Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 2, стр. 180-187

ВВЕДЕНИЕ

Один из крупнейших в мире по размеру (100 км в диаметре) Попигайский метеоритный кратер, образовавшийся 35.7 млн лет назад [1], расположен в северо-восточной части Анабарского щита Сибирской платформы. Отличительными особенностями этого кратера являются хорошая сохранность и обнаженность импактных пород и высокие запасы в них импактных алмазов (местами до 100 кар/т, среднее – 23 кар/т; [1, 2]). Считается [1], что эти алмазы образованы в результате твердофазного перехода из графита исходных гнейсов при ударном сжатии и приурочены к зонам распространения зювитов (разновидность импактной брекчии) и тагамитов (разновидность импактной расплавленной породы).

Зювиты Попигайской астроблемы изучены в той или иной степени [3–5], но в отличие от тагамитов [2, 6], для зювитов до сих пор отсутствуют опубликованные данные по концентрациям главных и редких элементов в комплексе с элементами платиновой группы (ЭПГ) и Re. Более того, в опубликованных ранее работах термин “зювит” применен к совершенно разным типам пород, не все из которых соответствуют определению “зювит” по общепринятой международной классификации импактитов [7]. Например, в работе [4] выделены четыре разновидности зювитов, включающие в себя зювитовые пески и мегабрекчии,а также брекчии далдынской и парчанской серий. В работе [5] зювиты разделены на два главных семейства в зависимости от соотношения импактного стекла (витрокластов) и обломков пород и минералов (эпикластов), слагающих породу: витрокластические и эпикласто-витрокластические. Отсутствие систематических и представительных данных по составам зювитов в комплексе с применением термина “зювит” к разным типам пород затрудняет установить четкие петрогенетические отличия зювитов от других разновидностей импактитов Попигайской астроблемы, а также выявить различия в составах зювитов, расположенных в разных частях кратера.

Целью настоящей работы является определение вещественного состава образцов зювитов, соответствующих определению “зювит” согласно общепринятой международной классификации импактитов [7]. Определение концентраций главных и редких элементов, в том числе концентраций ЭПГ и Re, позволит выявить геохимические особенности зювитов и идентифицировать в их составах примесь метеоритного вещества.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы зювитов в количестве 10 штук были отобраны с поверхности в западной, южной и восточной частях кратера (рис. 1). Размер образцов составлял более 10*10 см. Все аналитические работы были сделаны в ЦКП Многоэлементных и изотопных исследований СО РАН (г. Новосибирск). Минералого-петрографические особенности зювитов были определены методами оптической (поляризационный микроскоп Axiolab 5 производства “CarlZeissMicroscopy”) и сканирующей (сканирующий микроскоп MIRA 3 LMU “Tescan Ltd.”, оснащенный системой микроанализа “INCA Energy” 450 ХМах-80 “Oxford Instruments Ltd.”) микроскопии. Минеральный состав зювитов определен методом рентгеновской дифрактометрии на автоматизированном поршневом димонохроматоре, с излучением CuK₂. Съемку вели в режиме напряжение 40 кВ, ток 24 мА. Предел обнаружения минерала в породе 1 об. %. Силикатный анализ для определения 15 основных породообразующих оксидов зювитов выполнен на рентгенофлуоресцентном спектрометре ARL-9900-XP. Определение концентраций 32 элементов-примесей, включая ЭПГ и Re, в валовых пробах выполнены на ИСП масс-спектрометре высокого разрешения ELEMENT фирмы “FinniganMat” (Германия) с ультразвуковым распылителем U-5000AT по методике, разработанной в ИГМ СО РАН [8]. Определение ЭПГ и Re было выполнено для шести образцов зювитов по методике [9, 10]. Полученные данные оценивались по стандартным образцам GP-13 и BHVO-2 и хорошо согласовались в пределах погрешности с литературными значениями [10], которая минимальна для Re – 2.6%, для остальных элементов – от 6.4 до 25%. Концентрации ЭПГ в контрольных опытах для Os и Pt составили 16 pg; Ir – 0.5; Ru – 2.1; Rh – 2.1; Pd – 10; Re –1 pg.

