Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 2, стр. 194-201

На Полярном Урале в основании докембрийского стратиграфического разреза залегают породы, выделяемые в составе харбейского гнейсо-мигматитового комплекса. Они представлены (снизу вверх) марункеуской (эклогиты, амфиболиты, гнейсы), ханмейхойской (амфиболиты, плагиогнейсы), лаптаюганской (амфиболиты, плагиогнейсы, кварциты, мрамора) и париквасьшорской (кристаллические сланцы, плагиогнейсы) свитами. Породы распространены в Харбейском и Марункеуском блоках и занимают крайне восточное положение в пределах Центрально-Уральской тектонической зоны. Некоторыми исследователями предложено рассматривать образования, развитые в составе Марункеуского блока [6, 10] или марункеуской свиты [2] в качестве отдельного марункеуского эклогит-амфиболит-гнейсового комплекса, так как они, по их мнению, имеют свою отличительную историю развития. Согласно материалам IV Уральского межведомственного стратиграфического совещания [8], стратифицированные образования ханмейхойской свиты отнесены к раннепротерозойским породам, чему способствовали изотопно-геохронологические датировки по зернам циркона из гнейсов – 2200–1730 млн лет [4, 6], полученные с помощью метода термоионной эмиссии (²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb-возраст, Харбейский блок). Сторонники палеопротерозойского возраста метаморфитов считают, что породы комплекса претерпели полиметаморфизм в условиях гранулитовой (2.2 млрд лет назад по циркону гранулитового типа) и амфиболитовой (1.96–1.64 млрд лет назад по циркону мигматитового типа) фаций, а “активная жизнь” их завершилась к концу венда–началу кембрия [6]. В результате U/Pb-датирования зерен циркона (SHRIMP II) из альбитовых и гранитизированных гранат-содержащих амфиболитов и плагиогнейсов ханмейхойской свиты, развитых в западной части Харбейского и Марункеуского блоков харбейского метаморфического комплекса, сотрудниками ВСЕГЕИ (г. Санкт-Петербург) минералы с раннепротерозойскими возрастами не выявлены, а полученные значения разделились на три кластера – 577–678 млн лет, 502–556 млн лет и 412–431 млн лет [3]. Первый кластер, по мнению исследователей, соответствует возрасту протолита метаморфитов, а второй и третий – двум метаморфическим событиям. Полученные результаты по датированию циркона сильно разнятся, поэтому проблемы возраста протолита и времени проявления метаморфических событий пород харбейского комплекcа остаются открытыми.

Для выявления возраста метаморфизма, в результате которого стратифицированные породы харбейского метаморфического комплекса приобрели современный облик, впервые проведены Sm/Nd- и ⁴⁰Ar/³⁹Ar-изотопно-геохронологические исследования амфиболитов (метабазальтов [11]) ханмейхойской свиты в Харбейском блоке.

Изучение амфиболитов в Харбейском блоке показало, что в центральной его части (среднее течение р. Б. Харбей) имеются выходы массивных и слабосланцеватых среднезернистых безгранатовых амфиболитов (далее – безгранатовые амфиболиты), а в западной части (руч. М. Харбей, Ольховый, Амфиболитовый) распространены сланцеватые средне- и мелкозернистые гранат-содержащие разновидности (далее – гранат-содержащие амфиболиты) (рис. 1).

Рис. 1.

Схематическая геологическая карта Харбейского блока харбейского метаморфического комплекса (с использованием материалов [2]). 1–3 – харбейский метаморфический комплекс: 1 – париквасьшорская свита, 2 – лаптаюганская свита, 3 – ханмейхойская свита; 4 – верхнепротерозойские отложения западной тектонической зоны, 5 – палеозойские породы Тагило-Магнитогорской зоны; 6 – мезозойские отложения Западно-Сибирской платформы; 7 – гранито-гнейсы; 8–9 – разрывные нарушения: 8 – главные (а – ГУР, б – шарьяж), 9 – второстепенные (а – надвиги, б – неустановленной морфологии); 10 – граница между свитами; 11 – зоны развития безгранатовых (а) и гранатовых (б) амфиболитов, в – точки отбора проб для датирования.

