Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геохимические модели развития мантийных магматических систем по данным изучения глубинных ксенолитов Витимского и Удоканского вулканических полей

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Литасов, Константин Дмитриевич, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ

На правах рукописи

ЛИТ АСОВ Константин Дмитриевич

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ МАНТИЙНЫХ МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ГЛУБИННЫХ КСЕНОЛИТОВ ВИТИМСКОГО И УДОКАНСКОГО ВУЛКАНИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ (ВОСТОЧНОЕ ЗАБАЙКАЛЬЕ)

Специальность 04.00.02 - геохимия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАЗАЛЬТОИДОВ И ОСНОВНЫЕ

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КСЕНОЛИТОВ 1 ]

1.1. Байкальская рифтовая система 11

1.2. Витимское вулканическое поле 13

1.3. Удоканское вулканическое поле 17

1.4. Основные результаты предшествующих исследований ксенолитов 20

Глава 2. ПЕТРОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ КСЕНОЛИТОВ 27

2.1. Краткая характеристика ксенолитсодержащих проявлений 27

2.2. Замечания относительно принятой систематики ксенолитов 29

2.3. Систематика глубинных ксенолитов и мегакристаллов 31

2.4. Петрография и химический состав ксенолитов из миоценовых пикрито-базальтов Витимского поля . 35

2.5. Петрография и химический состав ксенолитов из плиоцен-плейстоценовых базанитов Витимского поля 67

2.6. Петрография и химический состав ксенолитов из плиоценовых базанитов оз. Куас и точки 94 (Удоканское поле) 87

2.7. Петрография и химический состав ксенолитов из миоценовых мелалейцититов вулканов Ингамакит и Мундужяк (Удоканское поле) 97

Глава 3. ГЕОХИМИЯ КСЕНОЛИТОВ ВИТИМСКОГО И УДОКАНСКОГО

ПОЛЕЙ 103

3.1. Методы исследования 103

3.2. Геохимия перидотитов 104

3.3. Геохимия минералов 105

3.4. Коэффициенты распределения минерал/расплав 130

3.5. Сосуществующие расплавы 135

Глава 4 ОБЗОР ГЕОТЕРМОБАРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПО КСЕНОЛИТАМ ВИТИМСКОГО И УДОКАНСКОГО

ВУЛКАНИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 141

4.1. Витимское поле 141

4.2. Удоканское поле 149

Глава 5. ЭВОЛЮЦИЯ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ И РЕДКОЭЛЕМЕНТНОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАНТИЙНЫХ ПРОЦЕССОВ 151

5.1. Строение верхней мантии Витимского и Удоканского вулканических полей и характеристика первичного субстрата 152

5.2. Реакционное преобразование перидотитового вещества 159 5.3 Петрогенезис пироксенитов и фракционирование расплавов 181 5.4. Сравнение ксенолитов Витимского и Удоканского полей с другими районами Байкальской рифтовой системы 194

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 198

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 201

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Перечень образцов и модальный состав ксенолитов 228

Приложение 2. Химический состав перидотитовых ксенолитов 239 Приложение 3. Представительные химические составы минералов из ксенолитов Витимского и Удоканского полей по данным микрозондового

анализа 242 Приложение 4. Содержания редких элементов в минералах из ксенолитов

Витимского и Удоканского полей 277 Приложение 5. Основные уравнения, использованные при моделировании 285

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Глубинные ксенолиты, которые выносятся к поверхности щелочными базальтами и кимберлитами, дают прямую информацию о составе верхней мантии и нижних частей земной коры. Кайнозойские щелочные базальтоиды Байкальской рифтовой зоны, а особенно базальты Витимского вулканического поля, выносят к поверхности широкий спектр пород, позволяющий представить строение мантийного разреза в пространстве по данным термобарометрии ксенолитов, эволюцию мантии во времени, используя данные по ксенолитам из разновозрастных базальтов, а также развитие магматической системы в динамике по геохимическим данным. Построение непротиворечивых геохимических моделей с использованием данных по редким элементам, полученных высокоточными методами исследования, является приоритетным направлением в современной мантийной петрологии. В этом отношении ксенолиты из базальтов Байкальского рифта менее изучены по сравнению с другими регионами, такими как Восточная Австралия, Западная Европа, Западные США. Геохимическое моделирование позволяет получать качественные модели развития магматизма в верхней мантии. В настоящее время не вызывает сомнений, что в литосферной мантии реализуются два основных процесса: трещинный перенос и реакционное просачивание расплава, но вопрос об их соотношении и преобладании одного над другим очень широко дискутируется. Цели и задачи

Целью исследования является построение геохимических моделей развития мантийных магматических систем по данным изучения глубинных ксенолитов Витимского и Удоканского вулканических полей и выявление особенностей взаимодействия перидотитов с проникающим расплавом.

