Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 1, стр. 50-59

ВВЕДЕНИЕ

Рутил – распространенный акцессорный минерал в широком спектре сред и PTX-условий формирования, от древних глубинных пород (мантийных эклогитов и перидотитов) до современных осадков и россыпей, но наиболее характерен для высокоградных метаморфических пород. В метабазитах рутил является фазой повышенных давлений, а его устойчивость распространяется на пиковые парагенезисы коровых эклогитов и высокобарических гранулитов. Присутствие рутила в высокобарических и высокотемпературных породах наряду с существенным прогрессом в U–Pb-геохронологии [1] и использовании рутила как независимого геотермометра [2] определили его использование в качестве надежного индикатора эволюции литосферы глубинных зон орогенных поясов.

Недавними исследованиями высокотемпературных коровых пород неоднократно отмечена способность рутила сохранять состояние U–Pb-системы, соответствующее условиям максимального разогрева комплексов пород [3, 4]. Тем не менее существующие оценки температуры закрытия U–Pb-системы рутила находятся в диапазоне ~500–650°C [5–7], следовательно, U–Pb-система рутила должна предпочтительно отражать постпиковое охлаждение в процессе эксгумации на среднекоровые уровни. В свою очередь, рутил из средне- и высокотемпературных орогенных эклогитов из комплексов континентальной субдукции, эволюция которых зачастую предполагает разогрев до условий гранулитовой фации при эксгумации пород, может иметь смещенные U–Pb возрастные оценки в результате диффузии и частичной потери Pb. Данный факт с учетом систематически низких содержаний U и Pb в рутиле эклогитов [7] и чувствительности результатов измерений к поправке на нерадиогенный Pb [8], существенно влияют на надежность восстановленных трендов метаморфической эволюции.

В данной работе мы приводим новые результаты ID-TIMS U–Pb датирования и сопутствующие минералогические и редкоэлементные характеристики рутила из эклогитов Северо-Муйского блока (СМБ) Байкало-Муйского складчатого пояса (БМП) с различными PT-трендами эксгумации и ретроградной гидратации [9–12]. Детальные петрологические исследования показали, что в процессе вендского орогенеза (~630 млн лет; Sm–Nd-возраст эклогита и вмещающего гнейса [10]; U–Pb-возраст циркона из эклогитов, [12]) породы испытали погружение до условий ~1.8–2.7 ГПа и ~560–760°C, что отражает положение эклогитов в пределах различных коровых фрагментов. Таким образом, метаморфическая эволюция эклогитов проходила в среднетемпературных условиях, которые соответствуют диапазону существующих оценок закрытия U–Pb-системы рутила, а сам рутил является идеальным объектом для изучения поведения подвижности U и Pb на стадиях прогрессивного, пикового и регрессивного метаморфизма.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для исследования использованы семь образцов эклогитов, слагающих отдельные тела, будины и линзы размером от первых метров до десятков метров и наблюдаемых среди метаосадочных пород и метагранитоидов в пределах пояса десятикилометровой мощности по течению р. Самокут и р. Илеир СМБ (рис. 1). Эклогиты издроблены в щековой и валковой дробилках до фракции менее 1 мм, после чего рутилы из матрикса пород выделялись из фракций менее 0.25 мм (наиболее богатых рутилом), с использованием магнитной сепарации и отделения в тяжелых жидкостях. От 50 до 90 зерен рутила из фракций 160–250 мкм каждой пробы извлечены вручную и помещены в дюймовый диск на основе эпоксидной смолы и приполированы для вскрытия центральной части зерен.

Рис. 1.

Схематическая карта расположения Байкало-Муйского пояса (БМП) в структуре Центрально-Азиатского складчатого пояса относительно Сибирского кратона (а), упрощенная структура БМП с ключевыми слагающими комплексами пород (б), и схема строения Северо-Муйского блока высокоградных пород (в) (не показаны перекрывающие кембрийские карбонатные и более молодые отложения).

Рентгеноспектральный микроанализ (EPMA) минеральных включений в рутиле проведен с использованием микроанализатора “JEOL” Superprobe JXA8200 в Центре коллективного пользования “Изотопно-геохимических исследований” ИГХ СО РАН. Анализ проведен с помощью пяти волнодисперсионных спектрометров с пучком зонда 2 мкм при токе 15 нА и ускоряющем напряжении 20 кВ. Серия природных и синтетических стандартов для калибровки включала в себя альбит (Na), пироп (Al), калишпат (K), диопсид (Si, Ca, Mg), оливин (Si, Mg, Fe), гранат (Si, Al, Fe, Mn), рутил (Ti), хромит (Cr, Fe). Время накопления пика и фонового сигнала для каждого элемента составляло 10 с при аналитической погрешности от 0.01 вес. % (для второстепенных элементов с содержанием, близким к пределу обнаружения) до 0.1–0.2 вес. %.

