Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 2, стр. 165-176

Полимиктовые конгломераты широко распространены в Карельской провинции Фенноскандинавского щита [1, 2]. Они маркируют важные геодинамические события на рубеже архея и протерозоя и начинают новый этап осадконакопления после длительного перерыва. Полимиктовые конгломераты, занимающие стратиграфическую позицию между архейскими породами фундамента и раннепротерозойскими (сумийскими) вулканитами, отражают этап заложения прогибов, а состав обломочного материала конгломератов характеризует породы, выходящие на поверхность в то время. Появление конгломератов было вызвано разрушением горных поднятий и последующим заполнением крупных впадин, возникших на архейской коре. Вероятно, заложение этих впадин, было связано с внутриплитным рифтогенезом, охватившим различные провинции Фенноскандинавского щита и сформировавшим поля сумийских континентальных базальтов 2505‒2430 млн лет назад [3, 4]. Изучение вещественного состава терригенных пород и возраста находящихся в них зёрен обломочного циркона являются главным источником информации при реконструкции истории раннедокембрийской континентальной коры. До настоящего времени в пределах российской части Карельской провинции объектами изучения были обломочные цирконы из кварцитов и матрикса ятулийских кварцевых конгломератов [5], из архейских кварцитов Маткалахтинского зеленокаменного пояса [6], и из сумийского кварцита Кумсинской структуры в Центральной Карелии [7].

Настоящая работа является первой попыткой оценки состава и возраста источников сноса полимиктовых конгломератов в двух районах Центрально-Карельского домена Карельской провинции: около озер Суккозеро и Воттомукс (рис. 1), характеризующих неоархейский и палеопротерозойский этапы эволюции раннедокембрийской коры Фенноскандинавского щита.

Рис. 1.

Схематическое строение Карельской провинции Фенноскандинавского щита (а) и геологическая карта участка п. Суккозеро – оз. Воттомукс (б) (составлена на основе геолкарты 1:200 000 и данных К.И. Хейсканена с дополнениями авторов). Цифры в кружках – район отбора проб: 1 – Сегозеро, 2 – Иломантси, 3 – Суоярви. 1 – архейские гранитоиды; 2 – метаосадки гимольской серии; 3 – архейские конгломераты; 4 – протерозойские метавулканиты бергаульской свиты Сумийского надгоризонта; 5 – палеопротерозойские конгломераты; 6‒7 – нерасчлененные интрузивные породы: 6 – кислые, 7 – основные; 8 – метаосадки янгозёрской свиты Ятулийского надгоризонта.

Центрально-Карельский домен вместе с Западно-Карельским и Водлозерским доменами формирует архейскую Карельскую провинцию [8] в пределах юго-западной части Фенноскандинавского щита (рис. 1 а). Карельская провинция состоит из гнейсо-гранитовых областей с породами тоналит-трондьемит-гранодиоритовой (ТТГ) ассоциации и разделяющих их зеленокаменных поясов, сложенных преимущественно супракрустальными породами. Центрально-Карельский домен является наиболее молодым фрагментом неоархейской коры на щите, будучи сложенным гранитоидами, возраст которых не превышает 2.78 млрд лет [9]. В составе супракрустальных пород зеленокаменных поясов этого домена преобладают метавулканиты среднего и кислого состава и терригенные осадочные породы, а коматииты и базальты имеют подчиненное значение. В центральной части домена расположена узкая гимольская структура, вытянутая в субмериди-ональном направлении. Разрез гимольской палео-впадины начинают полимиктовые конгломераты, сланцы и основные вулканиты, а выше залегают метаграувакки и метаалевролиты. Наиболее полно терригенные породы этой палеовпадины представлены около поселка Суккозеро и озера Воттомукс (рис. 1 б).

Полимиктовые конгломераты у поселка Суккозеро слагают нижнюю часть разреза супракрустальных пород гимольской серии – стратотипа неоархея Фенноскандинавского щита [1]. Неоархейские конгломераты сильно деформированы (рис. 2 a), гальки имеют линзовидную форму, хотя в них часто сохраняется более ранняя сланцеватость, расположенная косо по отношению к деформации конгломератов. Размер кластов вкрест сланцеватости варьирует от 0.5 × 3 до 15 × 50 см с преобладающим размером в пределах 5–10 см. Обломочный материал обычно составляет от 30 до 60–70%, но иногда его количество достигает почти 90%. Матрикс представлен кварц-биотит-амфибол-плагиоклазовым сланцем с вкрапленниками плагиоклаза. Сходные по составу породы присутствуют в виде прослоев в конгломератах. В конгломератах района Суккозеро преобладают гальки крупнозернистых гнейсо-тоналитов (обр. C2013c) и мезократовых плагиопорфиров (обр. C2013b).

Рис. 2.

Фото архейских конгломератов около пос. Суккозеро (а) и палеопротерозойских конгломератов оз. Воттомукс (б).

