21.03.2021

Изотопные аспекты проблемы генезиса амфиболитов


Сложность проблемы генезиса амфиболитов состоит в том, что вследствие конвергенции пород при метаморфизме диагностика их первичной природы крайне затруднена. В связи с успешным развитием геохимии изотопов кислорода появилась реальная возможность решить проблему генезиса амфиболитов изотопно-кислородным методом, что связано с основными закономерностями поведения изотопов кислорода в земной коре, и, в первую очередь, — с максимальным накоплением тяжелого изотопа О18 в осадочных породах (bО18 = 15-38 промилле) и минимальным — в ультраосновных и основных (bO18 = 5-7 промилле).

В процессе регионального метаморфизма происходит обеднение осадочных пород в основном изотопом О18, причем тем большее, чем выше степень метаморфизма, тогда как изверженные породы сохраняют, как правило, свойственные им низкие значения bO18, либо слегка обогащаются тяжелым изотопом. Поэтому величина bO18 в первом приближении может характеризовать степень метаморфизма и исходную природу глубокометаморфизованной породы. Следовательно, параамфиболиты, возникавшие при метаморфизме осадочных пород (например, глинисто-карбонатных и др.), должны быть обогащены изотопом О18 по сравнению с ортоамфиболитами, образовавшимися при метаморфизме изверженных пород (например, габбро-базальтов).

Первая попытка использовать изотопно-кислородный метод для диагностики орто- и параамфиболитов была предпринята Г. Шварцем и Р. Клейтоном, однако она не принесла в должной мере ожидаемых результатов. Были изучены 18 проб амфиболитов, отобранных различными исследователями в нескольких районах США. Зачастую геологические данные не давали ясного представления, к какому генетическому типу можно отнести те или иные амфиболиты. Кроме того нам представляется вообще спорным отнесение к амфиболитам таких пород, которые Г. Шварцем и Р. Клейтоном названы «кварц-биотитовым» или «кварцевым» амфиболитом.

Полученные этими исследователями результаты не позволили сделать каких-либо определенных выводов относительно генезиса изученных амфиболитов. Только амфиболиты района Чандос (Онтарио), которые бесспорно являются параамфиболитами, характеризовались значениями bO18, свойственными этому генетическому типу, в связи с чем Г. Шварц и Р. Клейтон отметили, что для хорошо изученных в геологическом отношении районов со сравнительно простой историей метаморфизма можно различать по изотопному составу кислорода орто- и параамфиболиты. В целом же результаты этого исследования весьма показательны и будут рассмотрены в свете полученных нами данных для амфиболитов Кольского полуострова.

Учитывая опыт Г. Шварца и Р. Клейтона, изучение изотопного состава кислорода амфиболитов необходимо было начинать с геологически хорошо известных объектов. Нами были выбраны всесторонне изученные геолого-геохимическими методами амфиболиты Кольского полуострова (комплексы Кейв и Полмос-Порос), принадлежность которых к пара- или ортотипам была достаточно обоснованной. На основании целого ряда значимых параметров в процессе геолого-геохимического исследования четко были выделены две генетические группы — пара- и ортоамфиболиты; для одних устанавливалась серия признаков, роднящих их с первично осадочными породами, а для других — с первично изверженными.

Настоящая работа является первым региональным исследованием изотопного состава кислорода амфиболитов и вмещающих их кристаллических сланцев и гнейсов Кольского полуострова, выполненным на материале представительных геохимических проб достоверных орто- и параамфиболитов, отобранных на всех стратиграфических уровнях разрезов комплексов Кейв и Полмос-Порос. Эти пробы представлены, в свою очередь, большим числом частных проб одноименного состава, взятых из различных участков. Всего изучено свыше 100 проб, при этом выполнено около 400 изотопно-кислородных анализов. Исследование проведено с использованием ксенон-фторидного метода выделения кислорода в форме O2 и прецезионной регистрации его изотопного состава на масс-спектрометре МИ-1311 с воспроизводимостью параллельных определений ±0,03%. Все данные приведены к международному стандарту SMOW.

