Записки Российского минералогического общества, 2022, T. 151, № 1, стр. 29-43

ВВЕДЕНИЕ

Минералы тяжелой фракции (циркон, рутил, гранат, турмалин, апатит и другие) широко и успешно применяются при исследовании терригенных пород, особенно при реконструкциях путей перемещения и источников сноса обломочного материала (Fedo et al., 2003; Kooijman et al., 2010; Gehrels, 2012, 2014; Kowal-Linka, Stawikowski 2013; Vďačný, Bačík, 2015, и др.).

На сегодняшний день U-Pb датирование обломочного циркона является наиболее широко применяемым инструментом для исследования обломочных пород и получения информации о строении питающих провинций (Dickinson, 1970; Dickinson, Gehrels, 2009; Coutts et al., 2019; Johnstone et al., 2019, и др.). Этот метод позволяет установить возраст циркона, который отвечает возрасту магматических или метаморфических комплексов в источнике сноса (Cawood et al., 2012; Gehrels, 2012, 2014, и др.). Однако, из-за высокой устойчивости циркона к физическому разрушению и химическому выветриванию, зерна этого минерала могут подвергаться многократному переотложению в осадочных бассейнах, что усложняет интерпретацию источников сноса и путей транспортировки обломочного материала (Fedo et al., 2003; Gehrels, 2012, и др.). Кроме того, U-Pb датирование циркона не может дать информацию о петрографическом составе исходных (материнских) пород (Fedo et al., 2003; Cawood et al., 2012; Gehrels, 2012, 2014). Решить эту проблему помогает изучение химического состава минералов тяжелой фракции, в том числе граната, рутила, турмалина (Henry, Guidotti, 1985; Morton, Hallsworth, 1999; Triebold et al., 2012; Kowal-Linka, Stawikowski 2013; Vďačný, Bačík, 2015, и др.).

Минералы надгруппы турмалина – это сложные боросиликаты с общей формулой: X_0–1Y₃Z₆(T₆O₁₈)(BO₃)₃V₃W (Henry et al., 2011), где X – Na⁺, Ca²⁺, K⁺ или вакансия (□); Y – Fe²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Li⁺ и др.; Z – Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺ и др.; Т – Si⁴⁺, Al³⁺,B³⁺;V – OH^–, O^2–; W – OH^–, O^2–, F^–. Группы надгруппы турмалина выделяются на основе элементов, входящих в позицию X: выделены щелочные (Na⁺, K⁺), кальциевые (Ca²⁺) и с вакантной X-позицией. В зависимости от того, какие анионы входят в позицию W, группы надгруппы турмалина делят на три подгруппы – окси- (O^2–), фтор- (F^–) и гидрокси-турмалин (OH^–).

Минералы надгруппы турмалина кристаллизуются в широком диапазоне термобарохимических условий (Ertl et al., 2010; Berryman et al., 2019; Biernacka, 2019). Наиболее распространенные минералы надгруппы турмалина – шерл, эльбаит и дравит (Ertl et al., 2010; Biernacka, 2019, и др.). Шерл и Li-содержащие турмалины преимущественно формируются при кристаллизации гранитных массивов и гранитных пегматитов, а дравит часто образуется в метаморфических породах (Baksheev, Kudryavtseva, 2004; Trumbull et al., 2008; Arif et al., 2010; Ertl et al., 2010; Biernacka, 2019). Химический состав турмалина зависит от физико-химических условий его образования (van Hinsberg et al., 2011) и состава вмещающих пород (Henry, Gudotti, 1985). Большая изменчивость состава минералов надгруппы турмалина позволяет использовать их для реконструкции источников сноса и путей транспортировки обломочного материала (Biernacka, 2012; Kowal-Linka, Stawikowski, 2013; Vereshchagin et al., 2018).