Безгранатовые амфиболиты (рис. 2 а, б) перемежаются с биотитовыми плагиогнейсами и имеют четкие с ними контакты. Они состоят (в об. %) из зеленого амфибола чермакит-гастингситового ряда (40–60), плагиоклаза (андезин, олигоклаз) (40–50), кварца (1–5), клиноцоизита (0–2), апатита (1), титанита (0–3), ильменита (1), титаномагнетита (1–2) и халькопирита (0–1). Содержание анортитового компонента в плагиоклазе варьирует от 21 до 33%. В некоторых породах в плагиоклазе наблюдаются понижение содержания анортитового компонента в краевых зонах минерала и замещение ильменита титанитом. РТ-условия метаморфизма, рассчитанные по плагиоклаз-амфиболовым геотермометру [18] и геобарометру [12], отвечают амфиболитовой фации умеренных и повышенных давлений (615–685°C; 6–8 кбар).

Рис. 2.

Слабосланцеватые и массивные безгранатовые (а и б) и сланцеватые гранат-содержащие (в и г) амфиболиты. А, б – с анализатором; в, г – без анализатора. Amp – амфибол, Pl – плагиоклаз, Alm – альмандин, Czo – клиноцоизит, Qz – кварц, Rt – рутил, Ilm – ильменит.

Среди гранат-содержащих амфиболитов распространены слюдистые плагиогнейсы часто клиноцоизит-содержащие. Контакты между породами четкие. Амфиболиты (рис. 2 в, г) состоят (в об. %) из зеленого амфибола (чермакит) (30–60), граната пироп-гроссуляр-альмандинового состава (0–15), кислого плагиоклаза (альбита, олигоклаза) (3–40), клиноцоизита (1–15), кварца (1–5), мусковита (0–5), биотита (0–5), титанита (до 1–2), рутила (до 1), циркона (доли процентов), апатита (1–2), титаномагнетита (1–2) и ильменита (1–2). В гранатах наблюдается прогрессивная зональность, выраженная в повышении содержания магния и понижении марганца от центра к периферии. В породах, распространенных по руч. Амфиболитовый и Ольховый, гранаты имеют сложную зональность: количество марганца сначала уменьшается, а ближе к краю увеличивается, что может указывать на смену прогрессивного метаморфизма регрессивным. На это также может указывать последовательное замещение ильменита рутилом, который в свою очередь обрастает титанитом. Пиковые условия метаморфизма, рассчитанные согласно гранат-амфиболовому геотермометру [17] по краевым зонам прогрессивно-зональных гранатов и амфиболов достигали 575–615°C. Значения температуры и давления, полученные по плагиоклаз-амфиболовым гетермометру [18] и геобарометру [12], составляют соответственно 630–640°C и 11–13 кбар.

Таким образом, амфиболиты ханмейхойской свиты харбейского комплекса испытали прогрессивный метаморфизм, достигающий условий амфиболитовой фации умеренных и повышенных давлений, сменяющийся в дальнейшем, по-видимому, на регрессивный. Намечается зональность по метаморфизму: с востока на запад от безгранатовых амфиболитов к гранат-содержащим метаморфитам, существенно увеличивается давление и незначительно уменьшается температура.

Sm/Nd-изотопно-геохронологические исследования безгранатовых и гранат-содержащих амфиболитов проводились в Геологическом институте КНЦ РАН (Апатиты). Определение концентраций Sm, Nd и изотопного состава неодима выполнено в 2 образцах породы в целом (WR) и в 4 минеральных монофракциях (чермакит (2), плагиоклаз и гранат). Величина отношения ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd для пород более чем на 10% превышает среднекоровое отношение ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd (0.12), поэтому для вычисления модельного возраста применялась двухстадийная модель по [18], согласно которой протолиты пород имели первичное отношение ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd = 0.12. Среднее значение отношения ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd в стандарте JNd_i-1 за период измерений составило 0.512083 ± 15 (n = 10). Ошибка в ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd отношениях составляет 0.3% (2σ) – среднее значение из 7 измерений в стандарте BCR-2. При расчете изохрон использовались реальные ошибки измерения изотопного состава Nd, но не ниже уровня воспроизводимости измерения изотопного состава Nd в индивидуальном анализе (0.003%). Холостое внутрилабораторное загрязнение по Nd равно 0.3 нг, по Sm равно 0.06 нг. Точность определения концентраций Sm и Nd – ±0.5%. Изотопные отношения были нормализованы по отношению ¹⁴⁶Nd/¹⁴⁴Nd = = 0.7219, а затем приведены к принятому отношению ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd в стандарте JNd_i-1 = 0.512115. Вычисление параметров изохрон проводилось с помощью программного комплекса ISOPLOT [20].

