Геохимия и петрология пород дайкового комплекса Хангилайского редкометального рудного узла в Восточном Забайкалье

Актуальность исследования. Проблема происхождения рудогенерирующей магмы относится к числу актуальных фундаментальных проблем геологической науки. Для решения этой проблемы исключительно благоприятный материал представляют редкометальные граниты, массивы которых характеризуются дифференцированным строением и промышленной концентрацией редких металлов. В настоящее время магматический генезис редкометальных гранитов не вызывает сомнения. Общепризнано также представление о том, что образование редкометальных гранитов связано с наиболее поздними дифференциатами гранитоидной магмы. Проблему представляет источник магмагенерации, реконструкция условий и механизмов формирования столь специфических по составу магм. Изучение ассоциативных связей редкометальных гранитов с сопряженными интрузивными образованиями и, прежде всего, с дайковым комплексом, наиболее полно отражающим эволюцию расплава, представляет собой важное направление исследований в решении проблемы петрогенезиса редкометальных гранитоидных систем. Природа редкометальных Li-F гранитов по-прежнему остается дискуссионной, несмотря на многочисленные работы по их изучению, в том числе, с привлечением изотопно-геохимического подхода. В настоящее время общепризнан факт присутствия мантийной компоненты в Rb-Sr и Sm-Nd изотопных системах редкометальных гранитов [Пушкарев и др., 1996; Пушкарев и др., 1997; Коваленко и др., 1999; Сырицо, 2002; Костицын и др., 2004]. Это присутствие выражается в относительно низких величинах первичного отношения стронция и, напротив, повышенных, близких к нулевым и даже слабо положительных значениях sNd (T), что не согласуется с общепризнанной их коровой природой. Проблему представляет, каким образом ювенильный компонент попадает в расплав редкометальных гранитов, какую роль при формировании этих пород играет взаимодействие мантийного и корового вещества и как это взаимодействие происходит: при наследовании субстрата и/или при последующем нарушении изотопных систем в процессе воздействия глубинного энергетического источника, ювенильного вещества. Попытка решить эти проблемы предпринята нами на примере изучения магматизма классического Хангилайского редкометального рудного узла в Восточном Забайкалье, в котором особое внимание уделяется породам дайкового комплекса. В силу условий кристаллизации дайки лучшим образом отражают исходный состав расплава, для них характерна дискретность проявления, отражающая этапность развития магматизма и широкие вариации составов.

Основные цели и задачи исследования. Целью настоящего исследования является построение изотопно-геохимической модели формирования редкометальных гранитов на основе изучения всей совокупности интрузивных и субэффузивных образований в пределах Хангилайского редкометального рудного узла и, прежде всего, пород дайкового комплекса, уникального по разнообразию пород и длительности формирования.

Для этого были поставлены следующие задачи:

— изучение петрографии, минералогии и геохимии пород дайкового комплекса и плутонических образований Хангилайского рудного узла;

— оценка условий кристаллизации пород на основе анализа состава породообразующих и акцессорных минералов;

— определение их возраста на основе изучения Rb-Sr изотопной ситемы в породообразующих минералах и U-Pb изотопной системы в цирконах;

— оценка характера ассоциативных связей редкометальных гранитов с породами всей совокупности интрузивных образований модельного рудного узла;

— построение изотопно-геохимической модели происхождения редкометальных магм на основе изучения закономерностей распределения широкого круга индикаторных петрогенных, редких и рассеянных элементов и особенностей первичного изотопного состава Sr и Nd.

Научная новизна. Настоящая работа представляет собой первую попытку решения проблемы происхождения редкометальных гранитов на основе изучения изотопно-геохимической системы всей совокупности пород и, в первую очередь, пород дайкового комплекса в пределах классического редкометального рудного узла: 1 -впервые изучен состав пород дайкового комплекса и оценен возраст их формирования на основе изучения Rb-Sr изотопной ситемы в породообразующих минералах и U-Pb изотопной системы в цирконах- 2 — U-Pb датирование по цирконам, впервые выполненное для пород Хангилайского интрузива, окончательно утвердило возраст и синхронность формирования Хангилайского и Орловского массивов — 139,9±1,7млн.лет- 3 — оценены составы субстрата, соответствующие различным геодинамическим режимам формирования и Р-Т условия кристаллизации как плутонических, так и пород дайкового комплекса в пределах модельного редкометального рудного узла- 4 — на основе совокупности полученных данных (петро-геохимические особенности пород, результаты датирования на основе Rb-Sr и U-Pb изотопных систем, а также исследований Rb-Sr и Sm-Nd изотопных систем) впервые обоснована изотопно-геохимическая модель формирования конкретной интрузивной системы, завершающейся образованием редкометальных гранитов.