Редкоэлементный анализ 105 зерен рутила проведен методом масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) с помощью ионного микрозонда Cameca-IMS-4f в Ярославском филиале Физико-технологического института Академии наук (ФТИАН). Первичный пучок O$_{2}^{ - }$ ионов фокусировался до размера пятна ~20–25 мкм. Каждый анализ проводился в три цикла измерений. Содержание элементов рассчитывалось из нормированных интенсивностей вторичных ионов ⁴⁷Ti⁺ с использованием калибровочных кривых на основе анализа набора стандартных стекол. Стандартное стекло SRM NIST610 использовалось в течение аналитической сессии для контроля воспроизводимости результатов, которая составляла до 10% для содержаний выше 1 ppm и до 20% для содержаний в диапазоне 0.1–1 ppm.

ID-TIMS U–Pb-геохронологические исследования рутила проведены в Институте геологии и геохронологии докембрия (ИГГД РАН). Монофракции из наиболее прозрачных и гомогенных зерен рутила промывались в 0.5M HNO₃ при 70°C и трижды в ультрачистой воде. Химическое растворение проводилось в HF при 220°C в стальных тефлоновых бомбах при высоком давлении, после чего растворы разделялись на две аликвоты, а одна из них смешивалась с ²³⁵U–²⁰⁸Pb-трассером. Аликвоты затем выпаривались, переводились в бромидную форму для выделения Pb и U ионнообменной хроматографией, а фракция U дополнительно очищалась в HNO₃ на смоле UTEVA. Изотопный анализ проведен с помощью термоионизационного (TIMS) многоколлекторного масс-спектрометра “Triton” T1 в статическом режиме. Холостое загрязнение составило 25 пг для Pb и 0.5 пг для U. Результаты обработаны в ПО PbDAT [13] и ISOPLOT [14]. Все ошибки приводятся на уровне 2σ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рутил в свежих и ретроградно измененных эклогитах представлен идиоморфными призматическими зернами размером до 300 мкм и более мелкими (не более 20–30 мкм) включениями в порфиробластовом и среднезернистом гранате (рис. 2). Рутил в матриксе представлен отдельными зернами или сегрегациями зерен вытянутой формы, подвержен замещению титанитом в амфиболизированных эклогитах и – чаще – ильменитом в симплектитовых эклогитах с малым количеством ретроградных водосодержащих фаз. В порфиробластовых эклогитах Му-93-53, Му-93-90 и Му-93-93, где ядра граната богаты включениями водосодержащих фаз (эпидот, амфибол), включения рутила характеры для внешних зон граната.

Рис. 2.

Петрографические особенности исследованных эклогитов Северо-Муйского комплекса с указанием основных породообразующих, второстепенных и акцессорных фаз. Принятые аббревиатуры: Grt – гранат, Omp – омфацит, Qz – кварц, Rt – рутил, Cpx – бедный Na и Al клинопироксен, Pl – плагиоклаз. Микрофотографии в проходящем свете.

