Записки Российского минералогического общества, 2020, T. 149, № 4, стр. 135-144

ВВЕДЕНИЕ

Циркон и бадделеит – два главных минерала циркония, которые широко используются в геохронологии для оценки времени проявления магматизма, метаморфизма, связанных с ними процессов метасоматоза, рудогенеза и определения источников вещества при петролого-геохимических исследованиях. В настоящее время, особенно в зарубежной литературе, накоплен огромный объем данных, касающихся условий формирования метаморфогенного (Hanchar, Hoskin, 2003 и ссылки там же; Каулина, 2010,) и магматического (Wingate, 2001; Баянова, 2006; Анфилогов и др., 2013; Аранович и др., 2013; Аранович и др., 2017; Добрецов и др., 2018) циркона. В отличие от циркона, присутствующего практически во всех типах пород, бадделеит кристаллизуется в породах, недосыщенных кремнезeмом. В последнее время появился ряд публикаций, в которых рассматриваются вопросы генетических взаимоотношений между цирконом и бадделеитом (Wingate, 2001; Баянова, 2006; Кузнецов, Мукатова, 2013; Скублов и др., 2013; Скублов и др., 2018; Harlov, 2015; Добрецов и др., 2018). Считается, что ситуация, когда бадделеит замещается цирконом, проявляется при метаморфизме и воздействии на породы флюидов, привносящих кремнезем, что описывается реакцией ZrО₂ + SiО₂ = ZrSiО₄.

Нами был получен новый материал, характеризующий взаимоотношения между этими минералами в процессе дифференциации расплава пикродолеритового состава (средневзвешенное количество MgO – 14–16 мас. %) в промежуточной камере, что практически не освещено в литературе.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Минералы изучены на растровом электронном микроскопе РЭММА-202М с рентгеновским энерго-дисперсионным спектрометром LZ-5, детекторами вторичных и отраженных электронов в Институте минералогии УрО РАН (г. Миасс, аналитик В.А. Котляров).

Содержания петрогенных оксидов определены рентгенофлуоресцентным методом в ИГ УФИЦ РАН (г. Уфа) на спектрометре VRA-30 (“Карл Цейсс”, Германия) с использованием рентгеновской трубки с W-анодом (30 кВ, 40 mА). Пределы обнаружения для SiО₂ и Al₂О₃ составляли 0.1%, TiО₂, Fe₂О₃, MnО, CaО, K₂О, Р₂О₅ и S_общ – 0.01%, MgО – 0.2%.

Концентрации редких и рассеянных элементов (Li, Be, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, РЗЭ, Hf, Ta, W, Tl, Pb, Bi, Th, U) определены методом ICP-MS на приборах “ELAN-6100 DRC” и “Agilent 7700” с использованием компьютерной программы обработки данных “TOTALQUANT” в ЦИИ ВСЕГЕИ (г. Санкт-Петербург).

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Расслоенные (дифференцированные) тела мисаелгинского комплекса были выявлены при геологосъемочных работах в конце 1970-х годов среди мигматитов тараташского комплекса на северо-востоке Башкирского мегантиклинория (рис. 1). Комплекс состоит из 2 тел мощностью 45 (верхнее тело) и более 216 м (нижнее тело). При проведении детального петрографического изучения нижнего тела были выделены следующие горизонты (снизу вверх): нижняя эндоконтактовая зона (466.5–464.5 м), ультраосновной горизонт (464.5–344 м) и габбровый горизонт (341–254 м) (Ковалев, 1996; Алексеев и др., 2000).

Рис. 1.

Структурная схема Урала (а), геологическая схема тараташского комплекса (б) и участка “Магнитный” с телами пород мисаелгинского комплекса (в). Мегазоны Урала: 1 – Предуральская; 2 – Западно-Уральская, 3 – Центрально-Уральская, 4 – Тагильская, 5 – Магнитогорская, 6 – Восточно-Уральская; 7 – отложения айской свиты (RF₁); 8 – архей-протерозойские отложения нерасчлененные; 9 – тектонические зоны с бластомилонитами; 10 – разновозрастные дайки базитов; 11 – мигматиты; 12 – гранат-биотитовые гнейсы; 13 – расслоенные тела мисаелгинского комплекса. Fig. 1. The structural diagram of the Urals (a), the geological diagram of the Taratash complex (b) and the Magnitny site with rock bodies of the Miselga complex (c). Megazones of the Urals: 1 – PreUral; 2 – West Ural, 3 – Central Ural, 4 – Tagil, 5 – Magnitogorsk, 6 – East Ural; 7 – deposits of the Ai Formation (RF₁); 8 – Archean–Proterozoic sediments undifferentiated; 9 – tectonic zones with blastomilonites; 10 – basite dykes of different ages; 11 – migmatites; 12 – garnet–biotite gneisses; 13 – layered bodies of the Miselga complex.

