Mineral composition and parameters of metamorphism of granulite in the Khapchan orogenic belt (Anabar shield)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The calculation of temperature and pressure of metamorphic mineral formation was carried out by methods of mineral thermobarometry for granulites of the Khapchan Group. Peak metamorphism conditions were hidden by a post-culmination partitioning of Fe and Mg between minerals at the retrograde stage of metamorphism. The maximum temperature and pressure obtained with the winTWQ are 820—855 °C and 6.6—7.0 kbar. The retrograde stage of metamorphism was characterized by a synchronous decrease in temperature and pressure down to 560 °C and 3 kbar. It is embodied in a composition of biotite: Ti, Sr, and REE contents in this mineral are lowered when temperature is decreased. The rare-element composition of garnets with a well-defined negative Eu anomaly and high value of SmN/GdN ratio is typical for low-calcium garnets of granulite facies.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. V. Yurchenko

Institute of Precambrian Geology and Geochronology RAS

Author for correspondence.
Email: yurchenko-nastya@yandex.ru

Д. чл.

Russian Federation, Saint Petersburg

S. G. Skublov

Institute of Precambrian Geology and Geochronology RAS; Saint Petersburg Mining University

Email: skublov@yandex.ru

д. чл.

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

N. I. Gusev

Karpinsky Russian Geological Research Institute

Email: nikolay_gusev@karpinskyinstitute.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

