Эволюция магматизма гранит—зеленокаменных областей Восточно-Европейского кратона :

Краткое описание

Содержание
2 ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5-13

Глава 1. Методы исследований 13-16

Глава 2. Эволюция магматизма и тектонические режимы формирования Среднеприднепровской ГЗО

2.1. Общая характеристика Среднеприднепровской ГЗО 17-21

2.2. Петрология и геохронология пород гнейсового комплекса 22

2.2.1 Геология и петрография 22-24

2.2.2 Петрогеохимическая характеристика пород гнейсового комплекса 24-31

2.2.3 Геохронология и изотопная геохимия пород гнейсового комплекса. 31-38

2.2.4 Петрогенезис кислых пород гнейсового комплекса 38-42

2.2.5 История формирования гнейсового комплекса 42-43

2.3. Петрология и геохронология кислых вулканических и плутонических 44 пород зеленокаменного комплекса.

2.3.1 Геолого-петрографическая характеристика 44-54

- 2.3.2 Петрогеохимические особенности 55-62

2.3.3 Геохронология и изотопная геохимия вулканитов и гранитоидов 63-66 зеленокаменного комплекса

2.3.4 Петрогенезис кислых пород зеленокаменного комплекса 67-68 2.4 Последовательность и тектонические условия формирования 69 континентальной коры Среднеприднепровской ГЗО.

2.4.1 Возрастные соотношения пород гнейсового и зеленокаменного ¦ 69 комплексов

2.4.2 Состав фундамента Среднеприднепровской ГЗО 69-71

2.4.3 Тектоническая интерпретация петрогенетических данных 71-72

2.4.4 Модель тектонической эволюции Среднеприднепровской ГЗО 72-74

Глава 3. Эволюция магматизма и тектонические режимы формирования Карельской ГЗО

3.1 Общая характеристика Карельской ГЗО 75-81

3.2 Петрология и геохронология гнейсового дозеленокаменного комплекса 82-86

3.3 Петрология и геохронология кислых вулканических и 87 плутонических пород зеленокаменного комплекса.

3

3.3.1 Сумозерско-Кенозерский пояс, Каменноозерская структура 87-88 Геология, петрография и геохимия вулканических пород 88-93 Геохронология и изотопная геохимия вулканических пород 94-96 Петрогенезис и тектоническая принадлежность вулканических 97-99 Пород Каменноозерской структуры.

Тектонические режимы вулканизма Каменноозерской 99-102 структуры.

3.3.2 Северо-Карельский пояс, Хизоваарская структура 103-105 Геология, петрография и геохимия вулканических и 105-114 плутонических пород

U-Pb геохронология цирконов вулканических и 114-117

плутонических пород

Петрогененезис и тектоническая принадлежность 117-122

магматических пород Хизоваарской структуры.

Тектонические режимы магматизма Хизоваарской 122-125

структуры

3.3.3 Костомукшско-Гимольский пояс, Костомукшская структура 126-128 Геология, петрография и геохимия вулканических и 128-133 плутонических пород

Геохронология и изотопная геохимия вулканических и 134-137

плутонических пород

Петрогенезис и тектоническая принадлежность 138

магматических пород Костомукшской структуры

Тектонические режимы магматизма Костомукшской 138-139

структуры

3.3.4 Тектонические режимы формирования зеленокаменных 139-143 поясов Карельской ГЗО.

3.4 Петрология и геохронология гранитоидов и вулканитов 143-144 постзеленокаменного комплекса

3.4.1 Постзеленокаменный магматизм среди ТТГ-зеленокаменных поясов 145 Западно-Карельская зона, Костомукшская структура 145-153 Восточно-Карельская зона, Бергаульская структура 153-157

3.4.2 Центрально-Карельский композит-батолит 157-158 Ледмозерско-Нюкозерский участок 158-166 Пяозерский участок 167-170

4

3.4.3. Петрология и тектонические режимы магматизма 170-171 постзеленокаменного этапа эволюции Карельской ГЗО

Вопросы петрогенезиса санукитоидов 171-175

Петрогенетическая корреляции магматических пород 176-177 постзеленокаменного комплекса Карельской ГЗО

Вопросы тектонических режимов магматизма 177-178 постзеленокаменного этапа эволюции Карельской ГЗО

3.5 История формирования Карельской ГЗО 179-184

Глава 4. Соотношения Карельской и Среднеприднепровской 185-190

ГЗО в строении Восточно-Европейского кратона

Глава 5. Эволюция Среднеприднепровской и Карельской ГЗО 190

как отражение двух тектонических механизмов роста коры в архее.