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы на этапе проведения поисково-съемочных работ, при разработке и корректировке легенд магматизма. Выявленные минералого-геохимические особенности состава пород дайкового комплекса, характерные для модельного рудного узла, могут быть использованы при оценке перспективности площадей на редкометальное оруденение, и особенно при поисках невскрытых куполов рудоносных редкометальных гранитов. Результаты исследований используются в курсах лекций по геохимии редких элементов и изотопной геохимии на геологическом факультете СПбГУ.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации представлялись автором на ряде молодежных конференций: памяти К. О. Кратца «Геология и геоэкология Европейской России и сопредельных территорий» (С-Петербург, 2004) — XXI Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика», (Иркутск, 2005) — «Ломоносов-2005» (Москва, 2005). На Международных конференциях: «Минералогические музеи» (С-Петербург 2002, 2003) — «Metallogeny of the Pacific Northwest: Tectonics, Magmatism and Metallogeny of Active Continental Margin» (Владивосток, 2004) — «General Assembly of the European Geosciences Union» (Vienna, 2005) — Международном петрографическом совещании «Петрология в XXI веке» (Апатиты, 2005).

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, включающих статьи и тезисы.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (номера проектов: 03−05−65 293, 04−579 188, 05−05−64 878, 05−05−79 114), ФЦП «Интеграция» (№ Е0113/01- № А-0148, 2002;2007г.г.), а также персональной стипендии Правительства РФ № 3645.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Людмиле Федоровне Сырицо за помощь, своевременную поддержку и внимание. Неоценимую помощь при выполнении работы оказали д.х.н. Л. К. Левский (ИГГД РАН), д. г-м.н. Л. П. Никитина (ИГГД РАН), к. г-м.н. В. М. Саватенков (ИГГД РАН), н.с. Л. В. Абушкевич (ЗабНИИ). Глубокую благодарность автор выражает сотрудникам кафедр: геохимии СПбГУ: к. г-м.н. А. В. Сергееву, к. г-м.н. Г. Н. Гончарову, к. г-м.н. Е. В. Баданинойобщей геологии СПбГУ: д. г-м.н. Г. С. Бискэпетрографии СПбГУ: д. г-м.н. |Г.М.Саранчиной|, к. г-м.н. В. В. Иваниковуминералогии СПбГУ: к. г-м.н. Н. И. Пономаревой, а также сотрудникам НИИ Земной Коры СПбГУ: д.х.н. Ю. П. Костикову, к. г-м.н. С. С. Потемину, с.н.с. Е. В. Волковой, с.н.с. В. В. Михайлову, О. С. Павловой за плодотворные беседы и консультации по теме работы, своевременную помощь и поддержку. Особую благодарность автор выражает декану геологического факультета СПбГУ И. В. Булдакову, а также JI.K. Невскому и В. М. Саватенкову (ИГГД РАН) за неоценимую помощь в создании лаборатории химической пробоподготовки для изотопных исследований. Автор глубоко признателен к. г-м.н. Б. А. Гайворонскому (ЗабНИИ) за предоставленную геологическую документацию по объекту исследования, н.с. С. А. Абушкевичу, к. г-м.н. Ю. Г. Саитову.

ЗабНИИ), В. Н. Павлыку, С. Н. Пехтереву, |Л.П.Старухиной| (ФГГУП «Читагеолсъемка), Б. А. Завьялову, В. Н. Чубакову, В. А. Лаврушину (Орловский ГОК) за помощь в организации и поведении полевых работ 2001, 2002, 2004 г.г. Значительное содействие при проведении аналитических исследований оказали к. г-м.н. Е. С. Богомолов (ИГГД РАН), Ю. Л. Крецер (лаборатория микроанализа «КИРСИ» РИАН им. Хлопина), к. г-м.н. С. В. Пресняков (Центр изотопных исследований ВСЕГЕИ), Л. А. Тимохина, И. И. Храмцова (СПбГУ). Автор выражает всем глубокую признательность и благодарность.