Изучение изотопного состава кислорода амфиболитов позволило выделить два различных диапазона вариаций значений bО18 при относительном постоянстве изотопного состава кислорода вмещающих кристаллических сланцев и гнейсов. При этом один диапазон значений bO18 (4,9-7,2, при среднем 6,3 промилле) характеризует в основном амфиболиты комплекса Кейв, тогда как другой диапазон (10,2-14,6, при среднем 11,9 промилле) — большую часть амфиболитов комплекса Полмос-Порос. Анализ данных, сопоставленных с характером вариаций bО18 в тех типах пород, которые могут рассматриваться как исходные для двух генетических групп амфиболитов (рис. 26), приводит к вполне обоснованному заключению, что для одних амфиболитов (орто-) исходными породами служили магматические породы габбро-базальтового ряда, а для других (пара-) — осадочно-метаморфические (глинисто-карбонатные) породы. Следовательно, основную часть амфиболитов комплекса Кейв, согласно изотопно-кислородным данным, следует рассматривать как ортоамфиболиты, тогда как большую часть амфиболитов комплекса Полмос-Порос — как параамфиболиты, что находится в согласии с результатами геолого-геохимического изучения этих же амфиболитов.
Изотопные аспекты проблемы генезиса амфиболитов

Так, например, изотопно-кислородные данные, сопоставленные с характером вариаций различных элементов-примесей в пара- и ортоамфиболитах и их исходных породах (рис. 27), позволили обнаружить, что изотоп О18 ведет себя аналогично поведению таких элементов, как скандий, марганец, барий, ванадий, тогда как он имеет противоположный характер поведения с такими элементами, как хром, никель, кобальт, стронций. В то же время изотоп О18 имеет наибольшую идентичность уровней содержания в ортоамфиболитах и их исходных породах, чем указанные элементы-индикаторы. Все это доказывает, что изотопный состав кислорода является надежным индикатором генезиса амфиболитов, поскольку наиболее полно сохраняет генетическую информацию по сравнению с другими имманентными свойствами породы.

На фоне хорошей сходимости геолого-геохимических и изотопных данных о природе изученных амфиболитов, отмечается случай, когда ортоамфиболиты и метамандельштейны, залегающие в верхних горизонтах разреза Западных Кейв (рис. 28, пробы П-22, П-23, П-26), характеризуются явно высокими для этого генетического типа значениями bO18 (10,3-13,0 промилле). Весь комплекс геолого-геохимических данных для этих амфиболитов свидетельствует, что они являются продуктами метаморфизма изверженных пород. Поэтому естественнее допустить, что при региональном метаморфизме габбро-базальтов (исходных для ортоамфиболитов) происходили процессы, изменившие истинные значения bO18 ортоамфиболитов.

В этой связи важно рассмотреть те причины, которые в отдельных случаях могут приводить к искажению истинных значений bO18, свойственных каждому из двух генетических типов амфиболитов. Так, изотопный состав кислорода типичного ортоамфиболита может быть утяжелен в результате действия двух основных факторов — изотопно-кислородного обмена с породами, значительно более богатыми изотопом О18 (каковыми являются только карбонатные породы с величинами bO18 = 22-28 промилле), и ассимиляции того же карбонатного материала. Следовательно, изменение изотопного состава кислорода ортоамфиболитов и появление аномальных для них значений bO18, свойственных уже параамфиболитам, возможно либо при взаимодействии пластовых интрузий с карбонатными породами в процессе регионального метаморфизма, либо в результате ассимиляции карбонатов при внедрении интрузий габбро-базальтового состава.

Изотопный состав кислорода типичного параамфиболита может быть облегчен только при интенсивном изотопно-кислородном обмене с резервуаром, содержащим легкий кислород (каковыми являются только метеорные воды, имеющие bO18cp = 7,0-10,0 промилле). Это чрезвычайно длительный процесс, требующий до некоторой степени специфических условий, поэтому он реализуется не всегда и не везде. В связи с отмеченными выше причинами возможных аномалий, становится понятным обогащение рассматриваемых ортоамфиболитов изотопом О18.