5.1. Эволюция Карельской ГЗО в обстановках конвергентных границ плит 191-193

5.2. Эволюция Среднеприднепровская ГЗО в обстановках, не 193-195 связанных с конвергентными границами плит (плавление мощной

океанической коры под воздействием плюма)

Заключение 195-196

Список использованных источников 197-213

Список работ по теме диссертации 213-218

(дополнительно к списку использованных источников)

Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Реконструкция петрологических процессов и тектонических режимов формирования архейской континентальной коры является наиболее сложной и многогранной проблемой эволюции нашей планеты. Главным источником информации о механизмах образования архейской континентальной коры служат гранит(гнейс)-зеленокаменные области (ГЗО), которые обладают уникальной сохранностью породных ассоциаций. Эволюция этих мегаструктур обеспечивала интенсивный рост континентальной коры в. Эти мегаструктуры известны в составе всех докембрийских кратонов, формировались на протяжении всех документируемой геологической истории Земли, начиная с палеоархея , и обеспечивали интенсивный рост континентальной коры за счет поступления огромных объемов магматических пород от ультраосновного до кислого составов. Общей чертой ГЗО является сочетание двух тесно пространственно сопряженных литотектонических комплексов: ТТГ-зеленокаменного и гранито-гнейсового. ТТГ-зеленокаменный комплекс объединяет слабо метаморфизованные осадочно-вулканогенные толщи синклинорных или моноклинальных структур (зеленокаменные пояса) и обрамляющие их тоналит-трондьемитовые-гранодиоритовые (ТТГ) плутоны. Гранито-гнейсовый комплекс включает разнообразные по составу метаморфические породы, мигматиты и гранитоиды крупных антиклинорных блоков, разделяющих отдельные зеленокаменные пояса. Наряду с общим сходством, для различных ГЗО фиксируются и существенные вариации строения, состава и истории формирования ТТГ-зеленокаменных и гранито-гнейсовых комплексов, на основании которых выделяются два типа этих мегаструктур. Для ГЗО-1 характерен нелинейный структурный рисунок за счет сочетания крупных гранито-гнейсовых куполов и зеленокаменных поясов (структур) неправильной амебообразной в плане • формы. В пределах конкретной ГЗО зеленокаменные структуры имеют близкие изотопные возраста и хорошо коррелируемые составы вулканогенно-осадочных разрезов, накопление которых происходило на протяжение длительного (150-200 млн. лет) интервала времени. ГЗО этого типа были сформированы в палеоархее 3.6-3.2 млрд. лет назад. ГЗО-2 отличаются четко выраженным линейным структурным планом зеленокаменных поясов, которые разделяются линейными или блоковыми областями распространения пород гранито-гнейсового комплекса. Отдельные зеленокаменные пояса здесь разновозрастны, имеют индивидуальные черты строения и состава вулканогенно-осадочных толщ и формировались в более узком (30-50 млн. лет) интервале времени. ГЗО этого типа характерны для неоархейского времени.

6

Вопросы тектонических режимов и геодинамических механизмов формирования ГЗО, а также значимость и возможные причины различий этих мегаструктур являются предметом интенсивных исследований и оживленных дискуссий. С одной стороны, уже на начальном этапе исследований общее сходство строения и состава неоархейских ТТГ-зеленокаменных и фанерозойских складчатых поясов рассматривалось как свидетельство возможного сходства тектонических режимов формирования этих разновозрастных структурно-вещественных элементов земной коры (Кратц, 1963). Позже это получило дополнительную аргументацию. Было выявлено геохимическое и петрогенетическое сходство известково-щелочных ТТГ-гранитоидов и кислых вулканитов архейских зеленокаменных поясов с магматическими сериями островных дуг фанерозоя (Drummond, Defant, 1990; Martin, 1999; Hollings, Kerrich, 2000; Wyman et al., 2000; Polat, Kerrich, 2001, 2002). Широко представленные в архейских поясах толеитовые базальты сопоставимы с ассоциациями фанерозойских океанических островов, океанических плато и спрединговых центров (De Wit, Ashwal, 1997; Condie, 2001). Кроме того, имеются свидетельства интенсивного горизонтального сжатия ТТГ-зеленокаменных поясов на стадиях их поздней тектонической эволюции (Polat, Kerrich, 1999). Все эти данные привели многих исследователей к заключению о ведущей роли тектоники плит при формировании ГЗО и архейской коры в целом. Вариации строения и состава зеленокаменных поясов связываются с аккреционной тектоникой, в ходе которой в них были совмещены комплексы разной тектонической принадлежности, включая нормальную океаническую кору и океанические плато, преддуговые и задуговые бассейны и островодужные постройки (Kusky, 1993; De Wit, Ashwal, 1997; Kusky, Polat, 1999). При этом наблюдаемая специфика архейского магматизма, включая обилие коматиитов и бимодальный характер с редкостью андезитов, рассматривается как отражение различий термальных режимов архейской и современной Земли (Sleep, Windley, 1982; De Wit, Ashwal, 1997; Drummond, Defant, 1990, 1996). С другой стороны, существует и достаточное количество аргументов против доминирующей роли тектоники плит на протяжении всего архея. Многие рассмотренные выше тектонические и петрологические свидетельства в пользу архейской тектоники плит оспариваются рядом исследователей (Bickle et al., 1994; Hamilton, 1998; Smithies, 2000). Кроме того, модели плитотектонического режима эволюции на протяжении всего архея не дают нам ответа о причинах различий палео- и неоархейских ГЗО двух разных типов. А именно эти различия послужили основанием для серии фундаментальных работ с выделением «первичных (энсиматических) и вторичных (энсиалических) зеленокаменных поясов» (Гликсон, 1980,

