The first discovery of the paleoproterozoic aillikite dykes in Sarmatia: geochemistry and petrogenesis

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Айлликиты – редкие щелочные, недосыщенные SiO₂, содержащие карбонаты ультрамафитовые лампрофиры, встречающиеся в обстановках континентального рифтинга и мантийного апвеллинга. Их особенностью является промежуточный состав между глубинными мантийными породами – карбонатитами, кимберлитами и щелочными лампрофирами. Поэтому, несмотря на небольшой объём проявлений, айлликиты наряду с кимберлитами и карбонатитами служат источником информации о составе и строении литосферной мантии. Присутствие айлликитов является индикатором для обстановок растяжения литосферы, и они часто связаны с карбонатитовым магматизмом (например, [7, 8, 20]) и крупными магматическими провинциями. Широко обсуждается образование мантийных источников ультрамафитовых лампрофиров в субдукционных обстановках и в результате действия плюмов, приводящих к метасоматозу литосферной мантии ([13, 20] и многие другие).

Публикации об айлликитах и, в целом, лампрофирах в Сарматии по нашим данным отсутствуют. Находки даек айлликитов в Курском блоке расширяют наши представления о составе и строении литосферной мантии крупного раннедокембрийского сегмента Восточно-Европейского кратона в палеопротерозое. В настоящей статье представлены первые данные о геологии, изотопно-геохимических особенностях и петрогенезисе палеопротерозойских даек айлликитов Сарматии.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ

Курский блок Сарматии (рис. 1) состоит из палеоархейского гранулит-гнейсового ядра и мезоархейского зеленокаменного террейна, коллизия которых около 2.8 млрд лет назад привела к образованию архейской континентальной области восточной Сарматии [17]. В раннем палеопротерозое (2.5–2.4 млрд лет) Курский блок представлял собой стабильную платформу. В морских бассейнах на пассивной континентальной окраине происходило накопление терригеннных и карбонатных осадков и железисто-кремнистых формаций (ЖКФ) [18]. 2.4 млрд лет назад трансгрессия сменилась регрессией, и наступил продолжительный перерыв в осадконакоплении. Седиментация возобновилась в континентальных рифтогенных структурах в интервале 2.2–2.1 млрд лет назад. В период 2.10–2.05 млрд лет назад палеопротерозойская платформа Курского блока подверглась мощной эндогенной переработке, включающей магматизм, рифтинг, складчатость и метаморфизм и связанной с субдукцией и коллизионными процессами в результате развития палеопротерзойских Волго-Донского и Севско-Ингулецкого орогенов на границах Сарматии.

 

Рис. 1. Схематическая геологическая карта Тимской структуры и положение даек айлликитов с врезками структурной схемы Восточной Сарматии и Восточно-Европейского кратона.

 

Айлликиты в Курском блоке встречаются в виде даек, секущих железистые кварциты курской серии в южном обрамлении Тимской рифтогенной структуры (рис. 1). Во многих ранних исследованиях геологии Курской магнитной аномалии (КМА) они описывались как биотит-карбонатные дайки [1]. Нами были изучены дайки в бортах Лебединского железорудного карьера в южном замыкании Тимской структуры (рис. 1, 2). Дайки различной мощности от 0.5 до 12 м северо-западного реже субширотного простирания секут полосчатость железистых кварцитов чаще всего под углами 5°–15° (рис. 2). Протяжённость даек находится в прямой зависимости от их мощности и меняется от первых десятков до нескольких сотен метров. Вмещающие железистые кварциты Лебединского месторождения претерпели региональный метаморфизм в условиях эпидот-амфиболитовой фации Т = 550°С и давления 2–3 кбар [4] с возрастом около 2.07 млрд лет [16]. Айлликиты также метаморфизованы, их тела нередко деформированы, но секущие контакты сохраняются. Кроме того, с дайками айлликитов в тесной ассоциации находятся дайки известково-щелочных лампрофиров.

 

Рис. 2. Дайки айлликитов в Лебединском железорудном карьере: а, б – серия маломощных даек в ЖКФ (2.4–2.5 млрд лет); в – деформированная и рассланцованная дайка; г – прилегание деформированных ЖКФ к контакту дайки.

 

В 12 км юго-восточнее дайкового поля айлликитов находятся интрузии дубравинского щёлочно-карбонатитового комплекса, но геологических взаимоотношений карбонатитов и щелочных пород с ультрамафическими лампрофирами не установлено. И карбонатиты, и айлликиты претерпели метаморфические изменения, их тела нередко деформированы.

ПЕТРОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ

Дайки айлликитов сложены тёмно-серыми, очень мелкозернистыми, иногда почти чёрными рассланцованными породами биотит-карбонатного состава с субпараллельно ориентированными пластинками биотита. Выраженные порфировые вкрапленники отсутствуют. Порода представляет собой переплетение удлинённых лейст биотита (40–60 об. %), среди которых находятся ксеноморфные пойкиллитовые зёрна карбоната (30–40 об. %) и рудных минералов (до 10 об. %). Карбонат представлен доломитом, кальцит встречается в незначительных количествах. В магнезиальном биотите (X_Mg = 0.68–0.73) отсутствует химическая зональность, и он имеет невысокое содержание титана (TiO₂ = 1.7–2.2 мас. %). В биотите отмечаются очень мелкие (<10 мкм) включения монацита (Ce). Встречаются тремолит (X_Mg = = 0.90–0.97) и тальк (X_Mg = 0.89). Среди рудных минералов преобладают магнетит и рутил (иногда с примесью Nb до 2 мас. %), реже встречается титаномагнетит. Магнетит представлен крупными (0.2–0.5 мм) идиоморфными кристаллами на фоне более мелкозернистого матрикса. Рутил образует мелкую вкрапленность (10–50 мкм) и включения в биотите и титаномагнетите. В некоторых дайках рудные минералы концентрируются в тонкие полосы, сложенные мелкозернистым агрегатом магнетита и в меньшем количестве титаномагнетита.

ГЕОХИМИЯ

Петрогенные оксиды. Айлликиты недосыщены SiO₂ (20.5–34.0 мас. %), имеют низкие содержания Al₂O₃ (3.1–4.9 мас. %) и умеренную магнезиальность Mg# 0.57–0.68 (табл. 1). В них высокие концентрации магния (MgO = 10.1–17.9 мас. %), железа (Fe₂O_3(tot) = 14.7–19.7 мас. %), кальция (CaO = 7.7–22.1 мас. %) и особенно титана (TiO₂ = 3.2–5.4 мас. %). Из щелочей отмечаются высокие содержания калия (K₂O = 1.9–4.6 мас. %) и очень низкие содержания натрия (<0.2 мас. % Na₂O). Высокие значения потерь при прокаливании (ППП = 9.3–21.3 мас. %) согласуются с преобладанием в породах доломита и минералов, содержащих группу (OH).

 

Таблица 1. Содержания петрогенных, редких и редкоземельных элементов в айлликитах Курского блока Сарматии

