Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Петрология пермотриасовых траппов Кузнецкого бассейна

ВАК РФ 25.00.04, Петрология, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Петрология пермотриасовых траппов Кузнецкого бассейна"

На правах рукописи

НАСТАВКО Александр Владимирович

ПЕТРОЛОГИЯ ПЕРМОТРИАСОВЫХ ТРАППОВ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА

25.00.04 - петрология, вулканология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

1 6 МАЙ 2013

005058425

НОВОСИБИРСК - 2013

005058425

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии и минералогии имени B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН).

Научный руководитель: - доктор геолого-минералогических наук

Кутолин Владислав Алексеевич

Официальные оппоненты:

Рассказов Сергей Васильевич, доктор геолого-минералогических наук, в.н.с., профессор, заведующий лабораторией Института земной коры СО РАН (г. Иркутск)

Васильев Юрий Романович, доктор геолого-минералогических наук, в.н.с. Института геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Защита состоится 22 мая 2013 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.067.03, созданного на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института геологии и минералогии имени B.C. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, в главном конференц-зале.

Адрес: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3 Факс: (383) 333-27-92, e-mail: turkina@igm.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Автореферат разослан 19 апреля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, д.г.-м.н.

О.М. Туркина

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Пермотриасовые магматические породы Кузнецкого бассейна изучали многие геологи (Ф.Н. Шахов, 1927; В.И.Яворский, 1934), в том числе и М.А. Усов (1937), который первым отнес эти породы к трапповой формации. Позднее В.А. Кутолин (1962ф, 1963, 1964) провел исследования геологии, петрографии и петрохимии траппов Кузбасса. Однако его работы по определению состава породообразующих минералов основаны лишь на детальных исследованиях их оптических свойств.

Возобновление интереса к изучению траппов Кузбасса произошло после появления статьи Н.Л. Добрецова (1997) о Сибирском пермотриасовом суперплюме, поскольку эти магматические породы стали рассматриваться как одно из следствий влияния этого суперплюма. В 1999 г. появилась статья H.H. Крука с соавторами по геохимии траппов Кузбасса, причем эти данные увязывались с оригинальной тектонической гипотезой происхождения Кузнецкого бассейна (Крук и др., 1999). Затем были опубликованы работы Г.С. Федосеева и др. (2005) и М.М. Буслова с соавторами (2010) по геологии, геохронологии, геохимии и геодинамике пермотриасового плюмового магматизма Кузбасса. К сожалению, в этих работах отсутствуют данные о составе породообразующих минералов, которые могли бы быть использованы для решения петрологических задач. Настоящая диссертационная работа направлена на детальное изучение состава минералов и петрохимических характеристик траппов Кузбасса с целью построения петрологической модели их формирования.

Объектом исследований являются эффузивные и гипабиссальные породы салтымаковского и сыркашевского комплексов Кузнецкого бассейна, которые относятся к проявлениям пермотриасовой трапповой провинции в южном складчатом обрамлении Сибирской платформы (Соболев и др., 2009; Буслов и др., 2010).

Цель работы - определение петрологических условий формирования траппов Кузбасса на основе детального изучения их минерального состава и петрохимии и сравнение траппов Кузбасса с одновозрастными магматическими породами Колывань-Томской складчатой зоны, Западно-Сибирской плиты и Норильского района Сибирской платформы по петрохимическим и геохимическим характеристикам. Для достижения этих целей решались следующие задачи:

1. Выяснение условий формирования пород сыркашевского и салтымаковского комплексов на основе изучения их петрографического, минерального, петрохимического и редкоземельного составов. 2. Использование данных об особенностях состава и возраста пород

сыркашевского и салтымаковского комплексов для выяснения их генетических взаимоотношений. 3. Оценка роли дифференциации расплава и ассимиляции вмещающих пород при формировании силлов сыркашевского комплекса. 4. Сравнение химического состава траппов Кузбасса с одновозрастными магматическими породами Колывань-Томской складчатой зоны, Западно-Сибирской плиты и Норильского района Сибирской платформы. 5. Оценка состава исходного для траппов Кузбасса мантийного субстрата на основании сопоставления петрохимических их особенностей с экспериментальными данными по плавлению эклогитов и пироксенитов при давлении 3-5 ГПа.

Фактический материал и методы исследований. В основу работы положен коллекционный каменный материал, полученный автором во время полевых работ 2004-2011 гг., а также данные предыдущих исследователей. Изучение разрезов Сыркашевского и Майзасского силлов осуществлялось по рекам Томь и Мрас-Су. Исследование вулканитов салтымаковского комплекса выполнялось: 1. в разрезе мальцевской, сосновской и яминской свит триаса по р. Томь в районе Салтымаковского хребта; 2. в скальных выходах у г. Сосновая по р. Томь; 3. в Елбакском карьере в Ажендаровском хребте; 4. в Караканском, Алексеевском (Планерном), Лиственничном, Нижнетыхтинском карьерах в Караканском хребте.

Использован широкий спектр геологических, аналитических и расчетных методов. Изучено 695 петрографических шлифов и полированных пластинок горных пород. Получено 380 микрозондовых анализов породообразующих и акцессорных минералов на рентгеноспектральном микроанализаторе с электронным зондом «Camebax-micro» в ИГМ СО РАН (аналитики J1.H. Поспелова, Е.Н. Нигматулина), и 120 определений составов рудных минералов на электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 (аналитик М.В. Хлестов). Погрешность определения микрозондового анализа достигает 0,01 мае. % для Si, Ti, Al, Mg, Ca, К и 0,02 мае. % для Сг, Mn, Fe, Na. Выполнено 62 анализа валового состава пород методом РФА с использованием спектрометра ARL-9900-XP (Thermo Electron Corporation) в ИГМ СО РАН (аналитик Н.М. Глухова). Кроме этого произведено 20 определений FeO и РегОз химическим методом в Институте геохимии СО РАН, г. Иркутск (аналитик Т.В. Ожогина). Проведено 8 определений ЭПГ методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) на приборе Finnigan Element I (аналитик C.B. Палесский).

Петрохимическая характеристика траппов Кузбасса основывается, кроме того, на использовании дополнительных 144 химических анализов из работ В.А. Кутолина (1963), В.П. Болтухина и др. (1985ф), В.М. Буркова и др. (1976ф), В.В.Князева и В.П.Ладыгина (1980ф), В.И.Иванова (1993ф), М.М. Буслова и др. (2010).

Научная новизна. 1. Впервые детально изучен состав породообразующих и акцессорных минералов траппов Кузбасса с использованием современной аналитической аппаратуры.

2. На основе петрографических данных и модельных расчетов с использованием программы COMAGMAT3.72 (Ariskin et al, 1993) установлен парагенезис кумулусных фаз при кристаллизации исходного расплава для траппов Кузбасса.

3. Впервые в траппах Кузбасса обнаружена рассеянная сульфидная вкрапленность, представленная пирротином, халькопиритом, кобальт-пентландитом, галенитом и сфалеритом. Определены содержания ЭПГ в вулканитах и гипабиссальных телах Кузнецкого бассейна.