Реконструкция источников сноса обломочных пород Тиманского региона на основе датирования обломочного циркона проводилось ранее (Кузнецов и др., 2010; Андреичев и др., 2013, 2014; Удоратина и др., 2017; Соболева и др., 2019; Брусницына и др. 2021). Однако петрографический состав исходных (материнских) пород остается дискуссионным, так как исследования химического состава других минералов тяжелой фракции для докембрийских комплексов Тимана не проводилось. Результаты исследования обломочного турмалина, представленные в настоящей работе, в определенной мере способствуют решению этой задачи.

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ

Тиманский кряж протягивается в северо-западном направлении на расстояние около 1000 км от Колво-Вишерского края до Чешской губы Баренцева моря и выделяется в рельефе в виде ряда сильно эродированных возвышенностей. Вдоль Тиманского кряжа на поверхность выходят семь крупных блоков (традиционно, на Тимане именуемые “камнями”), в пределах которых обнажаются в разной степени метаморфизованные докембрийские комплексы, пронизанные разновозрастными интрузиями основного состава (Оловянишников, 1998). Интрузивные тела в большинстве своем имеют девонский возраст, но были установлены единичные дайки позднерифейского возраста (Андреичев, 1998; Государственная…, 2020). Тиманcкая складчатая зона отделена с запада от Восточно-Европейской платформы (ВЕП) Западно-Тиманским глубинным разломом, а на востоке ее граница с Печерской плитой проходит вдоль Восточно-Тиманского разлома (в пределах Ижемской зоны).

Район исследований расположен в средней части Тиманского кряжа (Средний Тиман) и включает Четласский Камень и Вольско-Вымскую гряду, в пределах которых выходят на дневную поверхность породы среднего и верхнего рифея (рис. 1).

Рис. 1.

Геологическая карта Четласского Камня и Вольско-Вымской гряды с местами отбора проб (по: Государственная…, 2020 с упрощениями). Fig. 1. Geological map of the Chetlassky Kamen and Volsko-Vymskaya Ridge, with points of sampling, after (State…, 2020 simplified).

По литологическому составу и возрасту осадочные породы Четласского Камня разделяются на две серии – четласскую и быстринскую (рис. 2). Большую часть выступа слагают породы четласской серии, включающей светлинскую, новобобровскую и визингскую свиты (рис. 1, 2). Наиболее древние отложения, относящиеся к светлинской свите, по данным предшествующих работ (Гецен, 1987; Оловянишников, 1998; Государственная…, 2015) и нашим полевым наблюдениям, подразделяются на две подсвиты. Нижняя подсвита представлена в основном слюдисто-кварцевыми и полевошпат-кварцево-слюдистыми сланцами с подчиненным количеством метапесчаников. Верхняя подсвита сложена метапесчаниками, среди которых присутствуют пачки переслаивания слюдисто-кварцевых сланцев и метаалевролитов. Новобобровская свита объединяет кварц-хлорит-серицитовые сланцы и метаалевролиты с прослоями метапесчаников. Визингская свита характеризуется ритмично переслаивающимися пачками кварц-хлорит-серицитовых сланцев, метаалевролитов и метапесчаников.

Рис. 2.

Сводные стратиграфические колонки отложений рифея Четласского Камня и Вольско-Вымской гряды и положение исследованных образцов (Оловянишников, 1998; Государственная…, 2020). 1 – сланцы, 2 – метапесчаники, 3 – известняки, 4 – доломиты, 5 – мергели, 6 – метаалевролиты, 7 – известняки и доломиты со строматолитами, 8 – метаконгломераты, 9 – прослои кремней, 10 – стратиграфические границы (а – согласные, б – несогласные), 11 – изученные образцы и виды анализов (а – образцы обломочного турмалина; б – образцы обломочного циркона для U-Pb датирования; в – образцы обломочного рутила для U-Pb датирования; г – образцы обломочного циркона для Lu-Hf изотопно-геохимических характеристик). Fig. 2. Summary stratigraphic columns of Riphean rocks of the Chetlassky Kamen and Volsko-Vymskaya Ridge, with points of sampling, after (Olovyanishnikov, 1998; State…, 2020).

