плавления, когда из образцов извлекается весь гелий, при измельчении выделение гелия происходит из флюидных включений, имеющих микроскопические размеры. Анализ изотопного состава гелия выполнялся на масс-спектрометре МИ-1201 N 22-78 по методике (Kamensky et al., 1990). Ампулы с измельченными образцами вскрывались в разбивающем устройстве, соединенном с системой напуска масс-спектрометра.

3. Геологическое положение Лапландского гранулитового пояса

Проблема формирования Лапландского гранулитового пояса и протоприроды слагающих его метаморфических пород, тесно связанная с вопросом формирования древних активных зон Земли, является предметом острых дискуссий и обсуждается в литературе длительное время. Еще в 50-е годы были сформулированы две противоположные точки зрения. Согласно представлениям А.А.Полканова, данные образования являются первично интрузивными, а П.Эскола предложил гипотезу вулканогенно-осадочного генезиса их протолитов. Высказанное в последнее время В.В.Ждановым предположение о гранулитах как фрагментах (пластинах) гранулит-базитового слоя, тектонически выведенных на поверхность, получило свое развитие в работах Ф.П.Митрофанова.

Согласно представлениям (Козлов и др., 1990), в пределах Лапландского гранулитового пояса совмещены породы различного генезиса: метаинтрузивные (возможно, инфракрустальные) и супракрустальные, составляющие значительную часть объема пород. Это позволяет говорить о разрезах и общих чертах их строения. В пределах супракомплекса могут быть выделены нижняя, метаосадочно-вулканогенная, и верхняя, метаосадочная, толщи (рис.1).

I - район р.Танаелв, Сев.Норвегия;

II - район пос.Вуотсо, Сев.Финляндия;

III - район р.Яурийоки;

IV - Сальные тундры;

V - Кандалакшские тундры;

VI - Колвицкие тундры;

VII - район р.Лотта.

Горизонтальной штриховкой на карте обозначены площади развития метавулканогенной толщи, метаосадочной. Площади, которых выделение названных

разновидностей затруднено, обозначены одновременно штриховкой и точками. Черным залиты крупные тела анортозитов. Условные обозначения для разрезов:

1 - метатолеиты;

2 - глиноземистые метабазальты;

3 - метаандезито-базальты;

4 - метаандезиты;

5 - метадациты;

6 - метатуффиты;

7 - метаосадочные породы.

пород

точками -в пределах

I 7WU P^ls EZ3?

Рис.1. Схематическая геологическая карта Лапландского гранулитового пояса и обобщенные разрезы супракрустальных толщ различных районов.

Представления о супракрустальной прототоприроде метаморфитов пояса обосновывают

логичность изучения в нем органических соединении, так как появление аквагенных отложении, древнейших органических веществ и морфологически распознаваемых прокариот приурочено к рубежу 3.3-3.8 млрд. лет. Именно с этого времени живое органическое вещество становится одним из важных факторов, влияющих на характер эволюции седиментационных процессов, начиная с гипергенеза (Сидоренко, Сидоренко, 1975).

ПОЮ Т

МЕТАОСАДКИ МЕТАВУЛКАНИТЫ

4. Результаты исследований и их обсуждение

Содержание органического (некарбонатного) углерода было изучено в основных типах пород, слагающих Лапландский гранулитовый пояс. Проведенные исследования (табл.1, рис.2) показали, что для всех изученных пород характерны низкие содержания Сорг, не превышающие нескольких сотых мас.%. Относительно повышенные содержания отмечены в породах, реконструируемых как осадочные, а отчетливый максимум содержания Сорг установлен в метапелитах. Это можно рассматривать как возможный аргумент в пользу супракрустального, осадочно-вулканогенного генезиса пород, так как хорошо согласуется с закономерностью Траска, установленной для пород фанерозоя, согласно которой максимальные содержания Сорг характерны для пелитовых разностей пород.

с......».. П - пелиты,

Т- туффиты, ГВ - граувакки,

СГВ+АРК - субграувакки и аркозы, Д - дациты, А - андезиты, А-Б - андезито-базальты, Б - базальты,

ГБ - глиноземистые базальты.

