Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 1, стр. 55-62

Традиционно источниками поступления обломочного материала в осадочные бассейны Сибирской платформы считаются породы ее раннедокембрийского фундамента, а так же магматические и вулканические образования, связанные с различными этапами ее тектоно-магматической активизации. В результате их разрушения происходило накопление осадков, где, как правило, обломки кварца значительно преобладали над другими. При этом встречаются обломочные породы, где господствующее место среди обломков занимают калиевые полевые шпаты при подчиненном количестве кварца и других компонентов. Эта особенность их минерального состава остается без должного внимания. При этом, как известно, обломочные породы, обогащенные калиевым полевым шпатом, образуются при эксплозивном трахитовом вулканизме и/или при разрушении высококалиевых вулканических пород и маркируют в осадочной летописи импульсы вулканизма во внутриплитных обстановках.

В рамках решения проблемы диагностики продуктов высококалиевого вулканизма в осадочных разрезах нами начаты работы по изучению минерального состава, в том числе с помощью сканирующего электронного микроскопа, геохимических характеристик высококалиевых пород в осадочных комплексах Сибирской платформы и U–Pb-датирования цирконов в них. Так, ранее нами диагностированы продукты трахитового вулканизма, включая лавы лампроитовой серии, в триасовых (235 млн лет) отложениях осипайской свиты Оленекского поднятия [1].

В данной работе мы остановим свое внимание на позднедокембрийских красноцветных обломочных породах, относимых к карагасской серии Бирюсинского выступа Сибирской платформы (рис. 1), которые характеризуются высокими содержаниями К₂О (5–14%) и низкими Na₂O (табл. 1). Высококалиевые породы ни в одном из изученных нами коренных обнажений не находятся в контакте с осадочными породами карагасской серии, а представляют собой отдельные, часто протяженные, обособленные фрагменты красноцветных последовательностей. В них наблюдается переслаивание обломочных пород от мелко- до грубозернистых, с текстурами от массивных до слоистых. Повсеместно встречаются конглобрекчии гравелитовой размерности, где среди обломков при петрографических исследованиях определены измененные обломки вулканических пород. Высококалиевые породы резко отличаются по минеральному составу от кварцевых и кварц-двуполевошпатовых терригенных отложений карагасской серии. По данным рентгенофазового анализа в высококалиевых породах отмечено преобладание калиевых полевых шпатов (45–65%) над кварцем (10–35%). Плагиоклаза в этих породах среди обломков не обнаружено. В осадочных породах карагасской серии кварц является доминирующим среди обломков, наряду с калиевым полевым шпатом в большом количестве присутствует плагиоклаз. При этом количество обломков полевых шпатов не превышает 25% от общей массы обломков. Источниками сноса для терригенных пород карагасской серии Бирюсинского выступа предполагаются породы фундамента Сибирской платформы – палеопротерозойские метаморфические породы сублукской серии и прорывающие их граниты саянского комплекса (рис. 1). Однако отмечаются значительные различия в минеральном (рис. 2) составе пород сублукской серии, гранитов саянского комплекса и высококалиевых обломочных пород карагасской серии. Если разделение полевых шпатов и слюд в результате разрушения и транспортировки пород предполагаемых источников сноса до бассейна осадконакопления возможно объяснить активной гидродинамикой среды седиментации, то отделение плагиоклазов от калиевых полевых шпатов во время их транспортировки от места разрушения до их аккумуляции невозможно. Поэтому очевидно, что ни граниты, ни кристаллические сланцы не могли быть поставщиками обломочного материала при образовании высококалиевых пород Бирюсинского Присаянья.

Рис. 1.

Схема геологического строения Бирюсинского Присаянья. 1 – бирюсинская свита, PR₁; 2 – сублукская свита, PR₂; 3 – Саянский интрузивный комплекс, PR₂; 4 – Бирюсинский интрузивный комплекс, PR₂; 6 – карагасская серия, R₃; 5 – оселковая серия, V; 7 – усть-тагульская свита, ${{ \in }_{1}}$; 8 – палеозойские породы Сибирской платформы; 9 – место отбора пробы высококалиевых пород на U–Pb-датирование цирконов и минералогических исследований; 10 – места отбора проб высококалиевых пород для проведения минералогических исследований. На врезке серый квадрат – район проведения исследований. Черные квадраты – выходы позднедокембрийских щелочных и высококалиевых пород юго-западной части Сибирской платформы: 1 – лампроиты, 2–4– щелочные породы Белозиминского, Жидойского, Большетагнинского массивов, 5–6 – ультракалиевые трахиты, 7 – слюдяные пикриты [10].