1 принято 4-х членное деление архея (Gradstein et al., 2004): неоархей - 2.5-2.8 млрд.лет, мезоархей - 2.8-3.2 мрд.лет, палеоархей - 3.2-3.6 млрд. лет, эоархей -3.6 млрд. лет.

7

1987), «зеленокаменных серий лунной и нуклеарной стадий» (Павловский, 1979, 1982), «зеленокаменных пород платформенной и рифтовой фаз» (Гровс, Бэтт, 1987), что предполагает принципиально разные тектонические режимов формирования двух типов ГЗО и смену геодинамических механизмов на рубеже мезо- и неоархея. Сделанные 15-20 лет назад, эти фундаментальные предположения в последние годы не получили достойного развития, хотя специфика мезо- и неоархейских ГЗО в последние годы подчеркивается рядом исследователей (de-Wit, 1998; Zegers, Keken, 2001). Основной объем тектонических реконструкций последних лет выполнен для неоархейских ГЗО, для которых, собственно, и получены большинство рассмотренных выше аргументов в пользу тектоники плит в архее. Сложнее с палеоархейскими ГЗО. В одних случаях они, по аналогии с неоархейскими мегаструктурами, также рассматриваются как продукты тектоники плит. Д.Лоу (Lowe, 1994), анализируя характер вулканизма и осадконакопления зеленокаменных поясов ГЗО-1 и ГЗО-2 полагает, что их различия отражают количество блоков сиалической коры: в палеоархее при еще малом количестве сиалических блоков формирование ГЗО-1 происходило во внутриокеанических обстановках типа обширных океанических плато, в то время как к неоархею уже была сформирована достаточно обширная кора континентального типа, заложение на краях которой или аккреция к которой островодужных систем и определяет «островодужный облик» ГЗО-2. Ведущая роль плюмов при формировании палеоархейских ГЗО предполагается и по расчетам температурных режимов состояния архейской мантии и моделирования сопряженных с этими режимами тектонических процессов (Sleep, Windley, 1982; Zegers, Keken, 2001). При этом подчеркивается не повторявшаяся позже специфика тектонического режима формирования мезоархейских ГЗО, связанная с формированием мощной (45 - 60 км) мафической коры, плавление низов которой обеспечивало генерацию кислых магм. Таким образом, фундаментальная проблема о природе тектонических процессов и геодинамических режимов архейского времени и о их возможных изменениях в течение архея до сих пор остается открытой, и данная работа является вкладом в разрешение этой проблемы.

Цель и задачи работы. Главная цель работы - расшифровка механизмов роста континентальной коры в архейское время. Объекты исследований - две крупные ГЗО, Среднеприднепровская (Украинский щит) и Карельская (Балтийский щит), которые располагаются в разных частях гигантского Восточно-Европейского кратона (ВЕК) и отвечают двум рассмотренным выше типам этих мегаструктур. Совмещенность этих ГЗО в составе фундамента единой платформы долгое время рассматривалась как критерий их единой тектонической принадлежности, для обоснования которого проводились работы по вещественной, возрастной и тектонической корреляции их породных комплексов (для