В 10 км к востоку от поселка Суккозеро, в районе озера Воттомукс архейские породы перекрыты базальтовыми андезитами (рис. 1) и полимиктовыми конгломератами палеопротерозоя, слагающими толщу с видимой мощностью около 190 м, в которой наряду с преобладающими валунно-галечными конгломератами присутствуют конгломерато-брекчии и галечно-гравийные конгломераты [2]. Конгломераты оз. Воттомукс (рис. 2 б, С2012 на рис. 1 б) менее деформированы и имеют более разнообразный состав кластов. Среди них преобладают округлые, часто угловатые, но со сглаженными углами гальки плотных мелкозернистых темно-серых метавулканитов (обр. 122 г), часто с миндалекаменной или вариолитовой текстурой, которая характерна для сумийских базальтовых андезитов. Среди кластов присутствуют гальки пород габброидного облика, редко ультраосновного состава, гнейсо-гранитов, метавулканитов средне-кислого состава, лейкогранита и кварца. Преобладающий размер галек 3–5 см, однако их размер варьирует от 0.5 см и реже до 15–20 см. Гальки составляют более 70% объема породы. Матрикс – грубозернистый метапесчаник, преимущественно кварц-биотитовый, с амфиболом, турмалином и гранатом.

Анализ химического состава показал (табл. 1), что в обоих конгломератах преобладает гетерогенный магматический материал, что подтверждается отрицательными значениями функции DF(x) (рис. 3 а). Функция DF(x) вычисляется из петрохимических данных по формуле: DF(x) = = 26.64–0.24SiO₂ – 0.16TiO₂ – 0.25Al₂O₃ – ‒ 0.28FeO* – 0.30MgO – 0.48CaO – 0.79Na₂O – ‒ 0.46K₂O – 0.10P₂O₅, где FeO* = 0.9Fe₂O₃ + FeO, содержания главных элементов (мас. %) даны без пересчета на безводную основу [10]. Эта функция с высокой долей вероятности позволяет различать принадлежность пород к осадочному или магматическому протолиту в метаморфических комплексах. Низкие (менее 55) значения индекса зрелости CIA (CIA = 100Al₂O₃/(Al₂O₃ + CaO + + Na₂O + K₂O), [11]), указывают на отсутствие существенного выветривания большинства изученных пород.

Рис. 3.

Сравнение химического состава галек и матрикса архейских конгломератов пос. Суккозера и протерозойских конгломератов оз. Воттомукс с потенциальными источниками сноса Центрально-Карельского домена: неоархейскими метадацитами и гранитоидами [9] и сумийскими базальтовыми андезитами оз. Воттомукс (данные авторов), а также с неоархейскими метаосадочными породами: метаграувакками зеленокаменных поясов [12] и метатерригенными породами гимольской серии (данные этой статьи).

При определенном сходстве в содержании главных элементов матрикс неоархейского конгломерата (Пр. С2013) существенно отличается более высокими содержаниями Sr, Ba, LREE и отношениями Sr/Y, Zr/Y, (La/Yb)n (рис. 3 б). Такими же геохимическими особенностями обладают гальки гнейсо-тоналита (обр. C2013c) и плагиопорфира (обр. C2013b), доминирующие в составе архейских конгломератов. По химическому составу они соответствуют неоархейским (2.78–2.73 млрд лет) ТТГ-породам и среднекислым вулканитам (плагиопорфирам и метадацитам) Центрально-Карельского домена (ЦКД), фрагмента наиболее молодой архейской коры Карельской провинции [8] (табл. 1, рис. 3). ТТГ-породы представляют собой наиболее вероятный источник терригенного материала для неоархейских конгломератов около пос. Суккозеро (рис. 1). Близкий возраст (2.72–2.75 млрд лет) имеют и массивы санукитоидов Карельской провинции, вклад которых мог обеспечить повышенные концентрации Ba, Sr, LREE. Так как состав матрикса неоархейских конгломератов близок к составу галек (табл. 1, рис. 3), вероятно, он является плохо сортированными мелкими обломками тех же пород, превращенных в кварц-биотит-амфибол-плагиоклазовый сланец в результате поздних деформаций и метаморфизма. В палеопротерозойских конгломератах преобладают гальки пород, аналогичных по составу широко развитым в данном районе сумийским базальтовым андезитам, имеющим возраст около 2.45 млрд лет (табл. 1, рис. 3).

Для более точной оценки возраста источников сноса терригенного материала, участвовавшего в формировании неоархейских и палеопротерозойских конгломератов, из их матрикса был отобран циркон, соответственно проба С2013 и проба С2012. U‒Th‒Pb-изотопное датирование (LA-ICP-MS) циркона проведено в ИГГД РАН на ICP MS ELEMENT XR, оснащенном системой лазерной абляции NWR-213 по методике, описанной в [14]. Для контроля качества изотопного анализа использованы стандартные цирконы Harvard 91 500 и Plešovice, для которых были получены конкордантные значения возраста 1071 ± 10 и 329 ± 8 для пробы С2012 и 1070 ± 8 и 338 ± 4 для пробы С2013. Результаты измерений приведены в табл. 2.