Исследованные зерна рутила (около 30 зерен на каждую пробу) из матрикса содержат твердофазные включения размером преимущественно 1–10 мкм, расположенные главным образом в центральных зонах рутила (рис. 3). Перечень наблюдаемых фаз включений довольно выдержан и включает в себя титанит, апатит, Ca- и Ca-Na-амфиболы, минералы группы эпидота, редкие циркон, кварц и единичные находки клинопироксена, биотита, карбонатов и граната. Из около 200 проанализированных включений более половины представлены титанитом (Al₂O₃ 0.55–2.49 вес. %). Амфибол присутствует в рутиле всех образцов, однако количественная характеристика его кристаллохимических формул исключена в силу малого размера включений и распространенной контаминации анализа Ti из матрицы рутила. Ввиду обычно низкотитанистой природы метаморфических амфиболов, наблюдаемых в виде включений в порфиробластах граната (преимущественно ниже 1 мас. % TiO₂) [11], произведен пересчет состава амфиболов на безтитанистой основе, которые в большинстве случаев соответствуют паргаситу. Включения минералов группы эпидота, обнаруженные в трех образцах эклогитов, имеют железистость ${{X}_{{{\text{F}}{{{\text{e}}}^{{3 + }}}}}}$ в диапазоне 0.15–0.24 и в большинстве случаев относятся к эпидотам. Большинство включений слюд выявлено в рутиле эклогита Му-93-93, где слюды представлены биотитом. Единичные включения карбонатных фаз диагностированы в трех образцах, в двух из которых карбонат представлен анкеритом (около 7 вес. % FeO) и в одном – кальцитом. Короткопризматические включения апатита размером 1–5 мкм с 1.56–3.18 вес. % F распространены в рутилах из эклогита Му-93-71 и редки – в рутилах симплектитовых эклогитов Му-12-6 и Му-12-9. Циркон встречается в виде мельчайших (менее 5 мкм) изометричных зерен, неравномерно распределенных в рутиле-хозяине. Кроме того, рутил систематически содержит ламели ильменита, наиболее распространенные в трех образцах симплектитовых эклогитов. Лишь пять проанализированных в рутиле включений (4 – клинопироксен, и 1 – гранат), представлены минеральными фазами, которые могут рассматриваться как высокобарические. Клинопироксен в рутиле эклогитов из района р. Илеир (Му-93-90, Му-93-53 и Му-93-71) представлен омфацитом с низким и высоким содержанием жадеита (X_Jd = 0.10–0.38) и вариативной железистостью #Fe (0.26–0.40), тогда как богатые жадеитом клинопироксены близки по составу к таковым матрикса. Единственное включение граната имеет альмандин-гроссуляр-пироповый состав (Alm₅₂Grs₂₄Prp₁₉Sps₄). Включений высококремнистых слюд (фенгита) не выявлено.

Рис. 3.

Представительные микрофотографии отдельных зерен рутила с характерными твердофазными включениями преимущественно силикатного состава. Фото в обратно-рассеянных электронах (BSE).

Рутилы систематически содержат малые количества 0.1–0.3 мас. % FeO, тогда как общее содержание редких элементов обычно не превышает 0.3–0.5%. Систематика рутилов по содержанию Nb и Cr указывает на типично эклогитовую (метабазитовую) природу рутила (рис. 4 а). Лишь состав высоко-Nb рутила из эклогита Му-93-93 соответствует рутилу из метаосадочных пород. Наблюдается две различных тенденции обогащения рутила W–Ta–Nb и Cr–Mo. Для всех семи эклогитов наблюдаются положительная корреляция Zr и Hf (рис. 4 б), тогда как в некоторых случаях высокий уровень содержания обоих элементов может указывать на присутствие микровключений циркона. Данный факт согласуется с отсутствием корреляции Nb–Zr и спорадически повышенным содержанием Zr в единичных рутилах из всех образцов эклогитов (рис. 4 в). Соответствующие значения содержаний исключены из дальнейших расчетов.

Рис. 4.

Корреляционные диаграммы для ключевых редких элементов в рутиле из эклогитов (а–в) и диапазоны содержаний Zr в рутилах из отдельных образцов (г). На планках погрешностей концевыми отрезками показаны максимальные и минимальные содержания в диапазонах. Границы залитых планок соответствуют первому и третьему квартилю, отрезки внутри планок – медианным значениям.

Расчеты температур кристаллизации/перекристаллизации, основанные на содержании Zr в рутиле, по [2], принимая параметры ${{a}_{{{\text{Ti}}{{{\text{O}}}_{2}}}}}$ = 1 и ${{a}_{{{\text{Si}}{{{\text{O}}}_{2}}}}}$ = 0.5 (ввиду малой распространенности кварца в проградных/пиковых парагенезисах эклогитов), с учетом наблюдаемых фаз-включений и условий эволюции эклогитов [9, 12] проведены для давлений 1.5 ГПа с целью сравнения с расчетными данными гранат-клинопироксеновой Fe²⁺–Mg-геотермометрии [10] и для 2.5 ГПа – для экстраполяции в область пиковых значений давления. Рутилы из четырех эклогитов района р. Илеир имеют близкие содержания Zr (рис. 4 г) и дают близкие средние оценки температуры для 1.5 ГПа в 619 ± 12°С (Му-93-53), 623 ± 21°С (Му-93-71), 638 ± 27°С (Му-93-90) и 637 ± 22°С (Му-93-93) (здесь и далее оценки приводятся на уровне воспроизводимости ±1SD и не содержат компонента ошибки от инструментальной неопределенности). Эти оценки в различной степени сопоставимы с результатами традиционной гранат-клинопироксеновой Fe²⁺–Mg-геотермометрии для той же величины давления (680 ± 12°С, 620 ± 26°С, 650 ± 31°С и 660 ± 30°С, соответственно, по [10], а отклонения могут быть обусловлены вариациями в реальных значениях давления. Схожие и единообразные оценки получены по расчетам для трех симплектитовых эклогитов район р. Самокут: 616 ± 13°С для Му-12-6, 617 ± 7°С для Mу-12-9 и 614 ± 11°С для Mу-12-10. Оценки температур, полученные для давления 2.5 ГПа, соответствующего в случае роста рутила на пике метаморфизма, систематически выше на ~45°С и находятся в диапазоне 659–684°С. рис. 5