Геологическое положение рассматриваемых амфиболитов (и мета-мандельштейнов) вблизи, а главное выше по разрезу карбонатных пород (см. рис. 28), со всей очевидностью указывает на карбонаты, как на единственно реальный источник тяжелого изотопа кислорода (в нашем случае, карбонаты имеют bO18cp = 20,0 промилле).

Перед нами альтернатива: какой из двух возможных механизмов — изотопно-кислородный обмен с карбонатами при региональном метаморфизме или ассимиляция карбонатов габбро-базальтами при их внедрении — привел в данном конкретном случае к указанным аномалиям.

В первом приближении можно рассмотреть принципиальную возможность каждого из этих факторов. Условия и возможные петрохимические следствия ассимиляции можно оценить с позиций изотопного материального баланса, используя известные данные об изотопном составе кислорода исходной базальтовой магмы (bO18 = 6,0%0), исходных неметаморфизованных морских карбонатов (bO18 = 22-^27%0) и полученные нами данные для «аномальных» ортоамфиболитов (bO18 = 12-13 промилле). Тогда уравнение материального баланса, отражающее взаимодействие габбро-базальтов (Г) с карбонатами (К) при внедрении интрузий с последующим образованием ортоамфиболитов (А), будет иметь вид:

где A', Г', К' — соответственно, мольные доли ортоамфиболитов, габбро-базальтов и карбонатов.

Приняв Г'+К' = 1 (условие баланса) и решая это уравнение относительно известных значений неметаморфизованных морских карбонатов, мы получим искомые количества ассимилированного карбонатного материала:

Как видно из этих данных, процесс ассимиляции как основную причину аномалии следует исключить, так как в данном конкретном случае магма должна была бы ассимилировать от 33 до 43% карбонатного материала, чтобы обеспечить наблюдаемый изотопный сдвиг в ортоамфиболитах. При подобных масштабах ассимиляции мы должны были бы наблюдать не амфиболиты, а скорее ультраосновные щелочные породы. Кроме того, необходимо учитывать, что процесс декарбонатизации, неизбежно сопровождающий ассимиляцию известняков и доломитов, высвобождает CO2, обогащенную по сравнению с исходными породами на 5 промилле и более, что потребует еще больших количеств ассимилированных карбонатов, чем рассчитанные нами 43%. Поэтому изотопно-кислородный обмен представляется наиболее реальной причиной вышеуказанной аномалии.

Подобная картина наблюдалась Г. Тейлором при изучении анортозитов Адирондака. В строении этого метаморфического комплекса принимает участие большое количество карбонатных пород. Анортозиты, ассоциирующие с ними, содержат больше изотопа О18 (в среднем до 4 промилле) по сравнению со своими неметаморфизованными аналогами, тогда как сами карбонатные породы значительно обеднены (13—18 промилле) по сравнению со своими неметаморфизованными аналогами, что Г. Тейлор связывает с влиянием изотопно-кислородного обмена анортозитов с карбонатными породами в процессе метаморфизма. Этот обмен можно объяснить либо взаимодействием больших количеств гидротермальных флюидов с карбонатами и анортозитами, либо циркуляцией между ними поровых растворов, т. е. процессом, в котором вода служила транспортирующей средой для переноса изотопов кислорода. Принципиальная схема такого изотопно-кислородного обмена представлена на рис. 29.

Таким образом, установленное нами обогащение ортоамфиболитов изотопом О18 могло быть вызвано интенсивным изотопно-кислородным обменом между пластовыми интрузиями габбро-базальтов и первично осадочными карбонатными породами в процессе регионального метаморфизма. Отсюда вытекает важный для правильной интерпретации изотопно-кислородных данных вывод о том, что случаи ассоциации ортоамфиболитов с карбонатными породами заслуживают особенно внимательного рассмотрения в связи с возможными аномалиями по вышеописанным причинам.