Нижняя эндоконтактовая зона сложена пикритами и пикродолеритами с переменным количеством основных породообразующих минералов. По внешнему облику это темно-зеленые (до черных) породы со среднезернистной порфировидной структурой и массивной текстурой. Их минеральный состав: оливин (69–75% Fo), ортопироксен (клиноэнстатит, #Mg 0.77–0.80), клинопироксен (авгит, #Mg 0.80), плагиоклаз (14–42 An), амфибол (эдинит, магнезиогастингсит), биотит, магнетит, титаномагнетит, ильменит, сульфиды, апатит, титанит. В состав нижнего (пикритового) горизонта входят оливин (форстерит 88% Fo в центральных частях кристаллов и хризолит 67–76% Fo в основной массе пород), клинопироксен (Mg-авгит, #Mg 0.75–0.93), ортопироксен (клиноэнстатит, #Mg 0.75–0.82), плагиоклаз (12–52 An), амфибол (магнезиальная роговая обманка, эдинит, магнезиогастингсит), биотит, магнетит, титаномагнетит, ильменит и сульфиды. В верхнем – габбровом горизонте присутствуют клинопироксен (Mg-авгит и авгит, #Mg 0.62–0.76), плагиоклаз (25–60 An), железистая и магнезиальная роговая обманка, биотит, хлорит, кварц, магнетит, титаномагнетит, ильменит, титанит и сульфиды.

Основные петрогеохимические характеристики ультраосновных пород и габброидов мисаелгинского комплекса (SiO₂ 42.14 и 46.92 мас. %, MgO 19.9 и 5.6 мас. %, TiO₂ 1.3 и 2.72 мас. %, Na₂O 1.0 и 2.72 мас. %, K₂O 0.5 и 1.07 мас. %, Cr 965.7 и 21.07 ppm; Ni 701.1 и 124.8 ppm, Co 95.6 и 82.9 ppm, Cu 343.9 и 93.7 ppm, Zr 88.88 и 82.57 ppm, сумма РЗЭ 71.1 и 109.7 ppm, La_n/Lu_n 8.2 и 10.7, Ce_n/Yb_n 7.3 и 9.1, La_n/Sm_n 2.0 и 2.2 соответственно) подчеркивают дифференцированное строение тела и свидетельствуют о близости среднего состава пород комплекса к типичным рифтогенным образованиям (Ernst et al., 2006).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Бадделеит в виде длиннопризматических кристаллов или их сростков (рис. 2) установлен по всему разрезу тела. В пикритах он пойкилитово включен в кристаллы оливина, пироксена и биотита (рис. 2, в, г), а в габброидах – в пироксен, амфибол либо интерстициальную матрицу (рис. 2, а, б, д, е, ж, з). В качестве постоянных примесей в минерале присутствуют HfO₂ (от 1.47 до 2.65 мас. %), TiO₂ (от 0.31 до 1.26 мас. %), FeO (от 0.91 до 1.66 мас. %) и в единичном случае – SiO₂ (0.53 мас. %) (табл. 1). Отдельные кристаллы бадделеита имеют неоднородный состав с уменьшением содержания HfO₂ (2.12 и 1.58 мас. %), TiO₂ (0.5 и 0.31 мас. %) и FeO (1.33 и 1.21 мас. %) от центра зерен к краям.

Рис. 2.

Микрофотографии бадделеита и циркона из пород мисаелгинского комплекса. а – габбро, бадделеит 25137b, пироксен – диопсид; б – габбро, бадделеит 25142b, 25142c, 25142d, амфибол – железистая роговая обманка; в – пикрит, бадделеит 25143а, оливин – 69 Fo, пироксен – клиноэнстатит; г – пикрит, бадделеит 25166c, оливин – 72 Fo; биотит; д – габбро, бадделеит 25141i, 25141j, циркон 25141k; амфибол – магнезиальная роговая обманка; е – габбро, бадделеит 25142h, циркон 25142i, амфибол – магнезиальная роговая обманка; пироксен – авгит; ж – габбро, циркон 25137e, 25137f, 25137g, амфибол – магнезиальная роговая обманка; альбит; з – габбро, циркон 25138o, 25138p, альбит; хлорит. Bdy – бадделеит; Zrn – циркон. Номера соответствуют номерам образцов в таблице. Изображения в обратно-отраженных электронах. Fig. 2. Microphotographs of baddeleyite and zircon from the rocks of the Miselga complex. a – gabbro, baddeleyite 25137b, pyroxene – diopside; b – gabbro, baddeleyite 25142b, 25142c, 25142d, amphibole – glandular hornblende; v – picrite, baddeleyite 25143a, olivine – 69 Fo, pyroxene – clinoenstatite; g – picrite, baddeleyite 25166c, olivine – 72 Fo; biotite; d – gabbro, baddeleyite 25141i, 25141j, zircon 25141k; amphibole – magnesian hornblende; e – gabbro, baddeleyite 25142h, zircon 25142i, amphibole – magnesian hornblende; pyroxene – augite; g – gabbro, zircon 25137e, 25137f, 25137g, amphibole – magnesian hornblende; albite; z – gabbro, zircon 25138o, 25138p, albite; chlorite. Bdy – baddeleyite; Zrn – zircon. The numbers correspond to the numbers of the samples in the table. BSE images.

