Геохимические и петрологические особенности неоархейских высококалиевых риолитов лебединской свиты Курского блока Восточной Сарматии



Курский блок (КБ) северо-восточной части мегаблока Сарматия, являющегося раннедокембрийским сегментом Восточно-Европейской платформы, представляет собой гранит-зеленокаменную область. В пределах КБ выделяются два протяженных гранит-зеленокаменных пояса — западный Белгородско-Михайловский и восточный Орловско-Тимской, которые являются сложными внутриконтинентальными рифтогенными структурами. В верхних частях разрезов обеих структур встречаются кислые вулканиты, которые объединяются в лебединскую свиту михайловской серии.

Вулканогенные образования, представленные высококалиевыми риолитами, слагают верхние части разреза михайловской серии в южном обрамлении Тим-Ястребовской структуры в районе Коробковского, Лебединского и Стойленского месторождений. Целью данной статьи стало выяснение геологического положения высококалиевых риолитов в пределах территории КБ, особенностей геохимии и петрологии данных пород, а также условий их формирования.

Высококалиевые риолиты распространены в обрамлении Старооскольского рудного района Тим-Ястребовской структуры, где они сохранились от размыва в отдельных структурно-фациальных зонах. Стратиграфическое положение пород установлено точно, так как в ряде скважин (скв. 5321, 6066, 6064, 12-а и др.) на толще вулканитов с размывом и угловым несогласием залегают метапесчаники, кварцитопесчаники и метаконгломераты стойленской свиты курской серии палеопротерозоя. Максимальная видимая мощность отложений до 300 м (скв. 5321, 2296). Характер процесса вулканизма был прерывистый. На это указывают маломощные прослои метапесчаников, разделяющие толщу вулканических пород на отдельные пачки.

Абсолютный возраст, определенный U-Pb методом по циркону из ультракалиевых риолитов Лебединского участка (гидрогеологическая шахта под Лебединским железорудным карьером, обр. ЛК-104), составляет 2612±10 млн лет (SHRIMP) [1].

Петрография. Среди кислых вулканитов наиболее распространены литокристаллокластические метатуфы риолитового состава и метариолиты. Все породы в той или иной степени затронуты метаморфическими изменениями, рассланцованы в различной степени, участками до мусковит-кварцевых сланцев. Структура порфировая, порфиробластовая с гранобластовой, обусловленная наличием в мелкозернистой основной массе крупных зерен (кристаллокластов и порфировидных вкрапленников) кварца, микроклина.

Основная масса породы представлена равномернозернистым агрегатом зерен кварца размером 0,05 мм и меньше, составляющим 55–60 % объема породы, полевыми шпатами (около 15 %), мусковитом (до 15 %), биотитом до 5 %. Акцессорными единичными зернами апатита, эпидота, цоизита, алланита, сфена, рутила, циркона, монацита, рудными минералами (пирит до 2 %, сфалерит до 1 %, ильменит около 1 %). В качестве вторичных присутствуют бастнезит, хлорит, кальцит.

Порфиробласты и вкрапленники составляют до 15 % объема породы. Встречаются в виде кварца, микроклина и полевых шпатов со структурами распада. Преобладают вкрапленники кварца характерного бледно-голубого цвета. Форма зерен преимущественно угловато-округлая, иногда наблюдаются кристаллы квадратной, прямоугольной, шестиугольной формы размером до 5–7мм.

Геохимия. Метариолиты характеризуются высокими содержаниями SiO₂, превышающими 75 мас. % (рис. 1), низкими CaO (0,05–1,3 мас. %) и MgO (0,34–1,04 мас. %), повышенной железистостью (X_Fe = 0,54–0,85) и насыщенностью глиноземом (A/CNK = 1,2–2,0). В них отмечаются повышенные содержания суммы щелочей (K₂O+Na₂O = 5,8–9,5) с преобладанием калия над натрием (K₂O/Na₂O = 1.4–44).

Метариолиты резко обеднены Sr (20–60 ppm), обогащены Ba (до более чем 1000 ppm), высокозарядными элементами, особенно Nb (22–75 ppm), Ta (1,6–3,7 ppm), Y (43–90 ppm), Th (16–29 ppm), и редкоземельными элементами (REE) (∑REE = 413–683 ppm). Наблюдается преобладание LREE над HREE — La/Yb от 9,45 до 14,26 и глубокая отрицательная европиевая аномалия (рис. 2). Показатель Eu/Eu* изменяется от 0,16 до 0,30. Спектры REE в высококалиевых метариолитах типичны для магматических пород кислого состава корового происхождения (Eu/Eu*<1).

Особенности петрологии. Химический состав риолитов, как отмечалось выше, необычный. Около 80 % состава породы приходится на кварц и микроклин. В связи с этим можно предложить следующую модель кристаллизации риолитов, используя диаграмму Ab-Q-Or (рис. 3). Точки составов метавулканитов попадают в область Q-Or котектики. Кристаллизация расплава начиналась с выделения фенокристаллов кварца, так как фигуративные точки составов расположены в поле кварца. Остаточный расплав изменялся вдоль кривых фракционирования, обогащаясь калием и натрием, до котектической линии, разделяющей поля кварца и полевых шпатов. По достижении котектики началась одновременная кристаллизация кварца и калиевого полевого шпата.

