Источники металлогенической специализации редкометалльных гранитоидов Центральной Чукотки

Магматизм, метаморфизм, тектоника

УДК 552.3:552.4 С.В. Ефремов1

ИСТОЧНИКИ МЕТАЛЛОГЕНИЧЕСКОЙ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ РЕДКОМЕТАЛЛЬНЫХ ГРАНИТОИДОВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧУКОТКИ

Приведены результаты изучения генетических особенностей редкометалльных гранитоидов Центральной Чукотки и тестирования модели образования последних в процессе смешения первичных мантийных магм, специализированных на олово и редкие элементы, с веществом континентальной коры. На основе численного моделирования процессов смешения с использованием изотопных данных проиллюстрирована реальность этой модели. С ее позиций, редкометалльные гранитоиды имеют комплексный источник металлогенической специализации: континентальную кору и специализированный домен, расположенный в мантийной части континентальной литосферы. Расчет доли компонентов в балансе редких элементов показал, что основной вклад в результирующую геохимическую характеристику гранитоидов вносит мантийный источник. Например, для Sn - главного профилирующего элемента Чукотской рудной провинции, даже в самом экстремальном случае (70% коровой компоненты) он составляет более 75%. Ключевые слова: оловоносные гранитоиды, ультракалиевые базиты. Библиогр. 19 назв. Ил. 3. Табл. 1.

SOURCES OF METALOGENIC SPECIALIZATION OF RARE-METAL GRANITOIDS OF CENTRAL CHUKOTKA

S.V. Efremov1

The paper presents the results of the study of genetic characteristics of rare-metal granitoids of Central Chukotka. It describes the testing of the model of granitoid formation due to mixing of primary mantle magmas specialized in tin and rare elements with the substance of continental crust involved. The author demonstrates the reality of this model based on numerical modeling of mixing processes with the application of isotope data. The model implies that the rare-metal granitoids have a complex source of metallogenic specialization: the continental crust and the specialized domain located in the mantle part of the continental lithosphere. The calculation of components proportion in the balance of rare elements indicates that it is the mantle source that largely contributes to the resultant geochemical characteristics of granitoids. For example, for Sn being the main dominant element of Chukotka ore province, even in the most extreme case (70% of crust component) it is over 75%.

Kei words: tin-bearing granitoids, ultra potassic basites 19 sources. 3 figures. 4 tables.

Главной проблемой генезиса редкометалльных гранитоидов является идентификация источника редких элементов. В наиболее популярных гипотезах образования этих пород со второй половине XX

века доминирует идея, постулирующая, что источником редких элементов, как и самих редкометалльных гранитоидов, являются метаосадочные породы верхней континентальной коры [8, 10, 15]. Однако

Ефремов Сергей Васильевич - старший научный сотрудник, кандидат геолого-минералогических наук, Институт геохимии СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а, тел: (3952) 429935, e-mail: esv@igc.irk.ru

1Efremov Sergey Vasilevich, a senior research worker, a candidate of geological and mineralogical sciences of the Institute of Geochemistry of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 1a Favorsky St., Irkutsk, 664033, Irkutsk-33, P.O. Box 304, tel.: (3952 )429935, e-mail: esv@igc.irk.ru

по мере накопления фактического материала стало очевидно, что концентрации редких элементов в метаосадочных породах недостаточно высоки для образования редкометалльных гранитоидов [9, 19]. В связи с этим возникли новые гипотезы, связывающие образование редкометалльных гранитоидов с геохимически специализированными источниками, расположенными в континентальной коре [19] и мантии Земли [9, 11, 12].

Одна из наиболее продуктивных идей была предложена Ю.П. Трошиным [11], связавшим редкометалльные гранито-иды Восточного Забайкалья с одновозраст-ным, геохимически специализированным, мантийным базальтовым магматизмом.

Эта идея нашла свое подтверждение при изучении оловоносных гранитоидов Центральной Чукотки, в результате которого была доказана генетическая связь редкометалльных гранитов с производными шошонит-латитовых магм [2, 3]. Полученные результаты позволили рассматривать в качестве главного источника редких элементов источник базальтоидных магм (метасоматически преобразованная лито-сферная мантия), а сами магмы - в качестве проводников этой специализации [4]. Данная статья является продолжением этих работ и посвящена оценке вклада мантийной и коровой составляющих в баланс редких элементов редкометалльных гранитоидов.