Циркон из пробы С2013 представлен преимущественно идиоморфными слабо удлиненными зёрнами, часто содержащими ядра. Преобладают зёрна размером 150–200 мкм. Морфология и внутреннее строение зёрен указывают на их магматическое происхождение. Циркон из проб С2012 и С2013 морфологически схож (рис. 4). На CL-изображениях наблюдаются осцилляторная зональность и редкие включения. Размер зёрен варьирует в пределах 100–200 мкм. Результаты геохронологических исследований приведены на диаграммах (рис. 4).

Рис. 4.

Распределение возрастов детритового циркона в матриксе архейских (обр. С2013, пос. Суккозеро) и палеопротерозойских конгломератов (обр. С2012, оз. Воттомукс).

В пробе С2013 исследованы 94 зерна, из которых для 67 были получены конкордантные значения возраста.

Как видно из рис. 4, доминирующая популяция циркона (более 80% изученных зёрен) имеет возраст около 2750 млн лет. На рис. 5 представлено распределение относительной вероятности возрастов для детритового циркона. Для пробы С2013 рассчитан пик возраста 2757 млн лет (44 зёрна), для С2012 – 2750 млн лет (21 зерно). Этот возраст сопоставим с возрастом неоархейских ТТГ-пород и комплементарных им среднекислых вулканитов и плагиопорфиров даек, участвующих в строении Центрально-Карельского домена [9], в том числе блока Иломантси в его юго-западной части (Восточная Финляндия) [15‒17] (рис. 1). Полученный возраст циркона из матрикса неоархейского конгломерата близок к среднему возрасту терригенных комплексов зеленокаменного пояса Кухмо-Типасъярви (около 2750 млн лет [16]) Карельской провинции [8]. Близкий возраст получен для гальки конгломерата в Восточной Финляндии [15, 16].

Рис. 5.

Распределение относительной вероятности возрастов для детритового циркона из архейских (обр. С2013, пос. Суккозеро) и палеопротерозойских конгломератов (обр. С2012, оз. Воттомукс).

В пробе С2012 изучены 88 зёрен, для 35 из которых были получены конкордантные значения возраста (рис. 4). Более 80% зёрен циркона в этой пробе также имеют возраст около 2750 млн лет. Это свидетельствует о том, что при формировании палеопротерозойских конгломератов неоархейские породы среднекислого состава продолжали быть одним из ключевых источников сноса терригенного материала. Отсутствие в матриксе популяции циркона протерозойского возраста, по-видимому, связано с его отсутствием в сумийских базальтовых андезитах, распространенных в изученном районе.

В архейских и протерозойских конгломератах присутствуют единичные зёрна циркона с возрастами 2.9‒3.2 млрд лет, что указывает на незначительный вклад более древнего источника сноса, которым могли быть породы ТТГ-ассоциации мезоархейского фундамента Водлозёрского домена [13]. Однако в этих конгломератах отсутствует значимое количество обломочных зёрен циркона с возрастом 2705–2695 млн лет ([13, 17] и другие работы), отвечающим возрасту плагиомикроклиновых гранитов [13], широко распространенных в Карельской провинции. Возможно, в палеопротерозойское время эти гранитоиды не выходили на поверхность в данной части провинции.

Заключая сказанное, отметим, что одним из главных источников сноса при формировании как неоархейских (пос. Суккозеро), так и палеопротерозойских (оз. Воттомукс) полимиктовых конгломератов, служили неоархейские магматические породы средне-кислого состава (ТТГ и вулканиты) с возрастом около 2.75 млрд лет, широко развитые в Центрально-Карельском домене Фенноскандинавского щита. Поскольку неоархейские породы ТТГ-серии рассматриваются как продукты частичного плавления базитов нижней коры, то присутствие обломков этих пород в конгломератах означает, что к началу раннего протерозоя они были эксгумированы на поверхность.

Поскольку источник обломочного циркона с возрастом 2.75 млрд лет для неоархейских конгломератов Центрально-Карельского домена был доминирующим, незначительная часть материала с мезоархейским цирконом могла приноситься с территории более древнего Водлозёрского домена. Таким образом, возраст около 2.75 млрд лет может быть принят в качестве нижней возрастной границы для неоархейских конгломератов (пос. Суккозеро) Центрально-Карельского домена. Для палеопротерозойских конгломератов дополнительным источником терригенного материала служили сумийские базальтовые андезиты, преобладающие среди галек и обеспечившие обогащение матрикса FeO, MnO, MgO и обеднение SiO₂ и K₂O. Наличие обломков сумийских базальтов в этих конгломератах позволяет установить верхнюю возрастную границу палеопротерозойских конгломератов (оз. Воттомукс) около 2.45 млрд лет.

Отсутствие в матриксе архейских и палеопротерозойских конгломератов популяций циркона с возрастом около 2.70 и 2.45 млрд лет, отвечающих времени проявления в Карельской провинции соответственно неоархейского гранитного магматизма и палеопротерозойского базитового вулканизма, наряду с низким индексом зрелости терригенного материала, свидетельствует о накоплении конгломератов вблизи источника сноса, без значительного перемещения. Этот факт предполагает, что в пределах структур Гимольская и Воттомукс Центрально-Карельского домена существовал расчлененный рельеф с ограниченными локальными областями сноса.