Рис. 1.

Места отбора образцов зювитов на геологической схеме Попигайского метеоритного кратера. Месторождения алмазов: 1 – Скальное, 2 – Ударное.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Все изученные образцы зювитов представляют собой литифицированную полимиктовую брекчию, которая содержит обломки импактных стекол (витрокласты), пород и минералов (в том числе имеющих признаки разных стадий ударного метаморфизма; эпикласты), сцементированные тем же тонкораздробленным материалом (матрикс), тем самым абсолютно соответствуя общепринятому термину “зювит” [5, 7, 11]. Соотношение (об. %) основных составляющих компонентов зювитов варьирует в различных образцах (рис. 2), но без каких-либо систематических отличий в зависимости от расположения в кратере: витрокласты – от 10 до 35 об. %; литокласты – до 10–15 об. %; кристаллокласты – 20–35 об. %; матрикс – от 20 до 65 об. %. Результаты рентгенофазового анализа показали, что преобладающими минеральными фазами в изученных зювитах являются кварц, плагиоклаз и калиевый полевой шпат; в меньшем количестве присутствуют смектиты, кристобалит, слюда, амфибол и пироксены. Методом сканирующей электронной микроскопии в зювитах дополнительно идентифицировано более двух десятков акцессорных минералов, в том числе гранат, ильменит, рутил, коэсит, циркон, монацит, апатит, сфен, шеелит, шпинелиды, редко сульфиды и единично самородное железо.

Рис. 2.

Фотографии плоскополированных пластинок образцов зювитов, отобранных в западной (обр. № 50/1), южной (обр. № 371/1) и восточной (обр. № 421) частях Попигайского метеоритного кратера.

По содержанию главных элементов изученные зювиты достаточно однородны и близки к тагамитам Попигайского кратера [2], отличаясь от них слегка более высокими концентрациями SiO₂ и значительно более высоким показателем LOI (1.3–6.7 мас. % для зювитов и 0.03–2.7 мас. % для тагамитов), а также более низкими содержаниями Al₂O₃, FeO, CaO и Na₂O (рис. 3). Изученные нами зювиты также отличаются от состава зювита, представленного в работе [6], который по концентрациям главных элементов идентичен тагамитам Попигайского кратера [2]. В целом на вариационных диаграммах составы зювитов занимают промежуточное положение между составами внутрикратерных гнейсов [2] и гнейсов Анабарского щита (рис. 3). В распределении Ni/Cr и Ni/Co в составах зювитов наблюдается неярко выраженная положительная корреляция (рис. 4); концентрации Ni (26–62 ppm) и Co (14–17 ppm) в зювитах соответствуют таковым в изученных ранее тагамитах [2], а содержания Cr систематически заметно более низкие (90–130 ppm в зювитах и 130–170 ppm в тагамитах). Необходимо отметить значительные отличия в составах тагамитов из работ [2] и [6]: тагамиты [6] содержат значительно более высокие концентрации Ni (63–147 ppm) и Co (23–32 ppm) при более низких, почти одинаковых для всех образцов содержаниях Cr (90–109 ppm; рис. 4). В целом по содержанию Ni, Co, Zn, V и Cu зювиты полностью соответствуют тагамитам и внутрикратерным гнейсам (по [2]) Попигайского кратера. Явных отличий зювитов от гнейсов Анабарского щита по концентрациям Ni, Cr и Co не наблюдается. По распределению редких (РЭ) и редкоземельных элементов (РЗЭ), нормированных на хондрит С1 [12], зювиты абсолютно однородны и идентичны тагамитам и внутрикратерным гнейсам (рис. 5): наблюдаются обеднение Sr и отрицательная Eu-аномалия (Eu/Eu* = 0.6–0.8), обогащение в области легких РЗЭ (La_n/Yb_n = 9–13) и субгоризонтальный спектр в области тяжелых РЗЭ. По концентрациям главных и редких элементов составы изученных зювитов сопоставимы со средним составом верхней континентальной коры (UCC по [13]).

