Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Дайки и трубки взрыва Кандалакшского грабена

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Рухлов, Алексей Сергеевич, Санкт-Петербург

у у • а а /

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

Рухлов Алексей Сергеевич

ДАЙКИ И ТРУБКИ ВЗРЫВА КАНДАЛАКШСКОГО ГРАБЕНА (КОЛЬСКАЯ ЩЕЛОЧНАЯ ПРОВИНЦИЯ): МОДЕЛИ МАГМАТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ЭВОЛЮЦИИ СУБКОНТИНЕНТАЛЬНОЙ МАНТИИ.

Специальность 04.00.08 - петрология, вулканология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 1999 г.

Оглавление:

стр.

ВВЕДЕНИЕ 1

Глава 1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ПОЗИЦИЯ ДАЕК И ТРУБОК ВЗРЫВА

КАНДАЛАКШСКОГО ГРАБЕНА. ДАЙКОВЫЕ СЕРИИ 5

Глава 2. ПЕТРОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАЙКОВЫХ

ПОРОД КАНДАЛАКШСКОГО ГРАБЕНА 23

2.1. Методы петрографических исследований. 23

2.2. О классификации и номенклатуре дайковых пород. 23

2.3. Ранняя дайково-диатремовая серия щелочных пикритов, оливиновых мелилититов, ультрамафических

лампрофиров и карбонатитов. 25

2.4. Позднепалеозойская кандагубская нефелинит-карбонатит-фонолитовая дайковая серия. 32

2.5. Позднепалеозойская кандалакшская лимбургит-мончикит-нефелинитовая дайковая серия. 39

2.6. Позднепалеозойская кимберлитовая серия. 42

2.7. Позднепалеозойская турьинская мелилитит-карбонатит-нефелинитовая дайковая серия. 44

Глава 3. МИНЕРАЛОГИЯ 56

3.1. Аналитические методы. 56

3.2. Оливины. 56

3.3. Мелилиты. 60

3.4. Ромбические пироксены. 63

3.5. Моноклинные пироксены. 65

3.5.1. Генетическая систематика и особенности эволюции

состава клинопироксенов. 65

3.5.2. Петрогенетическое значение. 87

3.6. Амфиболы. 88

3.7. Слюды. 93

¡1

3.8. Нефелины. 105

3.9. Нозеан. 105

3.10. Щелочной полевой шпат. 107

3.11. Анальцим. 107

3.12. Шпинелиды. 107

3.13. Ильмениты. 112

3.14. Перовскиты и титанит. 115

Глава 4. ГЕОХИМИЯ 117

4.1. Аналитические методы. 117

4.2. Петрогенные элементы. 117

4.3. Р едкие элементы. 138

Глава 5. ИЗОТОПНАЯ ГЕОХИМИЯ 148

5.1. Аналитические методы. 148

5.2. Определение абсолютного возраста даек. 154

5.2.1. К-Ar метод. 155

5.2.2. Rb-Sr метод. 157

5.2.3. Sm-Ndметод. 167

5.3. Sr-Nd изотопная систематика даек и трубок взрыва. Однородный или гетерогенный мантийный источник? 173

Глава 6. ПЕТРОГЕНЕЗИС 184

6.1. Родоначальные магмы и условия их зарождения. 184

6.2. Факторы магматической эволюции дайковых серий. 188

6.2.1. Кристаллизационное фракционирование.

Количественная геохимическая модель. 188

6.2.2. Ликвация и происхождение карбонатитов. 196 в.23. Газовый перенос. 200 6.2 А. Смешение магм. 201 6.2.5. Ассимиляция коровых пород. 202

Глава 7. ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

СУБКОНТИНЕНТАЛЬНОЙ МАНТИИ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ

ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА 204

7.1. Деплетированная литосферная мантия. Идентификация компонентов мантийного источника даек и трубок взрыва. 204