Рис.2. Содержание Сорг (некарбонатного углерода) в основных типах пород Лапландского гранулитового пояса.

Аналогичный характер распределения установлен по содержанию метана и его гомологов (табл.1, рис.3). Породы, реконструируемые как метаосадочные, характеризуются повышенными значениями СН4 и тяжелых углеводородов с числом углеродных атомов С2-С5. Содержания СО и С02 изменяются от нулевых значений до нескольких см3/кг, но из-за некоторых методических ограничений, обусловленных сложными физико-химическими явлениями, происходящими при тонком измельчении вещества, эти результаты не могут достоверно интерпретироваться. Неоднозначность интерпретации результатов во многом обусловлена не только методическими трудностями, но также во многом и неоднозначностью генезиса самих газов. Известно, что источником газов могут быть как мантийные, так и внутрикоровые процессы, включая возможность образования их путем смешивания флюидов разного генезиса. В какой-то мере ответ о происхождении газов может быть получен по характеру распределения метана в породах разного происхождения. Содержание СН4 было изучено в породах, близких по химизму, но разных по генезису, и реконструируемых

как дациты и аркозы (рис.4). В аркозах наблюдается достаточно широкий разброс содержаний, тогда как в метадацитах он ограничен узким интервалом значений. Наблюдаемый характер распределения метана позволяет предполагать различный его генезис в изученных породах.

ГЕ СГЕ+АРК

МЕТАОСАДКИ МЕТАВУЛКАНИТЫ Рис.3. Содержания метана, гелия и тяжелых углеводородов (С2-С5) в основных типах пород Лапландского гранулитового пояса. Условные обозначения на рис.2.

иегатрауваккн

-4Н-»-(—Н-+-И-+-1-+-+-

50 ¡00 200

Содержания метана, (п ](!") с н '/кг породы

Рис.4. Распределение содержаний метана в аркозах и дацитах (породы, близкие по химизму, но различные по генезису).

Таблица 1. Содержание газов

Порода 1 Кол-во образцов Не (п10-3) Н2 N2 СО СО2 СН4 2 С2-С5 Сорг, мас.%

Аркозы и субграувакки 10 0.095-1.9 0.76 0.34-1.82 1.06 0.39-4.99 1.46 0.00-0.13 0.0052 0.2-2.41 0.71 45-1920 477.1 0.69-73.05 15.84 0.08

Граувакки 20 0.1-3.7 1.2 0.2-2.28 0.86 0.19-3.95 1.06 0.00-0.0059 0.0016 0.00-1.44 0.30 4.2-170 135.6 0.33-28.29 3.03 0.012

Пелиты 4 0.046-3.6 1.51 0.27-0.81 0.63 0.28-1.22 0.95 0.00-0.004 0.0005 0.00-0.19 0.13 2.9-100 65.0 0.051-2.57 1.52 0.027

Туффиты 5 0.15-0.43 0.39 0.34-0.87 0.69 0.32-1.55 0.69 0.0 0.0-0.31 0.088 6.2-120 33.0 0.28-2.28 0.74 0.015

Дациты и туфы 8 0.1-0.33 1.1 0.48-2.04 0.029 0.27-0.91 0.36 0.0 0.0 0.97-52 12.7 0.012-0.52 0.29 0.011

Андезиты 8 0.3-0.75 0.42 0.55-1.36 0.97 0.23-0.81 0.47 0.0 0.0-0.0031 0.0002 5.2-40.0 12.9 0.42-0.46 0.43 0.008

Андезито-базальты 4 0.23-3.8 0.94 0.37-1.14 0.60 0.27-0.91 0.36 0.0 0.0-0.0004 0.00008 5.0-42.0 22.0 0.11-0.27 0.21 0.008

Базальты 4 0.29-1.9 1.30 0.37-1.37 0.91 0.24-0.63 0.42 0.0 0.0-7.8 1.95 3.4-37.0 13.7 0.086-0.54 0.33 0.007

названия пород даны по результатам реконструкции первичной природы по химическому составу (Предовский, 1980).

