Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 493, № 1, стр. 21-26

В начале XIX столетия на Южном Урале с целью добычи штуфного материала для музеев и университетских собраний началась активная разработка минеральных копей, составляющих полосу в приконтактовой части Кусинско-Копанского габбрового интрузива и залегающих как непосредственно в габбро этого интрузива (например, Зеленцовская копь), так и во вмещающих породах – доломитах саткинской свиты (например, Перовскитовые копи). Копями были вскрыты тела силикатно-кальцитовых пород с уникальной гранатовой, перовскитовой, магнетитовой и шпинелевой минерализацией. В пределах этих объектов за весь период исследований, начиная с 1811 г., описано более 100 минеральных видов, некоторые из них были открыты здесь впервые в мире, например, перовскит [15]. Изначально считалось, что минерализованные тела в зависимости от геологической позиции являются экзо- или эндоскарнами, сформированными при внедрении Кусинско-Копанского габбрового интрузива [7]. Затем появилось представление о двухстадийном минералообразовании с поздней низкотемпературной ассоциацией, наложенной на ранние скарны, формирование которой инициировано низкоградным метаморфизмом в раннеордовикское время [3]. Позже сформировалась точка зрения о карбонатитовой природе тел с уникальной минерализацией [8].

В связи с этим целью исследований являлось установление связи минералообразования с основными геологическими событиями в регионе, для чего было проведено определение U–Pb-изотопного возраста кристаллов перовскита из жильных силикатно-кальцитовых пород Зеленцовской и Перовскитовых копей.

Зеленцовская копь расположена в 1.5 км к юго-востоку от центра пос. Магнитка (рис. 1) в точке с координатами 55°20.339′ с.ш., 59°42.548′ в.д. и в настоящее время находится в провалах титаномагнетитовых шахт Кусинского месторождения. В провале шахты наблюдается крупное линзовидное тело карбонатных пород, ориентированное в субмеридиональном направлении и прослеженное на 150 м по простиранию при мощности 10–15 м. В центральной и кровельной частях линзы сосредоточены жильные силикатно-кальцитовые обособления, в составе которых присутствуют клинтонит-магнетит-форстерит-кальцитовые породы с перовскитовой минерализацией.

Рис. 1.

Геологическая позиция Зеленцовской и Перовскитовых копей в структурах Урала (а) и западной части Башкирского антиклинория (б). 1 – палеозой Восточно-Европейской платформы; 2 – Западно-Уральская складчато-надвиговая зона; 3 – Центральное Уральское поднятие; 4 – Тагило-Магнитогорская мегазона; 5 – осадочный чехол Западно–Сибирской платформы; 6 – минеральные копи, расположенные в приконтактовой части Кусинско-Копанского габбрового интрузива; 7–8 – породы раннерифейского возраста: 7 – песчаники айской свиты, 8 – доломиты саткинской свиты; 9–11: породы среднерифейского возраста: 9 – метаморфиты кувашской свиты, 10 – габбро Кусинско-Копанского интрузива, 11 – граниты Рябиновского интрузива; 12 – девонские (?) доломиты и известняки; 13 – среднерифейские дайки разнообразного состава; 14 – ороговикованные породы; 15 – крупные разрывные нарушения; 16 – гидросеть; 17 – Зеленцовская копь; 18 – Перовскитовая копь.

Перовскитовые копи расположены в точке с координатами 55°14.588′ с.ш., 59°33.570 в.д. Здесь габброиды Кусинско-Копанского интрузива не выходят на дневную поверхность, и копи вскрывают тела средне-, крупнокристаллических минерализованных кальцитовых пород, прорывающих породы саткинской свиты (рис. 1). Эти тела пересечены многочисленными жильными образованиями, сложенными хлорит-серпентиновыми, серпентиновыми и хлоритовыми мелко-, тонкозернистыми породами с мощностью обычно около 1.5 м. Именно в них локализованы минерализованные полости с друзами перовскита, магнетита клинохлора; центральная часть этих полостей выполнена гигантокристаллическим агрегатом кальцита.