Прастическая значимость работы. Породы салтымаковского комплекса интенсивно разрабатываются для получения из них щебня. При этом образуется около 25 % щебеночных отсевов, которые сейчас почти не используются. В работе показано, что выявленный однородный минеральный и петрохимический состав пород делает пригодным для производства из щебеночных отсевов андезибазальтов петрозита — нового вида легких заполнителей бетонов. Автор, совместно с В.А. Кутолиным и В.А. Широких, разработал научные основы технологии производства таких заполнителей для легких бетонов из щебеночных отсевов пород салтымаковского комплекса (Кутолин и др., 2009ф). Полученный петрозит по насыпной плотности 500 кг/м3 и прочности при сдавливании в цилиндре 1,7 МПа соответствует керамзиту высшей категории качества.

Основные защищаемые положения

1. Породы салтымаковского и сыркашевского комплексов, относящиеся к трапповой формации, комагматичны. Химический состав зон закалки силлов сыркашевского комплекса аналогичен составу салтымаковских андезибазальтов, что согласуется с их близким Ar/Ar возрастом и одинаковыми геохимическими характеристиками. Различия в составах и содержаниях породообразующих минералов обусловлены кристаллизационной дифференциацией в силлах сыркашевского комплекса и сопровождавшими их формирование процессами ассимиляции вмещающих пород (песчаников и углей), что привело к увеличению содержания кварца и калишпата в этих породах, а также уменьшению фугитивности кислорода при их кристаллизации.

2. Траппы Кузбасса по сравнению с пермотриасовыми магматическими комплексами Колывань-Томской складчатой зоны, Худосейского и Уренгойского рифтов Западно-Сибирской плиты и базальтами Норильского района Сибирской платформы содержат меньше MgO, но обогащены Si02, Ti02, FeOtot, щелочами, Р205 и имеют больший коэффициент железистости Кф. По составу они соответствуют андезибазальтам, а по коэффициенту железистости Кф относятся к железистым андезибазальтам (Кф - 71-75) и ферроандезибазальтам (Кф 75-86).

3. Траппы Кузбасса характеризуются относительно низкой магнезиальностью при отсутствии признаков дифференциации расплавов. Они являются результатом частичного плавления мантийных коэситовых эклогитов или пересыщенных кремнеземом гранатовых клинопироксенитов. Согласно экспериментальным данным по плавлению коэситовых эклогитов и гранатовых клинопироксенитов при давлениях 3-5 ГПа, выплавки из таких пород имеют низкое содержание MgO и повышенное содержание Si02, что хорошо согласуется с выявленными петрохимическими особенностями кузбасских траппов.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликована 1 статья в российском научном журнале, входящем в список ВАК, и 9 тезисов в сборниках российских и международных конференций.

Основные положения работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на 5 международных и 4 российских конференциях. Среди них V Всероссийский симпозиум по вулканологии и палеовулканологии «Вулканизм и геодинамика» (Екатеринбург, 2011); XI Всероссийское петрографическое совещание «Магматизм и метаморфизм в истории Земли» (Екатеринбург, 2010); III Международная конференция «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и связанные с ними месторождения» (Екатеринбург, 2009); XI конференция «Проблемы минералогии, петрографии и металлогении» (Пермь, 2008); VIII, IX, XI, Международные симпозиумы «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2004, 2005, 2007); IV Международный симпозиум «Минералогические музеи» (Санкт-Петербург, 2005); II конференция «Геммология» (Томск, 2005).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Объем работы составляет 185 страниц, она содержит 26 таблиц и 65 рисунков. Список литературы включает 101 наименований.

В первой главе приведен обзор стратиграфии, магматизма и тектонического строения Кузбасса на основе опубликованных и фондовых материалов.

Во второй главе рассматривается история геологического изучения силлов сыркашевского комплекса. Представлены геологическая, петрографическая и минералогическая характеристики кварцсодержащих монцогаббро и кварцевых монцодиоритов.

В третьей главе рассматривается история геологического изучения пород салтымаковского комплекса. Охарактеризовано геологическое строение и дана петрографическая и минералогическая характеристики андезибазальтов, трахиандезибазальтов и базальтов в центральной части Кузнецкого бассейна.

В четвертой главе приводится петрохимическая и геохимическая характеристики траппов Кузбасса на примере салтымаковского и сыркашевского комплексов. Также рассматривается состав мантийного субстрата, за счет которого образовались траппы Кузбасса.

В пятой главе проводится сравнение химического состава траппов Кузбасса с одновозрастыми пермотриасовыми магматическими породами Колывань-Томской складчатой зоны, Западно-Сибирской плиты и вулканическими породами Норильского района Сибирской платформы.

В шестой главе описаны результаты моделирования условий кристаллизации траппов Кузбасса с использованием программы COMAGMAT 3.72 (Ariskin et al, 1993).

В седьмой главе описаны полезные ископаемые, связанные с траппами Кузбасса.

В заключении излагаются основные выводы, полученные в результате проведенных исследований.

Работа осуществлена в рамках НИР лаборатории петрологии и рудоносности магматических формаций Института геологии и минералогии СО РАН, при финансовой поддержке РФФИ грант № 12-0500112, и грантов президента РФ № МК-4851.2011.5, НШ-65458.2010.5.

Благодарности. Автор выражает признательность своему научному руководителю д.г.-м.н. В.А. Кутолину. Выполнению работы способствовали консультации члена-корреспондента РАН Г.В. Полякова, докторов г.-м. наук А.Э. Изоха, О.М. Туркиной, Э.В. Сокол, М.П. Мазурова, кандидатов г.-м. наук P.A. Шелепаева, Е.В. Бородиной В.В. Егоровой, В.М. Калугина, Г.А. Бабина, A.B. Вишневского, A.B. Лавренчука, Т.В. Светлицкой, В.А. Широких. Автор благодарен за сотрудничество и помощь кандидатам г.-м. наук Л.Н. Поспеловой, E.H. Нигматулиной. Особо хочется поблагодарить за помощь и поддержку кандидатов г.-м. наук Т.И. Полуэктову и К.Л. Новоселова (ТПУ).

Обоснование защищаемых положений

1. Породы салтымаковского и сыркашевского комплексов, относящиеся к трапповой формации, комагматичны. Химический состав зон закалки силлов сыркашевского комплекса аналогичен составу салтымаковских андезибазальтов, что согласуется с их близким Ar/Ar возрастом и одинаковыми геохимическими характеристиками. Различия в составах и содержаниях породообразующих минералов обусловлены кристаллизационной дифференциацией в силлах сыркашевского комплекса и сопровождавшими их формирование процессами ассимиляции вмещающих пород (песчаников и углей), что привело к увеличению содержания кварца и калишпата в этих породах, а также уменьшению фугитивности кислорода при их кристаллизации.