Рис. 2.

Составы породообразующих минералов высококалиевых пород Бирюсинского Присаянья и пород возможных источников поступления обломочного материала на основе данных сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA (ЦКП МИИ СО РАН).

Возможными источниками обломочного материала для высококалиевых пород могли являться позднерифейские щелочные и высококалиевые магматические и вулканические породы Бирюсинского Присаянья (рис. 1). Они имеют существенные различия в петрохимических характеристиках с породами фундамента Сибирской платформы; отмечено сходство в их составах с позднерифейскими трахитами Присаянья и шонкинитами Большетагнинского массива (рис. 3, табл. 1). Их характерными особенностями являются повышенные концентрации TiO₂, MgO, CaO, K₂O, P₂O₅ и крайне низкими содержаниями Na₂O относительно пород фундамента Сибирской платформы и осадочных пород карагасской серии (табл. 1). С силикатными щелочными породами Белозиминского массива основное различие заключается в существенном преобладании натрия в них, который входит в состав клинопироксенов и щелочных амфиболов; полевые шпаты представлены только калиевым полевым шпатом, а плагиоклазы отсутствуют [2]. Таким образом, потенциальными источниками поступления обломочного материала при образовании высококалиевых пород могли послужить щелочные и высококалиевые магматические и вулканические породы Бирюсинского Присаянья. Остановимся более детально на минеральном составе изучаемых пород и на особенностях их строения.

Рис. 3.

Сопоставление петрохимических характеристик высококалиевых пород и возможных источников поступления обломочного материала. 1 – изучаемые высококалиевые породы Бирюсинского Присаянья, 2 – кристаллические сланцы сублукской свиты, 3 – двуслюдяной гранит Бирюсинского массива [11], 4 – нефелиновые сиениты Белозиминского массива [2], 5 – трахиты Присаянья [12], 6 – шонкинит Большетагнинского массива, 7 – кварц-полевошпатовый песчаник карагасской серии.

При минералогических исследованиях с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA (ЦКП МИИ СО РАН) были изучены красноцветные породы, ранее традиционно относимые к базальным слоям карагасской серии (левый приток р. Уват), средней части этой серии в среднем течении р. Туманшет и верхней части разреза в районе р. Мара (рис. 1). Для всех изученных пород характерны неокатанные формы лито- и кристаллокластов; последние часто сохранили свой кристаллографический облик, что однозначно указывает на отсутствие транспортировки обломочного материала в бассейн седиментации. В кварц-полевошпатовых песчаниках карагасской серии все обломки хорошо окатаны и сортированы.

Установлено два типа минерального проявления КПШ в высококалиевых породах – крупные зональные кристаллокласты с повышенными концентрациями Ва в центральной части зерен и основная минеральная фаза в раскристаллизованной стекловатой массе. В обоих случаях в них отмечены низкие содержания Na, менее 0.1 вес. %. В КПШ второго типа отмечено прорастание идиоморфного ромбического доломита с высокой анкеритовой составляющей. В этих доломитах часто встречаются включения калиевого полевого шпата. Среди акцессорных минералов преобладают фторапатит с повышенными содержаниями РЗЭ, циркон с высокими концентрациями Th, магнетит, ниобий-содержащий рутил, монацит, синхизит. Установлены футлярные минералы с идиоморфной формой, где в центре находится КПШ, средняя оболочка представлена апатитом с высоким содержанием РЗЭ и внешняя оболочка – нередкоземельный апатит. Таким образом, особенности химического и минерального состава изученных пород и минералов позволяют считать, что источниками обломочного материала для них послужили продукты высококалиевого вулканизма. Как таковыми эти отложения осадочными не являются, а представляют собой вулканомиктовые породы, образовавшиеся в результате эксплозивного вулканизма, где крупные лито- и кристаллокласты находятся в стекловатой раскристаллизованной калиевополевошпатовой массе.