Из силикатно-кальцитовых жильных тел, вскрытых Перовскитовыми копями, были отобраны кубические и октаэдрические кристаллы перовскита. Из клинтонит-магнетит-форстеритовых-кальцитовых пород Зеленцовской копи были извлечены индивиды перовскита кубического габитуса. Изученные кристаллы перовскита по составу соответствуют стехиометричной формуле CaTiO₃ (в редких случаях с содержанием Fe₂O₃ не более 0.5 мас. %) и характеризуются гомогенным строением, что в целом типично для перовскита этого района [6]. По данным LA–ICP–MS (рис. 2) в исследуемых кристаллах перовскита суммарное содержание редкоземельных элементов составляет 0.75 и 1.04 мас. % в кубических и октаэдрических перовскитах из Перовскитовых копей соответственно, а также 0.57 мас. % в кубических перовскитах Зеленцовской копи, что в целом согласуется с ранее полученными результатами [11].

Рис. 2.

Хондрит-нормализованные спектры редкоземельных элементов в кристаллах перовскита по данным LA–ICP–MS: 1 – октаэдрические кристаллы (Перовскитовые копи); 2 – кубические кристаллы (Перовскитовые копи); 3 – кубические кристаллы (Зеленцовская копь); 4 – перовскит из скарнов Ахматовской копи [11]; 5–6 – перовскиты из кимберлитов: 5 – трубка Удачная, Россия [13], 6 – Чикен парк, Колорадо, США [13]; 7, 8 – перовскит из щелочных пироксенитов массива Африканда, Кольский полуостров, Россия [2]; 9 – поле содержания редкоземельных элементов в перовскитах из Перовскитовых копей [11].

Индивиды перовскита были распилены через геометрический центр и помещены в шайбу из эпоксидной смолы. Перовскит не обладает способностью к катодной люминесценции (CL), поэтому для выбора участков (точек) датирования на поверхности зерен использовались изображения в режиме обратно-рассеянных электронов (BSE). Накопление BSE проводилось на сканирующем электронном микроскопе CamScan MX2500 (ЦИИ ВСЕГЕИ).

Измерения U–Pb-изотопных отношений в перовските производились на вторично-ионном микрозонде высокого разрешения SHRIMP-II в ЦИИ ВСЕГЕИ (Санкт-Петербург) по методике, описанной в [14]. В качестве стандарта U–Pb-изотопных отношений использовался перовскит из скарнов, связанных с Тажерановским интрузивом. Величины ²⁰⁶Pb/²³⁸U нормализовались на значение 0.074465, что соответствует возрасту 463 млн лет [4]. Поскольку общепринятого концентрационного стандарта для перовскита на сегодняшний день нет, концентрации ²³⁸U в измеренных зернах перовскита оценивались приблизительно относительно усредненного содержания U в крайне негомогенном перовските из скарнов Тажерановского интрузива (~300 ppm U).

Дисперсия U–Pb-изотопных отношений для кристаллов перовскита, вне зависимости от морфологического типа индивидов или места отбора проб, позволяет построить суммарную дискордию с верхним пересечением, соответствующим возрасту 535 ± 43 млн лет при СКВО, равным 0.5 (рис. 3а). Если рассмотреть отдельные конкордантные кластеры по каждой пробе, то погрешность при определении возраста заметно снижается и наблюдается существенное различие в возрасте кристаллов перовскита. Так, для октаэдрических индивидов перовскита из Перовскитовых копей U–Pb-изотопный возраст составляет 532 ± 5 млн лет (рис. 3б), а для кубических индивидов – 497.0 ± ± 4 млн лет (рис. 3в). Кристаллы перовскита из клинтонит-магнетит-форстерит-кальцитовых пород Зеленцовской копи характеризуются U–Pb-изотопным возрастом 468 ± 6.4 млн лет (рис. 3г).

Рис. 3.

Диаграммы ²⁰⁶Pb/²³⁸U–²⁰⁷Pb/²³⁵U с конкордией – возраст кристаллов перовскита из минерализованных зон, пространственно связанных с Кусинско-Копанским габбровым интрузивом (а) и вскрытых отдельными копями: Перовскитовыми (б, в) и Зеленцовской (г). Номера проб: б – КК(1)-1; в – КК(1)-3; г – КК(1)-2.

Существенные отличия, практически в 40 млн лет, U–Pb-изотопного возраста кристаллов перовскита одного парагенезиса (Перовскитовая копь), характеризующегося преобладанием разных габитусных форм, являются их важной спецификой. В настоящий момент возможно предполагать, что потери элементов изотопной системы и, соответственно, омоложение кубических кристаллов перовскита по сравнению с октаэдрическими обусловлено влиянием изменения объемов кристаллической ячейки при параморфном переходе кубического перовскита в ромбический. В качестве дополнительного источника возможного нарушения изотопной системы, можно предположить влияние процесса автоэпитаксического двойникования, сопровождающего этот переход.