Фактический материал и методы исследования.

В основу работы положен материал, полученный автором в ходе проведения экспедиционных полевых работ 2001;2004г.г., выполненных в рамках ФЦП «Интеграция» (№ Е0113/01- № А-0148, 2002;2007г.г.) и грантов РФФИ (номера проектов: 03−05−65 293, 04−05−79 188, 05−05−64 878, 05−05−79 114). В исследовании также использованы данные по петрохимии, геохимии и минералогии гранитоидов Хангилайского интрузива, предоставленные научным руководителем Л. Ф. Сырицо, и неопубликованная геологическая документация Б. А. Гайворонского. В процессе исследования автором были самостоятельно изготовлены и изучены 150 шлифов. В работе было использовано 67 петрохимических анализов, из которых 40 анализов выполнены методом мокрой химии в химической лаборатории НИИ Земной коры СПбГУ и 27 методом рентгено-флуоресцентного анализа в химико-аналитической лаборатории института СевМорГео. Определение щелочных и редких щелочных элементов проводилось методом фотометрии пламени (40 анализов), фтора — методом ионоселективных электродов (23 анализа) в лаборатории НИИ Земной коры СПбГУ, часть анализов на фтор (30 проб) выполнена методом количественного спектрального анализа в лаборатории кафедры геохимии СПбГУ. Содержание редких и рассеянных элементов (Ва, Rb, Sr, Cr, Ni, V, Y, Zr, Zn) в 30 пробах определены методом рентгено-флуоресцентного анализа в Геоисследовательском Центре г. Потсдам (Германия). 27 проб на 68 элементов проанализировано методом ICP-MS в лаборатории ОАО «ВА Инструменте». Состав породообразующих минералов изучен на основе 200 микрозондовых определений, выполненных в лаборатории микроанализа и сканирующей электронной микроскопии «КИРСИ» РИАН им. Хлопина на растровом электронном микроскопе CamScan-4. Изучение Rb-Sr и Sm-Nd изотопных систем выполнено в лаборатории геохронологии и изотопной геохимии ИГГД РАН. Предварительно из представительных проб исследуемых пород были выделены мономинеральные фракции породообразующих минералов. Разложение образцов (породообразующих минералов и образцов породы в целом) в присутствии Rb-Sr и Sm-Nd трассера проводилось смесью концентрированных кислот HF и HNO3 в пропорции 5:1 при температуре 115 °C в течение 48 часов в плотно закрытых тефлоновых бюксах. Химическое разделение Rb, Sr и РЗЭ проводилось на стандартных катионно-обменных колонках (Bio-Rad AG 50 Wx8−200~400 mesh) объемом 2 мл с последующей очисткой стронция на этих же колонках [Amelin, Ritsk, Neymark, 1997b]. Sm и Nd из фракции РЗЭ выделялись по методике, описанной в работе [Richard, P., Shimizu, N., & Allegre, С., J., 1976]. Изотопный анализ выполнен на многоколлекторном твердофазном масс-спектрометре Finnigan МАТ-261. Воспроизводимость определения концентраций Rb, Sr, Sm и Nd, вычисленная на основании многократных анализов стандарта BCR-1, соответствует ±0,5%. Величина холостого опыта составляла: 0,05 нг для Rb, 0,2 нг для Sr, 0,3 нг для Sm и Nd 0,8 нг. Результаты анализа стандартного образца BCR-1 (6 измерений): [Sr]=336,7 мкг/г,. [Rb]=47,46 мкг/г, [Sm]=6,47 мкг/г, [Nd]=28,13 мкг/г, 87Rb/86Sr=0,4062, 87Sr/86Sr=0,70 503 6±22, 147Sm/I44Nd=0,1380, 143Nd/144Nd=0,512 642±14. Воспроизводимость изотопных анализов контролировалась определением состава стандартов La Jolla и SRM-987. Изотопный состав Sr нормализован по величине 88Sr/86Sr=8,37 521, а состав Nd — по величине 148Nd/144Nd=0,24 157. Кроме того, изотопный состав Nd приведен к табличному значению стандарта La Jolla (I43Nd/I44Nd=0,511 860). Всего было выполнено 18 определений Rb-Sr изотопной системы в валовых пробах и породообразующих минералах и 8 определений Sm-Nd изотопной системы в валовых пробах. Значения sNd (T) рассчитывалось по [DePaolo, 1981], значения модельного возраста Том по модели [Goldstein, Jacobsen, 1988]. Химическая пробоподготовка части проб для проведения изотопных исследований была выполнена в специально созданной автором химической лаборатории на базе лаборатории генетической минералогии и геохимии редких элементов НИИ Земной коры СПбГУ. Величина холостого опыта составляла: 0,05 нг для Rb, 0,2 нг для Sr. Результаты анализа стандартного образца BCR-1 (2 измерения): [Sr]=336,7 мкг/г, [Rb]=47,46 87Rb/86Sr=0,4062, 87Sr/86Sr=0,705 036±22. Изотопный состав цирконов (20 точек) для пород Хангилайского интрузива (11 точек) и трахириолитов (9 точек) выполнен в Центре изотопных исследований ВСЕГЕИ на прецизионном вторично-ионном микрозонде высокого разрешения с масс-спектрометрическим окончанием SHRIMP-II для локального микроанализа. Для исследования были отобраны наиболее представительные зерна цирконов, и проведена их катодолюминесценция с целью изучения зональности минерала и оценки наличия наследованных ядерных частей. Измерение изотопного состава урана в отобранных зернах цирконов осуществлялось по стандартной методике с использованием 10 эталонных замеров для каждой пробы. Обработка полученных значений, а также построение графиков с конкордией для исследуемых объектов осуществлялось в ЦИИ ВСЕГЕИ в программе SQUID-II.