⁴⁰Ar/³⁹Ar-датирование амфибола из безгранатового амфиболита проведено в Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения РАН (Новосибирск). Для проведения ⁴⁰Ar/³⁹Ar-исследований методом ступенчатого прогрева используется кварцевый реактор с малоинерционной печью внешнего прогрева [9]. Навеска минеральной фракции амфибола совместно с навесками биотита МСА-11 (ОСО № 129–88), используемого в качестве монитора, заворачивались в алюминиевую фольгу, помещались в кварцевую ампулу и после откачки из нее воздуха запаивались. Биотит МСА-11, подготовленный ВИМС в 1988 г. как стандартный K/Ar-образец для K/Ar-метода датирования, был аттестован в качестве ⁴⁰Ar/³⁹Ar-монитора с помощью международных стандартных образцов мусковита Bern4m, биотита LP-6, для которых были приняты значения возраста 18.51 и 128.1 млн лет соответственно [14]. В качестве интегрального возраста биотита МСА-11 принято среднее значение результатов калибровки, составившее 311.0 ± ± 1.5 млн лет. Кварцевые ампулы с пробами облучались в кадмированном канале реактора BBP-К типа при Томском политехническом институте. Градиент нейтронного потока не превышал 0.5% в размере образца. Эксперименты по ступенчатому прогреву проводились в кварцевом реакторе с печью внешнего прогрева. Холостой опыт по ⁴⁰Ar (10 мин при 1200°C) не превышал 5 × 10^–10 нсм³. Очистка аргона производилась с помощью ZrAl SAES-геттеров. Изотопный состав аргона измерялся на масс-спектрометре Noble gas 5400 фирмы Микромасс (Англия). Ошибки измерений, приведенные в тексте, в таблицах и на рисунках, соответствуют интервалу ±1σ.

Результаты Sm/Nd-изотопного исследования амфиболитов показали, что плагиоклаз, амфибол и порода безгранатового амфиболита образуют минеральную изохрону с возрастом 367 ± 40 млн лет при СКВО = 0.9 (рис. 3 а). Гранат, плагиоклаз и порода гранат-содержащего амфиболита также образуют изохрону с возрастом 392 ± 23 млн лет при СКВО = 0.2 (рис. 3 б). Полученные возрасты в пределах погрешности совпадают. Модельные возрасты Т(DM2) – 1.07 и 1.13 млрд лет для обоих типов амфиболитов также идентичны (табл. 1). Схожие значения модельного возраста Т(DM) – 1.0–1.2 млрд лет получены для пород Марункеуского блока [16]. Если допустить, что радиогенный Nd не выносился из породы при метаморфизме, то не исключено, что Т(DM2), соответствующий границе среднего и позднего рифея, маркирует для метабазитов нижний возрастной предел времени формирования протолита. Положительные значения ε_Nd(T) – 0.8; 0.4, близкие к нулю, свидетельствуют о том, что магмогенерация производилась из слабо деплетированной мантии, схожей по составу с хондритовым резервуаром.

Рис. 3.

Изохронная диаграмма ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd – ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd для безгранатового амфиболита, плагиоклаза и амфибола (а) и гранат-содержащего амфиболита, граната и амфибола (б).

В ⁴⁰Ar/³⁹Ar-возрастном спектре амфибола из безгранатового амфиболита выделяется кондиционное плато (рис. 4), характеризующееся значением возраста 345.8 ± 4.7 млн лет, СКВО = 0.36, 96.9% выделенного ³⁹Ar, Ca/K ~ 30. ⁴⁰Ar/³⁹Ar-датировка в пределах погрешности совпадает с Sm/Nd-минеральной изохроной по этим же амфиболитам.

Рис. 4.

Результаты⁴⁰Ar/³⁹Ar-датирования амфибола из безгранатового амфиболита ханмейхойской свиты харбейского метаморфического комплекса. Приведены возрастные и Ca/K-спектры.