Циркон обнаружен только в габбровом горизонте. Он представлен призматическими кристаллами, часто образующими сростки (рис. 2, ж, з). Относительно крупные единичные кристаллы зональны, в направление от центра к краям в них повышается количество HfO₂ (1.3 и 1.59 мас. %) и снижается количество ThO₂ (3.09 и 1.1 мас. %) и UO₂ (0.96 и 0.83 мас. %); Th/U (3.22 и 1.33) (рис. 2, з). В породе встречен сросток двух кристаллов циркона, имеющих темные ядра, окруженные более светлой каймой. Химический состав ядерных частей и каймы резко различен: в ядрах установлены HfO₂, Al₂O₃, ThO₂, UO₂, CaO и MgO при Th/U 3.19–3.23, а в кайме циркон содержит только гафний – (Zr_0.99Hf_0.01)_1.00Si_1.00O_4.00. Возможно, ядра циркона являются ксеногенными кристаллами, захваченными расплавом при контаминации корового (?) материала, что встречается довольно часто в магматических комплексах Южного Урала (Ковалев и др., 2018). Особый интерес представляет микрофотография “е” на рис. 2, на которой изображено зерно, состоящее из темной и светлой фаз. Первая представлена цирконом, в котором в качестве примесей присутствуют HfO₂, TiO₂, CaO, FeO и MgO, а вторая – бадделеитом, состав которого и примесные компоненты полностью аналогичны бадделеиту основной массы пород – (Zr_0.96Hf_0.01Ti_0.01Fe_0.02)_1.00O_2.00 (табл. 1). Как видно из анализа изображения, процесс замещения развивается по периферии кристалла с проникновением темной фазы (циркона) вовнутрь кристалла по микротрещинам либо дислокациям кристаллической решетки. Сохранившиеся участки светлой фазы (бадделеита) имеют “корродированные”, неправильные очертания. Аналогичные, но более мелкие выделения изображены на рис. 2, д.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Как уже отмечалось выше, в литературе описано замещение бадделеита цирконом при метаморфизме и воздействии на породу флюидов, привносящих кремнезем (Harlov, 2015 и ссылки выше). В нашем случае это замещение обусловлено процессом магматической дифференциации расплава в промежуточной камере, когда в ходе кристаллизационно-гравитационной дифференциации силикатов ранней генерации (оливинa, клино- и ортопироксенa) остаточный расплав обогащается кремнеземом и формируются породы габбрового горизонта. При этом, наблюдается определенная специфика в распределении элементов по разрезу интрузивного тела. В частности, при средних содержаниях циркония 88.9 ppm в ультраосновных породах и 82.6 ppm – в габброидах, установлено обогащение этим элементом нижней части пикритового горизонта (рис. 3). Для объяснения особенностей распределения циркония по разрезу тела были рассчитаны температуры кристаллизации основных породообразующих минералов, “ответственных” в первую очередь за перераспределение элементов при дифференциации расплава. Средняя температура кристаллизации ортопироксена, рассчитанная по двупироксеновым геотермометрам (Wood, Banno, 1973, Wells, 1977, Perchuk, 1977, Kretz, 1982) соответствует 1070 °C. Расчеты температуры кристаллизации оливина, выполненные по оливин–клинопироксеновому геотермометру (Loucks, 1996) показали, что температура кристаллизации оливина из основной массы пород варьирует в пределах от 1050 до 1185 °С, в то время как в центральных частях кристаллов она составляет 1470 °С, что оказывается близко к экспериментально определенной температуре кристаллизации бадделеита в ультраосновном расплаве – 1400 °С (Анфилогов и др., 2018). Таким образом, наблюдаемое обогащение цирконием нижнего интервала интрузивного тела (рис. 3) при относительно равномерном его распределении как в габбровом, так и пикритовом горизонтах, вероятнее всего, является результатом ранней кристаллизации бадделеита и его гравитационного осаждения в виде включений в оливине и пироксене (см. выше).

Рис. 3.

Петрографический разрез нижнего тела мисаелгинского комплекса и содержания в породах циркония и гафния. 1 – оливин; 2 – клинопироксен; 3 – ортопироксен; 4 – плагиоклаз; 5 – рудный минерал. Fig. 3. Petrographic section of the lower body of the Miselga complex and the content of zirconium and hafnium in the rocks. 1 – olivine; 2 – clinopyroxene; 3 – orthopyroxene; 4 – plagioclase; 5 – ore mineral.

В заключение необходимо отметить, что мисаелгинский комплекс, охарактеризованный в данной работе, может служить модельным объектом для приближенной оценки более масштабных процессов, реализующихся в промежуточных очагах при формировании крупных магматических провинций, в связи с чем возникает проблема определения “первичности” циркона в дифференцированных интрузиях и производных процесса дифференциации расплава.

Исследования выполнены в рамках Государственного задания (тема № 0252-2017-0012).