Основные защищаемые положения:

1. В составе дайкового комплекса модельного Хангилайского редкометального рудного узла в Восточном Забайкалье по минеральному и петро-геохимическому составу установлены четыре главные группы даек, включающие в себя следующие разновидности пород: высокоспециализированные ультракалиевые трахидациты и трахириолитыгруппу лампрофиров, включающую в себя керсантиты и спессартитыдиабазыдолериты.

2. На основе изучения Rb-Sr и U-Pb изотопных систем установлен возраст формирования выделенных групп пород дайкового комплекса и массивов Хангилайского интрузива. Наиболее древними породами являются трахириолиты -235,2±2,4млн.летдля лампрофиров (керсантиты, спессартиты) возраст составляет 153,3±3,8млн.летдолериты сформировались в интервале 149,1±3,4млн.лет. U-Pb датирование по цирконам окончательно утвердило возраст и синхронность формирования Хангилайского и Орловского массивов — 139,9 ± 1,9млн.лет, в то время как Спокойнинский массив по данным Rb-Sr датирования сформировался раньше -144,5 ± 2,1 млн.лет.

3. Соответствие пород дайкового комплекса и плутонических образований Хангилайского рудного узла различным геодинамическим режимам формирования отражает состав и природу протолита, демонстрируя тем самым геохимическую память о предшествующих этапах развития региона. Это подтверждается особенностями химизма пород и минералов и физико-химическими условиями их формирования.

4. Изучение Rb-Sr, Sm-Nd и U-Pb изотопных систем пород дайкового комплекса и гранитов Хангилайского интрузива в сочетании с закономерностями рарпределения широкого круга химических элементов дает основание полагать, что в формировании редкометальных гранитов взаимодействуют, по крайней мере, три компонента: обогащенное коровое вещество (трахириолиты), деплетированная мантийная составляющая (диабазы, долериты) и флюидная фаза с мантийными характеристиками.

Заключение

.