Вдоль северо-восточной части Четласского Камня полосой шириной от 2 до 7.5 км протягиваются отложения быстринской серии, которая включает ворыквинскую, павьюгскую и паунскую свиты (рис. 1, 2). Ворыквинская и павьюгская свиты сложены пачками переслаивающихся друг с другом доломитов, мергелей, известковых сланцев, строматолитовых известняков. Паунская свита представлена сланцами кварц-серицит-хлоритового состава и метапесчаниками.

В пределах Вольско-Вымской гряды в средне-верхнерифейском разрезе выделяются пижемская, лунвожская и кыввожская свиты, объединенные в вымскую серию (рис. 2). Состав пород вымской серии преимущественно представлен меетаалевролитами, метааргиллитами и метапесчаниками.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для изучения химического состава обломочного турмалина из терригенных пород рифейского возраста Среднего Тимана было отобрано 8 образцов. Ранее в этих же образцах был определен U-Pb возраст обломочного циркона и рутила (Брусницына и др., 2021). Положение проб в разрезе приведено на рис. 2. Изученные образцы характеризуют породы четласской, быстринской, вымской и кислоручейской серий.

В пределах Четласского Камня было исследовано пять проб, в которых были выделены зерна обломочного турмалина. Проба из светлинской свиты отобрана из отложений в верховьях р. Мезень. По литологическому составу образец из светлинской свиты – метапесчаник субаркозового состава (обр. 9016/2). Проба из новобобровской свиты отобрана в верховьях р. Мезень, порода представляет собой аркозовый метаалевропесчаник (обр. 9020/3). Проба из визингской свиты отобрана в верхнем течении р. Косью (правый приток р. Мезень), порода представляет собой метапесчаник, по составу относящийся к кварцевым аренитам (обр. 9048/5). Две пробы из отложений паунской свиты были отобраны в среднем течении р. Нижней Паун (приток р. Светлая, приток р. Пижма), их состав соответствует мусковит-кварцевым сланцам (обр. 9034/2 и 9034/12).

Обломочный турмалин был выделен из трех образцов в пределах Вольско-Вымской гряды. Проба из пижемской свиты была отобрана из разреза в верховьях р. Нижняя Видзью (приток р. Вымь). По литологическому составу порода представляет собой биотит-мусковитовый магнетитсодержащий сланец (обр. 9064/2). Две пробы из лунвожской свиты отобраны из отложений в среднем течении р. Средней. По литологическому составу эти породы – метаалевролиты, относящиеся к кварцевым аренитам и аркозам (обр.9007/4 и обр.9007/5 соответственно).

Предварительная пробоподготовка проведена по стандартной методике в ИГДД РАН. Пробы весом около 1.5–2.0 кг измельчали до размерности 0.25 мм, промывали и высушивали. После этого была проведена магнитная сепарация и удалены высокомагнитные минералы. Далее использовали бромоформ для извлечения концентрата тяжелых минералов, который затем промывали в дистиллированной воде и сушили. Затем тяжелая фракция обрабатывалась разбавленным йодистым метиленом; полученный концентрат промывали в спирте и высушивали. Дальше проводили электромагнитную сепарацию, разделяя пробу на электромагнитную и немагнитную фракции в соответствии с парамагнитными свойствами минералов. Турмалин обладает плотностью от 3.04 до 3.3 г/см³ (Selway et al., 1998; Reznitskii et al., 2014) и концентрируется в немагнитной и электромагнитной фракциях, поэтому предложенная методика гарантирует полное извлечение турмалина из проб.