В процессе изучения изотопного состава кислорода амфиболитов и вмещающих пород комплекса Кейв удалось установить интересную тенденцию в характере распределения изотопа О18: постепенное обогащение как самих амфиболитов, так и вмещающих их пород в направлении простирания Кейвекого синклинория с юго-востока на северо-запад. При этом указанная тенденция прослеживается для любых петрографических типов амфиболитов, изученных нами в Восточных, Центральных и Западных Кейвах (рис. 30).

Как правило, в каждом из названных районов комплекса Кейв вмещающие породы (кианитовые, кианит-ставролитовые, гранат-ставролитовые, гранат-двуслюдяные сланцы, слюдистые кварциты, гранат-биотитовые гнейсы и др.) независимо от их состава всегда обогащены изотопом О18 относительно амфиболитов на 4/8,1 промилле: 9,7 промилле для Восточных Кейв, 10,9 промилле для Центральных и 12,7 промилле для Западных Кейв (рис. 31).

Как видно, изотопно-кислородное фракционирование между амфиболитами и вмещающими породами закономерно увеличивается в этом же направлении, достигая максимальной величины (8,1 промилле) для амфиболитов, ассоциирующих с карбонатными породами. Характер такой зависимости можно выразить функционально

где I — расстояние от юго-восточного до северо-западного окончания Кейвского синклинория:

I — вмещающие породы;

II — амфиболиты.

Отмеченная тенденция, на наш взгляд, обусловлена тем, что именно в этом направлении в разрезе комплекса Кейв шло постепенное увеличение участия карбонатного материала в образовании метаморфических пород — появление эпидотовых амфиболитов, содержащих в виде примесей кальцит и анкерит, а затем самостоятельных, довольно значительных отложений карбонатных пород, представленных доломитами. Установленный в настоящем исследовании региональный характер изменения величин О18 амфиболитов и вмещающих пород следует рассматривать как важное следствие закономерностей регионального метаморфизма, которое можно связывать с изотопно-кислородным обменом и процессом декарбонатизации, сопровождающими региональный метаморфизм осадочных пород.

Возвращаясь к результатам работы Г. Шварца и Р. Клейтона, следует заметить, что сами по себе значения bO18 изученных ими амфиболитов (неоднозначно различающихся на орто- и паратипы по геологическим данным) вполне отчетливо группируются вокруг средних значений bO18, равных 7,5 и 10,2 промилле. Если абстрагироваться от недостаточно ясной геологической основы их исследования,

то эти значения довольно близки к тем, которые получены нами для амфиболитов Кольского полуострова: 6,3 и 11,9 промилле соответственно для орто- и параамфиболитов.

Таким образом, каждый тип амфиболитов имеет свой, генетически обусловленный, закономерный диапазон значений bО18, и есть все основания полагать, что ковергенция двух основных генетических типов амфиболитов на изотопном уровне достигается только при весьма специфических условиях (рассмотренных выше), которые красноречиво об этом свидетельствуют. Все это убеждает в надежности изотопно-кислородного метода для диагностики первичной природы амфиболитов.

Следует отметить, что изотопия серы также может быть с успехом использована для диагностики орто; и параамфиболитов. Так, например, А.А. Снежко и А.Л. Рабинович показали, что по изотопному составу серы (S34/S32) акцессорных сульфидов амфиболитов можно разделить их на орто- или паратипы. Согласно их данным, для геологически выделенных параамфиболитов характерны более высокие значения bS34 (7,8-10,0 промилле), чем для ортоамфиболитов (3,5-3,7 промилле).

Нам представляется, что основной задачей дальнейших исследований по разработке методов изотопной диагностики первичной природы глубокометаморфизованных пород основного состава является углубленное изучение на изотопном уровне особенностей метаморфизма, в первую очередь, глинисто-карбонатных пород, как наиболее вероятных осадочных эквивалентов амфиболитов, эклогитов, гранулитов и т. д.





Яндекс.Метрика