Траппы Кузбасса представлены сыркашевским и салтымаковским комплексами (Буслов и др., 2010) (рис. 1). Гипабиссальные породы сыркашевского комплекса расположены в южной части Кузбасса, залегают среди угленосных отложений от острогской (С1.2) до ильинской (P2Ü) подсерий и дислоцированы совместно с ними в складки (Бабин и др., 2005ф). Мощность силлов достигает 100 м для Сыркашевского и 130 м для Майзасского силла (Максимов, 1963). Салтымаковский комплекс представлен шестью покровами андезибазальтов и одним покровом базальтов, залегающими среди туфогенно-осадочных пород мальцевской (Timl) и яминской (TJam) свит, и редкими силлами микродолеритов мощностью не более 20 м. Породы мальцевской и яминской свит, вместе с залегающими среди них покровами андезибазальтов, образуют пологие складки с углами падения крыльев не более 20°. Нижний покров базальтов в мальцевской свите имеет мощность 18 м, а покровы андезибазальтов (снизу вверх) - 103, 45, 101, 6, 7, 2 м по данным бурения на площади Салтымаковского хребта (Лавренов и др., 2000). В южном крыле Бунгарапской мульды и в Караканском карьере наблюдаются только два покрова андезибазальтов мальцевской свиты мощностью 40 и 70 м (Токарликов, 1978ф). В яминской свите залегают два покрова андезибазальтов мощностью 20 и 25 м.

Сыркашевский силл сложен кварцсодержащими монцогаббро в нижней части тела и кварцсодержащими монцодиоритами в верхней части. Породы по разрезу Майзасского силла дифференцированы от кварцсодержащих до кварцевых монцодиоритов. Краевые фации силлов представлены микродолеритами. Текстура пород массивная. Структура монцогаббро и монцодиоритов — габброофитовая и монцонитовая, долеритов — порфировая с долеритовой структурой основной массы.

Породы Сыркашевского и Майзасского силлов состоят из плагиоклаза (40-50 %), калинатрового полевого шпата (12-15 %), клинопироксеиа (10-15 %), оливина (0-15 %), кварца (5-15 %), амфибола (24 %) и биотита (2-3 %).

Плагиоклаз по составу отвечает андезин-лабрадору А1142-55, клинопироксен - авгиту (En29.42Fs22-31W034.41), оливин — феррогортонолиту F025.31, амфибол — ферроэдениту, биотит имеет Mg# 30-42 и содержит до 3,9 мае. % Ti02 (рис. 2). При уменьшении основности плагиоклаза (от Ап55 до А1142) в нем увеличивается содержание К2О и уменьшается содержание ТЮ2, MgO (рис. ЗА). При уменьшении магнезиальности пироксена (Mg# — от 69 до 49) в нем уменьшается содержание Ti02 (рис. ЗБ). В оливине при уменьшении доли форстерита (от F031 до F015) увеличивается содержание МпО от 1,0 до 1,4 мае. %. Вверх по разрезу Сыркашевского силла в породах уменьшается основность плагиоклаза от Ап55 до Ап48, уменьшается магнезиальность клинопироксеиа от Еп42 до Еп29, содержание ТЮ2 в нем уменьшается от 0,9-1,0 мае. % до 0,6-0,8 мае. %, уменьшается магнезиальность оливина от Fo29 до Foi5.

Акцессорные минералы представлены ильменитом (2-8 %), апатитом (1-2 %) и единичными зернами циркона, пирротина, халькопирита, кобальт-пентландита, галенита, сфалерита, арсенопирита.

Андезибазальты, трахиандезибазальты и базальты салтымаковского комплекса сложены вкрапленниками плагиоклаза (1030 %), клинопироксеиа (авгита) (0-10 %), оливина (1-15 %), и микролитами основной массы: плагиоклазом (25-40 %), авгитом (5-15 %), пижонитом (05 %), оливином (0-5 %), а также стеклом (30-60 %). Плагиоклаз по составу отвечает андезин-лабрадору Ап47.67, клинопироксен - авгиту En42-47Fsi2. 25WO33-42 И ПИЖОНИТу En59FS32.33WOg-9, ОЛИВИН — гиалосидериту F059.66 (рис. 2). Вкрапленники клинопироксеиа в эффузивных породах мальцевской свиты содержат 1,0-3,2 мае. % А1203, а в породах яминской свиты — 1,7-4,0 мае. % А1203. Акцессорные минералы представлены титаномагнетитом (1-3 %), очень редко — ильменитом (1-4 %). Кроме того, наблюдаются в виде единичных зерен пирит, пирротин, халькопирит и кобальт-пентландит.

Детальное изучение состава породообразующих минералов траппов Кузбасса позволило выявить следующие их особенности:

Плагиоклазы имеют близкий состав в траппах сыркашевского (АП42-55) и салтымаковского (An47.67) комплексов. Характерной особенностью плагиоклазов является повышенное содержание в них FeO, составляющее 0,28±0,06 мае. % в породах сыркашевского комплекса и 0,49±0,19 мае. % в породах салтымаковского комплекса (рис. ЗА). По мнению Ф.П. Леснова и В.Н. Королюка (1977), содержание FeO

увеличивается в кристаллической решетке плагиоклазов при возрастании степени переохлаждения расплава относительно температуры ликвидуса. Клинопироксен в траппах сыркашевского комплекса представлен авгитом En42-43Fs22.25W032.36 (рис. 2), который содержит примеси А1203- 1,0-2,7 мае. %, ТЮ2 - 0,6-1,2 мае. % и Ыа20 - 0,2-0,4 мае. %. Клинопироксен в породах салтымаковского комплекса представлен авгитом En41.47Fsi8.20W035.40 во вкрапленниках и Еп^бРэ 17.27 Wo27-з8 в микролитах основной массы (рис. 2). Вкрапленники авгита содержат А1203- 1,7-3,2 мае. %, ТЮ2 - 0,6-1,1 мае. % и №20 — 0,2-0,3 мае. %. Микролиты авгита отличаются от вкрапленников пониженным содержанием глинозема (1,1-2,3 мае. %) и повышенным содержанием ТЮ2 (0,6-2,4 мае. %) (рис. ЗБ). Оливин пород сыркашевского комплекса относится к феррогортонолиту Ро^.зо, а пород салтымаковского комплекса - к гиалосидериту Ро6о-б4 (рис. 2). Оливины содержат примесь МпО (1,0-1,4 мае. % для пород сыркашевского и 0,45-0,65 мае. % для пород салтымаковского комплекса), а также СаО (0,2-0,4 мае. %). Примеси Сг2Оэ и N¡0 в них почти отсутствуют. Породы сыркашевского комплекса содержат калинатровый полевой шпат, амфибол и биотит, которых нет в вулканитах салтымаковского комплекса. Присутствие биотита и амфибола в породах сыркашевского комплекса указывает на достаточно высокое содержание воды (не менее 2-3 мае. % и 3-4 мае. %, соответственно) на поздней стадии кристаллизации расплава.

Траппы сыркашевского комплекса содержат ильменит, а титаномагнетит в них встречается редко. В породах салтымаковского комплекса напротив преобладает титаномагнетит, а ильменит редок. Ильменит в породах сыркашевского комплекса содержит примесь МпО (0,7-5,1 мае. %) и М§0 (0,7 мае. %), а в ильмените пород салтымаковского комплекса значительно больше М§0 (до 2,2-2,4 мае. %), но меньше МпО (0,7 мае. %).

Как видно из приведенного описания, составы минералов обоих комплексов обладают некоторыми общими характерными особенностями. К ним относится высокое содержание МпО в оливине при отсутствии N¡0. Отсутствие титаномагнетита в траппах сыркашевского комплекса связано с формированием этих пород при низкой фугитивности кислорода.