Скв./глуб.	ЛК-7/3	ЛК-4/1	ЛК-4/2	ЛК 8-2/2	ЛК-57-1	ЛК-57-2	ЛК-53-5	ЛК-20
SiO2	20.53	28.53	26.72	22.06	21.22	27.71	33.99	20.99
TiO2	3.22	4.95	5.09	3.41	5.42	4.72	3.77	4.88
Al2O3	3.84	3.68	3.47	4.31	3.78	4.90	4.27	3.65
Fe2O3tot	16.90	14.66	14.91	18.19	19.69	19.08	18.67	15.14
MgO	13.99	12.24	10.06	17.90	13.42	14.01	17.21	15.96
MnO	0.18	0.36	0.44	0.24	0.26	0.23	0.19	0.28
CaO	16.89	19.84	22.14	20.77	13.49	9.87	7.34	15.80
Na2O	0.07	0.15	0.18	0.02	0.12	0.22	0.00	0.08
K2O	1.89	2.51	2.38	3.04	3.71	4.58	4.53	3.07
P2O5	0.57	0.55	0.50	0.22	0.21	0.44	0.48	0.49
SO3	0.28	0.05	0.04	0.31	0.10	0.12	0.12	0.04
ППП	21.34	12.34	13.93	9.48	18.35	13.70	9.28	19.46
Сумма	99.68	99.85	99.88	99.95	99.79	99.63	99.85	99.85
Mg#	0.62	0.62	0.57	0.66	0.57	0.59	0.65	0.68
Na2O+K2O	2.0	2.67	2.6	3.1	3.8	4.8	4.5	3.2
Sc	17.3	22.5	20.3	19.4	31	25.1	24.9	17.6
V	183	263	286	66	289	302	301	88.2
Cr	451	496	472	1240	720	679	394	326
Co	55.9	88.3	79.3	110	97.8	110	87.1	89.2
Ni	440	530	448	1230	477	705	476	603
Cu	139	76.5	15.7	60.8	185	228	289	173
Zn	52.5	68.0	56.9	64.3	126	133	133	58.4
Ga	10.3	17.3	18.4	8.5	22.4	22.2	20.1	13.6
Rb	137	165	157	166	369	442	260	179
Sr	664	413	331	1140	1010	1150	287	480
Y	18.7	22.0	28.3	12.2	25.8	23.5	25	26.7
Zr	247	329	252	163	381	374	339	287
Nb	85.1	125	124	100	175	132	148	136
Ba	809	491	185	709	384	336	1540	737
La	50.2	71.4	88.7	36.3	90.7	81.9	103	104
Ce	105	151	188	73.8	193	168	200	203
Pr	12.8	17.0	22.1	9.26	23.9	20.4	23.2	24
Nd	50.1	65.4	86.6	35.9	93.2	77.7	85.7	90.7
Sm	9.1	11.9	15.7	6.6	16	13.5	14.8	15.8
Eu	2.38	3.14	4.08	1.89	3.99	3.42	4.23	3.95
Gd	7.19	10.3	13.7	5.4	13	11.4	12.3	13.3
Tb	0.93	1.18	1.57	0.67	1.5	1.34	1.46	1.52
Dy	4.6	5.44	6.83	3.11	6.66	6.04	6.54	6.69
Ho	0.77	0.85	1.06	0.5	1.09	0.98	1.06	1.08
Er	1.86	2.12	2.44	1.17	2.63	2.28	2.47	2.56
Tm	0.22	0.22	0.25	0.14	0.31	0.26	0.27	0.29
Yb	1.22	1.29	1.39	0.77	1.75	1.42	1.63	1.62
Lu	0.16	0.17	0.18	0.098	0.23	0.19	0.21	0.22
Hf	5.89	8.70	6.21	4.23	9.75	9.5	7.78	6.97
Ta	4.26	8.93	7.86	4.45	10.4	8.98	10.1	7.88
W	1.39	5.97	14.4	2.73	6.01	4.22	2.48	12.9
Pb	14.3	<1.0	3.14	13.5	12.8	11.2	7.62	12.7
Th	7.15	8.68	10.9	4.46	11.7	9.67	11.7	12
U	1.78	2.93	2.29	1.04	1.78	2.17	2.5	2
∑REE	247	341	433	176	448	389	457	469
Eu/Eu*	0.90	0.87	0.85	0.97	0.85	0.84	0.96	0.83
(Gd/Yb)n	4.9	6.6	8.2	5.8	6.2	6.6	6.2	6.8
(La/Yb)n	29.5	39.7	45.8	33.8	37.2	41.4	45.3	46.1

 

Редкие и редкоземельные элементы. Айлликиты имеют высокие содержания “мафических” Cr (326–1240 ppm, ср. 597 ppm) и Ni (440–1230 ppm, ср. 614 ppm) и широкие вариации концентраций литофильных элементов: Ba (185–1540 ppm, ср. 649 ppm), Sr (287–1140 ppm, ср. 684 ppm) и Rb (137–442 ppm, ср. 234 ppm). Среди высокозарядных элементов выделяются очень высокие концентрации Nb (85–175 ppm, ср. 128 ppm) и Ta (4.3–10.4 ppm, ср. 7.9 ppm) и умеренные Zr (163–381 ppm) и Y (12–28 ppm). РЗЭ (ƩREE = 176–469 ppm, ср. 370 ppm) демонстрируют резкое фракционирование лёгких и тяжёлых РЗЭ ((Gd/Yb)n = 4.9–8.8, (La/Yb)n = 30–46) (рис. 3 а). Выраженные Eu*-аномалии отсутствуют. На диаграмме, нормированной к примитивной мантии, проявлены положительные пики Nb и Ti и отрицательные Ba (рис. 3 б).

 

Рис. 3. Нормализованное к хондриту распределение редкоземельных (а) и нормализованное к примитивной мантии распределение малых и редких (б) элементов в дайках айлликитов Курского блока.

 

ВОЗРАСТ АЙЛЛИКИТОВЫХ ДАЕК

Из-за отсутствия в айлликитах минералов-геохронометров (циркона, перовскита, андрадитового граната), пока не удалось получить точных определений изотопного возраста. Тем не менее, мы можем ограничить их возраст довольно узким интервалом по геологическим критериям. Нижняя граница внедрения даек отвечает возрасту базальтов тимской свиты в Тимской структуре 2098 млн лет [5], которые секутся дайками лампрофиров. Верхним ограничением может служить возраст регионального метаморфизма 2.07 млрд лет, которому подверглись дайки айлликитов [16]. Дополнительным аргументом может служить возраст щёлочно-карбонатитового магматизма дубравинского комплекса 2.07–2.08 млрд. лет [19]. Таким образом, формирование даек айлликитов произошло в интервале 2.10–2.07 млрд лет, когда в восточном обрамлении Курского блока Сарматии был широко проявлен супрасубдукционный магматизм [3, 5, 19].