Таблица 2. Содержание N2, С02, СН4 и Н20 в мономинеральных фракциях граната по данным хроматографического анализа

Типы гранулитов Кол. Содержание, мол.%

проб СО2 СН4 Н2О

Гранулиты Алдана, Анабара, 1* 7 0.07 8.6 1.9 89.0

Енисейского кряжа и 2 3 0.07 18.0 2.3 75.2

Канадского щита 3 10 0.83 37.7 2.3 59.7

Лапландские гранулиты 4 3 0.05 1.69 0.06 98.2

5 2 0.00 1.5 0.15 98.4

6 1 0.00 1.62 0.16 98.2

*)1 - пониженных, 2 - умеренных, 3 - повышенных давлений, по Чупину и др., 1993; 4 - кислые, 5 - основные гранулиты, 6 - кислый гранулит, обломок в гранатовом плагиограните (4,5,6 - хроматографический анализ выполнен О.Ф.Мироновой, ГЕОХИ РАН).

Наряду с исследованием Сорг и газов в породе, было проведено также изучение валового состава флюидных включений в мономинеральных фракциях граната и кварца, выделенных из основных и кислых гранулитов. Проведенные исследования (табл.2) установили, что Лапландские гранулиты, по сравнению с гранулитами Сибири, характеризуются более высокими содержаниями воды.

Своеобразие Лапландских гранулитов отмечалось ранее по особенностям минерального состава. Согласно (Тернер, 1951), несмотря на отчетливо выраженные парагенезисы гранулитовой фации, в гранулитах Лапландии все же присутствуют роговая обманка, биотит и кордиерит. Хроматографический анализ мономинеральных фракций граната и кварца позволил выявить особенности составов флюидных включений основных и кислых гранулитов по соотношению в них N С02 и СН4 (рис.5). В гранатах основных гранулитов, как правило, азот отсутствует, в то время как в кислых гранулитах присутствие азота, не очень высокое, отмечается во всех изученных пробах. Преобладающим компонентом флюидных включений в мономинеральных фракциях гранатов как в основных, так и в кислых гранулитах является С02, содержание которого в пересчете на Н20 составляет от 86 до 96 мол.%, содержание метана - от 2.6 до 13.7 мол.%, что позволяет предполагать сходство условий, в которых

Л 1 - кислые гранулиты,

2 - обломок кислого гранулита в плагиограните,

3 - плагиограниты,

А ,

4 - кислыи гранулит,

"" 5 - обломок кислого гранулита в плагиограните,

• л

6 - плагиогранит,

7

7 - основные гранулиты,

8 - гранулиты разных районов мира (по литературным данным).

Рис.5. Соотношение С02-^-СН4 в мономинеральных фракциях кварца (1-3) и граната (4-8) основных и кислых гранулитов Лапландии, а также Алданского, Анабарского и Канадского щитов (Чупин и др., 1993).

происходили их метаморфические преобразования.

N2

СО

Таблица 3. Содержание и изотопное соотношение гелия в мономинеральных фракциях и в различных типах пород Лапландского гранулитового пояса

Номер Порода Минеральная 4Не,

пробы фракция измельч. плавл. измельч. плавл.