7.2. Факторы эволюции субконтинентальной мантии. 218

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 221

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 224

ПРИЛОЖЕНИЕ А. 247

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Диссертационная работа посвящена щелочным дайкам и трубкам взрыва Кандалакшского грабена, которые наряду с несколькими карбонатитовыми массивами, приуроченными к этой зоне глубинных разломов, относятся к крупнейшей в мире Кольской щелочной провинции (КЩП). Столетняя история изучения даек на побережье и островах Кандалакшского залива связана с именами целого ряда выдающихся отечественных и зарубежных ученых: Е.С.Федорова, В.Рамсея, И. Сёдерхольма, В.Брёггера, Е.Кранка, Д.С.Белянкина, В.И.Влодавца, Б.М.Куплетского, Н.Г.Судовикова, К.А. Шуркина, A.A. Кухаренко, Л.С. Бородина, а также многих других исследователей. Главной особенностью дайково-диатремового комплекса Кандалакшского грабена является тесное сочетание различных по составу, происхождению и времени формирования пород -дифференциатов нескольких первичных магм (Иваников, 1977; Булах, Иваников, 1984; Иваников, Рухлов, 1996). Это определяет модельное значение даек и трубок взрыва Кандалакшского грабена при изучении КЩП в целом.

В последние годы появились работы, посвященные петрологии и изотопной геохимии пород КЩП (Kramm et al., 1993; Kramm, 1993; Beard et al., 1996; Арзамасцев, 1997; Beard et al., 1998). Предложенные в них модели основаны на представлениях о монохронности щелочного магматизма региона (380 - 360 млн лет или 410 - 360 млн лет) и не согласуются с данными по геологии щелочных даек Кандалакшского грабена (Булах, Иваников, 1984; Иваников, Рухлов, 1996). Наряду с этим, результаты датирования даек К-Ar методом (Шуркин, 1960; Кухаренко и др., 1971; Кононова, 1976; Ветрин, Калинкин, 1992; Калинкин и др., 1993; Arzamastsev, 1994) и прецизионные Rb-Sr, Sm-Nd и U-Pb изотопные данные для щелочных интрузий юго-запада и северо-востока Балтийского щита (Andersen, 1987; Aitcheson, 1989; Cadow, 1993; Andersen, Taylor, 1995; Dunworth, 1997) свидетельствуют о двух этапах проявления щелочного магматизма: вендско-раннепалеозойском и поз днепалеозойском.

Представляется, что полигенно-полихронный дайково-диатремовый комплекс Кандалакшского грабена приобретает ключевое значение при разработке моделей щелочного магматизма КЩП. В настоящей работе на основе систематического изучения щелочных даек и трубок взрыва Кандалакшского грабена оценены параметры выплавления первичных магм, реконструированы процессы их

дифференциации и, с учетом данных по КЩП, предложена изотопно-геохимическая модель субконтинентальной мантии Балтийского щита.

Цель исследования, отраженная в её названии, предполагала комплексное геолого-петрографическое, минералогическое, геохимическое и изотопное изучение даек и включала решение следующих задач:

1. построение возрастной и генетической систематики даек и трубок взрыва с выделением магматических серий;

2. оценка термодинамических условий зарождения первичных расплавов;

3. количественное моделирование факторов магматической эволюции;

4. изотопно-геохимическая интерпретация источника щелочных даек и трубок взрыва и разработка модели химической эволюции субконтинентальной мантии Балтийского щита.

Научная новизна. Впервые получены прецизионные изохронные Rb-Sr и Sm-Nd возрасты щелочных даек и установлены 3 этапа дайково-диатремового магматизма Кандалакшского грабена: венд - поздний палеозой - мезозой. Выделена новая кандагубская нефелинит - карбонатит - фонолитовая дайковая серия.

Изучены типохимические особенности и выделены 3 генетические группы Fe-Mg минералов (оливины, пироксены, амфиболы, слюды, шпинелиды): мантийные ксенолиты, высокобарические фенокристаллы, низкобарические фазы (Иваников, Рухлов, 1998а).

Определены глубины выплавления первичных магм дайковых серий и оценены модальные составы и степени плавления источников. Рассчитана количественная геохимическая модель магматической эволюции мелилитит-карбонатит-нефелинитовой дайковой серии Турьего п-ова (Иваников, Рухлов, 19986, Ivanikov, Rukhlov, Bell, 1998).