Выделенные зерна турмалина выкладывали рядами, заливали эпоксидной смолой и полировали. Для определения степени окатанности обломочного турмалина и ранее исследованного циркона (Брусницына и др., 2021) была использована шкала Ф.Дж. Петтиджона (Pettijohn, 1975), позволяющая отнести зерна к одной из следующих групп: окатанные, среднеокатанные, угловатые и неокатанные. Определение химического состава турмалина проводили на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N с энергодисперсионным спектрометром AzTec Energy X-Max 20 (параметры: ускоряющее напряжение 20 кВ, ток пучка 1 нА, время сбора данных 30 с (без учета мертвого времени)). В качестве стандартов были использованы природные и синтетические соединения. Точность определения основных элементов находится в пределах ~3% от фактического количества; для элементов примесей – в пределах ~10%. Химические формулы турмалина были рассчитаны на 15 катионов (Y + Z + T) с учетом того, что: (1) содержание бора принято равным 3, (2) в позиции X могут присутствовать вакансии; (3) принято, что все железо двухвалентное. Количество O и OH рассчитано по балансу зарядов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Химический состав обломочного турмалина. Проанализирован химический состав 63 зерен турмалина. Наибольшее количество зерен было выделено из пробы паунской свиты (34 зерна, 9034/12), в остальных образцах количество зерен турмалина варьирует от 4 до 6 (табл. 1). Зерна турмалина преимущественно угловатые и неокатанные, включения в них отсутствуют, окраска буровато-зеленая.

Электронно-зондовый микроанализ не выявил признаков зонально-секториального строения индивидов. Согласно полученным данным (табл. 1), все изученные зерна турмалина относятся к щелочной группе: Na (0.52–0.95 к. ф.) значительно преобладает над Ca (<0.26 к. ф.) и K (<0.03 к. ф., рис. 3, а). Для всех изученных зерен турмалина характерно наличие вакансии в позиции X (□ от 0.05 до 0.50 к. ф.). В турмалине из паунской свиты заметно больше Na (0.68–0.97 к. ф.), в то время как для турмалина из остальных свит коэффициент в формуле для Na в среднем 0.60.

Рис. 3.

Химический состав обломочного турмалина: (а) на тройной диаграмме Ca–Na + K–вакансия (Henry et al., 2011), (б) на тройной диаграмме O–OH–F(Henry et al., 2011), (в) на диаграмме значений □/(□ + Na + + K) и Mg/(Mg + Fe) (Henry, Dutrow, 1996), (г) на петрогенетической диаграмме Al–Fe₅₀Al₅₀–Mg₅₀Al₅₀ (Henry, Guidotti, 1985): 1 – богатые Li гранитоиды в ассоциации с аплитами и пегматитами; 2 – бедные Li гранитоиды в ассоциации с аплитами и пегматитами; 3 – богатые Fe³⁺ кварц-турмалиновые породы и гидротермально измененные граниты; 4 – метапелиты и метапсаммиты, насыщенные глиноземом; 5 – метапелиты и метапсаммиты, бедные глиноземом; 6 – богатые Fe³⁺ кварц-турмалиновые породы, метапелиты и известково-силикатный роговик; 7 – ультрамафиты, низкокальциевые и богатые Cr и V метаосадки; 8 – метакарбонаты, метапироксениты. Fig. 3. Chemical composition of detrital tourmaline: а – X-site vacancy vs. Ca vs. (Na + K) ternary diagram (Henry et al. 2011); б – O–OH–F ternary diagram (Henry et al. 2011); в – □/(□ +Na + K) vs. Mg/(Mg + Fe) diagram (Henry, Dutrow, 1996); г – in the Al–Fe₅₀Al₅₀–Mg₅₀Al₅₀ ternary diagram (Henry, Guidotti, 1985): l – Li-rich granitoid pegmatites and aplites; 2 – Li-poor granitoids and associated pegmatites and aplites; 3 – Fe³⁺-rich quartz–tourmaline rocks (hydrothermally altered granites); 4 – metapelites and metapsammites coexisting with an Al-saturated phase; 5 – metapelites and metapsammites not coexisting with an Al-saturated phase; 6 – Fe³⁺-rich quartz–tourmaline rocks, calc-silicate rocks, and metapelites; 7 – low-Ca metaultramafic and metasedimentary rocks rich in Cr and V; 8 – metacarbonates and metapyroxenites.