Близкие значения возрастов получены по минералам из эклогитов и амфиболитов района Слюдяной горки Марункеуского блока (366 ± 9 млн лет, Sm/Nd-метод по гранату, клинопироксену и породе [13], 355 ± 1 млн лет (среднее для 15 Rb/Sr- и одной Sm/Nd-изохронной датировки по слюдам, амфиболу и омфациту [15]). Для гипабиссальных образований мусюрского комплекса (дайки, силлы долеритов, эссексит-долеритов, диоритов, монцодиоритов и лампрофиров) Войкарской зоны ⁴⁰Ar/³⁹Ar-методом по плагиоклазам и амфиболам получены датировки в диапазоне 313–349 млн лет [7].

Широкий диапазон датировок от 308 до 424 млн лет фиксируется по мусковиту, биотиту и амфиболу, полученных K/Ar-методом [10]. Близкие, хотя и с большой ошибкой, значения возраста установлены для глаукофановых сланцев (347 ± 72 млн лет, Rb/Sr-метод (по валу) [1]) войкарско-кемпирсайского комплекса тектонитов, контролирующих зону ГУР. Более древние значения возраста получены по каймам циркона из альбитового амфиболита ханмейхойской свиты западной зоны Харбейского блока (412–431 млн лет, руч. Ровный, U/Pb-метод (SHRIMP II) [3]).

Согласно модели, разработанной [5] в результате изучения апогаббровых эклогитов и перидотитов Марункеуского блока, субдукционные процессы, начавшиеся в силуре к востоку от Балтики, сменились обдукционными. Радикальная перестройка могла быть вызвана погружением края палеоконтинента под островную дугу и заклиниванием зоны субдукции. Стратифицированные породы харбейского метаморфического комплекса, возможно представляющие собой к тому времени фрагмент передовой части окраины палеоконтинента, во время погружения находились на разных уровнях и метаморфизовались в разных термодинамических условиях, соответствующих амфиболитовой фации умеренных и повышенных давлений.

Сводка полученных в настоящей работе и опубликованных датировок, за исключением характеризующихся слишком большой неопределенностью и значительно более древних [3], собрана на термохронологической диаграмме (рис. 5), где в зависимости от возраста отложена либо температура закрытия изотопной системы, либо оцененное на основе минеральных термометров значение температуры формирования соответствующих минеральных парагенезисов.

Рис. 5.

Сводная термохронологическая диаграмма для пород и минералов харбейского метаморфического комплекса (настоящая работа), мусюрского магматического комплекса Войкарской зоны [7], марункеуского комплекса [13, 15].

Изотопные датировки эклогитов марункеуского комплекса (Rb/Sr-, Sm/Nd-методы) и амфиболитов харбейского комплекса (Sm/Nd-метод) согласуются в пределах ошибки и, по всей видимости, являются оценкой возраста (355–367 млн лет, см. рис. 5) этапа перестройки режима субдукции, связанного с погружением в зону субдукции края палеоконтинента. Это привело к быстрому подъему пород метаморфических комплексов к поверхности. Возраст быстрой эксгумации (348 ± 3 млн лет (средневзвешенный возраст по трем датировкам), см. рис. 5), с одной стороны, фиксируется по амфиболу из амфиболитов харбейского комплекса, с другой – датировками по амфиболу и плагиоклазу из гипабиссальных магматических пород мусюрского комплекса.

Можно предположить, что более древние значения возраста (412–431 млн лет), полученные по каймам циркона из альбитового амфиболита ханмейхойской свиты западной зоны Харбейского блока, соответствуют либо более раннему этапу метаморфизма, либо началу термальной эволюции одного палеозойского метаморфического события в ханмейхойской свите.

Таким образом, в результате впервые проведенных Sm/Nd- и ⁴⁰Ar/³⁹Ar-изотопно-геохронологических исследований амфиболитов ханмейхойской свиты Харбейского блока харбейского гнейсо-мигматитового комплекса установлено, что метаморфические изменения, достигающие условий амфиболитовой фации умеренных и повышенных давлений, в результате которых породы прибрели современный облик, происходили в девоне и обусловлены, по-видимому, проявлением коллизионно-обдукционных процессов при формировании уральского орогена. Регрессивная стадия метаморфизма и быстрая эксгумация комплекса начались в раннем карбоне 348 ± 3 млн лет назад.

Судя по модельному возрасту амфиболитов, соответствующему границе среднего-позднего рифея, харбейский метаморфический комплекс, а возможно и отложения Полярного Урала, не древнее этого времени. Отнесение ханмейхойской свиты к раннепротерозойскому стратону является, по-видимому, ошибочным.