Породы обоих комплексов близки между собой по химическому составу, хотя породы сыркашевского комплекса содержат немного больше БЮг, ТЮ2, но меньше СаО, чем породы салтымаковского комплекса (табл.). На диаграмме БЮг-КгО+ШгО породы салтымаковского комплекса попадают в поля базальтов, андезибазальтов и трахиандезибазальтов, но отличаются от типичных одноименных пород островных дуг и активных континентальных окраин высоким коэффициентом железистости. Очень важно, что на бинарных диаграммах «коэффициент железистости (Кф) -

ПИ т СП 17713

Рис. 1. Геологическая схема Кузнецкого бассейна (Бабин и др., 2005ф). 1 - салтымаковский комплекс, 2 - сыркашевский комплекс, 3 - магматические тела.

Еп

Ш

Неа

Ро

Ап

а ••

о

Оо <пэ

АидС

Ид

Рэ

100 90 80

70

100

Ре

100 90 80

70

60 50 40 30 20 10 о о

—1-----1—ахооахоСэсю 1---1 ^а

60 50 40 30 20 10 0

О О'ГГГПШ сз) оашгосоо о

АЬ

100 90 80

70

60 50

40

30 20

10

0

Рис. 2. Классификационные диаграммы: А - пироксенов (Еп-рБ-ОЖес)) (Моптоиэ е1. а1., 1988), Б - оливина (Ро-Ра), В - плагиоклаза (АЬ-Ап) (Yoder е1 а1., 1957) из пород салтымаковского и сыркашевского комплексов. Обозначения: - базальты Т,, -андезибазальты Т„ о - андезибазальты Т2, о - породы сыркашевского комплекса. ■ ■- фенокристаллы, о»» - микролиты.

2 РеО „ ^ □ с. о . Б3 2

1 п а 1 0

К20

0,8 0,4

0,4 'ГЩ. о ♦ 0,2

0 0

30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 Ап Ап

40 60 80 100 40 60 80 100 Мд# СРх Мд# СРх

Рис. 3. А - содержание примесей в плагиоклазах базальтов (*), андезибазальтов Т, (♦) и Т2 (□) салтымаковского комплекса и породах сыркашевского комплекса (о). Б -содержание примесей в клинопироксенах базальтов (а), андезибазальтов Т, (♦) и Тг (□) салтымаковского комплекса и породах сыркашевского комплекса (о).

•

ч

Л • рг

70

80 90

Кф

Рис. 4. Бинарные диаграммы «содержание окислов - коэффициент железистости (Кф)» для пород салтымаковского (•) и из зон закалки силлов сыркашевского (о) комплексов.

^rk JCiMJcJL S

---------1------и--J 1 --и '-■■ Wf---

20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 20 40 60 80 Ю0

Кф Кф Кф

Рис. 5. Бинарные диаграммы «содержание окислов - коэффициент железистости (Кф)» для пород салтымаковского (•) и сыркашевского (о) комплексов в сравнении с одновозрастными породами Колывань-Томской складчатой области (•), Худосейского и Уренгойского рифтов Западно-Сибирской плиты (•) и вулканитами норильского района (•). Анализы образцов приведены по данным из работ Геодинамика..., 1999; Медведев, 2004; Reichow at. al„ 2005;Ryabov et al, 1985; Lightfoot et al, 1990; Wooden et al, 1993; Brugmann et al, 1993; Hawkesworth et al, 1995.

Ce Nd Eu Tb Ho Tm Lu Cs Th Nb La Sr Zr Sm Ti Tb Yb

Рис. 6. Диаграммы распределения редкоземельных элементов для пород салтымаковского (о) и сыркашевского (♦) комплексов, нормированных по хондриту Cl (Boynton, 1984) и примитивной мантии (Sun, McDonough, 1989). Анализы приведены по литературным данным из работ Крука и др., 1999, Федосеева и др., 2005, Буслова и др 2010.

а^г-

4

60 г

56

О 52

со 48 ° * ■

44 ♦

12 О ¿58 'о ■ ■ ■ ♦ и

4 о □

0> о О о О □„ ■

♦

♦

О р °° #

%

о

О 4 8 12 16 20 МдО

0 4 8 12 16 20 МдО

0 4 8 12 16 20 МдО

Рис. 7. Вариации составов пород сыркашевского и салтымаковского комплексов (♦) в сравнении с расплавами, полученными в результате экспериментов частичного плавления гранатовых клинопироксенитов 0,2 (О), 8881.4 (УД), (□) и перидотитов М1Х1в (♦ ■) при давлениях 2,5-5 ГПа (Код^о е! а!., 2004).

Рис 8 Вариации составов пород салтымаковского и закалочных зон силлов сыркашевского комплексов (—) в сравнении с расплавами, полученнымив результате экспериментов частичного плавления гранатовых клинопироксенитов С2 (_ _), ЬА1 {-. г), СА2 (_) ПрИ давлении 2-5 ГПа (1_атЬаг1 е1 а1, 2013). ¥ - степень частичного плавления.

содержание окислов» для пород не наблюдается тренда дифференциации расплава (рис. 4).

Химический состав пород закаленных контактов силлов сыркашевского комплекса очень близок к составу вулканических пород салтымаковского комплекса, и на петрохимических диаграммах «коэффициент железистости (Кф) - содержание окислов» располагается в поле их составов, что свидетельствует о происхождении этих пород из близких по составу расплавов (рис. 4).

В породах обоих комплексов проявлена ассимиляция вмещающих пород, представленных аркозовыми песчаниками и углями. Мелкие ксенолиты кварца и калинатрового полевого шпата описывались В.А. Кутолиным (1962ф) в породах Сыркашевского силла. На основе моделирования с использованием программы СОМАОМАТ 3.72 показано, что породы сыркашевского комплекса кристаллизовались при очень низкой фугитивности кислорода ((^ИМ/100), обязанной ассимиляции углей. По данным А.И. Боева и Э.М. Сендерзона (1958ф) влияние Сыркашевского силла на угли распространяется до 250 м в виде потерь летучих и иногда превращением углей их в антрациты. Наличие единичных ксенолитов кварца и калинатрового полевого шпата в породах сыркашевского комплекса, видимо, объясняется незначительной ассимиляцией аркозовых песчаников.

Содержания породообразующих окислов в траппах Кузбасса

колеблются в следующих пределах:

окислы и содержание окислов в мае. %

коэфф.

сыркашевский комплекс салтымаковский комплекс

от до сред от До сред

8Ю2 51 57 55 49 55 54

ТЮ2 1,1 3,5 2,1 0,8 2,5 1,9

А1203 12 15 14 12 16 15

РеСКо! 11 16 13 11 15 12

МцО 1,2 5,9 2,9 2,1 5,3 3,6

СаО 4,7 7,1 6,5 6,0 8,7 7,5

Ыа20 2,8 3,8 3,4 2,6 4,1 з,з

к2о 1,7 3,0 2,4 0,6 3,0 1,8

Р2О5 0,5 1,3 0,9 0,3 1,8 0,7

Кф 77 91 82 69 86 77

Кф= 1 ООРеО/(РеО+МеО)

Спектр распределения РЗЭ в эффузивах салтымаковского комплекса аналогичен спектру распределения в породах силлов и даек сыркашевского комплекса (рис. 6). Эффузивы и силлы Кузнецкого бассейна обладают высоким суммарным содержанием РЗЭ (от 138 до 307 г/т) (Федосеев и др., 2005). Породы значительно обогащены легкими лантаноидами по отношению к тяжелым - (La/Yb)ch - 7,5-4,7, в среднем 6,2, и деплетированы тяжелыми - (Sm/Yb)ch - 2,8-2,0, в среднем 2,4 (Boynton, 1984).

