Высокотемпературный метаморфизм гранулитовых комплексов Сарматии

Положение 3.

По реинтегрированным составам первичного пижонита и ферроавгита температуры гранулитового метаморфизма оцениваются: для Курско - Бесединского блока ВКМ - 950^oС-1000^oС при 10-11 кбар; для Приазовского блока УЩ- 890^oС-930^oС при 10 кбар. Температуры метаморфизма, полученные по первичным составам полевых шпатов, составляют 960^oС-1050^oС.

Определение физико-химических условий метаморфизма гранулитовых комплексов Сарматии проводилось на основе анализа данных, полученных для железисто-кремнистых пород, а также ассоциированных с ними метабазитов, железисто-силикатных пород и метапелитов.

Анализ наблюденных парагенезисов и изучение составов сосуществующих минералов не позволил получить Р-Т оценок пика метаморфизма гранулитов Сарматии, так как на ретроградной ветви тренда минеральные фазы переуравновесились при более низких температурах. Термобарометрия высокометаморфизованных пород с одной стороны весьма продуктивна из-за присутствия информативных минеральных парагенезисов и существования надежных геотермобарометров, с другой стороны -сложна из-за высокой скорости катионного обмена между минеральными фазами, которая "стирает" данные о наиболее высокотемпературных условиях метаморфизма. К примеру, многие геотермометры, использующие гранат и пироксены отражают только ретроградную эволюцию гранулитов. Отсутствие плагиоклаза, низкая глиноземистость пироксенов, высокая железистость и кальциевость гранатов не позволяет использовать хорошо зарекомендовавшие себя геобарометры.

Ранее для архейских магнетитовых кварцитов ВКМ были получены температуры метаморфизма 800-850^oС (Opx-Cpx геотермометр). Давления при метаморфизме ассоциированных с железистыми породами метапелитов и метабазитов ВКМ (Курско-Бесединский блок) были определены как 6-8 кбар (Савко, 2000). Еще более низкие значения (Т = 700-760^oС при Р = 5кбар) были получены для железистых кварцитов Приазовского блока (Фонарев, 1987).

Очевидно, что Р-Т оценки, полученные по геотермабарометрии, не согласуются с условиями устойчивости пижонита и первичного ферроавгита, которые оцениваются 900-1000^oС в широком диапазоне давлений (Harley, 1987). Это обусловлено тем, что значения, полученные ранее для гранулитов Сарматии, отражают не максимальные Р-Т параметры, а условия охлаждения пород после пика метаморфизма.

Получение максимальных оценок температур метаморфизма магнетитовых кварцитов Сарматии стало возможным благодаря восстановлению (реинтеграции) состава минералов устойчивых на пике метаморфизма - ферроавгита и низкокальциевого моноклинного пироксена - пижонита. Реликтовые структуры распада в орто и клино-пироксенах предоставляют уникальную возможность определить состав первичных пироксенов.

На рис. 5 реконструированные составы первичных ферроавгита и пижонита совмещены с экспериментальными данными (Lindsley, 1983) при Р=10 кбар. Как видно из диаграммы, ферроавгиты из магнетитовых кварцитов ВКМ с концентрацией кальция 17,26 (En_22,Fs_41,Wo₃₇) и 14,86 (En_23,Fs_45,Wo₃₂) мас. % в ассоциации с пижонитом должны быть устойчивы при температурах соответственно > 900^oС (с учетом вероятного завышения содержания кальция для Cpx P) и 1000^oС. Следует отметить, что эффект давления на устойчивость этой ассоциации незначителен (Lindsley, 1983), и необходимость введения каких-либо поправок в интервале Р = 5-15 кбар практически отсутствует.

При температурах > 900^oС устойчив также и наиболее кальциевый пижонит (En_24,Fs_62,Wo₁₄) (СaO = 6,23 мас.%) с железистостью 0,72. В соответствии с зависимостью железистость - температура (Lindsley, 1983) пижониты с таким железо-магнезиальным соотношением в тройной ассоциации с орто- и клинопироксенами должны быть устойчивы при температуре 920 ^oС, а в ассоциации только с моноклинным пироксеном при более высоких температурах. Близкие предельные температуры кристаллизации (> 900^oС) получены и для других пижонитов с более низкими оценками содержания кальция и несколько более высокой железистостью (рис. 5).