Рис. 3.

Особенности валового состава (мас. %) зювитов Попигайского метеоритного кратера. Составы гнейсов Анабарского щита из [1, 3, 5, 6, 14, 16–20].

Рис. 4.

Распределение Ni/Cr и Ni/Co (г/т) в зювитах Попигайского метеоритного кратера. Составы гнейсов Анабарского щита из [1, 3, 5, 6, 14, 16–20].

Рис. 5.

Нормированные на хондрит [12] распределения редких и редкоземельных элементов в зювитах Попигайского метеоритного кратера.

Концентрации ЭПГ и Re в зювитах представлены в табл. 1. Суммарные содержания ЭПГ и Re различны для зювитов, отобранных в восточной, западной и южной частях кратера. Зювиты восточной части кратера (образцы 419/2 и 421, табл. 1) содержат наименьшие суммарные концентрации ЭПГ + Re (1.71–1.96 ppb), из которых на долю ЭПГ Ir- группы (Os + Ir + Ru) приходится 0.27–0.36 ppb, а Pd-группы (Rh + Pt + Pd) –1.0–1.4 ppb. Для сравнения с литературными данными [6] были использованы значения суммарных концентраций ЭПГ без Os и Re. По содержанию ЭПГ без Os и Re зювиты восточной части кратера идентичны образцу зювита из работы [6]. Для зювитов западной и южной частей кратера суммарные содержания ЭПГ + Re в 2–3 раза выше (3.05–5.37 ppb; Os + Ir + Ru = 0.73–1.91 ppb; Rh + Pt + + Pd = 1.64–3.14 ppb), чем для образцов из восточной части, но суммарные концентрации ЭПГ без Os и Re (2.66–4.63 ppb) в два раза ниже, чем определенные ранее для тагамитов кратера (среднее 7.5 ppb; [6]). Суммарные значения ЭПГ без Os и Re в зювитах восточной части (1.46 ppb) в пять раз ниже по сравнению с таковыми в тагамитах [6]. Нормированные на хондрит C1 [12] спектры распределения ЭПГ и Re в шести образцах зювитов (рис. 6) показывают относительно плоское, подобное хондриту распределения ЭПГ, но обогащение в области Re. В сравнении с гнейсами Анабарского щита [6] зювиты западной и южной части Попигайского кратера в два-три раза обогащены суммарными концентрациями Ir, Ru, Rh, Pt и Pd (рис. 6); в зювитах восточной части кратера такого обогащения не наблюдается (рис. 6). По сравнению со средним составом пород UCC [13] все изученные зювиты обогащены Os и Ir. Концентрации Re во всех образцах зювитов соответствуют таковым для UCC [13].

Рис. 6.

Нормированные на хондрит [12] распределения (а) элементов группы платины и Re в зювитах Попигайского метеоритного кратера и (б) средних концентраций Ir, Ru, Rh, Pt, Pd в зювитах западной, южной и восточной частей кратера.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ранее [5] было установлено, что по сравнению с тагамитами валовый состав зювитов может показывать более значительные вариации концентраций главных элементов, что связывается с присутствием разного количества и типа литокластов в образцах. Полученные нами данные по концентрациям главных и редких элементов в образцах зювитов из разных частей Попигайского кратера показывают абсолютное сходство их составов. Близкие значения валового состава и идентичность нормированных на хондрит спектров распределения РЭ и РЗЭ зювитов и тагамитов [2, 6, 14] позволяют установить для них одинаковый или близкий по составу тип исходной породы. Высокие содержания SiO₂, соотношения концентраций FeO_tot, MgO и Na₂O + K₂O, высокие значения La_n/Yb_n, обеднение по Sr, наличие ярко выраженной отрицательной Eu-аномалии, а также значения соотношений Zr/TiO₂(0.03–0.04) и Nb/Y (0.3–0.5) исключают основной и ультраосновной состав исходной породы как для изученных зювитов, так и для тагамитов из работ [2, 6, 14] и подтверждают, что гнейсы верхнеанабарской и хапчанской серий Анабарского щита были исходными породами для изученных импактитов.

