Геодинамическая интерпретация U-Pb возрастов сфенов из архейских пород Карельского кратона и Беломорского подвижного пояса Фенноскандинавского щита

Глава 2. Сфен и его U-Pb система.

Сфен (титанит) CaTi[SiO₄](O,OH,F), благодаря изоморфному вхождению урана в его кристаллическую решетку, является одним из минералов-геохронометров. U-Pb возраст сфена отражает время, когда минерал остыл до температуры закрытия его изотопной системы - температуры, при которой скорость потерь изотопов Pb за счет диффузии становится незначительной по сравнению со скоростью его накопления.

На основании экспериментальных данных температура закрытия изотопной U-Pb системы сфена (T_{закр. сфена}) оценивается в 650-700 ^oС (Cherniak, 1993; Frost et al, 2000), что частично согласуется с теоретическими расчетами (Dahl, 1997), а также подтверждается эмпирически (Essex et al., 1997; Gao et al., 2011; Pidgeon et al., 1996; Rigby, Armstrong, 2011; Scharer et al., 1994; Scott, St-Onge, 1995; Verts et al., 1996; Zhang, Scharer,1996). Вместе с тем в ряде других работ, основанных на петрологических наблюдениях, отмечается, что температура закрытия изотопной U-Pb системы сфенов, вероятно, должна быть несколько ниже ~500-600 ^oС, это объясняется несоответствием температуры закрытия минерала и условиями метаморфизма (Castelli, Rubatto, 2002; Hanson et al., 1971; Mezger et al., 1993; Tucker et al., 1987 и др.). Кроме того, следует обратить внимание на то, что в пределах Беломорского подвижного пояса температура палеопротерозойского метаморфизма, как правило, не превышала 500-570 ^oС (в отдельных случаях 800-850 ^oС) (Володичев, 1990; Володичев и др., 2011), при этом перестройка изотопной системы сфенов происходила. Это означает, что вопрос о температуре закрытия изотопной системы сфена требует дополнительного изучения. Важно отметить, что температура закрытия изотопной системы сфена ниже, чем у циркона, и выше, чем у рутила.

Данные об U-Pb возрастах сфенов в сочетании со знаниями о геологии региона и информацией об изотопном возрасте других минералов (цирконов, рутилов, монацитов) позволяют тестировать геодинамические модели, привязывать возрасты изотопных систем сфенов к конкретным тектоно-термальным событиям.

Изотопный возраст сфена может отражать возраст как магматических, так и метаморфических процессов, кроме того, при повышении температуры изотопная система уже существующего сфена может переуравновеситься. Подобные процессы могут иметь региональный и локальный характер.

В региональном масштабе переуравновешивание изотопной системы сфена может быть вызвано, например, прогревом коры в результате воздействия плюма (рис. 2 а). Если T > T_{закр. сфена}, то изотопная система уже существующих сфенов нарушается и их возраст "обнуляется". После отмирания плюма кора остывает и изотопная система сфена закрывается. Сфен в таком случае отражает время "ухода" изотермы T = 650 (550) ^oС. К данной модели следует обращаться, когда установлены комплексы-индикаторы плюма.

Сфен также может фиксировать время остывания блока коры после тектонического выведения со среднекоровых глубин, где T > T_{закр. сфена} и соответственно изотопная система сфена открыта, в приповерхностную область с более низкой температурой (T < T_{закр. сфена}) (рис. 2 б). Геологическим обоснованием данной модели является наличие крупных надвигов и комплексов, метаморфизованных в высокобарических и высокотемпературных условиях, а также отсутствие корреляции между возрастами сфена и циркона.

Следует отметить, что в обоих случаях возможна кристаллизация новообразованного сфена.

Кроме того, сфен может отражать время стабилизации (кратонизации) континентальной новообразованной земной коры, сформированной в ходе субдукционно-аккреционных процессов (рис. 2 в). В этом случае возраст сфенов близок ко времени завершающих стадий ее становления (в частности, к возрасту цирконов в гранитных интрузиях - индикаторах зрелой коры).

В перечисленных случаях сфены близкого возраста должны иметь широкое распространение.

При наличии зон или геологических тел, в которых сфен имеет близкий возраст, например разломов с метасоматической переработкой, изотопная система этого минерала может фиксировать время воздействия гидротермального флюида (рис. 2 г), в результате как формируются новые генерации сфенов, так и нарушаются (полностью или частично) U-Pb системы уже существующих. При частичном нарушении изотопной системы в ней сохраняются более древние реликты. В случае интрузивных тел возраст сфена показывает время остывания пород ниже T_{закр. сфена} (рис. 2 д). При отсутствии наложенных процессов разница в возрасте сфена и циркона будет отражать скорость остывания интрузии. В приконтактовой зоне во вмещающих породах изотопные системы уже существующих сфенов могут быть нарушены.

Рис. 2. Геодинамическая интерпретация изотопного U-Pb возраста сфена (подробное описание смотри в тексте) 1 - сфены с открытой изотопной системой; 2 - сфены с закрытой изотопной системой; 3 - новообразованные сфены; 4 - сфены с полностью нарушенной изотопной системой; 5 - сфены с частично нарушенной изотопной системой; 6 - флюид; 7 - изотерма, соответствующая температуре закрытия изотопной системы сфена (Т закр. сфена)