L. Yu. Romanova

Karpinsky Russian Geological Research Institute

Email: yurchenko-nastya@yandex.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Abdrakhmanov I. A., Gulbin Yu. L., Gembitskaya I. M. Fe–Mg–Al–Ti–Zn oxide assemblage in granulites of the Bunger Hills, East Antarctica: evidence of ultrahigh-temperature metamorphism. Zapiski RMO (Proc. Russian Miner. Soc.). 2021. Vol. 150. N4. P. 38—76 (in Russian, English translation: Geol. Ore Deposits. 2022. Vol. 64. N 8. P. 519—549).
  2. Abdrakhmanov I. A., Gulbin Yu. L., Skublov S. G., Galankina O. L. Mineralogical constraints on the pressure–temperature evolution of granulites in the Bunger Hills, East Antarctica. Minerals. 2024. Vol. 14 (5). Paper 488. https://doi.org/10.3390/min14050488
  3. Aranovich L. Ya., Podlesskii K. K. Geothermobarometry of high-grade metapelites: simultaneously operating reactions. Geol. Soc. London. Spec. Publ. 1989. Vol. 43. P. 45—61.
  4. Archaea of the Anabar Shield and Problems of Earth Evolution. Moscow: Nauka, 1988. 253 р. (in Russian).
  5. Berman R. G. Thermobarometry using multiequilibrium calculations: a new technique with petrologic applications. Canad. Miner. 1991. Vol. 32. P. 833—855.
  6. Berman R. G., Aranovich L. Y. Optimized standard state and solution properties of minerals: 1. Model calibration for olivine, orthopyroxene, cordierite, garnet, and ilmenite in the system FeO–MgO–CaO– A1 2 O 3 – TiO 2 — SiO 2 . Contrib. Miner. Petrol. 1996. Vol. 126. P. 1—24.
  7. Berman R. G., Aranovich L. Ya., Rancourt D. G., Mercier D. G. Reversed phase equilibrium constraints on the stability of Mg-Fe-Al biotite. Amer. Miner. 2007. Vol. 92. P. 139—150.
  8. Brady J. B., Cherniak D. J. Diffusion in minerals: an overview of published experimental diffusion data. Rev. Miner. Geochem. 2010. Vol. 72. P. 899—920.
  9. Cid J. P., Nardi L. V. S., Conceicao H., Bonin B. Anorogenic alkaline granites from northeastern Brazil: major, trace, and rare earth elements in magmatic and metamorphic biotite and Na-mafic minerals. J. Asian Earth Sci. 2001. Vol. 19. P. 375—397.
  10. Clark C., Taylor R. J. M., Johnson T. E., Harley S. L., Fitzsimons I. C. W., Oliver L. Testing the fidelity of thermometers at ultrahigh temperatures. J. Metamorph. Geol. 2019. Vol. 37. P. 917—934.
  11. Condie K. C., Wilks M., Rosen D. M., Zlobin V. L. Geochemistry of metasediments from the Precambrian Hapschan Series, eastern Anabar Shield, Siberia. Precambrian Res. 1991. Vol. 50. P. 37—47.
  12. Donskaya T. V. Assembly of the Siberian craton: Constraints from Paleoproterozoic granitoids. Precambrian Res. 2020. Vol. 348. 105869.
  13. Eckert J. O. Jr., Newton R. C., Kleppa O. J. The ΔH of reaction and recalibration of garnet-pyroxene-plagioclase-quartz geobarometers in the CMAS system by solution calorimetry. Amer. Miner. 1991. Vol. 76. P. 148—160.
  14. Ganguly J., Cheng W., Tirone M. Thermodynamics of aluminosilicate garnet solid solution: new experimental data, an optimized model, and thermometric applications. Contrib. Miner. Petrol. 1996. Vol. 126 (1—2). P. 137—151.
  15. Godet A., Raimondo T., Guilmette C. Atoll garnet: insights from LA-ICP-MS trace element mapping. Contrib. Mineral. Petrol. 2022. V. 177 (57). P. 1—15.
  16. Griffin W. L., Ryan C. G., Kaminsky F. V., O’Reilly S.Y., Natapov L. M., Win T. T., Kinny P. D., Ilupin I. P. The Siberian lithosphere traverse, mantle terranes and the assemble of the Siberian craton. Tectonophysics. 1999. Vol. 310. P. 1—35.
  17. Gulbin Yu. L., Abdrakhmanov I. A., Gembitskaya I. M., Vasiliev E. A. Oriented micro-inclusions of Al–Fe–Mg–Ti oxides in quartz from metapelitic granulites of the Bunger Hills, East Antarctica. Zapiski RMO (Proc. Russian Miner. Soc.). 2022. Vol. 151. N 4. P. 1—17 (in Russian, English translation: Geol. Ore Deposits. 2023. Vol. 65. N 7. P. 656—668).
  18. Gusev N. I. Anabar Shield of the Siberian Craton. Material composition, geochemistry, geochronology. Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. 181 р. (in Russian).
  19. Gusev N. I., Sergeeva L. Yu., Skublov S. G. Evidence of subduction of the Paleoproterozoic oceanic crust in the Khapchan belt of the Anabar Shield of the Siberian Craton. Petrology. 2021. Vol. 29. Р. 95—113.
  20. Harley S. L. An experimental study of the partitioning of Fe and Mg between garnet and orthopyroxene. Contrib. Miner. Petrol. 1984a. Vol. 86. P. 359—373.
  21. Harley S. L. The solubility of alumina in orthopyroxene coexisting with garnet in FeO-MgO– Al 2 O 3 – SiO 2 and CaO–FeO–MgO– Al 2 O 3 – SiO 2 . J. Petrol. 1984b. Vol. 25. P. 665—696.
  22. Harley S. L. On the occurrence and characterization of ultrahigh-temperature crustal metamorphism. Geol. Soc. London. Spec. Publ. 1998. Vol. 138. P. 81—107.
  23. Henry D. J., Guidotti C. V., Thomson J. A. The Ti-saturation surface for low-to-medium pressure metapelitic biotites: implications for geothermometry and Ti-substitution mechanisms. Amer. Miner. 2005. Vol. 90. P. 316—328.
  24. Holdaway M. J. Application of new experimental and garnet Margules data to the garnet-biotite geothermometer. Amer. Miner. 2000. Vol. 85. P. 881—892.
  25. Holdaway M. J. Recalibration of the GASP geobarometer in light of recent garnet and plagioclase activity models and versions of the garnet-biotite geothermometer. Amer. Miner. 2001. Vol. 86. P. 1117—1129.
  26. Jung S., Hellebrand E. Trace element fractionation during high-grade metamorphism and crustal melting — constraints from ion microprobe data of metapelitic, migmatitic and igneous garnets and implications for Sm–Nd garnet chronology. Lithos. 2006. Vol. 87. P. 193—213.