Основные задачи исследования заключались в следующем:

1. Систематика и геохимическая характеристика типов ксенолитов, оценка состава и строения верхней мантии под Витимским и Удоканским полями.

2. Выявление типов реакционного преобразования первичного перидотитового субстрата и природы действующих агентов.

3. Определение путей фракционирования расплавов и их взаимодействия с перидотитами по данным изучения пироксенитовых ксенолитов.

Научная новизна

Ксенолиты Витимского и Удоканского плато изучаются уже более 25 лет, и предшествующими исследователями накоплено большое количество данных и опубликовано множество работ. Настоящая работа представляет собой новый этап исследования ксенолитов этих полей на основании данных детальной петрохимической обработки больших выборок ксенолитов и геохимического изучения их минералов методом вторично-ионной масс-спектрометрии и индукционно-связанной плазмы с лазерной абляцией.

Подобное исследование, охватывающее весь спектр ксенолитов, проводится впервые для Байкало-Монгольского региона, построенные геохимические модели основываются на последних разработках в области мантийной петрологии. Основные защищаемые положения

1. Верхняя мантия под Витимским вулканическим полем имеет сложное строение. По ксенолитам из миоценовых пикрито-базальтов фиксируется примитивный или обогащенный состав с развитием водосодержащих минералов, по ксенолитам из плиоцен-плейстоценовых базальтов - примитивный или слабоистощенный «сухой» состав. Для мантии Удоканского поля по ксенолитам из миоценовых вулканов северной части фиксируется сильноистощенный «сухой» состав, по ксенолитам из

плиоценовых лав северной и центральной части поля - слабоистощенный и «сухой» состав.

2. Выявлены три типа преобразования первичного перидотитового субстрата. 1) Обогащение перидотитов под воздействием расплава типа OIB и образование амфибол-флогопит-пироксеновых жил и прожилков, HFSE-обогащенных оргопироксенитов и ортопироксен-оливиновых пород, 2) преобразование перидотитов под воздействием HFSE-обогащенного расплава типа MORB и образование высокотитанистых перидотитов, 3) Реакционное обогащение лерцолитов и гарцбургитов легкими редкими землями в результате просачивания базальтового расплава.

3. Широкое развитие пироксенитовых ксенолитов на Витимском поле позволяет сделать вывод о существенной роли процессов фракционирования магмы в мантийных условиях. Выделенные типы пироксенитов отвечают моделям фракционной кристаллизации, просачивания расплава, сегрегации просачивающегося расплава и смене режима просачивания на трещинное фракционирование.

Практическая значимость работы

Ксенолиты из кайнозойских щелочных базальтов имеют очень хорошую сохранность по сравнению с более глубинными ксенолитами из кимберлитов, поэтому изучение наиболее глубинных щелочно-базальтовых ксенолитов, к каким относятся ксенолиты гранатовой фации Витимского плато, позволяет получить важные данные о составе глубинных зон континентальной литосферы.

Интерпретация данных по ксенолитам позволяет получить важные сведения об условиях генерации и эволюции базальтовой магмы на глубине, выявляет источники обогащения базальтов несовместимыми элементами. Проведенное моделирование составов расплавов и характеристика мантийных источников могут быть использованы

для построения петрогенетических моделей образования базальтовых магм в целях reo динамических реконструкций и оценки их рудоносности.

Прецизионные исследования с использованием высокоточных методик позволяют получить новые данные по коэффициентам распределения редких элементов между мантийными минералами. В настоящей работе приводятся новые данные о распределении целого ряда элементов. Данные по распределению Li, Be, Ga, Ge являются одними из первых, показана значимость этих элементов в мантийных процессах.

Фактический материал, личный вклад автора, методы и объемы исследования

Основой для проведения исследования стали коллекции образцов, собранных автором в период полевых работ на Витимском и Удоканском вулканических полях 1993-1996 года под руководством Й.В. Ащепкова. Образцы из базальтоидов северной части Удоканского поля были предоставлены С В. Рассказовым и A.B. Ивановым.