В распределении элементов для пород салтымаковского и сыркашевского комплексов, нормированных по примитивной мантии (РМ) (Sun, McDonough, 1989), также наблюдается обогащенность легкими лантаноидами ((La/Yb)PM - 8-5) и крупноионными литофильными элементами ((U/La)pM - 4,3-0,8, среднее 2,5), и деплетированность тяжелыми лантаноидами (Gd/Yb)pM - 2,0-1,5, в среднем 1,7. Геохимической особенностью вулканитов и силлов Кузнецкого бассейна является наличие выраженных минимумов высокозарядных элементов (HFSE), таких как Nb, Та, Ti, (La/Nb)PM- 4,5-1,6.

Сходство геохимических особенностей вулканитов салтымаковского комплекса и одновозрастных пород силлов сыркашевского комплекса также подтверждает заключение о происхождении этих пород из единого мантийного источника. Деплетированность тяжелыми лантаноидами (HREE) в породах трапповой формации Кузбасса свидетельствует о присутствии граната в мантийном источнике родоначальных расплавов этих пород.

По своим редкоэлементным характеристикам породы салтымаковского и сыркашевского комплексов обогащены легкими РЗЭ по отношению к тяжелым, что может объясняться образованием расплава из обогащенного легкими лантаноидами мантийного источника.

Траппы Кузбасса и траппы Сибирской платформы имеют следующие изотопные отношения: 176Hf/177Hf (0,2827-0,2829), Sr/ Sr (0,7043-0,7056), sNd (+2,26 +4,16), 206Pb/204Pb (18,15-19,73) (Reichow et al, 2010). Андезибазальты салтымаковского комплекса имеют значение cNd от +2,3 до +3,1 (Крук и др., 1999). Вулканиты и гипабиссальные породы Кузнецкого бассейна, и траппы Сибирской платформы имеют сходное изотопное отношение 87Sr/ Sr 0,7043-0,7056, что допускает контаминацию расплава в процессе его эволюции материалом верхней коры в объеме до 10 %. Траппы Кузбасса характеризуются низкими содержаниями элементов платиновой группы: Os - 0,02, Ir - 0,01, Ru - 0,09, Rh - 0,01, Pt - 0,4, Pd -0,09 мг/т.

Детальное изучение химического состава траппов Кузбасса показало, что микродолериты, слагающие зоны закалки силлов

сыркашевского комплекса, состав которых отражает состав исходной магмы еще не претерпевшей дифференциации внутри силла или ассимиляции вмещающих пород, очень походят на андезибазальты салтымаковского комплекса и на диаграмме «Кф — содержания окислов» располагаются среди поля последних (рис. 4). Геохимические особенности пород обоих комплексов также очень близки между собой (рис. 6). Возраст пород сыркашевского комплекса составляет 252,3±0,6 млн лет, а андезибазальтов салтымаковского комплекса — 250,7±0,б млн лет (Буслов и др., 2010) и, таким образом, является близким для обоих комплексов.

Согласно модельным расчетам с использованием программы COMAGMAT 3.72 (Ariskin et al, 1993), кристаллизация лав салтымаковского комплекса происходила при содержании воды 0,1-0,3 мае. % и фугитивности кислорода, соответствующей буферному равновесию от QFM до QFM-0,5 логарифмических единиц Ю2 (QFM/3). Кристаллизация пород силлов сыркашевского комплекса происходила на малой глубине при давлении 0,5-1,0 кбар, содержании воды 0,1-0,3 мае. % и в более восстановительных условиях (QFM-2 логарифмические единицы ГО2 (QFM/100)). Более низкая фугитивность кислорода при кристаллизации сыркашевских силлов могла быть вызвана ассимиляцией расплавом углей.

Как следует из приведенного описания, породы сыркашевского и салтымаковского комплексов имеют общие петрохимические и геохимические признаки, близкий абсолютный возраст, а разница в составах их минералов может быть объяснена ассимиляцией вмещающих угленосных отложений магмой силлов сыркашевского комплекса, что привело к сильному уменьшению фугитивности кислорода при их кристаллизации в составе пород сыркашевского комплекса. Эти результаты доказывают первое защищаемое положение

2. Траппы Кузбасса по сравнению с пермотриасовыми магматическими комплексами Колывань-Томской складчатой зоны, Худосейского и Уренгойского рифтов Западно-Сибирской плиты и базальтами Норильского района Сибирской платформы содержат меньше MgO, но обогащены Si02, ТЮ2, FeOtot, щелочами, Р2О5 и имеют больший коэффициент железистости Кф. По составу они соответствуют андезибазальтам, а по коэффициенту железистости Кф относятся к железистым андезибазальтам (Кф — 71-75) и ферроандезибазальтам (Кф - 75-86).

Согласно A.B. Соболеву и др. (2009) траппы Кузбасса входят в состав Сибирской трапповой провинции, поэтому важно сравнить их химический состав с составом одновозрастных магматических пород основного состава некоторых других районов, входящих в эту провинцию.

Пермотриасовый магматизм западной части АССО представлен на площади Колывань-Томской складчатой зоны (КТСЗ) дайками и силлами новосибирского и томского ареалов. Дайки томского ареала представлены породами степановского, бойцовского, ларинского и ярского типов и их состав варьирует от кварцсодержащих монцогаббро до монцонитов и лампрофиров. Базитовые дайки новосибирского ареала представлены ташаринским (седовозаимским) пикрит-габбро-долеритовым комплексом, новосибирским монцодиорит-долеритовым комплексом и мочищенским долеритовым комплексом (Федосеев и др., 2005). Как видно из рисунка 8, траппы Кузбасса отличаются от большинства одновозрастных пород КТСЗ более высоким содержанием Si02, FeOtot, более низким содержанием MgO и, соответственно, более высокой железистостью (Кф - 40-75), чем у одновозрастных пород КТСЗ.

Пермотриасовые вулканиты Западно-Сибирской плиты представлены базальтами, составляющими более 80 % всех эффузивов, а также вулканитами шошонит-латитовой серии и кислыми эффузивами. Породы являются продуктами рифтогенного магматизма, вызванным влиянием суперплюма на площади Сибирского кратона (Медведев, 2003). На территории Западно-Сибирского бассейна основные трещинные излияния проявлены вдоль двух основных рифтов - Уренгойского и Худосейского, которые прослеживаются с севера на юг более чем на 1800 км.

На бинарных диаграммах относительно Кф видно, что пермотриасовые магматические породы Кузбасса имеют более высокую железистость (Кф - 60-80), чем большинство одновозрастных базальтов Западно-Сибирской плиты (Кф - 40-60). Кроме того, для них характерно пониженное содержание MgO, А12Оэ (13,5-16,5 и 15,6-18,4 мае. %) и СаО (6,6-8,9 и 6,4-11,4 мае. %), при повышенном содержании ТЮ2 (1,5-2,6 и 0,71,5 мае. %), К20 (0,9-2,6 и 0,4-1,8 мае. %), и Р205 (0,4-1,0 и 0,1-0,6 мае. %, соответственно) (рис. 5).