Рис. 5.

²⁰⁷Pb-²³⁵U–²⁰⁶Pb-²³⁸U-диаграмма для рутила из эклогита Му-93-53 по данным ID-TIMS.

Для оценки U–Pb возраста были проанализированы навески рутилов из 6 эклогитов, для которых получены отношения ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb от 22 до 88. Для минералов-геохронометров со значительным компонентом нерадиогенного свинца (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb < 100) неопределенности в оценке изотопного состава первичного свинца могут вызвать значительные ошибки в получившемся возрасте. Для минералов с низкими отношениями U/Pb и количеством радиогенного свинца наиболее приемлемо применение трехмерной линейной (“total-Pb/U”) изохроны [15] для расчета возраста когенетичных образцов с предполагаемым одинаковым изотопным составом первичного Pb. Трехмерные методы не требуют знания изотопного состава общего (первичного) свинца, используемого для коррекции, поэтому возраст “total-Pb/U”-изохроны, построенной в координатах ²³⁸U/²⁰⁶Pb–²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb–²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb, является более точным, чем возраст, полученный с использованием модели Стейси-Крамерса для поправки на первичный Pb. По результатам анализа U–Pb-изотопной системы рутила в образце эклогита Му-93-53 (табл. 1), наиболее богатого U и радиогенным Pb (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb в диапазоне 62–88), получена надежная возрастная оценка по конкордии в 605 ± 2 млн. лет (рис. 6). Ряд датировок, полученных по рутилу из других образцов, являются менее точными и/или в разной степени дискордантными в силу низких содержаний радиогенного Pb. Следствием последнего является также расхождение дат, полученных по отношениям ²⁰⁶Pb/²³⁸U и ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb. Стоит отметить, однако, что по возрасту пересечения с конкордией некоторые из дат эквивалентны в пределах ошибки полученному для Му-93-53 значению, к примеру, расчетный возраст в 604±13 млн лет для эклогита Му-93-90.

Рис. 6.

Расчетные кривые для температуры закрытия U–Pb-изотопной системы рутила при различных величинах скорости охлаждения (по [19]). Серой областью отмечен диапазон характерного размера зерен рутила в эклогитах. Голубой и темно-серый прямоугольники соответствуют диапазону рассчитанных температур пикового равновесия эклогитов по данным гранат-клинопироксеновой термометрии [10] и содержанию Zr в рутиле (данная работа).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ассоциация минеральных включений в рутиле (прежде всего титанит, эпидот и амфибол) указывает на преимущественный рост рутила на прогрессивной стадии метаморфизма за счет титанита в протолите эпидот-амфиболитовой или амфиболитовой фаций. Подтверждением этому выступает также распространенность включений водосодержащих минералов в ядрах гранатов большинства изученных эклогитов [10, 12]. Конкретные условия перехода титанит–рутил зависят от химизма пород, в том числе известковистости, магнезиальности, а также содержания SiO₂. Для среднего состава базитов типа СОХ появление рутила при температурах 500–700°С характерно при относительно низких давлениях 7–8 кбар [16], тогда как собственно термобарометрия рутилсодержащих эпидот-клиноцоизитовых амфиболитов указывает на довольно широкую область устойчивости основного парагенезиса (~500–780°С, 0.7–1.2 ГПа) [17]. Образование рутила за счет титанита, к примеру, согласно реакции An + 2Ttn = Grs + 2Rt + Qz, могло быть таким образом инициировано в условиях эпидот-амфиболитовой или амфиболитовой фаций при давлениях существенно меньше пиковых. Нельзя исключать, однако, что проградный рост рутила мог продолжаться вплоть до достижения пика метаморфизма. Следовательно, наблюдаемый диапазон содержаний Zr и расчетных температур кристаллизации рутила может соответствовать условиям от проградных (средние оценки 619–638°С в расчете на 1.5 ГПа) до пиковых (659–684°С для 2.5. ГПа).