Было выполнено более 5000 микрозондовых анализов минералов. Анализ проводился автором на микроанализаторе "Camebax Micro" в ОИГТиМ СО РАН. Были использованы некоторые данные микрозондового анализа, выполненные Ю.Д. Литасовым в Университете Хоккайдо (Япония) и В.Г. Мальковцом, С В. Стрижовым в ОИГТиМ СО РАН на приборе "Camebax Micro".

Определение валового состава перидотитовых и пироксенитовых ксенолитов проводилось методом классической мокрой химии в лабораториях ИЗК СО РАН и ИГХ СО РАН, г.Иркутск. Определение содержаний редких элементов в перидотитах проводилось методом атомно-абсорбционного-анализа в ИГХ СО РАН. Определение содержания щелочей и Mg - методом пламенной фотометрии в ИГХ СО РАН (аналитик Т А. Ожогина).

Основой для построения геохимических моделей стали данные анализа минералов ксенолитов методом вторично-ионной масс-спектрометрии (SIMS), выполненные в Институте Микроэлектроники РАН, г. Ярославль (аналитик C A. Симакин). Кроме этого, использовались первые результаты исследования ксенолитов методом индукционно-связанной плазмы с лазерной абляцией (LA-ICP-MS). Данные были получены автором на масс-спектрометре в Королевском музее Центральной Африки (Тервюрен, Бельгия) под руководством Л. Андре и Ж. Навье. Апробация работы и публикации

Основные результаты исследований докладывались на нескольких международных и российских конференциях и совещаниях. В том числе на 6-й и 7-й Международной кимберлитовой конференции (Новосибирск, 1995; Кейптаун, Южная Африка, 1998), 6-й и 8-й ежегодной геохимической Гольдшмидтовской конференции (Гейдельберг, Германия, 1996; Тулуза, Франция, 1998), международном совещании и итоговой конференции по проекту 1NTAS «Continental Rift Tectonics and evolution of sedimentary basins» (Новосибирск, 1996; Гент, Бельгия, 1998), конференции РФФИ «Геодинамика и эволюция Земли» (Новосибирск, 1996), 16-й и 17-й молодежных конференциях «Эволюция Центрально-Азиатского складчатого пояса» и «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 1995, 1997)

По теме диссертации опубликовано более 16 работ с участием автора, в том числе 8 статей в ведущих российских журналах, 5 из которых находятся в печати, и 6 расширенных тезисов международных конференций. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения общим объемом 292 страниц машинописного текста. В ней содержится 77 рисунков, 8 таблиц, 5 приложений. Список литературы состоит из 230 наименований.

Работа выполнена в лаборатории геологической корреляции (№817) Института геологии СО РАН. Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю работы академику Н.Л. Добрецову за постоянную поддержку и внимание, конструктивный просмотр рукописи и ценные замечания.

Автор выражает благодарность академику Н.Л. Добрецову, чл.-корр. A.B. Соболеву, Л.Андре и Я.Клерксу, при участии которых стало возможным получение прецизионных аналитических данных, а также A.C. Мехоношину, A.B. Иванову и C.B. Рассказову за помощь в анализе валовых составов пород и О.С. Хмельниковой за постоянную помощь при микрозондовых исследованиях.

Полевые работы проводились совместно с И В. Ащепковым, C.B. Рассказовым, A.B. Ивановым, В.Г. Мальковцом, Ю.Д. Литасовым, C.B. Стрижовым, C.B. Есиным,

A.B. Туркиным, A.B. Головиным, а также Л. Андре, К. Ниида, С. Араи, М. Ямамото, Й. Taro, Е. Цингреббе, С. Фолей, С. Глазер, Н. Харрис и др.

Важные аспекты, связанные с работой, обсуждались в разное время с Ю.Д.Литасовым, А.В.Соболевым, В.С.Шацким, Р.М.Бедини, П.Д. Кемптон, С.В.Рассказовым, И.В.Ащепковым, С.Фолей, Д.А.Ионовым, Ж.Л.Бодинье, М.Годар,

B.Н.Шараповым, академиком Н.В.Соболевым, А.В.Ивановым, Л.Андре,

B.А.Кутолиным, С.И.Костровицким, АС.Мехоношиным, В.В.Шарыгиным,

C.З.Смирновым, В.Г.Мальковцом, Н.В.Владыкиным, М.В.Портнягиным, С.В.Есиным, М.М.Бусловым, В.А.Верниковским, В.М.Калугиным. Всем вышеназванным лицам автор выражает глубокую благодарность.

Полевые и аналитические работы выполнялись при поддержке проектов РФФИ 94-05-17103, 97-05-65309, 97-05-65331, 96-15-98444, а также молодежного гранта СО РАН (1998г.).