Установлена гетерогенная природа мантийного источника даек и трубок взрыва Кандалакшского грабена. Выделены четыре изотопно-геохимических компонента мантии Балтийского щита: стабильная деплетированная литосфера; обогащенные LILE литосферные компоненты с высоким и низким 143Nd/144Nd; мантийный плюм с характеристиками современных HIMU базальтов океанических островов.

Практическая значимость. Практическое значение работы состоит в определении глубин магмогенерации и оценке перспектив алмазоносности района, а также в уточнении легенд интрузивного магматизма к новому поколению

геологических карт. Данные по распределению микроэлементов в дайковых сериях могут быть полезны при разработке геохимических критериев минерагенической специализации карбонатитовых плутонов.

Фактический материал и методы исследований. Полевые исследования по теме диссертации проводились в период с 1993 по 1996 гг, в результате которых был собран большой фактический материал. Вместе с коллекциями научного руководителя и старшего геолога ГСФ "Минерал" Е.В. Путинцевой он стал основой для дальнейшей работы. Лабораторные исследования включали:

• микрозондовый анализ минералов -180;

• силикатный анализ пород - 44 пробы (новые анализы);

• прецизионный редкоэлементный анализ пород -105 проб;

• датирование даек по флогопиту и амфиболу K-Ar методом - 7 образцов;

• прецизионное измерение отношений 87Sr/86Sr и 143Nd/144Nd и определение концентраций Rb, Sr, Nd, Sm в мономинеральных фракциях и породах - в 23 образцах. Аналитические методы охарактеризованы в 3,4 и 6 главах.

Апробация. Отдельные результаты исследования были представлены на всероссиийских и международных научных конференциях в 1994 - 1998 гг.:

• Международном Симпозиуме, посвященном 150-летию со дня рождения A.A. Иностранцева (Санкт-Петербург, СПбГУ, 1994 г.),

• 8-ой конференции молодых ученых "Вопросы геологии Карело-Кольского региона", посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца (Петрозаводск, Институт геологии КарНЦ РАН, 1994 г.),

• 22-ой Зимней геологической конференции стран Северной Европы (Финляндия, Турку, 1996 г.),

• 1-ой Международной Конференции "Корреляция Геологических Комплексов Фенноскандии" (Санкт-Петербург, СПбГГИ, 1996 г.),

• Международной Конференции "Закономерности эволюции Земной коры", посвященной 60-летию Научно-Исследовательского института Земной коры им. акад. Ф.Ю. Левинсон-Лессинга при СПбГУ (Санкт-Петербург, СПбГУ, 1996 г.),

• Юбилейной конференции "125 лет геологической службе Швеции" (Швеция, Стокгольм, 1996),

• 9-ом Конгрессе Европейского Союза Геонаук "EUG 9" (Франция, Страсбург, 1997),

• Международной конференции, посвященной 50-летию Геологической Службы Канады (Carbonatite Symposium: "Carbonatites: Implications for Mantle & Crustal processes"; Канада, Оттава, 1997),

• 4-ой Международной конференции прикладной геологии (Финляндия, Турку, 1997),

• Международной конференции "Минеральные равновесия и базы данных" (Финляндия, Хельсинки-Эспоо, 1997),

• 2-ом семинаре "SVEKALAPKO: An EUROPROBE project" (Финляндия, Ламми, 1997),

• Семинаре "EUROPROBE - SVEKALAPKO" (Репино, Россия, 1998).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 15 печатных работ (статьи - 6, тезисы докладов - 9).

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю В.В. Иваникову. Автор особо благодарит А.Г. Булаха и К. Белла (Карлтонский университет) за всемерное содействие, а также Н.Б. Филиппова, Е.В. Путинцеву, Ю.Д. Пушкарева, Л.П. Никитину, A.A. Кольцова, Ю.Л. Крецера, Н.Ф. Шинкарева и всех сотрудников кафедры петрографии за помощь в работе. Исследование поддержано грантом МГГА в 1996-97 гг. (11-2.1-5); Мэрией Санкт-Петербурга (гранты в 1994-98 гг.); Санкт-Петербургским Отделением Общества Естествоиспытателей (стипендия им. A.A. Иностранцева в 1996 г.); Соросовской Образовательной Программой в Области Точных Наук (IS SEP) Института Открытое Общество (гранты s96-2297, а97-353, а98-63).