Диффузия Zr в рутиле существенно более медленный процесс в сравнении с таковой для Pb и ряда катионов переменной валентности (Co, Fe, Mn, Sc) [18]. По расчетным данным [19] при пиковой температуре метаморфизма в диапазоне ~650°С для рутила с радиусом зерен менее 80 мкм переуравновешивание исходных уровней Zr в полном объеме зерен возможно при эксгумации, сопровождаемой охлаждением медленнее ~10°С/млн лет. Согласно превалирующим в настоящее время моделям эксгумации ультравысокобарических пород, охлаждение и декомпрессия пород до среднекоровых уровней происходит значительно быстрее (менее 10 млн лет). Однако для некоторых континентальных высокобарических комплексов характерен ограниченный рост температуры, связанный с наращиванием мощности литосферы на коллизионной стадии. Согласно данным классической термобарометрии и PT-моделирования [10–12], пиковые значения температуры для эклогитсодержащего комплекса СМБ могли достигать ~750–770°С [9, 11, 12]), что способствовало постростовой диффузии Zr. Как результат, вариации содержания малоподвижного Zr в рутиле отдельных образцов (рис. 4 г) могут быть следствием лишь частичной его мобилизации, что согласуется с существенными вариациями по таким более мобильным элементам, как Cr, Fe и Mn. Близость полученных температур для семи образцов в таком случае может свидетельствовать о едином процессе проградного метаморфизма пород.

В сравнении с диффузией высокозарядных элементов скорость таковой для Pb в структуре рутила примерно на порядок выше, и, следовательно, процесс диффузии Pb существенно более чувствителен к температурному режиму, чем диффузия Zr [5]. Важно отметить, что полученная возрастная оценка (~605 млн лет) существенно моложе возраста высокобарического метаморфизма (630 млн лет) [9, 12], что указывает на продолжительную историю остывания эклогитсодержащей литосферы комплекса ниже температуры закрытия U–Pb системы рутила [5–7]. На потенциальную роль длительного охлаждения указывает продолжительная позднедокембрийская термальная эволюция литосферы северо-восточного БМП с формированием как минимум до ~590–570 млн лет гранитоидных батолитов и кислых вулканитов, связанных с орогенным коллапсом и постколлизионным растяжением [20]. Величины температуры закрытия для рутила с радиусом зерен 25–80 мкм, рассчитанные по классической модели [19] с использованием скорректированных коэффициентов диффузии [5], для единой скорости остывания пород могут варьировать в диапазоне вплоть до ~50°С. К примеру, для рутила с указанным выше радиусом зерен для темпов охлаждения 1 и 10°С/млн лет величины температуры закрытия находятся в диапазоне ~540–590°С и ~590–650°С соответственно (рис. 6 а), что соответствует диапазону эмпирически установленных величин температуры закрытия U–Pb-изотопной системы рутила [1, 6, 7].

Согласованность данных гранат-пироксеновой и Zr-рутиловой термометрии по крайней мере для четырех из семи эклогитов указывает на отсутствие сколь-либо значимого разогрева пород после роста рутила, следовательно, рост рутила должен был происходить уже выше температуры закрытия U–Pb-системы с ее последующей консервацией при охлаждении пород. Исходя из размера исследованных зерен и данных геотермометрии (рис. 6), представляется маловероятным, таким образом, что остывание при эксгумации эклогитизированных пород происходило быстрее ~10°С/млн лет, а максимальные темпы могут быть оценены в ~5–6°С/млн лет. Подобная скорость остывания в совокупности с полученной датировкой (605 млн лет) позволяют ограничить возможную температуру закрытия U–Pb-изотопной системы для рутила выбранных размеров в ~500–525°С. Столь медленное охлаждение характерно для гранулит-гнейсовых комплексов [1, 6, 7], а также второй (внутрикоровой) стадии эксгумации высокобарических комплексов, в течение которой эксгумация контролируется эрозией и/или тектонической денудацией.