В Норильском районе выделяется 11 свит, представленных (снизу вверх): 1. Высокотитанистыми (ТЮ2 > 2-3 мае. %) субщелочными и пикритовыми базальтами (ивакинская, сыверминская и гудчихинская свиты) и 2. Низкотитанистыми (ТЮ2 < 1 мае. %) толеитовыми базальтами (хаканчанская, туклонская, надеждинская, моронговская, мокулаевская, хараелахская, кумгинская и самоедская свиты) (Криволуцкая, 2012).

По петрохимическому составу на диаграммах «Кф - содержание окислов» в поле составов магматических пород Кузбасса попадают составы пород ивакинской и хараелахской свит Норильского района. Траппы Кузбасса отличаются от вулканитов остальных свит Норильского района повышенным содержанием Si02, ТЮ2, FeOtot, Na20, К20, Р205 при

пониженном - Гу^О и СаО. В базальтах Норильского района Кф варьирует от 30-80, а в траппах Кузбасса Кф - 60-80 (рис. 5).

Таким образом, для траппов Кузбасса характерно меньшее содержание Д/^О и обогащенность БЮ2, ТЮ2, БеСНо!, щелочами и Р205 по отношению к пермотриасовым магматическим комплексам КТСЗ, Худосейского и Уренгойского рифтов Западно-Сибирской плиты и базальтами Норильского района Сибирской платформы, что может объясняться плавлением разного мантийного источника, степенью плавления, а также дифференциацией расплава в глубинных магматических камерах.

3. Траппы Кузбасса характеризуются относительно низкой магнезиальностью при отсутствии признаков дифференциации расплавов. Они являются результатом частичного плавления мантийных коэситовых эклогитов или пересыщенных кремнеземом гранатовых клинопироксенитов. Согласно экспериментальным данным по плавлению коэситовых эклогитов и гранатовых клинопироксенитов при давлениях 3-5 ГПа, выплавки из таких пород имеют низкое содержание М^О и повышенное содержание 8Ю2, что хорошо согласуется с выявленными петрохимическими особенностями кузбасских траппов.

Выше показано, что для траппов Кузбасса характерно низкое содержание М£0, составляющее от 1,2 до 5,9 мае. % в породах сыркашевского комплекса и от 2,1 до 5,3 мае. % в породах салтымаковского комплекса. Такая низкая магнезиальность обычно не наблюдается среди внутриплитных базальтоидных формаций, поэтому рассмотрим эту особенность траппов Кузбасса. Можно было бы предположить, что траппы Кузбасса возникли за счет глубинной дифференциации высокомагнезиального мантийного расплава, в результате которого содержание MgO снизилось до 2-5 мае. %. Однако, на графиках по мере увеличения коэффициента железистости пород Кф, который является показателем степени дифференциации, закономерного изменения содержаний петрогенных окислов не наблюдается (рис. 4, 5), что заставляет отвергнуть гипотезу о дифференциации исходного расплава для траппов Кузбасса.

Из многочисленных экспериментальных данных известно, что в результате частичного плавления в «сухих» условиях любых перидотитов, отвечающих по своему составу пиролитовой модели верхней мантии А.Е. Рингвуда (1981) в широком диапазоне степеней плавления и давлений образуются расплавы с содержанием М§0 не менее 9-13 мае. % (КшЫго, 2001). При наличии в системе воды, содержание М§0 уменьшается всего

на 0,9 мае. % в продуктах частичного плавления перидотита образца KLB-1 по сравнению с плавлением в сухих условиях (Balta, 2010). Таким образом, пермотриасовые магматические породы Кузбасса, которые характеризуются низкой магнезиальностью при большом объеме излияний расплава и его однородном составе, не могут быть продуктом глубинной внутрикамерной дифференциации расплава, образованного из перидотитового источника.

Установлено, что в верхней мантии, кроме перидотитов, присутствуют эклогиты, в том числе коэситовые (Соболев Н.В. и др., 1976), а также разнообразные пироксениты (Кутолин, Агафонов, 1978). Эксперименты по частичному плавлению коэситового эклогита при давлениях 3-5 ГПа (Spandler et al, 2008) позволили установить, что при 60 % частичном плавлении расплав содержит (в мае. %) 53 % Si02, 5 % MgO, 10 % FeOtot, 8 % CaO, 15,5 % A1203, 3,5 % Na20, 0,5 % K20, что близко к химическому составу траппов Кузбасса. При меньших степенях плавления состав частичной выплавки приближается к составу дацита. В эксперименте использовался коэситовый эклогит (обр. GA1) с содержанием (в мае. %) 50,35 % Si02, 1,49 % ТЮ2, 16,53 % А1203, 9,83 % FeOtot, 0,17 % МпО, 7,94 % MgO, 9,6 % CaO, 3,49 % Na20, 0,44 % К20, 0,16 % P2Os. Таким образом, эти эксперименты подтвердили теоретический вывод B.C. Соболева (1979) о том, что коэситовые эклогиты могут служить источником мантийных магм среднего и кислого состава. Эксперименты по частичному плавлению гранатового клинопироксенига, пересыщенного кремнеземом, провели Т. Когизо и др. (Kogiso et al, 2004) при давлениях 33,5 ГПа. Частичные выплавки из этой породы содержат (в мае. %) 2-8 % MgO, 50-57 % Si02, 14-16% А120з, 6-9 % CaO, 3-4 % Na20, что хорошо совпадает с химическим составом траппов Кузбасса (рис. 7). Гранатовый клинопироксенит (обр. G2) содержит (в мае. %) 50,05 % Si02, 1,97 % ТЮ2, 15,76% А1203, 9,35 % FeOtot, 0,17% МпО, 7,90% MgO, 11,74% CaO, 3,04 % Na20, 0,03 % К20 (Pertermann, Hirschmann, 2003). Эта порода сложена гранатом, клинопироксеном, кианитом, кварцем и рутилом. С. Ламбарт с соавторами (Lambart et al, 2013) обобщила экспериментальные данные по частичному плавлению пироксенитов разного типа (обр. G2, GAI, GA2) при давлениях от 2 до 5 ГПа, причем некоторые авторы называют их коэситовыми эклогитами (обр. GA1) (Spandler et al, 2008). Как следует из этих данных, при 60 % степени плавления пересыщенных кремнеземом пироксенитов образуется расплав с содержанием 5 мае. % MgO (рис. 8). Эти содержания MgO характерны для химического состава траппов Кузбасса, и можно считать, что они образовались при этой степени частичного плавления мантийных пироксенитов. На основании изложенных данных можно предположить,

что исходные расплавы траппов Кузбасса образовались за счет частичного плавления коэситовых эклогитов или пересыщенных кремнеземом гранатовых пироксенитов, которые присутствовали в верхней мантии Кузбасса, причем степень плавления этих субстратов достигала 60 %. Как показал A.B. Соболев с соавторами (2009), пироксенитовый компонент имеется и в источнике магм Сибирской трапповой провинции, составляя не менее 40-50 % для некоторых свит. C.B. Рассказов с соавторами (2011) считают, что щелочные лавы провинции Хелунцзян в Северо-Восточном Китае образовались за счет частичного плавления флогопит-гранатовых клинопироксенитов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований определены петрологические условия формирования траппов Кузбасса.