Схожие значения возраста кристаллов перовскита из Зеленцовской копи были получены в работе [3] классическим U–Pb-методом изотопного разбавления. Разница в 60–90 млн лет между возрастом центральных зон кристаллов, подвергшихся абразивной обработке (536–527 млн лет) и возрастом кристаллов, не подвергшихся обработке (470–440 млн лет) принимается авторами за вероятную длительность низкоградного метаморфизма [3].

Необходимо подчеркнуть, что возрастные характеристики кристаллов перовскита из силикатно-кальцитовых пород, вскрытых Зеленцовской и Перовскитовыми копями, существенно отличаются от возраста габброидов Кусинско-Копанского интрузива, который оценивается в 1379 ± ± 8 млн лет [12]. Столь значительная разница во времени формирования габброидов и минерализованных карбонатных пород не позволяет считать последние продуктом скарнирования, инициированного внедрением габбро. Кроме того, для индивидов перовскита был установлен тренд распределения элементов–примесей, аналогичный таковому для кристаллов перовскита из карбонатитов и кимберлитов. Этот факт, свидетельствует о схожести процессов кристаллизации перовскита в исследуемых объектах с минералообразованием в щелочно-ультраосновных интрузивах, что в совокупности с результатами U–Pb-изотопного датирования кристаллов перовскита позволяет предполагать для перовскитсодержащих силикатно-кальцитовых пород эндогенное (карбонатитовое) происхождение копей.

Появление перовскитовой минерализации, не имеющей генетической связи с активным рифейско-вендским магматизом [1], указывает на развитие процессов эндогенной активности в пределах Западного склона Урала в раннем палеозое, что корреспондируется с данными В.М. Гекимянца [3]. Однако трактовка причин возникновения минерализованных зон, залегающих в габброидах Кусинско-Копанского интрузива и в доломитах саткинской свиты, остается дискуссионной. Новые результаты U–Pb-изотопного возраста перовскита ставят под сомнение скарновую модель формирования силикатно-кальцитовых жильных тел, а многочисленные минералогические и онтогенические наблюдения [8] свидетельствуют в пользу гипотезы о карбонатитовом генезисе исследуемых объектов. Для уточнения генезиса силикатно-кальцитовых тел с перовскитовой минерализацией наиболее важным результатом является определение U–Pb-изотопного возраста перовскита из высокотемпературного парагенезиса, содержащего форстерит и другие минералы, типичные для магнезиальных скарнов. Этот возраст (468 ± 6.4 млн лет) исключает существование раннего парагенезиса, связанного с воздействием габбро Кусинско-Копанского интрузива на вмещающие породы и противоречит как собственно скарновой модели минералообразования, так и двухстадийной модели с поздней низкотемпературной минеральной ассоциацией, наложенной на ранние скарны при низкоградном метаморфизме. Совокупность геологических наблюдений, результатов оценки распределения элементов-примесей в перовските в сочетании с онтогеническими наблюдениями свидетельствуют в пользу карбонатитовой природы силикатно-кальцитовых тел.

Установленный по результатам U–Pb-изотопного датирования возраст кристаллов перовскитов из силикатно-кальцитовых жильных пород не является уникальным для структурно-вещественных комплексов Башкирского антиклинория. Полученные результаты перекликаются с уже известными U–Pb-датировками методами SHRIMP и TIMS кристаллов циркона из субщелочных базальтоидов, относившихся к навышской и айской свитам нижнего рифея, а также машакской свите среднего рифея и игонинской свите терминального рифея. Все датировки кристаллов циркона укладываются в узкий интервал 435–455 млн лет [10]. Геологические наблюдения пород на р. Ушат позволили установить, что эти породы относятся не к дайковым комплексам, как считалось ранее, а к вулканическим образованиям. Для этих пород отмечаются цирконы, возраст которых также относится к ордовику-силуру [5]. Совокупность ранее полученных данных и новых результатов позволяет сделать вывод о явном существовании этапа раннепалеозойского диастрофизма в зоне Зюраткульского разлома западного склона Южного Урала, выраженного в проявлениях магматизма и метаморфизма, которые могут быть объяснены плюмовой деятельностью [9], хотя обоснование этого тезиса выходит за рамки статьи.