По заполнению W позиции большинство зерен (56 из 63) относится к гидрокси-подгруппе щелочной группы надгруппы турмалина (рис. 3, б), а семь оставшихся – к окси-подгруппе щелочной группы надгруппы турмалина.

Все исследованные зерна турмалина содержат более 6 к. ф. Al³⁺ (табл. 1), что указывает на присутствие алюминия как в Y-, так и в Z-позиции. Основными октаэдрическими катионами (помимо алюминия) являются магний и железо. При этом, отношение Mg/(Mg + Fe) изменяется от 0.45 до 1.00 (рис. 3, в). Существенных вариаций содержания Ti в исследованных образцах нет. Корректное распределение ионов Mg, Fe, Mn и Ti по двум неэквивалентным октаэдрическим позициям (YO₆ и ZO₆) не может быть установлено достоверно без привлечения данных монокристального рентгеноструктурного анализа (Vereshchagin et al., 2018). Однако на основании химического состава мы можем предположить, что большинство изученных зерен (53) по составу соответствуют дравиту, и лишь несколько (5 зерен) отвечают шерлу (рис. 3, в). Еще пять зерен имеют состав, отвечающий оксидравиту.

На петрогенетической диаграмме Al–Fe₅₀Al₅₀–Mg₅₀Al₅₀ (Henry, Guidotti, 1985), фигуративные точки составов зерен турмалина попадают преимущественно в два поля, отвечающих метапелитам и метапсаммитам бедным и богатым глиноземом (31 и 24 зерна соответственно; рис. 3, г). Два зерна (визингская и лунвожская свиты) попадают в поле ультрамафитов, низкокальциевых и богатых Cr и V метаосадков, а одно зерно (новобобровская свита) попало в поле богатых Fe кварц-турмалиновых пород, метапелитов и известково-силикатных роговиков.

Степень окатанности обломочных турмалина и циркона. Оценка окатанности обломочного турмалина показала, что в пробах преобладают неокатанные (46%) и угловатые (49%) зерна (рис. 4, а). Количество среднеокатанных зерен не превышает 5%; окатанных зерен в изученных пробах не установлено. При этом для обломочного циркона в этих же пробах характерны среднеокатанные и угловатые зерна (рис. 4, б) (Брусницына и др., 2021). Около 15% от всей популяции зерен циркона имеют окатанный облик. Неокатанный облик с близкой к идиоморфной формой кристаллов имеют только 5% индивидов этого минерала.

Рис. 4.

Диаграмма окатанности зерен обломочного турмалина (а), и обломочного циркона (б) из исследованных образцов метаосадочных пород Среднего Тимана. Классы окатанности приведены по Ф.Дж. Петтиджону (Pettijohn, 1975). Fig. 4. Diagram of the roundness of grains: а – detrital tourmaline, б – detrital zircon, from studied samples of metasedimentary rocks of the Middle Timan. The roundness classes are given according to F.J. Pettijohn (1975).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Установлено, что турмалин из разных стратиграфических подразделений имеет сходный химический состав, что указывает на единый источник сноса. В образце породы из паунской свиты не обнаружен турмалин с отношением Mg/(Mg + Fe) < 0.5 и содержанием вакансий в позиции Х > 0.3 к. ф.; в образцах из других свит величина отношения Mg/(Mg + Fe) достигает 1.0, а вакансия в позиции Х – до 0.5 к. ф.