ЛАП-32 основной гранат 34.0 14.2

гранулит 2.9 14.9

ЛАП-33 " гранат 150.0 200 11.1 9.6

амф. + пирокс. 4.2 12.4

85.0 10.5

ЛАП- гранат-амфиболов. гранат 6.3 10.8

34а гнейс 3.2 10.6

Б-1 эклогитоподобная гранат 1.6 11.2 15.6 4.1

порода амф. + пирокс. 16.3 13.9

Я-68 кислый гранулит гранат 8.9 2.2

кварц 0.52 2.3

АН-124 "обломок" из гранат 9.0 1.9

плагиогранита кварц 0.37 4.0

По сравнению с гранатами, в мономинеральных фракциях кварца содержание С02 снижается до 51-65.5 мол.%. Вторым по содержанию компонентом является азот (20-44 мол.%, а содержание метана изменяется от 1.5 до 14.5 мол.%. Так как кварц является более поздним минералом по отношению к гранату, выявленные различия, вероятно, отражают эволюцию состава метаморфического флюида во времени. Специфический состав флюидов по соотношению С02-М2-СН4 установлен в мономинеральных фракциях кварца, отобранных из пород, преобразованных в ходе палингенных процессов в гранатовые плагиограниты (2 на рис.5). Полученные результаты позволяют предполагать сходные тенденции в изменении флюидов в процессах метаморфизма и палингенеза. Кроме того, особенности состава включений в кварце из кислого гранулита, подвергшегося палингенезу, допускают возможность существования двух этапов метаморфических преобразований пород кислого состава в Лапландском поясе.

Наряду с хроматографическим анализом было также проведено изучение изотопного состава гелия во флюидных включениях. Привлечение этого метода обусловлено поиском дополнительных критериев в решении вопросов о протоприроде и особенностях формирования Лапландских гранулитов. В основе исследований лежит тот факт, что для пород континентальной коры изотопное отношение 3Не/4Не в среднем составляет 1.810-8, в то время как для современной верхней мантии оно принимается равным 1.210-5, а для нижней мантии - до 510-5 (Толстихин, 1986). Это позволяет предполагать, что гранулиты, имеющие глубинный источник вещества и сохранившие в изотопном составе гелиевую мантийную компоненту, будут отличны по изотопно-гелиевому соотношению от пород, протолит которых был сформирован в коровых условиях.

Изотопы гелия были изучены как в породе, так и в выделенных из нее мономинеральных фракциях граната и кварца из основных и кислых гранулитов. Для сопоставления были проанализированы анортозиты Колвицких тундр, как породы, залегающие в пределах Лапландского гранулитового пояса и метаморфизованные в условиях, характерных для основных и кислых гранулитов, и магматическое происхождение которых не вызывает сомнения. На мантийный источник анортозитов указывает начальное отношение изотопов стронция 878г/868г, равное 0.7033.

Изучение содержания Не и соотношения 3Не/4Не проводилось в мономинеральных фракциях и в породе. Для анализа использовалась фракция -0.5 + 0.375. Как показали проведенные исследования (табл.3), измеряемые значения 3Не/4Не не зависят от количества выделенного 4Не. Содержание 4Не в различных типах пород и в мономинеральных фракциях изменяется в широких пределах, соотношение же изотопов гелия сохраняется практически одинаковым как в породе, так и в различных мономинеральных фракциях (гранате, кварце, пироксене + амфиболе). Это позволило отказаться от трудоемкой процедуры выделения и очистки мономинеральных фракций и проводить изучение соотношений изотопов гелия непосредственно в породе. Изотопный состав гелия, извлекаемый из флюидных включений дроблением, во всех случаях имеет более высокое значение 3Не/4Не, чем валовый состав гелия, выделяемый плавлением из тех же образцов. Следовательно, для изотопного состава гелия, рассеянного в кристаллической решетке минералов, характерны более низкие значения

соотношения изотопов 3Не/4Не.

Это подтверждает правомочность использования полученных изотопных характеристик гелия. Полученные результаты дают представления о соотношении изотопов во флюидных включениях на стадии их формирования и исключают контаминацию радиогенными изотопами.

I - кислые гранулиты;

II - то же, из зоны чередования с основными породами;

III - основные кристаллосланцы;

IV - анортозиты.

Условные обозначения: 1-4 - порода, гранат, кварц и пироксен, соответственно. Пунктиром обозначены значения изотопного состава гелия в коре и обедненном мантийном резервуаре.

Рис.6. Изотопный состав гелия в метаморфитах Лапландского гранулитового пояса.