С использованием двупироксенового термометра (Fonarev, Graphchikov, 1991) определены температуры формирования ассоциаций 2а (Cpx 1H + Opx 1L) и 2б (Opx 1H + Cpx 1L), то есть температуры распада ферроавгита (Cpx Р) и пижонита, соответственно равные 706^oС и 694-709^oС. Температуру второй ступени распада клинопироксена оценить не удалось из-за отсутствия корректных данных по составам ламелей ортопироксена Opx 2L и Opx 2LL.

Обнаружение в железистых кварцитах региона первичных высокоплотных (ρ =1,152 г/см ) углекислотных включений (Fonarev et. al. 2006) создает уникальную возможность для оценки давления пикового метаморфизма исследованных пород с учетом найденных температур распада пироксеновых твердых растворов. При микротермометрических (термокриометрических) исследованиях были выделены <группы синхронных включений> (Fonarev et al., 1998), одновременность захвата которых не вызывала сомнений и соответствовала критериям, обычно используемым в хронологии флюидных включений (Touret, 1981). Сопоставление их с результатами термометрии показывает, что гранулитовые комплексы Сарматии были изначально метаморфизованы не только при экстремально высоких температурах (порядка 1000^oС), но и относительно высоких давлениях (10-11 кбар).

Для оценки температур кристаллизации полевых шпатов из метапелитовых гранулитов ВКМ использовался двуполевошпатовый термометр Фурман и Линдсли (Fuhrman, Lindsley, 1988), рекомендованный Р. Хокада (Hokada, 2001) в качестве наиболее корректного для продуктов высокотемпературного метаморфизма. На диаграмме (рис. 6) для давлений 8 кбар показаны составы реинтегрированных полевых шпатов и продуктов их распада. Из диаграммы следует, что оценки температур устойчивости первичных полевых шпатов, получаемых с использованием различных методов анализа, различаются не очень существенно и в целом близки для антипертитов (>= 1050^oС), мезопертитов (>= 1000^oС) и пертитов (>= 960^oС). Поскольку в каждом из исследованных образцов присутствует только один из полевых шпатов с пертитовым, антипертитовым или мезопертитовым типом распада, то полученные значения отражают минимально возможные температуры кристаллизации первичных минералов.

Положение кривых устойчивости полевых шпатов на диаграмме Фурман и Линдсли (Fuhrman, Lindsley, 1988) почти не зависит от давления, поэтому найденные температуры (рис. 6) практически не требуют соответствующей коррекции в интервале 8-15 кбар. Составы распавшихся полевых шпатов (пертитовых, антипертитовых и мезопертитовых) (табл. 2), отражают ретроградную историю охлаждения пород до температур =< 700 ^oС (рис. 6).

Полученные температуры кристаллизации полевых шпатов из метапелитов ВКМ практически совпадают с данными для ассоциирующих с ними магнетитовых кварцитов и подтверждают ультравысокотемпературные условия пикового метаморфизма мезоархейского вулканогенно-осадочного комплекса Сарматии. На последующих низкотемпературных стадиях метаморфизма произошла кардинальная ретроградная переработка всех пород, в особенности метапелитов. В результате этого процесса свидетельства ультравысокотемпературного метаморфизма сохранились лишь в редких реликтах, как, например, пироксены со структурами распада в магнетитовых кварцитах и метабазитах, а также полевые шпаты из метапелитов.

Продукты полевошпатового распада кристаллизовались при снижении температуры (=< 700^oС) на заключительных этапах метаморфической переработки пород. К еще более низким температурам относится, очевидно, процесс изменения морфологии и уменьшения количества ламелей в краевых частях полевых шпатов, а также многостадийный распад в мезопертитовых полевых шпатах (рис. 4 г).

Высокие температуры метаморфизма метапелитовых гранулитов ВКМ (Курско-Бесединский гранулитовый блок) также подтверждаются устойчивостью высокотемпературного парагенезиса низкоцинковой шпинели с кварцем и высокоглиноземистым (до 8 мас. % Al₂O₃) составом ортопироксена (Harley, Motoyoshi 2000). Зерна шпинели находятся в непосредственном контакте с кварцем, который локализуется в хромшпинелевых каймах.