SM‒ND-ИЗОТОПНЫЕ ДАННЫЕ

Изотопный состав Nd был измерен в валовой пробе из дайки, прорывающей железистые кварциты в Лебединском железорудном карьере. Айлликиты имеют такой же радиогенный состав Nd (εNd(2080) = +1.7) и модельный возраст TNd(DM), как и карбонатиты дубравинского щёлочно-карбонатитового комплекса [19] (табл. 2), что свидетельствует об обогащении источника айлликитовых расплавов незадолго до их образования.

 

Таблица 2. Sm–Nd-изотопные данные для айлликитов Курского блока в сравнении с карбонатитами дубравинского щелочно-карбонатитового комплекса [19]

Номер образца	Порода	Sm, мкг/г	Nd, мкг/г	147Sm/144Nd*	143Nd/144Nd	Т, млн. лет	εNd(T)	ТNd(DM)**
ЛК-7/3	айлликит	9.39	51.35	0.1106	0.511545	2080	1.7	2364
6207/431	карбонатит	48.3	306	0.0954	0.511332	2080	1.6	2334
5402/5	карбонатит	83.2	535	0.0940	0.511299	2080	1.3	2349

Примечание. * Погрешность ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd принята не более 0.2%. ** Модельный возраст по [10].

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Классификация и номенклатура. Из клана ультрамафических лампрофиров (УМЛ) [12, 14] только айлликиты значительно обогащены карбонатами, и основная масса породы состоит из кальцита, флогопита, акцессорных минералов титана и фенокристаллов оливина. Карбонаты в айлликитах Курского блока представлены доломитом, кальцит встречается очень редко, и этим они отличаются от подавляющего большинства УМЛ. Содержания петрогенных оксидов редких и редкоземельных элементов в УМЛ Курского блока близки к петротипическим айлликитам залива Айллик (Лабрадор) [20] и многих других проявлений. Для них характерны низкие содержания SiO₂ и Al₂O₃, высокие MgO, TiO₂, K₂O, Cr и Ni. На классификационной диаграмме [14] почти все точки составов попадают в поле ультрамафических лампрофиров (рис. 4). По соотношению высокозарядных элементов айлликиты Курского блока отвечают анорогенным лампрофирам (рис. 4 б, в), что предполагает их внутриплитную природу и взаимосвязь с плюмовой обстановкой [12].

 

Рис. 4. Составы айлликитов Курского блока Сарматии на диаграмме SiO₂–(K₂O+Na₂O) с полями ультрамафических и щелочных лампрофиров [14].

 

Метаморфизм. Дайки айлликитов Курского блока подверглись метаморфизму эпидот-амфиболитовой фации и вторичным гидротермальным изменениям, что привело к их деформированию, рассланцеванию (рис. 2), разложению Fe–Mg-силикатов (главным образом, первично магматических оливина и клинопироксена), за исключением биотита. Разложение оливина и клинопироксена сопровождались появлением тремолита, талька и доломитизацией, например: 6Fo+13Di+H₂O+CO₂ = 5Dol+4Tr, 8Fo+13Cal+H₂O+CO₂ = 11Dol+Tr. Кроме того, присутствуют редкие зёрна вторичного кварца. Перовскит был, по-видимому, замещён титаномагнетитом и Nb-содержащим рутилом. Почти во всех айлликитах карбонат представлен кальцитом, и только в изменённых вторичными постмагматическими процессами появляется доломит [2, 15].

Источники расплавов. Существуют три основные точки зрения на источники расплавов айлликитов: (1) частичное плавление карбонатизированных лерцолитов при давлениях выше 2.5 ГПа [11]; (2) ассимиляция карбонатизированных флогопитовых метасоматитов плюмовыми силикатными расплавами [9]; (3) смешение карбонатитовых и силикатных расплавов в мантии или ассимиляция мантийного вещества карбонатитами [9].

Данные по геохимии айлликитов свидетельствуют, что источником расплавов была обогащённая (метасоматизированная) мантия. Высоко радиогенный изотопный состав неодима предполагает, что интервал времени между мантийным метасоматизмом и частичным плавлением мантийного источника с образованием родительских магм айлликитов был относительно коротким.