Принимается, что источниками ме-таллогенической специализации являются источники самого вещества редкоме-талльных гранитоидов. Этот методический прием может быть применен к гранитои-дам, для которых доказана генетическая связь с сопровождающей их редкоме-талльной минерализацией. Именно такими гранитоидами являются оловоносные гранитоиды Центральной Чукотки.

В качестве объектов исследования нами выбраны геологические образования раннемеловой позднеорогенной вулканно-плутонической ассоциации Центральной Чукотки (рис. 1). В состав этой ассоциации входят вулканические покровы, дайковые

пояса и гранитоидные интрузии, сложенные породами калиевой (шошонит-лати-товой) и ультракалиевой серий. В статье наибольшее внимание уделено гранитоид-ным интрузиям, в пределах которых осуществляется постепенный переход от производных мантийных магм к редкоме-талльным гранитоидам [3, 4]. Причины этих вариаций представляют особый интерес и имеют ключевое значение для понимания процессов, приводящих к

Рис.1.Схематичная геологическая карта Восточного побережья Чаунской губы (Чукотка):

1-4 - осадочные отложения: 1 - раннего мела, 2 - раннего-среднего триаса, 3 - позднего триаса, 4 - позднего палеозоя; 5-7 - магматические образования позднеорогенной вул-кано-плутонической ассоциации: 5 - интрузивные, 6 - вулканические, 7 - посторогенные гранитоиды; 8 - зоны разломов по геологическим (а) и по геофизическим (б) данным

На ранних этапах изучения считалось, что эти вариации обусловлены процессами магматической дифференциации первичных мантийных магм [3]. Однако последующие работы показали, что возможность образования редкометалльных гранитоидов в результате контаминации первичных магм веществом континентальной коры не менее вероятна [4].

Для решения этой дилеммы были использованы изотопные характеристики гранитоидов и ассоциирующих с ними вулканических и субвулканических образований. При тестировании моделей сме-шения-кристаллизационной дифференциации использовались диаграммы: (87Sr/86Sr)i-1/86Sr; (143Nd/144Nd)i-1/144Nd; (143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i. Инициальные отношения радиогенного Sr и Nd рассчитывались с помощью уравнения радиоактивного распада на возраст 144 млн. лет [1]. Методика расчета параметров смешения была взята из работы [13]. При интерпретации данных, приведенных на диаграммах, использовались оценки составов гранитизированной и негранитизи-рованной континентальной коры Чукотки, выполненные по данным, приведенным в работе [5]. В качестве оценки состава корового расплава использован средний состав биотитовых гранитов второй фазы кооленьского комплекса [5]. Для расчета составов парциальных выплавок из континентальной коры Чукотки использовалась формула Cl/Co=1/(F+D-FD) [9], где CO _ содержание элемента в протолите, CI _ концентрация элемента в расплаве, F _ степень плавления, а D _ общий коэффициент распределения. Для расчета DSr использовались реальные составы амфи-бол-плагиоклазовых гнейсов. В неграни-тизированной коре (DSr=4,15): амфибол-40; плагиоклаз-50; калишпат-10, в гранитизи-рованной (DSr=5,8): амфибол-26; плагио-клаз-44; калишпат-30. Коэффициенты распределения были взяты с сайта GERM [http://earthref.org/GERM/].

Известно, что производные ультракалиевых магм аномально обогащены некогерентными элементами [14, 16, 17, 18]. Обладая высокими концентрациями летучих компонентов, ультракалиевые магмы обладают крайне высокой реакционной способностью и при движении к земной поверхности активно взаимодействуют с веществом континентальной коры [18]. Высокие концентрации F, Cl, B в флюидной фазе ультракалиевых магм способствуют плавлению коровых пород и обра-

зованию кислых расплавов. При их взаимодействии происходит образование гибридных магм, производные которых обычно рассматриваются в качестве пород калиевой серии [14, 16, 18].