  27. Kawasaki T., Motoyoshi Yo. Ti-in-garnet thermometer for ultrahigh-temperature granulites. J. Miner. Petrol. Sci. 2016. Vol. 111. P. 226—240.
  28. Lutz B. G., Kopaneva L. N. Pyrope-sapphirine rock of the Anabar Massif and conditions of its metamorphism. Doklady Acad. Sci. USSR. 1968. Vol. 179(5). Р. 1200—1202 (in Russian).
  29. McDonough W. F., Sun S.-S. The composition of the Earth. Chem. Geol. 1995. Vol. 120. P. 223—253.
  30. Nichols G. T., Berry R. F., Green D. H. Internally consistent gahnitic spinel-cordierite-garnet equilibira in the FMASHZn system: geothermobarometry and application. Contrib. Miner. Petrol. 1992. Vol. 111. P. 362—377.
  31. Nozhkin A. D., Likhanov I. I., Savko K. A., Krylov A. A., Serov P. A. Sapphirine-bearing granulites of the Anabar Shield. Geochem. Int. 2019. Vol. 57. Р. 524—539.
  32. Nozhkin A. D., Turkina O. M., Salnikova E. B., Likhanova I. I., Savko K. A. Charnokites of the central part of the Anabar Shield: distribution, petrochemical composition, age and formation conditions. Geochem. Int. 2022. Vol. 60. Р. 711—723.
  33. Pattison D. R. M, Chacko T., Farquhar J., McFarlane C. R. M. Temperatures of granulite facies metamorphism: constraints from experimental phase equilibria and thermobarometry corrected for retrograde exchange. J. Petrol. 2003. Vol. 44. P. 867—900.
  34. Perkins D. Thermometry and barometry of mafic granulites based on garnet-clinopyroxene-plagioclase-quartz assemblages. In: Granulites and Crustal Evolution. Kluwer Academic: Dordrecht, 1990. P. 435—450.
  35. Rosen O. M. Siberian craton: tectonic zoning stages of evolution. Geotectonics. 2003. Vol. 37 (3). Р. 157—192.
  36. Rosen O. M., Condie K. C., Natapov L. M., Nozhkin A. D. Archean and Early Proterozoic evolution of the Siberian Craton: a preliminary assessment. In: Archean Crustal Evolution. Amsterdam: Elsevier, 1994. P. 411—459.
  37. Rosen O. M., Turkina O. M. The oldest rock assemblages of the Siberian Craton. In: Precambrian ophiolites and related rocks. Development in Precambrian Geology. 2007. Vol. 15. P. 793—842.
  38. Rozen O. M., Manakov A. V., Zinchuk N. N. Siberian Craton: Formation and Diamond Content. Moscow: Nauchny Mir, 2006. 212 р. (in Russian).
  39. Samadi R., Torabi G., Kawabata H., Miller N. R. Biotite as a petrogenetic discriminator: chemical insights from igneous, meta-igneous and meta-sedimentary rocks in Iran. Lithos. 2021. Vol. 386. 106016.
  40. Shulters J. C., Bohlen S. R. The stability of hercynite and hercynite-gahnite spinels in corundum- or quartz-bearing assemblages. J. Petrol. 1989. Vol. 30. P. 1017—1031.
  41. Skublov S. G. Geochemistry of rare earth elements in rock-forming metamorphic minerals. Saint Petersburg: Nauka, 147 р. (in Russian).
  42. Stativko V. S., Skublov S. G., Smolenskiy V. V., Kuznetsov A. B. Trace and rare-earth elements in garnets from silicate-carbonate formations of the Kusa-Kopan complex (Southern Urals). Lithosphere. 2023. Vol. 23(2). Р. 225—246 (in Russian).
  43. Tajcmanova L., Konopasek J., Košler J. Distribution of zinc and its role in the stabilization of spinel in high-grade felsic rocks of the Moldanubian domain (Bohemian Massif). Eur. J. Miner. 2009. Vol. 21. P. 407—418.
  44. The structure of the Earth’s crust of the Anabar Shield. Ed. V. M. Moralev. Moscow: Nauka, 1986. 198 p. (in Russian).
  45. Vishnevskii A. N. Metamorphic complexes of the Anabar crystalline shield. Vol. 184. Leningrad: Nedra, 1978. 216 р. (in Russian).
  46. Wark D. A., Watson E. B. TitaniQ: a titanium-in-quartz geothermometer. Contrib. Miner. Petrol. 2006. Vol. 152. P. 743—754.
  47. Warr L. N. IMA–CNMNC approved mineral symbols. Miner. Mag. 2021. Vol. 85. P. 291—320.
  48. Wu C.-M., Chen H.-X. Revised Ti-in-biotite geothermometer for ilmenite- or rutile-bearing crustal metapelites. Sci. Bull. 2015. Vol. 60. P. 116—121.
  49. Wu C.-M., Zhang J., Ren L.-D. Empirical garnet-biotite-plagioclase-quartz (GBPQ) geobarometry in medium- to high-grade metapelites. J. Petrol. 2004. Vol. 45. P. 1907—1921.
  50. Zlobin V. L., Rosen O. M., Abbyasov A. A. Two metasedimentary basins of the Early Precambrian granulites of the Anabar Shield (Polar Siberia): normative mineral compositions calculated by the MINLITH program and basin facies interpretations. In: International Association of Sedimentologists Special Publication 33. Fluvial Sedimentology VII. 2002. Р. 275—291.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Tectonic schemes: а — of the northern Siberian Craton after (Rosen et al., 1994; Griffin et al., 1999), б — Anabar shield. 1, 2 — Archean granulite blocks, associations: 1 — metamafic–plagiogneiss (Daldyn Group), 2 — plagiogneiss (Upper Anabar Group); 3, 4 — Paleoproterozoic granulite Khapchan belt, associations: 3 — metavolcanogenic; 4 — metacarbonate-paragneiss (Khapchan Group); 5 — shear zone (tectonite–granite–migmatite associations); 6, 7 — intrusive rocks, associations: 6A — anorthosite, 6G — gabbrodiorite; 7 — granite; 8 — main faults: a — steep, б — overthrusts; 9 — platform cover; 10 — Popigai astrobleme; 11 — Khardakh site. Granulite blocks (numbers in circles): I — Western, II — Upper Kuonamka, III — Il’inskaya, IV — Daldyn, V — Dzhelinda, VI — Khapchan, VII — Popigai. Shear zones (numbers in boxes): 1 — Churbukulakh, 2 — Lamui, 3 — Kotuikan-Monkholin, 4 — Chengelekh, 5 — Kharap, 6 — Billyakh, 7 — Saltakh.