Все изученные образцы зювитов обогащены Ir относительно UCC (рис. 6), что является одним из свидетельств того, что ЭПГ не были унаследованы от коровых пород. Дополнительно, такой плоский спектр распределения ЭПГ (рис. 6) не характерен для коровых пород, которые обеднены Ir и Ru относительно Pd. Подобный С1-хондриту стиль распределения ЭПГ типичен для мантийных пород [6], но рассматривать их в качестве источника ЭПГ для зювитов невозможно, так как концентрации главных и редких элементов в зювитах исключают какую-либо примесь пород этого типа в их составах. Более того, концентрации Re в зювитах сопоставимы с таковыми для UCC (0.2 ppb) и ниже, чем определенные для базальтов (0.5 ppb [15]). Концентрации ЭПГ в зювитах показывают хорошую положительную корреляцию (рис. 7), что свидетельствует об их одинаковом источнике [6]. Таким образом, обогащение ЭПГ в зювитах западной и южной части Попигайского кратера относительно пород мишени может быть интерпретировано только как примесь метеоритного вещества. Согласно [6], максимальная примесь метеоритного вещества (источник определен как L-хондрит) в тагамитах кратера составляет ~0.2 мас. %; очевидно, что в изученных зювитах количество примеси метеорита-ударника предполагается в несколько раз меньше.

Рис. 7.

Корреляции Os, Ru, Pt и Pd относительно Ir в зювитах Попигайского метеоритного кратера.

Полученные ранее данные по концентрациям ЭПГ в тагамитах Попигайского кратера, точно определенные как примесь метеоритного вещества, а не пород основного-ультраосновного состава, показывают их неоднородность: например, содержания Ir варьируют в пределах 0.08–1.56 ppb [16], 0.4–2.3 ppb [6] и ~0.06 ppb [17]. Анализ данных из [16] показал, что наибольшие концентрации Ir (1.49–1.55 ppb) зафиксированы в тагамитах, отобранных в западной и северо-западной части Попигайского кратера, в районе обнажения импактитов вдоль реки Рассоха. Образцы тагамитов из [6], показывающие наибольшее обогащение Ir, Ru, Rh, Pt и Pd относительно пород мишени, также были отобраны из крупного обнажения импактитов вдоль реки Рассохи, по-видимому, вблизи места отбора образцов из [16]. При этом наименьшие содержания Ir (0.08 ppb) в тагамитах из [16] идентифицированы в образцах восточной части кратера, вблизи мест отбора образцов зювитов 419/2 и 421, которые показывают наименьшие концентрации ЭПГ среди всех изученных нами образцов. Несмотря на то что концентрации и Ir и ЭПГ в целом в изученных в настоящей работе зювитах ниже, чем таковые, определенные ранее для тагамитов, тенденция в уменьшении концентраций ЭПГ в образцах от западной, к южной и далее восточной части Попигайского кратера, подобная тагамитам, в зювитах также наблюдается. Приведенные данные свидетельствуют о неравномерном распределении примеси метеоритного вещества в импактных породах Попигайского кратера. Интересен тот факт, что наибольшие концентрации ЭПГ в импактитах обнаружены в образцах, отобранных в тех районах кратера, где в больших количествах обнаружены импактные алмазы: западная и северо-западная часть кратера, в том числе вдоль долины реки Рассохи (по [16]), и район месторождения Скальное (по [1]). В восточной же части кратера, где импактиты содержат наименьшие концентрации ЭПГ, концентрации алмазов значительно меньшие. Тем не менее этот факт, безусловно, в будущем должен быть подтвержден (или опровергнут) более масштабным изучением концентраций ЭПГ в импактитах, отобранных в районах кратера с разными как установленными содержаниями алмазов, так и с предварительно оцененными (по [1]).