8

обзора Белевцев, 1990), в результате которых была предложена модель их объединения в единую супер-ГЗО (Белевцев, 1990; Аксаментова, 2002). Однако с накоплением геохронологических данных, дополняющих уже давно известную специфику строения этих ГЗО, возрастная и тектоническая обособленность процессов формирования этих двух ГЗО стала достаточно очевидной. Это получило подтверждение и в тектонических реконструкциях по кристаллическим породам фундамента Восточно-Европейской платформы, перекрытого осадочным чехлом, согласно которым архейские комплексы Балтийского и Украинского щитов входят в состав двух крупных раннедокембрийских блоков (Свекофения и Сарматия соответственно), формировавшихся независимо и, возможно, на значительном удалении друг от друга и пространственно совмещенных в единый мегаблок только к концу палеопротерозоя (Bogdanova et al., 1996, 1999). Не смотря на высокий уровень современной изученности архейских комплексов и Среднеприднепровской, и Карельской ГЗО, вопросы возрастной и петрологической эволюции и характера тектонических режимов их формирования еще далеки от разрешения. Учитывая это, разработка цели данной работы требует решения четырех крупных задач:

(1) Реконструкция возрастной последовательности, петрогенезиса и тектонических режимов образования магматических породных ассоциаций Среднеприднепровской ГЗО;

(2) Реконструкция возрастной последовательности, петрогенезиса и тектонических режимов образования магматических породных ассоциаций Карельской ГЗО;

(3) Оценка пространственно-тектонических соотношений Среднеприднепровской и Карельской ГЗО в общей структуре ВЕК;

(4) Сравнительный анализ эволюции магматизма Среднеприднепровской и Карельской ГЗО и выявление специфики тектонических режимов и глубинных гердинамических факторов, определявших различия этих мегаструктур.

Фактический материал. Работа выполнена в Институте Геологии Рудных Месторождений, Петрографии, Минералогии и Геохимии АН СССР (г. Москва) в рамках темы лаборатории Петрографии "Магматизм и геодинамика - главные факторы эволюции Земли". С 1993 по 2004 годы исследования были поддержаны проектами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), Отделения наук о Земле РАН и Министерства природных ресурсов России. Решение поставленных в настоящей работе задач проводились с привлечением комплекса различных методов. В основу диссертации легли материалы полевых работ 1984-2003 г.г., в ходе которых было проведено геолого-структурное изучение и опробование архейских породных комплексов Среднего Приднепровья и Карелии по естественным обнажениям, карьерам и керну буровых скважин. Для всего объема собранного каменного материала были проведены (1)

9

петрографическое изучение пород (около 2000 шлифов); (2) петрохимические исследования валовых проб (около 1000 образцов); (3) геохимическое изучение валовых проб с привлечением метода индукционно-связанной плазмы с масс-спектрометрическим окончанием на 45 элементов (около 300 образцов) и методом изотопного разбавления для определения концентраций редкоземельных элементов (100 образцов); (4) Rb-Sr и Sm-Nd изотопные исследования по валовым пробам и породообразующим минералам (около 200 образцов); (5) минералогические, геохимические и изотопно-геохронологические исследования цирконов с привлечением классического U-Pb изотопного метода по микронавескам (около 40 проб) и методов локального изотопного анализа на масс-спектрометрах вторичных ионов в Австралийском Национальном Университете, Канберра (SHRIMP) и Шведском музее естественной истории, Стокгольм, (NORDSIM).

Научная новизна работы. Новизна данной работы для Среднеприднепровской и Карельской ГЗО определяется комплексированием геолого-структурных, петрологических и геохронологических исследований и тектонических реконструкций. Для Среднеприднепровской ГЗО впервые проведено петрологическое и изотопно-геохронологическое изучение отдельных этапов геологической эволюции гнейсового комплекса, обоснована тесная временная взаимосвязь процессов формирования гранитогнейсового и зеленокаменного комплексов в ходе эволюции единой энсиматической мегаструктуры с образованием новой континентальной коры. Для Карельской ГЗО на основании новых данных реконструированы тектонические режимы формирования разновозрастных ТТГ-зеленокаменных поясов и магматических комплексов пост-зеленокаменного этапа, получены доказательства в пользу формирования этой ГЗО в обстановке конвергентных границ плит. Часть представленных в работе подходов и методов решения проблемы тектоники зеленокаменных поясов является оригинальными и принципиально новыми не только для изученных регионов, но и для архейских ГЗО в целом. Проведенная работа имеет значение и для решения вопросов тектонического районирования и расшифровки геологической эволюции фундамента всей Восточно-Европейской платформы. Полученные данные о различиях времени, петрологических процессов и тектонических режимов эволюции Среднеприднепровской и Карельской ГЗО являются независимым и дополнительным свидетельством в пользу автономного формирования этих сегментов континентальной коры, собранный в единую структуры - фундамент Восточно-Европейской платформы - в палеопротерозойское время.