На основе U–Pb-датирования цирконов из вулканомиктовых высококалиевых пород в районе реки Уват (54°50′48″ с.ш., 98°44′31″ в.д.) оценен их возраст. Определение U–Pb-возраста цирконов проводилось методом LA–ICP–MS в ГЕОХИ РАН на масс-спектрометре Element XR (“ThermoFinnigan”) с системой лазерной абляции UP-213 (“NewWaveResearch”). В качестве стандарта использовался стандарт GJ-1, а независимая проверка корректности измерений проводилась по стандарту 91500. Было изучено 95 зерен цирконов, из них 5 имели дискордантность выше 5% и были исключены из дальнейшего рассмотрения. Наиболее древние цирконы имеют архейские и палеопротерозойские возрасты (рис. 4). Небольшая популяция представлена цирконами неопротерозоя (около 720 млн лет). Возраст основной популяции цирконов (более 40 зерен) оценен в интервале 630–650 млн лет, средневзвешенное значение возраста составляет 640 млн лет (рис. 4). Зерна этой популяции имеют кристаллографический облик и четкую осцилляторную зональность. Таким образом, можно считать, что время проявления высокалиевого вулканизма в пределах Бирюсинского выступа Сибирской платформы происходило на рубеже 640 млн лет. Этот вывод согласуется с данными по возрасту проявления щелочного магматизма в пределах этого древнего выступа. Породы Белозиминского карбонатитового массива имеют возраст кристаллизации на основе U–Pb-датирования цирконов из сиенитов – 643 ± 4 млн лет [3], U–Pb-датирования гранатов из ийолитов – 645 ± 6 млн лет [4], Ar–Ar-методом по флогопиту из карбонатитов – 645 ± 6 млн лет [5]; и Жидойский комплекс на основе U–Pb-датирования цирконов – 632 ± 2 млн лет [3]. На интенсивное проявление в позднем рифее высококалиевого и щелочного магматизма и вулканизма на этой территории также указывали в своих работах К.Н. Егоров и соавт. [6]. Следует отметить, что в пострифейских песчаниках Бирюсинского Присаянья на основе U–Pb-датирования цирконов так же выявлен пик, отражающий значительное присутствие среди источников сноса пород с возрастом 600–650 млн лет [7, 8]. Столь широкое проявление такого магматизма и вулканизма на юге и юго-западе Сибирского кратона связывают с распадом суперконтинента Родинии в позднем докембрии в интервале 700–600 млн лет [3]. В это время (630–725 млн лет) вдоль края отделяющегося Сибирского континента формировались рудоносные карбонатитовые и ультрамафит-мафитовые магматические комплексы, которые рассматриваются как производные мантийных плюмов [9].

Рис. 4.

Результаты U–Pb-изотопного датирования цирконов высококалиевых пород Бирюсинского Присаянья.

О связи высококалиевых пород Бирюсинского Присаянья с производными мантийных расплавов указывают Lu–Hf-изотопные данные для популяции позднерифейских цирконов (44 зерна). Исследование Lu–Hf-изотопного состава цирконов из высококалиевых пород Бирюсинского Присаянья было проведено на масс-спектрометре NuPlasma HR multi-collector с системой лазерной абляции NewWave LUV 213, в изотопной лаборатории Университета г. Осло (Норвегия). Первичное отношение изотопов гафния в наиболее молодой популяции цирконов высококалиевых пород Бирюсинского Присаянья варьирует в диапазоне от 0.282883 до 0.282591 при εHf от +18 до +2.3, указывая на участие различных источников вещества – корового и мантийного – в их образовании (табл. 2). Основная группа (38 зерен) представлена цирконами с отношением ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf = 0.282621–0.282883, εHf = +8.8…+18.0. Первичные изотопные составы гафния в этих цирконах близки к параметрам умеренно деплетированной литосферной мантии.

Незначительная часть цирконов (6 зерен) имеет более низкие значения отношений ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf = = 0.282457–0.282591 при εHf = +2.3…+7.2, указывая на их связь с породами нижнекорового происхождения. При этом строго разграничить близкие по возрасту цирконы с различными изотопными данными не представляется возможным. В данном случае можно судить об изотопно-гетерогенной природе источника поступления материала при формировании высококалиевой пирокластики, в результате ассимиляции мантийных расплавов с коровым веществом при проявлении эксплозивного вулканизма. Это заключение хорошо согласуется с результатами исследования отношения изотопов гафния и εHf, для цирконов и бадделеитов мантийного происхождения из Якутской алмазоносной кимберлитовой провинции Сибирской платформы [10].

Таким образом, проведенные исследования позволили выявить обширное проявление высококалиевого вулканизма в интервале 630–650 млн лет, связанного с магматическими событиями мантийного генезиса на юге Сибирской платформы. Происхождение и время образования этих пород не позволяют соотносить их с нормально-осадочными кварцевыми и кварц-полевошпатовыми позднерифейскими песчаниками карагасской серии, которые накапливались древнее в осадочном бассейне при пассивном тектоническом режиме в пределах Бирюсинского Присаянья.