Изотопно-геохимические данные, полученные на основе изучения всей совокупности интрузивных образований Хангилайского редкометального рудного узла в Восточном Забайкалье, и, прежде всего, пород дайкового комплекса, позволяют предполагать следующую модель развития мезозойского магматизма в его пределах. В момент времени 153−149Ма под действием базитового магматизма (лампрофиры, долериты и, возможно, диабазы), вызванного действием мантийного диапира, происходил интенсивный прогрев коры. В результате в интервале времени 145−139Ма начинается гранитообразование, проявившееся в формировании гипабиссальных интрузий г. Дондогри, соп. Барун-Убжигой и на завершающей стадии Хангилайского плутона (139,9Ма). Характерная особенность этого интрузива заключается в том, что его сателлиты формировались за счет разных субстратов. Выплавление западного сателлитаОрловского массива, происходит, очевидно, за счет ранних трахириолитов (235Ма), широко проявленных в ареале этого массива и имеющих существенно коровые изотопные характеристики (sNd (235) = -6,7). Несоответствие величин eNd (T) предполагаемого субстрата и трех массивов Хангилайского интрузива объясняется тем, что на магматической стадии этот интрузив испытал воздействие флюида, имеющего мантийные характеристики и являющегося, очевидно, производной мантийного диапира. Подъем этого флюида, вероятно, контролировался глубинным региональным разломом северозападного простирания, фиксирующим структурное несогласие тектонически совмещенных сиалических и фемических блоков рифейского возраста, островодужных вулканогенно-осадочных толщ девона — нижнего карбона. При этом максимальное воздействие этого флюида отразилось на западном сателлите Хангилайского интрузива — Орловском массиве, что проявляется в наибольшем смещении изотопного состава неодима (eNd = -1,7) и присутствии тетрад-эффекта в нормализованных спектрах распределения редкоземельных элементов. Это находит подтверждение в геологическом положении Орловского массива, который приурочен непосредственно к шовной зоне разлома, что обеспечивает максимальное воздействие на него флюида. Восточный сателлит интрузива — Спокойнинский массив — фиксирует минимальное воздействие флюида (sNd (144) = -3,5) и имеет, вероятно, иной субстрат плавления. Не исключено, что именно эти обстоятельства, а именно различная степень воздействия флюида и составы субстратов, определяют различную металлогеническую специализацию массивов-сателлитов.

В результате проведенных петро-геохнмическнх n изотопных исследований пород дайкового комплекса и плутонических образований Хангилайского редкометального рудного узла, можно сформулировать основные положения данной работы:

5. В составе дайкового комплекса модельного Хангилайского редкометального рудного узла в Восточном Забайкалье по минеральному и петро-геохимическому составу установлены четыре главные группы даек, включающие в себя следующие разновидности пород: высокоспециализированные ультракалиевые трахидациты и трахириолитыгруппу лампрофиров, включающую в себя керсантиты и спессартитыдиабазыдолериты.

6. На основе изучения Rb-Sr и U-Pb изотопных систем установлен возраст формирования выделенных групп пород дайкового комплекса и массивов Хангилайского интрузива. Наиболее древними породами являются трахириолиты -235,2±2,4млн.летдля лампрофиров (керсантиты, спессартиты) возраст составляет 153,3±3,8млн.летдолериты сформировались в интервале 149,1±3,4млн.лет. U-Pb датирование по цирконам окончательно утвердило возраст и синхронность формирования Хангилайского и Орловского массивов — 139,9 ± 1,9млн.лет, в то время как Спокойнинский массив по данным Rb-Sr датирования сформировался раньше — 144,5 ±2,1 млн.лет.

7. Соответствие пород дайкового комплекса и плутонических образований Хангилайского рудного узла различным геодинамическим режимам формирования отражает состав и природу протолита, демонстрируя тем самым геохимическую память о предшествующих этапах развития региона. Это подтверждается особенностями химизма пород и минералов и физико-химическими условиями их формирования.

8. Изучение Rb-Sr, Sm-Nd и U-Pb изотопных систем пород дайкового комплекса и гранитов Хангилайского интрузива в сочетании с закономерностями распределения широкого круга химических элементов дает основание полагать, что в формировании редкометальных гранитов взаимодействуют, по крайней мере, три компонента: обогащенное коровое вещество (трахириолиты), деплетированная мантийная составляющая (диабазы, долериты) и флюидная фаза с мантийными характеристиками.