Новизна исследований в разработке общей концепции эволюции архейских ГЗО определяется тем, что до настоящего времени надежная информация о петрологических характеристиках и возрастных соотношениях пород гнейсовых и зеленокаменных

10

комплексов была получена для палеоархейских (Каапвальский кратон, Ю.Африка, блок Пилбара, З.Австралия) и неоархейских (блок Ийлгарн, З.Австралия, Канадский кратон) областей. Мезоархейские ГЗО известны на территории Евроазиатского континента. К их числу относятся Среднеприднепровская и Карельская области. До настоящего времени эти регионы недостаточно изучены, и предлагаемая работа является первым комплексным исследованием ГЗО этой возрастной группы. Защищаемые положения

1. Установлено, что в составе Восточно-Европейского кратона присутствуют принципиально различные типы архейских гранит-зеленокаменных областей с разной эволюцией магматизма и разными тектоническими механизмами формирования.

2. К одному типу относится Среднеприднепровская область (Украинский щит), эволюция которой 3.2-3.0 млрд. лет назад определялась длительным (200 млн. лет) синхронным формированием гранито-гнейсового и тоналит-зеленокаменного породных комплексов при поступлении расплавов из деплетированных мантийных и базитовых коровых источников. Эти особенности объясняются в рамках модели крупного мантийного плюма, вызывающего плавление мощной (40-60 км) мафической коры.

3. К другому типу относится Карельская область (Балтийский щит), эволюция которой в интервале времени 2.9-2.7 млрд. лет назад была связана с несколькими кратковременными (40-50 млн. лет) эпизодами формирования тоналит-зеленокаменных поясов и гранитоидных батолитов с образованием расплавов за счет деплетированных и обогащенных мантийных источников и более ранней кислой коры. Тектонические режимы роста континентальной коры Карельской области отвечали обстановкам конвергентных границ плит.

4. Специфика обстановок конвергентных границ плит в неоархейское время, выраженная в особенностях строения и состава тоналит-зеленокаменных комплексов Карельской ГЗО, связана с пологой субдукцией более мощной и горячей, по сравнению с фанерозойской, океанической коры.

5. Среднеприднепровская и Карельская гранит-зеленокаменные области, расположенные в южной и северной частях Восточно-Европейского кратона, в архейское время формировались независимо друг от друга и были включены в состав единого раннедокембрийского континента в конце палеопротерозоя.

Практическая значимость работы связана с тремя моментами. Во-первых, полученные новые результаты по петрологии и геохронологии гнейсового и зеленокаменного комплексов накладывают серьезные ограничения на применимость структурно-метаморфических методов при решении вопросов возрастных и генетических соотношений слагающих эти комплексы пород, которые в настоящее время все еще

11

широко используются в практике научных и геолого-съемочных работ в Среднеприднепровской и Карельской ГЗО. Во-вторых, расшифровка тектонических режимов отдельных этапов эволюции гнейс-зеленокаменных областей является важной основой для прогноза и поисков рудных полезных ископаемых, в частности золота (Groves et al., 2003), и уже в настоящее время результаты плитотектонических реконструкций привлекаются для прогнозных оценок золотоносности территории Карельской ГЗО (Кожевников и др., 1998, 2003). Третьим важным результатом исследований является обоснование автономности и разного тектонического режима формирования архейских блоков Балтийского и Украинского щитов, что, соответственно, предполагает их вероятные различия и по характеру формирования, и типам месторождений полезных ископаемых, накладывая ограничения на использование прямых аналогий при прогнозе и поисках в пределах этих двух мегаблоков.

Личный вклад автора. Приводимые в работе геологические и структурные наблюдения, исходный материал для петрогеохимических и изотопных исследований, а также результаты петрографических исследований пород и минералогического изучения цирконов почти полностью являются авторскими. При проведении аналитических исследований автор лично проводил измерения концентраций РЗЭ методом изотопного разбавления (все анализы) и участвовал в проведении Sm-Nd изотопных измерений. Все петрологические расчеты являются авторскими. Тектонические реконструкции во многом наследуют разработанные модели и механизмы, но отличаются включением в них всего комплекса новых фактических данных автора.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 научных всероссийских и международных конференциях за период 1987 - 2003 и на 6 рабочих совещаниях международного проекта Europrobe, в работе которого автор работы принимал участие в 1996 - 2002 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 печатные работы, включая 5 коллективных монографий и 30 статей в рецензируемых российских и зарубежных журналах; 3 статьи сданы в печать. Результаты исследований вошли в тематические отчеты Лаборатории Петрографии ИГЕМ РАН, ежегодные и итоговые отчеты РФФИ с 1993 по 2003 гг., в производственные отчеты ПГО ЮжУкрГеология, ПГО КарелГеология и ФГУ Спецгеофизика.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 2-х томов. Основной первый том объемом 218 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 278 наименований и включает 80 рисунков. В главе 1 приведены данные о методах исследований, которые были использованы в работе. В главах 2 и 3 приводятся результаты исследований, петрологические, возрастные и тектонические реконструкции

12

для, соответственно, Среднеприднепровской и Карельской ГЗО. В главе 4 на основании литературных данных обсуждаются вопросы тектонической позиции Среднеприднепровской и Карельской ГЗО в строении кристаллического фундамента Восточно-Европейской платформы. Глава 5 посвящена сравнительному анализу эволюции и тектонических режимов формирования Карельской и Среднеприднепровской ГЗО и обсуждению возможной эволюции тектонических режимов в архейское время. Второй том диссертации (приложения) включает 42 таблицы фактических аналитических данных и петрологических расчетов.