Download (455KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. A geologic scheme of the Khardakh area. 1 — alluvial Quaternary sediments (Q); 2—3 — Khardakh Formation (PR1hr), 2 — two-pyroxene plagiogneiss, 3 — migmatized two-pyroxene crystalline schist; 4—5 — Khaptasynnakh series of the Khapchan Group (PR1ht), 4 — garnet and pyroxene-garnet gneiss, sillimanite- and cordierite-bearing; 5 — carbonate and metacarbonate rocks; 6 — dolerite dikes; 7 — kimberlite; 8 — faults; 9 — numbers of sampling localities.

Download (430KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Photomicrographs of thin sections of granulite studied. a — Bt–Crd–Sil–Grt gneiss; pinitized cordierite which replaces garnet and contains inclusions of sillimanite; garnet which contains Sil, Bt, and Qz inclusions; б — Grt–Opx gneiss, matrix; в — Grt–Opx gneiss, leucosome with Grt, Bt, and Opx; г — Sil–Bt–Grt gneiss, Grt porphyroblasts elongated along the foliation, flanked by sillimanite and biotite; д — the same rock, K-feldspar saturated with perthite ingrowths; е — spinel and quartz inclusion in garnet. a, б, в, г — transmitted light images without an analyzer, д — with an analyzer; е — BSE image.

Download (1023KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Composition of minerals in the studied rocks. a — Phl-Ann-Eas-Sdph diagram for biotite; б — Al2O3–XMg diagram for orthopyroxene, lower scale is the content of enstatite end member in orthopyroxene; в — relationship between XFe and content of Ti (apfu) in biotite, uncolored figures — compositions of biotite inclusions in garnet; г — composition of garnet on Prp–Alm–(Grs+Sps) diagram, arrows show changes in the composition when passing from core (C) to rim (K) of garnet grains.

Download (193KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Diagrams of chondrite-normalized (McDonough, Sun, 1995) concentrations of rare earth elements in garnet and biotite from samples 217 (a, б), 225—2 (в, г), 861 (д, е), and 39—1 (ж, з).

Download (396KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. P–T parameters of metamorphism estimated with winTWQ (Berman, 1991). a — migmatized Grt-Opx gneiss (sample 861), equilibrium with the garnet rim, б — the same rock, equilibrium with the garnet core; в — layered Sil-Bt-Grt gneiss (sample 217); г — migmatized layered Sil-Crd-Bt-Grt gneiss (sample 225—2).

Download (241KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. A generalized P–T diagram with results of mineral thermobarometry.

Download (192KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».