Взаимодействие ультракалиевых магм с коровым расплавом фиксируется снижением концентраций большинства гранитофильных элементов, что устанавливается с помощью геохимических данных. Однако аналогичное снижение может быть вызвано фракционированием отдельных минеральных фаз, что затрудняет идентификацию процессов, ответственных за эволюцию вещественных характеристик.

Изотопные данные позволяют более надежно идентифицировать процессы смешения. Обусловлено это тем, что изотопы не фракционируют в химических реакциях, а большинство геохимических резервуаров имеет довольно контрастные «изотопные метки». На изотопных диаграммах, точки составов гибридных пород будут слагать тренды, соединяющие смешивающиеся компоненты. В нашем случае этими компонентами являются оценка состава ультракалиевой магмы, источником которой является метасоматически преобразованная литосферная мантия и кислый коровый гранитоидный расплав.

Вариации изотопных характеристик в породах калиевой и ультракалиевой серий центральной Чукотки наглядно иллюстрирует рис. 2, на котором видно, что составы пород дают четыре вектора, два из которых описывают эволюцию составов производных первичных мантийных магм, обусловленную плавлением мантийного источника, подвергшегося метасоматическим преобразованиям разной степени интенсивности [14]. Два других вектора образуются точками составов пород Палянского и Певекского массивов, где осуществляется постепенный переход от пород калиевой серии к редкометалльным гранитам. Эти векторы могут быть интерпретированы как линии смешения между составом шошони-та (состав первичной ультракалиевой магмы) и веществом континентальной коры.

СО

<0 со

СО

СО

0.7250 ^ 0.7200 0.7150 0.7100 0.7050 0.7000

0.5124 0.5123 0.5122 0.5121 0.5120 0.5119

1/86вг

//

\

/ - КК

8 12 1/144Ш

16 20

4 4

0.5123 0.5122 0.5121

144 0.5120

0.5119

0.706

0.710

0.714

Рис. 2. Изотопная характеристика пород позднеорогенной вулкано-плутонической ассоциации:

а) Диаграмма (87Sr^6Sr)i-1^6Sr. Серыми и черными прямоугольниками даны точки составов ультракалиевых вулканитов, серыми ромбами - составы субвулканических интрузий, не залитыми кружками - составы грани-тоидов Певекского и Палянского массивов. Серыми (наклонными) векторами обозначена эволюция составов первичных мантийных магм, черными горизонтальными векторами -линии смешения первичных мантийных магм с веществом континентальной коры (КК);

б) Диаграмма (143т/шт)г-1/шт;

в) Диаграмма (143Nd/144Nd)1-(87Sr/S6Sr)I, условные обозначения на диаграммах соответствуют таковым на рис. 2а

Приведенные на рис. 2 диаграммы иллюстрируют образование редкометалль-ных гранитов путем смешения ультрака-

лиевых магм с веществом континентальной коры. Однако для получения более достоверных результатов и оценки параметров смешения нам необходима изотопная характеристика корового компонента.

Оценка состава корового компонента была сделана на основе данных по составам метаморфических пород Восточной Чукотки, приведенных в работе [5] и любезно предоставленных И.Л. Жулано-вой. В результате этих работ было установлено, что в пределах Восточной Чукотки породы континентальной коры могут быть подразделены на две совокупности, обладающие контрастными вещественными характеристиками: гранитизирован-ную и негранитизированную. Породы обоих типов коры, обладая близким химическим составом, отличаются концентрациями гранитофильных элементов и, как следствие этого, содержанием радиогенных изотопов. Выполненный нами мониторинг по составам разновозрастных гра-нитоидов показал, что эти два типа коры распространены на всей территории Чукотского полуострова, а оценки их составов могут быть использованы для генетических построений.

В результате предыдущего геохимического изучения было установлено, что вторым компонентом был кислый грани-тоидный расплав.