Рис. 1. Точки составов высококалиевых риолитов лебединской свиты Курского блока: а) на диаграмме SiO₂-(Na₂O+K₂O); б) на диаграмме SiO₂-K₂O; в) на диаграмме Al₂O₃/(Na₂O+K₂O)– Al₂O₃/(CaO+Na₂O+K₂O) (в молекулярных количествах)

Рис. 2. Распределение REE в высококалиевых риолитах лебединской свиты Курского блока

Положение составов на диаграмме не совпадает с областью максимального распределения фигуративных точек кислых пород. Расположение максимумов нормативов пород вблизи «тройного» минимума, по мнению Таттла и Боуэна свидетельствует о том, что их формирование контролировалось равновесием кристалл-жидкость. Вариации составов объясняются отклонением реальных условий от равновесных вследствие быстроты кристаллизации пород, высокой вязкостью расплавов, влиянием примесей других компонентов, содержащихся в расплавах. Положение гранитной эвтектики также не постоянно и зависит от давления воды в системе. Существенное влияние на положение котектических линий и эвтектик оказывает содержание анортитового компонента (отношения Ab/An). На диаграмму нанесены точки эвтектик для систем с отношением Ab/An = 3–5. Положение эвтектики для данной системы совпадает лишь с частью фигуративных точек риолитов. Отношение Ab/An в риолитах изменяются в широких пределах, в среднем составляя 3,3. Если предположить, что породы субстрата имели отношение Ab/An = 3, то из них должен выплавляться эвтектический расплав, обогащенный кварцевым и ортоклазовым компонентом, близким по составу риолитам.

Рис. 3. Точки составов высококалиевых риолитов лебединской свиты Курского блока на диаграмме Ab-Q-Or

То, что точки составов находятся в области кварц-ортоклазовой котектики, говорит о высокой температуре исходной магмы, а содержание воды 0,5 кбар свидетельствует о том, что исходная система была «сухая». Такая модель кристаллизации согласуется и с ранее рассчитанными температурами кристаллизации кислого расплава [2] с использованием геотермометра «Ti-in-quartz», где температура составила в среднем 860°С, а также с использованием геотермометра «Ti-in-zircon» — полученные значения температуры составили в среднем 850°С.

Метариолиты имеют довольно необычный состав вкрапленников, представленных преимущественно кварцем, количество которых достигает 15 %. Причину этого явления можно объяснить следующим. Первичная кристаллизация кварца характерна для пересыщенных кремнеземом расплавов. Возрастание в системе содержания воды вызывает уменьшение поля кристаллизации кварца и, соответственно, расширение поля кристаллизации щелочных полевых шпатов. С возрастанием общего литостатического давления поле кристаллизации кварца расширяется [3]. Следовательно, высокое количество вкрапленников кварца в метариолитах, а именно значительная ширина поля кристаллизации кварца свидетельствует о высоких Р-Т параметрах.

Выводы. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы. Высококалиевые метариолиты образуют вулканический комплекс, свойственный кислому вулканизму. Эти породы в совокупности располагаются в определенном геологическом пространстве, характеризующемся отдельными структурно-формационными зонами в пределах Старооскольского рудного района.

Специфика минерального состава метариолитов позволяет рассматривать их как особую петрографическую разновидность вулканических пород кислого состава. Спектры REE типичны для магматических кислых пород корового происхождения, что указывает на их магматическую природу.

Высококалиевые метариолиты Курского блока относятся к надкотектической и частично котектической группе пород, которые кристаллизовались при температуре 850–860°С, а температура формирования исходных магм превышала 1000ºС при давлении >10 кбар. Т. е. в конце неорхея в пределах Курского блока было излияние сухих ультракислых высококалиевых расплавов. Определенный ранее возраст метариолитов 2612±10 млн лет говорит об образовании данных пород на границе неоархея и палеопротерозоя и свидетельствует об их формировании после образования складчатости и внедрения гранитоидных интрузий неоархея, прорывающих зеленокаменные образования.

Литература:

1. Савко К. А., Холина Н. В., Холин В. М., Ларионов А. Н. Возраст неоархейских ультракалиевых риолитов — важный геохронологический репер эволюции раннедокембрийской коры Воронежского кристаллического массива // Изотопное датирование геологических процессов: новые результаты, подходы и перспективы. Материалы VI Российской конференции по изотопной геохронологии. — СПб.: Sprinter, 2015. — С. 247–249.
2. Савко К. А., Холина Н. В., Холин В. М. Высокие температуры кристаллизации неоархейских риолитов Курского блока Воронежского кристаллического массива: результаты минеральной термометрии // Вестник ВГУ. Серия Геология. — 2016. — № 3. — С. 53–60.
3. Шинкарев Н. Ф. Физико-химическая петрология изверженных пород. — Ленинград: Надра, 1970. — 248 с.