Глава 1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ПОЗИЦИЯ ДАЕК И ТРУБОК ВЗРЫВА КАНДАЛАКШСКОГО ГРАБЕНА. ДАЙКОВЫЕ СЕРИИ.

Дайки и трубки взрыва северо-западного Беломорья относятся к крупнейшей в мире щелочной провинции, охватывающей Кольский полуостров и прилегающие районы Карелии и Финляндии. Генетически разнообразный щелочной магматизм проявлен в этом регионе в огромном временном диапазоне, от рубежа архея и протерозоя до мезозоя (?), и представлен всеми фациальными типами. Наиболее распространены плутонические и дайковые образования, которые образуют несколько линейных поясов, приуроченных к долгоживущим зонам глубинных разломов (Кухаренко и др., 1965; Булах, Иваников, 1984; Дудкин, Митрофанов, 1993). В пределах этих поясов дайки размещены неравномерно. Наиболее крупные дайковые кусты сопровождают щелочные массивы и тяготеют к участкам пересечения глубинных разломов тектоническими швами иного направления. Геологические взаимоотношения даек и плутонов наиболее достоверно расшифрованы для щелочных комплексов северо-западного Беломорья, контролируемых глубинными разломами Кандалакшского грабена. Можно полагать, что установленные здесь геолого-петрологические особенности дайкового магматизма достаточно типичны для всей КЩП.

Кандалакшский грабен является частью рифейской рифтогенной структуры (Константиновский, 1977), неоднократная активизация которой в венде, палеозое и, возможно, в мезозое определила становление нескольких карбонатитовых массивов и полигенно-полихронных дайковых серий (Булах, Иваников, 1984; Иваников, Рухлов, 1996).

Неравномерное распределение даек в пределах этой тектонической зоны выступает особенно рельефно благодаря хорошей обнаженности прибрежных районов и многочисленных островов (рис. 1). Большинство выявленных даек, общим числом более тысячи, локализовано в окрестностях Кандалакши (рис. 2-4) и на Турьем полуострове (рис. 5 - 7), где они сопровождают карбонатитовые массивы. Менее мощные дайковые рои известны в районах Порьей губы, Чупинской губы, острова Великий, горы Небло и оз. Пинозеро.

Рис. 1. Схема размещения щелочных даек и трубок взрыва в северо-западном Беломорье (Иваников, Рухлов, 1996). А - район Кандалакши, Б - географическое положение изученного региона (в квадрате) на северо-западе России. 1 - дайки рифейских высококалиевых лампрофиров и лампроитов, 2 -вендские, палеозойские и мезозойские щелочные дайки, 3 - трубки взрыва оливиновых мелилититов и меланефелинитов (а) и кимберлитов (б), 4 - карбонатитовые массивы (Турьинские и Кандагубский), 5 - песчаники терской свиты рифея, 6 -кристаллические раннедокембрийские породы (амфиболиты, гранулиты, мигматиты, гранитоиды и т.д.). Круговые диаграммы простирания даек показывают относительное количество тел преобладающей ориентировки в отдельных дайковых кустах: 1 -Кандалакшский (около 400 даек), 2 - Чупинская губа и о. Великий (45 даек), 3 - мыс Келейный (60 даек), 4 - Порья губа (26 даек), 5 - Турий мыс (345 даек).

Рис. 2. Проявления щелочного магматизма в районе Кандалакши (Иваников, Рухлов, 1996). 1 - 3: ранняя дайково-диатремовая серия (1 - щелочные пикриты, оливиновые мелилититы, альнёиты, айлликиты; 2 - карбонатиты; 3 - трубка взрыва оливинового мелилитита на о. Еловый), 4 и 5 - кандагубская дайковая серия (4 - нефелиниты, фонолиты, трахиты и их лампрофировая фация; 5 - карбонатиты), 6 - кандалакшская дайковая серия (лимбургиты, авгититы и мелаанальцимиты, мончикиты, камптониты, фурчиты, нефелиниты), 7 - дайки известково-щелочных лампрофиров неопределенного возраста, 8 - Кандагубский фоидолит-фоидосиенитовый карбонатитовый массив.