На глубинный, недавно метасоматизированный литосферный мантийный источник, в котором стабильны значительные количества флогопита и карбоната указывают: (1) близкий возраст карбонатитов дубравинского щёлочно-карбонатитового комплекса (2.07–2.08 млрд лет) и айлликитов; (2) пространственное положение – расстояние между проявлениями карбонатитов и дайками УМЛ 12–14 км, (3) одинаковый радиогенный изотопный состав Nd, (4) одинаковые значения отношения (Gd/Yb)n и распределение РЗЭ при разных уровнях концентраций (рис. 3 а). В сравнении с карбонатитами, айлликитовые расплавы, по-видимому, представляют более высокие степени плавления обогащённого мантийного источника, о чём свидетельствуют более высокие концентрации MgO, Ni, Cr и низкие P₂O₅, Sr, Ba, LREE по сравнению с дубравинскими карбонатитами.

Тектоническая модель. В период 2,5–2,1 млрд лет в пределах Курского блока не зафиксировано эндогенной активности. Первый палеопротерозойский импульс магматизма связан с астеносферным апвеллингом при разрыве слэба субдуцированной океанической коры и излияниями базальтов 2099±8 млн лет назад [5]. Причиной отрыва слэба стала коллизия островной дуги с континентом на активной континентальной окраине Курского блока и Волго-Донского орогена около 2.1 млрд лет назад. Источником для карбонатитов могли быть обогащённые протолиты субконтинентальной литосферной мантии, образованные при плавлении и высвобождении флюидов из субдуцированного слэба океанической коры [19]. Однако для айлликитов, демонстрирующих положительные аномалии Ti и Nb, такой механизм обогащения маловероятен. Скорее можно предполагать метасоматоз литосферной мантии за счёт плюмового источника.

Геолого-структурные данные ограничивают время внедрения айлликитовых даек интервалом 2.10–2.07 млрд лет, вскоре после завершения субдукционных процессов в Восточной Сарматии. Это указывает на «орогенную» природу изученных лампрофиров и предполагает надсубдукционное обогащение литосферной мантии, служившей источником айлликитов. Этой модели, однако, противоречат отчётливо проявленные в айлликитах положительные аномалии Nb и Ti, которые невозможно увязать с плавлением метасоматически переработанной надсубдукционной литосферной мантии, и которые предполагают, что метасоматическим агентом служил расплав или флюид из обогащённого мантийного источника. Совмещение таких условий в Тимском террейне могло быть реализовано за счёт эпизода метасоматической переработки деплетированной литосферной мантии OIB-расплавами при открытии Тимского задугового бассейна [6]. Можно предположить также, что выплавление айлликитов из метасоматизированной OIB-расплавами литосферной мантии происходило синхронно с метасоматозом под влиянием привнесенного тепла. Позже около 2.07 млрд лет назад обширная коллизия континент–континент Волгоуралии и Сарматии [16] привела к деформации и метаморфизму как карбонатитовых тел, так и даек айлликитов.

ВЫВОДЫ

1. В Курском блоке Сарматии впервые установлены дайки айлликитов карбонат-биотитового состава. Они метаморфизованы в условиях эпидот-амфиболитовой фации (Т = 550°С, давление 2–3 кбар), деформированы и рассланцованы. Первичные магматические минералы (оливин, клинопироксен, перовскит) не сохранились.
2. Внедрение айлликитовых даек произошло в интервале 2.10–2.07 млрд лет назад по геологическим данным.
3. По геохимии айлликиты Курского блока близки к петротипическим айлликитам многих проявлений. Они имеют низкие содержания SiO₂ и Al₂O₃, высокие MgO, TiO₂, K₂O, Cr, Ni, Nb с резко фракционированными спектрами лёгких и тяжёлых РЗЭ.
4. Высоко радиогенный изотопный состав неодима указывает на ювенильный обогащенный (метасоматизированный) мантийный источник для айлликитов.
5. Положительные аномалии Nb и Ti в айлликитах предполагают метасоматическую переработку деплетированной литосферной мантии OIB-расплавами при открытии Тимского задугового бассейна.

Источник финансирования

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 23-27-00007.

About the authors

K. A. Savko

Voronezh State University; Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy and Geochemistry Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ksavko@geol.vsu.ru
Russian Federation, Voronezh; Moscow

A. V. Samsonov

Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy and Geochemistry Russian Academy of Sciences

Email: ksavko@geol.vsu.ru

Corresponding Member of the RAS

Russian Federation, Moscow

S. V. Tsybulyaev

Voronezh State University

Email: ksavko@geol.vsu.ru
Russian Federation, Voronezh

N. S. Bazikov

Voronezh State University

Email: ksavko@geol.vsu.ru
Russian Federation, Voronezh

E. H. Korish

Voronezh State University

Email: ksavko@geol.vsu.ru
Russian Federation, Voronezh

R. A. Terentiev

Voronezh State University

Email: ksavko@geol.vsu.ru
Russian Federation, Voronezh

References

Supplementary files