Благодарности. Геологические исследования в Среднем Приднепровье проводились в 1984-1989 г.г. совместно с сотрудниками ИГЕМ АН СССР И.С. Пухтелем и Д.З Журавлевым, изучение пород зеленокаменного комплекса было возможно благодаря помощи и поддержке А.Б. Боброва. Работы в Карельской ГЗО выполнялись с 1985 г. и продолжаются в настоящее время в тесном и плодотворном сотрудничестве с И.С. Пухтелем, Д.З. Журавлевым, М.М.Богиной и Ю.О. Ларионовой (ИГЕМ РАН), А.А. Щипанским, И.И. Бабариной и А.И. Кониловым (ГИН РАН), Е.В. Бибиковой, Т.И. Кирнозовой и А.Ю. Петровой (ГЕОХИ РАН), без научной и человеческой поддержки которых выполнение данной работы было бы невозможным. В разные годы полевые исследования проводились совместно с сотрудниками Карельского филиала РАН В.В. Куликовой, B.C. Куликовым, А.И. Слабуновым, В.Н. Кожевниковым и Л.Н. Кулешевич, которым автор крайне признателен за помощь, поддержку и дискуссии. Аналитические исследования различными методами, которые составляют значительную и очень важную часть данной работы, были бы невозможны без помощи сотрудников многих лабораторий и которьм автор очень признателен. Особую благодарность хочется выразить Д.З.Журавлеву, благодаря терпению и преподавательскому таланту которого автор освоил методики изотопного анализа, и Е.В. Бибиковой за посвящение в скрытые возможности циркона. Автор работы также глубоко признателен и благодарен всем специалистам в разных областях геологических наук, научное сотрудничество с которыми позволило выполнить представляемую работу и освоить новые для автора области масс-спектром етрии, минералогического анализа и цирконового метода исследований в петрологии. Выполнение настоящей работы было бы невозможным без постоянной поддержки, искренней заинтересованности и плодотворного обсуждения результатов с руководителями и коллегами тематических исследований Д.И.Фрих-Харом, СВ. Чесноковым, О.А. Богатиковым, А.К. Симоном, И.С. Пухтелем, И.С. Красивской, Д.З. Журавлевым, И.В. Чернышевым, Е.В. Бибиковой, СЕ. Борисовским, К.Н. Шаталиным, М.М. Богиной и Ю.О. Ларионовой. Важной составляющей работы явилось привлечение для тектонических реконструкций геофизических данных, что стало возможным

13

благодаря сотрудничеству со специалистами подразделения МПР «Спецгеофизика» -Берзиным Р.Г., Заможней Н.Г. и Андрющенко Ю.Н. Большую пользу для настоящей работы оказало обсуждение результатов с учеными, занимающимися близкими проблемами в рассматриваемом регионе и других аналогичных регионах бывшего СССР и зарубежных стран - А.А.Сивороновым, А.МЛысаком, С.Б.Лобач-Жученко, СВ. Богдановой, А.Кренером, А. Натманом, Н. Арндтом, Дж. Бартоном, X. Мартеном, М. Маркером, П. Иленом и многими-многими другими. Глубокая благодарность и признательность Ларионовой Юлии, оказавшей неоценимую помощь при подготовке представленной работы.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Решение поставленных в настоящей работе задач проводились с привлечением комплекса различных методов, включая: (1) геолого-структурные региональные и детальные исследования; (2) петрографическое и микрозондовое изучение пород; (3) петрогеохимические исследования валовых проб; (4) минералого-геохимические и изотопно-геохронологические исследования цирконов; (5) геохронологические и изотопно-геохимические исследования по валовым пробам и породообразующим минералам. (6) интерпретация геофизических данных.

Геолого-структурные полевые работы послужили основой для проведения всех остальных видов исследований. В ходе этих работ проводилось как региональное изучение территорий, так и детальное структурно-геологическое картирование опорных участков в масштабах от 1:100 до 1:25000 и изучение керна скважин, которые сопровождались петрогеохимическим и изотопно-геохронологическим опробованием.