Концентрация радиогенного Бг в этом расплаве на момент смешения может быть оценена с помощью диаграммы, приведенной на рис. 2а. Учитывая практически горизонтальное положение линий смешения на диаграмме, можно уверенно заключить, что величина отношения в контаминанте колебалась в пределах 0,710-0,712. Подобный расплав мог образоваться при плавлении как гра-нитизированного, так и негранитизиро-ванного протолитов (рис. 3). В качестве его оценки взят средний состав биотитовых гранитов второй фазы кооленьского комплекса, образовавшихся в результате небольшой степени плавления гранити-зированного корового источника.

Учитывая наибольшее количество

0

4

аналитических данных, для визуализации модели смешения была использована диаграмма (87Sr/86Sr)i-1/86Sr (рис. 3). На диаграмме, помимо гранитоидов Певек-ского массива, приведены оценки составов континентальной коры региона и их вариации, линии равновесного парциального плавления этих источников, оценка состава кислого корового расплава и вектор эволюции составов первичных мантийных магм. Для иллюстрации модели была рассчитана линия смешения между оценкой состава первичной ультракалиевой магмы (шошонит) и кислым гранитоидным расплавом.

Согласно результатам расчета, гранитоиды Певекского массива содержат от 70 до 40% коровой компоненты и могут рассматриваться как продукт смешения первичных мантийных магм с продуктами плавления континентальной коры. Исходя из этого, мы вполне обоснованно можем считать, что источниками металлоге-нической специализации редкометалльных гранитоидов Певекского массива были как континентальная кора региона, так и геохимически специализированный домен,

0,725 0,720 0,715 0,710 0,705

расположенный в мантийной части континентальной литосферы.

Учитывая то, что смешивающимися компонентами являются расплавы, мы можем оценить вклад того или иного источника в баланс редких элементов. Сделано это может быть с помощью уравнений: Слъь=См*МК+Ск*(1-МК); Бмк= 100*См*МК/Саьь Вкк=100- Бмк, где Сдьь-концентрация элемента в смеси, См и Ск-концентрации в мантийном и коровом компонентах, Мк- количество мантийного компонента в смеси из модели смешения рис. 3 (в долях единицы), Бмк -вклад мантийной, Бкк-коровой компонент в баланс элемента (%).

Вклад корового и мантийного источника в баланс редких элементов, рассчитанный по этой методике для разных пропорций смешивающихся компонентов, приведен в таблице. Мы видим, что даже при 70% доли коровой компоненты, ее вклад в баланс редких элементов редко превышает 50%. Наиболее наглядно это проявлено для Би -главного профилирующего элемента Чукотской рудной провинции, доля мантийной

10%

(Я

(О

со

(Я

со

0 2 4 6 8 10 12

1/86Sr

Рис. 3. Графическая визуализация модели смешения на базе диаграммы

Средние составы и их вариации гранитизированной (незалитые кружки) и негранитизированной (залитые кружки) коры Чукотки. Вариации составов магм, образующихся при плавлении этих источников, даны пунктирными линиями. Цифры, приведенные у края поля, указывают степень плавления этих источников в процентах. Сплошной черной стрелкой дана линия смешения между ультракалиевой базальтовой магмой (шошонит) и кислым коровым расплавом (биотитовые граниты кооленьского комплекса, КК). Незалитыми кружками с цифрами даны пропорции смешения с шагом, равным 10%. Залитые серым кружки соответствуют точкам составов гранитоидов Певекского массива

Доля вещества континентальной коры в балансе редких элементов гранитоидов Певекского массива

Доля корового компонента в смеси Доля корового компонента в балансе редких элементов

Rb Li Cs F Sn U Th W Be

70 % 54 67 44 29 24 32 54 32 35

50 % 34 47 25 15 12 17 33 17 18

40 % 25 37 18 10 8 12 25 12 13

составляющей в балансе которого превышает 75%.

Полученные нами результаты вполне убедительно показывают, что редкоме-талльные гранитоиды имеют комплексный источник металлогенической специализации, причем главный вклад в баланс редких элементов вносит геохимически специализированный домен, расположенный в мантийной части континентальной литосферы.

Выводы

1. Вариации изотопных характеристик в породах позднеорогенной вулкано-плутонической ассоциации Центральной Чукотки показывают, что редкометалль-ные гранитоиды региона могли образоваться в результате смешения специализированных на гранитофильные элементы первичных мантийных магм с веществом континентальной коры.