Оценки, полученные с помощью полевошпатовой термометрии и экспериментальных данных (Fuhrman, Lindsley, 1988), хорошо согласуются с данными по стабильности парагенезиса Qtz+Spl - T > 800^oС в широком интервале давлений P= 4 - 8 кбар (Shulters, Bohlen, 1989; Waters, 1991), а также нахождением структур распада магнетита в безцинковой шпинели - T > 860^oС (Turnock, Eugster, 1962) в метапелитовых гранулитах Курско-Бесединского блока ВКМ.

Впервые полученные данные по составам пироксенов и полевых шпатов, устойчивых на пике метаморфизма (ферроавгиты, пижониты, первичные полевые шпаты), а также плотности флюидных включений из этих минералов, в совокупности с результатами минералогической термобарометрии позволяют наметить тренд эволюции метаморфизма пород гранулитовых блоков Сарматии, который является прямым отражением тектоно-термальной истории изученных регионов.

В соответствии с полученными данными в истории ВКМ (Курско-Бесединский гранулитовый блок) фиксируется, по крайней мере, три метаморфических события (рис. 7). M1 - пиковый метаморфизм при Т >= 1000^oС, Р = 10-11 кбар, D (глубина) >= 36-38 км. Его характерные признаки: 1) устойчивость ферроавгитов и пижонитов в магнетитовых кварцитах; 2) устойчивость полевых шпатов состава Ab_47,An_25,Or₂₈; Ab_50,An_11,Or₃₉; Ab_29,An_6,Or₆₅ 3) непосредственные контакты низкоцинковой шпинели с кварцем, 4) высокоглиноземистый состав ортопироксенов в метапелитах, 5) структуры распада магнетита в шпинели из метапелитов; 6) высокоплотные углекислотные включения. M2 - ретроградный метаморфизм при Т порядка 710^oС, Р = 4,6-5,2 кбар, D = 16-18 км. M3 - ретроградный метаморфизм с Т = 615^oС, Р = 3,5 кбар, D = 12 км. Эти два этапа установлены с помощью минеральной геотермобарометрии (Grt-Opx, Opx-Cpx, Bt-Grt, Crd-Grt геотермометры; Grt-Opx-Pl-Qtz, Grt-Cpx-Pl-Qtz геобарометры) и по результатам исследования газово-жидких включений. Метаморфизм стадий M2 и M3 привел к почти полной перекристаллизации магнетитовых кварцитов и ассоциирующих с ними пород с образованием низкотемпературных минеральных ассоциаций, включающих гранат, пироксены второй генерации и грюнерит в ЖКФ, каймовый кордиерит, биотит, плагиоклазы и ортоклазы в метапелитах.

Можно предположить еще один ретроградный (M4) процесс тектоно-термальной активизации в регионе с температурами метаморфизма =< 400-500^oС и давлениями порядка 2 кбар. Свидетельства этого метаморфического этапа проявлены в виде хлоритизации, актинолитизации, серицитизации пород, а также присутствия в изученных образцах низкоплотных углекислотных и водно-солевых включений.

Полиметаморфическая история ВКМ подтверждается также сопоставлением его с прилегающим Приазовским блоком Украинского щита, который вместе с Оскольским доменом ВКМ (рис. 1 б) входил в состав Сарматии как единый докембрийский Оскольско-Азовский домен (Shchipansky, Bogdanova, 1996).

Ферроавгиты и пижониты из магнетитовых кварцитов УЩ (Приазовский блок) кристаллизовались при Т= 930-890^oС и P= 9-10 кбар (глубина >=33-35 км). Эти значения соответствуют первому тектоно-термальному событию в регионе (М1). После охлаждения железистых пород до температур 715 15^oС произошел распад пижонита и ферроавгита (М2). Третье метаморфическое событие (М3) в магнетитовых кварцитах Приазовского блока маркируется широким развитием ретроградных гранат-амфиболовых кайм по магнетитам и пироксенам.

Геохронологические данные для Приазовского блока УЩ свидетельствуют о трех тектоно-термальных (метаморфических) событиях с возрастом 3,45 млрд. лет, 2,9-2,8 млрд. лет и 2,3-2,2 млрд. лет (Щербак и др., 1993; Shcherbak et al., 1984), что согласуется с полученными результатами.