Петрогеохимические исследования пород (около 1000 образцов) были выполнены для валовых проб, начальный вес которых составлял от 0.3 кг (геохимические пробы) до 3-10кг (минералогические и изотопные пробы). Путем операций дробления и квартования отбирались навески массой 100 г, которые, после истирания на дисковом истирателе ЛДИ (корундовые рабочие диски), использовались для определения содержаний главных, редких и редкоземельных элементов.

Главные элементы в образцах Среднеприднепровской ГЗО определялись классическим химическим методом («мокрая химия») в лабораториях ИГЕМ АН СССР, Новомосковской ГРЭ ПГО ЮжУкргеология и ПГО Укрчерметгеология. Содержания петрогенных элементов во всех образцах Карельской ГЗО определялись в ИГиГ СО РАН рентгенофлюоресцентным методом на рентгеноспектральном анализаторе VRA-20R. По

14

результатам измерения аттестованных стандартов и повторным измерениям образцов погрешности составляют менее 5 отн. % для элементов с концентрациями выше 0.5 мае. % и до 10 отн.% для элементов, содержания которых менее 0.5 мае. %. Около 5% образцов были проанализированы в разных лабораториях, сходимость результатов анализа по всем элементам была лучше 5 отн. %.

Содержания редких элементов для всех образцов предварительно определялись рентгенофлюоресцентным методом в ИГЕМ РАН (около 1000 проб) в порошках на рентгеноспектральном анализаторе VRA-20R с точностью лучше 20%.

Около 300 образцов были проанализированы на содержания редких и редкоземельных элементов методом индукционно-связанной плазмы с масс-спектрометрическим окончанием в ИМГРЭ МПР. Вскрытие образцов осуществлялось по методике кислотного разложения в микроволновой печи из навесок проб массой 50-100 мг. Методика обеспечивала полное разложение большинства магматических, метаморфических и осадочных пород, включая содержащиеся в них трудно вскрываемые минералы (циркон, монацит и др.). Масс-спектрометрический анализ на приборе Elan 6100 DRC (ELAN 6100 DRC, Software Kit, May 2000, PerkinElver SCIEX instrument) проводился в стандартном режиме. Калибровка чувствительности прибора по всей шкале масс осуществлялась с помощью стандартных растворов, включающих все анализируемые в пробах элементы. Для контроля качества измерений и учета дрейфа чувствительности прибора анализы проб чередовались с анализами стандартного образца с периодичностью 1:5-1:10. В качестве стандартного образца использовался внутрилабораторный аттестованный образец горной породы, разложенный по той же методике, что и изучаемые образцы. Пределы обнаружения (ПО) элементов составляли от 1-5 мг/т для тяжелых и средних по массе элементов (уран, торий, РЗЭ и др.) с возрастанием до 20-50 мг/т для легких элементов (бериллий, скандий и др.). Точность анализа составляла 3-10 отн.% для концентраций элементов больше 20-50 ПО.

Для 100 образцов автором работы были проанализированы концентрации редкоземельных элементов методом изотопного разбавления с точностью лучше 2% на масс-спектрометре МИ-1320 в лаборатории Изотопной Геохронологии ИГЕМ РАН по опубликованным методикам (Костицин, Журавлев, 1987; Журавлев и др.,1989).

Rb-Sr и Sm-Nd изотопно-геохронологические исследования всех образцов Среднеприднепровской ГЗО и некоторых образцов Карельской ГЗО проводились в ИГЕМ РАН на масс-спектрометре МИ-1320 по опубликованным методикам (Журавлев и др., 1983; Журавлев и др., 1987). Sm-Nd изотопные исследования для большей части образцов Карельской ГЗО проводились в лабораториях ИГиГД РАН и Институте Геохимии им. М.Планка, Германия, г. Майц, на многоколлекторных приборах серии MAT-Firmigan по