Рис. 3. Схема проявлений щелочных даек на островах Кандалакшского архипелага на участке, показанном врезкой № 1 на рис. 2. 1 - 5 - кандалакшская дайковая серия: 1 -лимбургиты, мелаанальцимиты; 2 - мончикиты; 3 - камптониты; 4 - фурчиты; 5 -нефелиниты; 6 - 10 - ранняя дайково-диатремовая серия: 6 - щелочные пикриты (а -пироксеновые, б - мелилитовые); 7 - оливиновые мелилититы; 8 - альнёиты; 9 - айлликиты; 10 - карбонатиты. Номера даек соответствуют номерам образцов и проб.

Рис. 4. Схема выходов даек в береговых обнажениях к востоку от устья р. Нива (врезка № 2 на рис. 2). 1 - четвертичные отложения, 2 - дайки известково-щелочных лампрофиров неопределенного возраста, 3-5: архейские кристаллические породы (3 - гранатовые ортоамфиболиты, 4 - мигматизированные гранат-полевошпатовые амфиболиты, 5 -микроклиновые граниты). Остальные условные обозначения как на рис. 3.

Рис. 5. Геологическая карта западной части Турьего полуострова по А.Г. Булаху (Булах, Иваников, 1984) и привязка некоторых даек мелилитит-карбонатит-нефелинитовой серии. На врезке показаны основные элементы геологической позиции Кольского полуострова и Северной Карелии, согласно (1уашкоу е1 а!., 1998).

Рис. 6. Схема геологического строения прибрежной полосы у устья Хям-ручья (Турий полуостров) по В.В. Иваникову (1977) с изменениями. 1 - четвертичные отложения, 2 - нефелиниты (н), 3 - карбонатиты (к), 4 - мелилитовые нефелиниты, нефелиновые мелилититы (млн) и мелилититы (мл), 5 - меланефелиниты (мн), 6 - оливиновые меланефелиниты (мно) и оливино-мелилитовые меланефелиниты (мном), 7 - турьиты, 8 - оливиновые мельтейгит-порфиры, 9 - микромельтейгит-ийолиты, 10 - эруптивные брекчии щелочных ультрамафических лампрофиров и пикритов ранней дайково-диатремовой серии (I возрастная группа даек), 11 - песчаники терской свиты рифея, 12 - раннепротерозойские гранодиориты Умбинского комплекса, 13 - номера даек при отборе образцов и проб, 14 -элементы залегания даек, 15 - элементы залегания гнейсовидности в грано диоритах и слоистости в песчаниках, 16 - возрастные группы даек и аббревиатурные названия пород (в скобках).

ю

Л15

Шмн

112

Шмн Шмн

110

и ,1 \\W50 и/

Скала "Монах" Шмлн * I. С-у405 104,_

Шмлн

: Девичий крест 1Ншш__235__ 234 2_31 23222'62_25 219А ПШно

с/109 .7 , и

114 Шмно —

106 Шмн ттт

ТТТн Шк Шмл

Шмн

214 216

213 I 21?--

.• Н70 • : -л«'50 ;• г:V

■:г: :■ ■': 215л\ -50 ■ \.цо ■'70-

' -Т-:-У ••'.'•■■ • ' :• .¿Н • ' ''':'' •

'-82 211

203 Шмн 201 195 193

Шмл ■ ^ ■

Шмн 194

Шмн

218

217

216 А

Шмл

280 : -50

191

215

Шмн

190

^ { —184 Шмн и 110 м

.. га 1 У5о

189

И88 .•

185

Шмн ~176/ Шмлн-

Шмн

1мн 123 126

Шмн Шмноттт

'151152А152Б154 ШмнЩЧ™ 1

183 182 1мно 179 Шмл ____111н

Шмл ШмлнШмнрмЛб^Ш^Ш^ ПЬ

11мно

Шт Шмл 152В Шмл

157

158 159

Шмно

(кж

'165164 167

168

169"

170"

ЖЪ И2 Шз

^пи и? аИб

Рис. 7. Схема расположения даек на южном берегу Турьего полуострова по В.В. Иваникову (1977) с изменениями. 1 - четвертичные отложения, 2 - дайки III возрастной группы (турьинская мелилитит-карбонатит-нефелинитовая дайковая серия), 3 - дайк