В результате проведенных исследований установлено, что в Колвицких анортозитах величина отношения 3Не/4Не на порядок и более превышает коровое значение, варьируя в пределах (59^307) 10-8. Это указывает на присутствие в содержащемся в них гелии заметной доли мантийной составляющей (рис.6). Исходя из этого, можно говорить о сохранности в древних магматических породах, связанных с мантийным источником и метаморфизованных в условиях до гранулитовой фации включительно, реликтов мантийного гелия, законсервированного во флюидных включениях метаморфогенных минералов. Результаты изучения изотопного состава гелия в кислых и основных гранулитах Лапландского пояса показывают различие этих образований. В кислых отношение 3Не/4Не равно (0.7-4.0)10-8, что близко его значению в коровых комплексах. Кислые породы из зон чередования с основными гранулитами характеризуются повышенным содержанием мантийного гелия, увеличивающим изотопное отношение до (9.4-11.3)10-8. Отношение 3Не/4Не в основных гранулитах достигает (10.6-15.6)' 10-8, еще заметнее смещаясь в направлении мантийных значений и отношений, установленных для анортозитов.

5. Выводы

Полученные первые данные о составе флюидных включений в метаморфитах Лапландского гранулитового пояса позволяют сделать следующие выводы:

• формирование флюидов происходит как в результате метаморфизма пород земной коры, так и, в меньшей степени, за счет глубинных подкоровых флюидов. На пути к поверхности Земли мантийные летучие компоненты смешиваются с летучими компонентами земной коры. Вклад мантийных компонентов значительно меньший, чем коровый, и единственным надежным трассером является гелий. Наблюдаемое отношение 3Не/4Не является результатом смешивания Нетапие (Я/Яа -6-30) и

Несгш1.

• установленное нами отличие изотопно-гелиевых характеристик основных и кислых гранулитов не позволяет рассматривать их как продукты глубинной магматической или метаморфической дифференциации единого источника.

• сходство составов флюидов, установленное по результатам газовой хроматографии, в гранатах кислых и основных гранулитов позволяет предполагать генетическую близость этих пород на этапе метаморфических преобразований.

Авторы статьи выражают свою благодарность О.Ф.Мироновой (ГЕОХИ РАН) за проведение хроматографического анализа мономинеральных фракций граната и кварца, выделенных из гранулитов Лапландии. Особую признательность авторы выражают директору Геологического института, члену-корреспонденту РАН профессору Ф.П.Митрофанову за постоянное внимание к проводимым исследованиям.

Литература

Kamensky I., Tolstikhin I. and Vetrin V. Juvenile helium in ancient rocks: 1 3He excess in amphiboles from 2.8 Ga charnokite series - Crust mantle fluid in intracrustal magmatic processes. Geochim. et Cosmochimica Acta, v.54, N.11, p.3115-3122, 1990.

Ермаков Н.П., Долгов Ю.А. Термобарогеохимия. M., Недра, с.266, 1979.

Икорский С.В, Кущ В.Д. Азот во флюидных включениях щелочных пород Хибинского массива и методика его хроматографического определения. Геохимия, т.7, с.962-970, 1992.

Козлов Н.Е., Иванов A.A., Нерович Л.И. Лапландский гранулитовый пояс - первичная природа и развитие. Апатиты, КНЦРАН, с.162, 1990.

Предовский A.A. Реконструкция условий седиментогенеза и вулканизма раннего докембрия. Л., Наука, 152с., 1980.

Рэддер Э. Флюидные включения в минералах. М, т.1, 356с.; т.2, 632с., 1987.

Сидоренко С.А., Сидоренко A.B. Органическое вещество в осадочно-метаморфических породах докембрия. М., Наука, с.113, 1975.

Тернер Ф. Дж. Эволюция метаморфических пород. М., Иностранная литература, с.283, 1951.

Толстихин И.Н. Изотопная геохимия гелия, аргона и редких газов. Л., Наука, 200с., 1986.

Успенский В.А., Радченко O.A., Горская А.И., Шишкова А.П. Методы битуминологических исследований. Задачи исследований и пути их разработки. Л., Недра, 319с., 1975.

Чупин В.П., Томиленко A.A., Чупин C.B. Происхождение гранулитовых комплексов: результаты изучения расплавных и флюидных включений в цирконе и породообразующих минералах. Геология и геофизика, т.12, с.116-131, 1993.