Полученные данные о химическом составе обломочного турмалина из докембрийских отложений Среднего Тимана указывают на метаосадочное происхождение материнских пород в источнике сноса. Химический состав изученных минералов свидетельствует о том, что продукты разрушения гранитов (если они были) не являлись источником зерен турмалина. Не было обнаружено и турмалина, источником для которого были бы метакарбонаты или метапироксениты.

Отношение дравит/шерл ((Mg/(Mg + Fe); рис. 3, в) указывает возможное метаморфическое происхождение большинства зерен (Kowal-Linka, Stawikowski, 2013). Изученные зерна турмалина, вероятно, кристаллизовались при метаморфизме обогащенных бором осадочных пород. Можно предположить, что основным источником турмалина являлись парагнейсы и слюдяные сланцы, преобразованные в условиях до амфиболитовой фации метаморфизма.

Преобладание неокатанных и угловатых зерен турмалина свидетельствует о том, что его зерна не претерпевали значительного переотложения, и не являются перемытыми из более древних осадочных комплексов. В то же время, зерна циркона имеют более высокую степень окатанности, что может указывать на неоднократное переотложение в процессе переноса обломочного материала. Это заключение подтверждается и значительным разбросом значений возраста обломочного циркона (Брусницына и др., 2021). Турмалин, в сравнении с цирконом, является менее устойчивым минералом в процессе транспортировки (Morton, Hallsworth, 1999). Неокатанный облик его зерен указывает на то, что они не претерпели многократного переотложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Небольшое количество зерен обломочного турмалина из рифейских терригенных отложений, проанализированных в данном исследовании, вероятнее всего обусловлено их малым количеством (в сравнении с цирконом) в материнских породах. U-Pb датирование обломочного циркона ранее показало, что источниками поступления обломочного материала в осадочный бассейн рифея Среднего Тимана служили террейны входящие в состав Свеконорвежско-Гренвильского орогена (Lorenz et al., 2012; Андреичев и др., 2013, 2014; Удоратина и др., 2017; Соболева и др., 2019). Это предположение подтверждается сходным распределением значений возраста обломочного циркона для средне- и верхнерифейских отложений Северного, Среднего, Южного Тимана, Северного и Южного Урала (Кузнецов и др., 2010; Андреичев и др., 2013, 2014; Петров и др., 2015; Удоратина и др., 2017; Маслов и др., 2018а, 2018б; Соболева и др., 2019), что, вероятно, указывает на крупную орогенную систему, выступавшую источником сноса для обширных территорий Балтики в среднем и позднем рифее. Х. Лоренц с соавторами (Lorenz et al., 2012) предположили, что Свеконорвежско-Гренвильский ороген был развит значительно шире, чем его современные выходы на дневную поверхность и, вероятно, протягивался далеко на восток и на север (в современных координатах). При этом, зерна обломочного циркона с возрастом, близким к возрасту седиментации и, соответственно, к возрасту синколизионных гранитов Свеконорвежского орогена, немногочисленны во всех перечисленных регионах (Удоратина и др., 2017; Соболева и др., 2019; Брусницына и др., 2021 и др.). Это позволило сделать предположение (Брусницына и др., 2021), что основным источниками сноса для формирования пород рифейского возраста Среднего Тимана выступали древние метаморфические и магматические комплексы, входящие в состав орогена. Наши новые данные по химическому составу турмалина подтверждают это предположение и свидетельствуют о том, что метаморфические комплексы являлись значимым источником обломочного материала в среднем и позднем рифее Тимана. Более того, среди метаморфических пород, вероятно, преобладали гнейсы и сланцы, имевшие первичную осадочную природу. Это хорошо согласуется с широким разбросом значений возраста обломочного циркона в изученных толщах и может свидетельствовать об их переотложении из более древних осадочных и метаосадочных комплексов.

Авторы благодарят ресурсный центр СПБГУ “Геомодель” за помощь в проведении аналитических исследований, а также анонимного рецензента, чьи замечания позволили значительно улучшить статью.