1. Впервые детально изучен состав минералов траппов Кузбасса. При этом выяснилось, что породы сыркашевского и салтымаковского комплексов обладают общими характерными особенностями состава минералов (близкий состав плагиоклаза и пироксена, повышенное содержание FeO и МпО в оливине). Согласно модельным расчетам с использованием программы COMAGMAT 3.72, отличия в составе минералов пород обоих комплексов могут быть объяснены более низкой фугитивностью кислорода при кристаллизации пород сыркашевского комплекса, а также ассимиляцией магмой в силлах сыркашевского комплекса аркозовых песчаников и углей из вмещающих угленосных отложений. Кроме того, в этих силлах происходила кристаллизационная дифференциация, в результате которой увеличилась железистость оливина и клинопироксена, возросло содержание альбитовой составляющей в плагиоклазе и появились калинатровый полевой шпат и кварц.

2. Детальное изучение химического состава траппов Кузбасса показало, что породы из зон закалки силлов сыркашевского комплекса аналогичны по составу андезибазальтам салтымаковского комплекса. Это обстоятельство, вместе с известными ранее данными о близком абсолютном возрасте траппов сыркашевского и салтымаковского комплексов (Буслов и др., 2010), свидетельствует о комагматичности пород этих комплексов.

3. Сравнение петрохимических особенностей траппов Кузбасса с пермотриасовыми магматическими комплексами Колывань-Томской складчатой зоны, Худосейского и Уренгойского рифтов ЗападноСибирской плиты и базальтами Норильского района Сибирской платформы показало, что они содержат значительно меньше MgO, но

обогащены Si02, Ti02, FeOtot, щелочами и P205, а также имеют более высокий коэффициент железистости.

4. Низкая магнезиальность (MgO<6 мае. %) траппов Кузбасса при их однородном составе свидетельствует о том, что они являются продуктом кристаллизации расплава, образованного из коэситовых эклогитов или пересыщенных кремнеземом гранатовых пироксенитов, а не из мантийных перидотитов, частичные выплавки из которых содержат не менее 9-13 мае. % MgO.

Список основных опубликованных работ автора по теме диссертации

Статья в журнале из списка ВАК:

1. Наставко A.B., Бородина Е.В., Изох А.Э. Петролого-минералогические особенности вулканитов центральной части Кузбасса (Южная Сибирь)// Геология и геофизика, 2012. т. 53. № 4. С. 435-449.

Тезисы совещаний и конференций

1. Наставко A.B., Бородина Е.В., Шелепаев P.A., Изох А.Э. Петролого-минералогические особенности субвулканических пород южной части Кузбасса (Южная Сибирь)// V Всероссийский симпозиум по вулканологии и палеовулканологии «Вулканизм и геодинамика». Екатеринбург, ИГГ УрОРАН, 2011.С. 141-143.

2. Наставко A.B., Бородина Е.В., Изох А.Э. Петрологические особенности траппов центральной части Кузбасса// XI Всероссийское петрографическое совещание «Магматизм и метаморфизм в истории Земли». Екатеринбург, 2010. т.2 С. 89-90.

3. Наставко A.B., Бородина Е.В. Геологическое строение и минералого-петрографические особенности базальтов хребта Каракан (Кузбасс)// Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и связанные с ними месторождения. Материалы третьей международной конференции. Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2009. Т.2 С. 67-69.

4. Наставко A.B., Новоселов K.JI. Акцессорные минералы базальтоидов Караканского хребта и их петрологическое значение// Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П.Н. Чирвинского: сб. науч ст./Перм. ун-т. - Пермь, 2008. С. 30-36.

5. Наставко A.B. Петрогенезис и металлоносность базальтов хребта Каракан (Кузбасс)// Проблемы геологии и освоения недр: Сборник научных трудов XI международного симпозиума имени академика М.А.Усова студентов и молодых ученых. Томск: ТПУ, 2007. С. 81-83.

6. Наставко A.B., Новоселов K.JI. Старицина И.А. Минералого-геохимические особенности агатовых миндалин базальтов Караканского хребта (юг Кузбасса)// Сборник трудов второй научной конференции «Геммология». - Томск: ТГУ, 2006. С. 79-83.

7. Наставко A.B., Новоселов K.JI. Минералы агатовых миндалин базальтов Караканского хребта (Кузбасс)// Сборник трудов V Международного симпозиума «Минералогические музеи». - С-Петербург: Кафедра минералогии СПбГУ, 2005. С. 154-155.

8. Наставко A.B. Механизм формирования и минералы агатовых миндалин базальтов Караканского хребта (юг Кузбасса)// Проблемы геологии и освоения недр. Томск: ТПУ, 2005. С. 107-109.

9. Наставко A.B., Новоселов K.JI. Агаты миндалекаменных базальтов хребта Каракан и их происхождение (Кузбасс)// Проблемы Геологии и освоения недр. - Томск: ТПУ, 2004. - С. 127-130.

Подписано в печать 15.04.2013 Формат 60x84 1\16 Усл. печ. л. 1 Объем 16 стр. Тираж 130 экз. Заказ №80

Отпечатано Омега Принт 630090, г. Новосибирск, пр. Ак.Лаврентьева,6 email: omegap@yandex.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Наставко, Александр Владимирович, Новосибирск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛОГЙИ им. B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук

04201357870

Наставко Александр Владимирович

ПЕТРОЛОГИЯ ПЕРМОТРИАСОВЫХ ТРАППОВ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА

Специальность 25.00.04 - петрология, вулканология

диссертация на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

На правах рукописи

Научный руководитель доктор геол.-мин. наук В.А. Кутолин

НОВОСИБИРСК - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ стр

Список условных обозначений 5

ВВЕДЕНИЕ 7

Глава 1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КУЗНЕЦКОГО

БАССЕЙНА 12

1.1 Стратиграфия Кузнецкого бассейна 12

1.2 Магматизм Кузнецкого бассейна 23

1.3 Тектоника Кузнецкого бассейна 24

Глава 2. СЫРКАШЕВСКИЙ КОМПЛЕКС 25

2.1 Геологическая изученность пород сыркашевского комплекса 26

2.2 Геологическая характеристика пород сыркашевского комплекса

2.3 Сыркашевский силл 31

Петрографическая характеристика пород Сыркашевского силла 32

Минералогическая характеристика пород Сыркашевского силла 34

2.4 Майзасский силл 40

Петрографическая характеристика пород Майзасского силла 41

Минералогическая характеристика пород Майзасского силла 42

2.5 Обсуждение результатов исследования пород сыркашевского комплекса 49

Глава 3. САЛТЫМАКОВСКИЙ КОМПЛЕКС 61

/

3.1 Геологическая изученность пород салтымаковского комплекса 61

3.2 Геологическая характеристика пород салтымаковского комплекса 63

Внутреннее строение магматических тел 70

К вопросу о названии пород салтымаковского комплекса 71

Гипабиссальные породы салтымаковского комплекса 72

3.3 Петрографическая и минералогическая характеристики пород салтымаковского комплекса 72

3.3.1 Петрографическая и минералогическая характеристики

базальтов по р. Томь 73

3.3.2 Петрографическая и минералогическая характеристики андезибазальтов мальцевской свиты (Т1гп1) по р. Томь на площади Салтымаковского хребта 77