15

опубликованным методикам (Chauvel et al., 1985) с некоторыми видоизменениями. Смешанный трассер 149Sm+150Nd добавлялся к образцам перед разложением. Порошки образцов (100 - 150 мг) разлагались в герметичных тефлоновых бюксах в смеси кислот HF+HNO3 при температуре около 120°С в течение 3-5 суток. После разложения сухой остаток растворялся в 6N НС1 и вновь упаривался. Процедура химического выделения суммы РЗЭ и отделения Nd от Sm идентична описанной Уайтом и Пэтчеттом (White, Patchett, 1984). Масс-спектрометрический анализ Nd и Sm проводился в статическом режиме. Поправка на эффекты фракционирования при измерении Sm и Nd осуществлялась путем нормирования изотопных отношений относительно 147Sm/152Sm и I46Nd/144Nd=0.7219. Внутренняя статистика масс-спектрометрического опыта обеспечивала сходимость результатов в опыте лучше 0.002%. Измерения стандарта изотопного состава неодима La Jolla в течение всего периода исследований дали средний результат 143Nd/144Nd = 0.511809±20 (2а, N = 17). Результаты измерений изотопного состава Nd в образцах были откорректированы относительно значения La Jolla 143Nd/144Nd = 0.511839. Расчет изохрон проводился по методу Йорка (York, 1966), погрешность на начальную величину sNd(T) рассчитана по методу Флетчера и Росмана (Fletcher, Rosman, 1982). При расчете параметров изохроны были приняты следующие, ошибки по осям изохронной диаграммы: по 147Sm/144Nd - 0.2%, по 143Nd/144Nd - ошибка воспроизводимости по серии анализов стандарта La Jolla (±0.000020), которая во всех случаях превышала ошибку сходимости внутри индивидуальных анализов. Погрешности изохроны соответствуют 2ст, или 95%-ному доверительному интервалу.

Выделение цирконов проводилось из проб весом 8-10 кг, каждая из которых была отобрана для комплексных геохимических и изотопных исследований. Выделение циркон-содержащих концентратов было выполнено в Минералогических лабораториях ИГЕМ РАН и ИЛС РАН. Для контроля за возможным заражением проб посторонним цирконом было проведено параллельное выделение концентратов циркона из тех же проб из навесок около ЗООг в лаборатории Общей Петрологии ИГЕМ РАН. Минералогическое изучение цирконов проводилось под бинокуляром в отраженном свете при увеличениях 20-70 и в поляризационном микроскопе в проходящем свете в эммерсионных жидкостях при увеличениях 600-1200. В ходе этих работ поводилось изучение степени генетической гетерогенности популяции цирконов и подготовка монофракций генетических популяций цирконов для изотопных анализов.

Классическое U-Pb изотопное исследование цирконов было проведено в изотопной лаборатории ГЕОХИ РАН по принятой в лаборатории методике. Разложение микронавесок цирконов (0,5-2 мг) и химическое выделение урана и свинца для изотопного исследования выполнялось по методу Т. Кроу (Krogh, 1973). Концентрации урана и

16

свинца определены методом изотопного разбавления с применением смешанного 208РЬ+ U трассера. Холостое загрязнение полного анализа не превышало 0.1-0.2 нг РЬ. Изотопный состав свинца измерен на одноколлекторном твердофазном масс-спектрометре САМЕСА TSN 206A. Поправка на примесь обыкновенного свинца введена на возраст по модели Стейси и Крамерса (Stacey, Kramers, 1975). Регрессия изотопных данных проведена по программе Людвига (Ludwig, 1991), использованы принятые величины констант распада (Steiger, Jaeger, 1976). Ошибки в U-Pb изотопных отношениях составили 0,5%. Для повышения степени конкордантности изотопных возрастов несколько фракций циркона были подвергнуты предварительному селективному кислотному растворению (СР) (Mattinson, 1994). Предварительная обработка цирконов проводилась в концентрированной HF в термостате при температуре 150°С в течение 2 ч. После охлаждения раствор декантировался, а кристаллический остаток двукратно обрабатывали 3,1 N раствором соляной кислоты при температуре 180 и 200°С в течение 10 ч. Раствор НС1 декантировался, остаток дважды промывался концентрированной HNO3, после чего кристаллический остаток циркона разлагался по обычной методике.

Для наиболее «сложных» гетерогенных цирконов были выполнены локальные изотопные анализы на масс-спектрометрах вторичных ионов в Австралийском Национальном Университете, Канберра (SHRIMP) и Шведском музее естественной истории, Стокгольм, (NORDSIM), по принятым в этих лабораториях методикам. Изучаемые цирконы вместе с цирконом-стандартом приготавливались в виде таблетки в эпоксидной смоле и приполировывались до вскрытия центральных частей кристаллов. Перед анализом на таблетку напылялось золото. Первичный ионный пучок, состоящий из отрицательно заряженных ионов кислорода (Ог*), воздействует на эллипсовидную область кристалла размером 25x40 мкм. Анализ вторичных ионов проводится при разрешении прибора в 5600, что позволяет надежно разделять все необходимые атомные массы. Во время анализа в источник поступает газ Ог для увеличения выхода ионов свинца. Более подробное изложение методик можно найти в работах (Whitehouse et al., 1997). Точность измерения изотопного состава свинца 0,1-0,3%, точность измерения U-Pb изотопных отношений 1-3%. Все ошибки U-Pb изотопных отношений и изотопных возр