2. Численное моделирование процессов смешения показало, что доля коровой компоненты в составе гранитоидов варьирует от 40 до 70%.

3. Редкометалльные гранитоиды региона имеют комплексный источник ме-таллогенической специализации, при этом главный вклад в баланс редких элементов принадлежит мантийной компоненте.

Библиографический список

1. Дудкинский Д.В., Ефремов С.В., Козлов В. Д. Геохимические особенности и результаты ЯЬ/Бг датирования редкоме-талльных гранитоидов восточного побережья Чаунской губы (Чукотка) //Доклады АН СССР, 1992. - Т. 325, № 5. - С. 10391043.

2. Дудкинский Д.В., Ефремов С.В., Козлов В.Д. Геохимические черты мезо-

зойских гранитоидов повышенной основности восточного побережья Чаунской губы (Чукотка) // Тихоокеанская геология, 1993. - № 6. - С. 74-84.

3. Ефремов С.В., Дудкинский Д.В., Козлов В. Д. Новые данные о происхождении редкометальных плюмазитовых гранитов Западной Чукотки // Доклады РАН, 1996. - Т.349, № 5. - С. 664-665.

4. 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.

5. Жуланова И. Л. Земная кора северо-востока Азии в Докембрии и Фанерозое. -М.: Наука, 1990. - 289 с.

6. Коваленко В. И. Петрология и геохимия редкометальных гранитоидов. -Новосибирск: Наука, 1977. - 204 с.

7. Козлов В. Д. Геохимия и рудонос-ность гранитоидов редкометалльных провинций. - М.: Наука, 1985. - 304 с.

8. Кокс К.Г., Белл Д.Д., Панкхерст Р.Д. Интерпретация изверженных горных пород. - М.: Недра, 1982. - 496 с.

9. Оловоносные и вольфрамоносные граниты некоторых регионов СССР/ Руб М.Г. [и др.]. - М.: Наука, 1982. - 259 с.

10. Таусон Л.В. Геохимические типы и потенциальная рудоносность гранитои-дов. - М.: Наука, 1977. - 279 с.

11. Трошин Ю.П., Гребенщикова В.И., Бойко С.М. Геохимия и петрология редкометальных плюмазитовых гранитов. - Новосибирск.: Наука, 1983. - 181 с.

12. Щеглов А.Д., Говоров И.Н. Нелинейная металлогения. - Л.: Недра, 1987. - 325 с.

13. Фор Г. Основы изотопной геологии. - М.: Мир, 1989. - 585 с.

14. Benito R., Lopez-Ruiz J., Cebriâ J. M., Hertogen J., Dobias M., Oyarzun R., Demaiffe D. Sr and O isotope constraints on source and crustal contamination in the high-K calc-alkaline and shoshonitic Neogene volcanic rocks of SE Spain // Lithos, 1999, 46. - P.773-802.

15. Forster H.J., Tischendorf G., Trumbull R.B., Gottesmann B. Late-Collisional Granites in the Variscan Erzgebirge, Germany // J. Petrology, 1999, v.40, № 11. - P. 1613-1645.

16. Miller C., Schuster R., Klotzli U, Frank W. Post-collisional potassic and ultrapotassic magmatism in SW Tibet: geochemical and Sr-Nd-Pb-O isotopic constraints for mantle source characteristics

and Petrogenesis // J. Petrology. V.40, № 9. -P.1399-1424.

17. Peccerillo A. Multiple mantle metasomatism in central-southern Italy: geochemical effects, timing and geodynamic implications. // Geology, 1999, v.27.- P. 315318.

18. Prelevic D., Foley S. F., Cvetkovic V., Romer R. L. Origin of minette by mixing of lamproite and dacite magmas in Veliki Majdan, Serbia // J. Petrology, 2004, v.45. -P. 759-792.

19. Schuiling R.D. Tin belts on the continents around the Atlantic ocean // Economic Geology, 1967, V.62, № 4. - P. 540-551.

Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета Г. Д. Мальцева