Глава 1

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАЗАЛЬТОИДОВ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КСЕНОЛИТОВ

1Л. Байкальская рифтовая система

Тектонические структуры Байкальской рифтовой системы (БРС) являются частью Монголо-Охотского складчатого пояса, располагающегося вдоль южной и юго-западной границы Сибирской платформы. Зарождение рифтовых структур БРС связывается в основном с влиянием двух геодинамических факторов: 1) коллизии Индостана и Евразии, произошедшей примерно 50-55 млн. лет назад, и 2) подъема горячего материала мантийного плюма. Основными доводами в пользу плюмовой модели являются высокий тепловой поток (до 120 Вт/м2), широкое развитие щелочных базальтов, утонение литосферы и воздымание территории региона в местах проявления вулканизма. Коллизионные тектонические напряжения могли играть роль спускового механизма в процессе активизации щелочно-базальтовых извержений (Molnar, Tapponier, 1975; Windley, Allen, 1993; Rasskazov, 1994, Рассказов, 1996). В настоящее время получила распространение модель сегментного строения БРС, учитывающая ее неравномерное тектоническое развитие, вращение в рифтовой зоне вокруг полюса, расположенного на северо-восточном фланге (Зоненшайн и др., 1978; Зорин, Корделл, 1991), пространственно-временное смещение впадинообразования и распределение вулканизма (Рассказов, 1996).

В пределах БРС располагаются множество кайнозойских базальтовых ареалов (Киселев и др., 1979; Rasskazov, 1994), часть из них представлена на рис. 1. В Южном

10-1" 108". 112" 116" 120"

Рис. 1. Положение вулканических полей в центральной и восточной части Байкальской рифтовой системы. Использованы данные работ (Киселев и др., 1979; Шенгер и др., 1994; Гусев, Хаин, 1995; Ве1уаих & а1., 1995). Цифрами и тонкими линиями показана толщина литосферы в пределах БРС (Зорин и др., 1990). Обозначения: ВП- Витимское поле, УП - Удоканское поле, ХБ - Хамар-Дабанский ареал, Б - Бартойский ареал, АЩ - Алданский щит, КУ - Кодаро-Удоканский прогиб, БА - Баргузин - Хамар-Дабанский микроконтинент, МЯ - Малхано-Яблоновый микроконтинент (БА и МЯ микроконтиненты объединяются в Байкало-Витимский составной террейн), ВС - Витимская сутура, С - Становой шов.

Прибайкалье располагаются Хамар-Дабанский и Бартойский ареалы, на восточном фланге выделяются Витимское и Удоканское вулканические поля. Общие схемы кайнозойского магматизма и петрогенетические модели развития вулканизма

рассмотрены в работах (Киселев и др., 1979; Kiselev, 1987; Кононова и др., 1993; Рассказов, 1993; Rasskazov, 1994).

1.2. Витимское вулканическое поле

Витимское вулканическое поле располагается в 200 км к востоку от озера Байкал в верховьях р. Витим (рис. 1-2) и занимает площадь около 7000 км2. Оно находится в стороне от осевой части Байкальского рифта в пределах зоны аномальной мантии под БРС. По данным Ю.АЗорина с соавторами (Зорин и др., 1990) мощность литосферы в пределах Витимского поля меняется с северо-запада на юго-восток от 50 до 125 км.

По известным K-Ar-датировкам Витимских базальтов ранее выделялось два этапа в становлении плато (Esin et al., 1995): миоценовый (18-7 млн. лет) и плиоцен-плейстоценовый (5-0.8 млн. лет). Последние исследования показали, что развитие вулканизма на Витимском поле описывается более сложной моделью. На вулканическом поле закартировано 86 вулканических конусов и 18 погребенных вулканических построек. В пределах поля вулканические постройки концентрируются в пять изометричных вулканических ареалов и обрамляющие их две протяженных вулканических зоны (рис.2) (Рассказов и др., 1996). Вулканы северной зоны имеют, в основном, миоценовый возраст. Вулканы южной зоны - плиоцен-плейцстоценовый. Детальные исследования, проведенные в Береинском ареале, и выполненные при этом К-Аг датировки показали, что вулканизм развивался в три этапа (Рассказов и др., 1996): 1) среднемиоценовый (16-14 млн. лет, пикрито-базальты и лейкобазальты), позднемиоценовый (около 8 млн. лет, оливиновые толеиты) и раннечетвертичный (20.8 млн. лет, базаниты и фонобазаниты). Химический состав базальтов Береинского ареала приве