3.3.3 Петрографическая и минералогическая характеристики андезибазальтов Караканского хребта 82

3.3.4 Петрографическая и минералогическая характеристики андезибазальтов Ажендаровского хребта 89

3.3.5 Петрографическая и минералогическая характеристики андезибазальтов у г. Сосновая по р. Томь 90

3.3.6 Петрографическая и минералогическая характеристики андезибазальтов яминской свиты (Т^аш) 92

3.3.7 Петрографическая и минералогическая характеристики субвулканических пород салтымаковского комплекса 99 3.4 Обсуждение результатов исследования пород салтымаковского комплекса 101

Глава 4. ПЕТРОХИМИЧЕСКАЯ И ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВУЛКАНИТОВ И ГИПАБИССАЛЬНЫХ ТЕЛ СЫРКАШЕВСКОГО И САЛТЫМАКОВСКОГО КОМПЛЕКСОВ 123

4.1 Петрохимическая характеристика пород гипабиссальных тел сыркашевского комплекса 123

4.2 Петрохимическая характеристика вулканитов и субвулканитов салтымаковского комплекса 126

4.3 Сравнительные особенности химического состава пород сыркашевского и салтымаковского комплексов 130

4.4 Геохимическая характеристика вулканитов и гипабиссальных тел сыркашевского и салтымаковского комплексов 132

4.5 Особенности происхождения пермотриасовых магматических пород Кузнецкого бассейна 134

Глава 5. СРАВНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПЕРМОТРИАСОВЫХ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА С ОДНОВОЗРАСТНЫМ МАГМАТИЗМОМ СОСЕДНИХ РАЙОНОВ 150

5.1 Сравнение пород салтымаковского и сыркашевского комплексов с породами новосибирского и томского ареалов КТСЗ 150

5.2 Сравнение пород салтымаковского и сыркашевского комплексов с пермотриасовыми породами Западно-Сибирского бассейна 154

5.3 Сравнение пород салтымаковского и сыркашевского комплексов с Сибирскими траппами Норильского района 157

Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

ТРАППОВ КУЗБАССА ' 163

6.1 Моделирование условий кристаллизации пород сыркашевского 163 комплекса

6.2 Моделирование условий кристаллизации пород салтымаковского 164 комплекса

Глава 7. ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ ПОРОД СЫРКАШЕВСКОГО И

САЛТЫМАКОВСКОГО КОМПЛЕКСОВ 166

Приложение 1. Список задокументированных проб салтымаковского и

сыркашевского комплексов 171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176

ЛИТЕРАТУРА 177

Список условных обозначений

АЬ - количество альбитового минала NajAlSisOs] в плагиоклазе. Amp - амфиболы

An - количество анортитового минала Ca[Al2Si208] в плагиоклазе. Ann - количество аннитового минала

KFe з [Si3АЮ1 о] (ОН)2 в биотите.

Ар - апатит Ару - арсенопирит Aug - авгит Bt - биотит

Со-Рп - кобальт-пентландит Ср - халькопирит СРх - клинопироксен Di - диопсид

En - количество энстатитового минала Mg2[Si206] в пироксене Fo - количество форстеритового минала Mg2[SiC>4] в оливине

9+

Fs - количество ферросилитового минала Fe 2[Si20e] в пироксене Fsp - калиевый полевой шпат Gn - галенит НЫ - роговая обманка

2+

Hed — количество геденбергитового минала

CaFeZTSi206 в пироксене HFSE (High Field Strength Elements) - высокозарядные элементы (Та, Nb, Zr, Hf, Ti) Ну - гиперстен

ГАВ (Island Arc Basalts) - базальты активных континентальных окраин и островных дуг Ilm - ильменит

LILE (Large-Ion Lithophile Element) - крупноионные литофильные элементы (К, Rb, Cs, Sr, Ва, Pb, Eu2+)

LIP (Large Igneous Provinces) - большие изверженные провинции

Mg# - магнезиальный номер (для минералов Mg#=100xMg/(Mg+Fe), для пород

Mg#=100xMgO/(MgO+Fe2O3))

Mgt - магнетит

MORB (Mid Ocean Ridge Basalt) - базальты срединно-океанических хребтов Mrc - марказит

OIB (Oceanic Island Basalts) - базальты океанических островов 01 - оливин

Ort - количество ортоклазового минала K[AlSi30g] в плагиоклазе

Pig - пижонит

Phi - количество флогопитового минала KMg3[AlSÎ30io](F,OH)2 в биотите

Р1 - плагиоклаз

РМ - примитивная мантия

Рп - пентландит

Ро - пирротин

ppb (parts per billion) - мгр/т

ppm (parts per million) - гр/т

Py - пирит

Qz - кварц

Sph - сфалерит

Ti-Mgt - титаномагнетит

Usp - доля ульвошпинели в магнетите

Wo - количество волластонитового минала Саз^зОэ] в пироксене АССО - Алтае-Саянская складчатая область ед.з. - единичные зерна

Кф - коэффициент железистости, ^=100(Fe2O3+FeO)/(Fe2O3+FeO+MgO)

н.а. - не анализировалось

н.п. - ниже предела обнаружения

п.п.п. - потери при прокаливании

РЗЭ - редкоземельные элементы

Международные сокращения названий минеральных видов основаны по данным [Whitney, Evans, 2010].

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Пермотриасовые магматические породы Кузнецкого бассейна изучали многие геологи (Ф.Н. Шахов, 1927; В.И. Яворский, 1934), в том числе и М.А. Усов (1937), который первым отнес эти породы к трапповой формации. Позднее В.А. Кутолин (1962ф, 1963, 1964) провел исследования геологии, петрографии и петрохимии траппов Кузбасса. Однако его работы по определению состава породообразующих минералов основаны лишь на детальных исследованиях их оптических свойств.

Возобновление интереса к изучению траппов Кузбасса произошло после появления статьи H.JI. Добрецова (1997) о Сибирском пермотриасовом суперплюме, поскольку эти магматические породы стали рассматриваться как одно из следствий влияния этого суперплюма. В 1999 г. появилась статья H.H. Крука с соавторами по геохимии траппов Кузбасса, причем эти данные увязывались с оригинальной тектонической гипотезой происхождения Кузнецкого бассейна (Крук и др., 1999). Затем были опубликованы работы Г.С. Федосеева и др. (2005) и М.М. Буслова с соавторами (2010) по геологии, геохронологии, геохимии и геодинамике пермотриасового плюмового магматизма Кузбасса. К сожалению, в этих работах отсутствуют данные о составе породообразующих минералов, которые могли бы быть использованы для решения петрологических задач. Настоящая диссертационная работа направлена на детальное изучение состава минералов и петрохимических характеристик траппов Кузбасса с целью построения петрологической модели их формирования.

Объектом исследований являются эффузивные и гипабиссальные породы салтымаковского и сыркашевского комплексов Кузнецкого бассейна, которые относятся к проявлениям пермотриасовой трапповой провинции в южном складчатом обрамлении Сибирской платформы (Соболев и др., 2009; Буслов и др., 2010).

Цель работы - определение петрологических условий формирования траппов Кузбасса на основе детального изучения их минерального состава и петрохимии и сравнение траппов Кузбасса с одновозрастными магматическими породами Колывань-Томской складчатой зоны, Западно-Сибирской плиты и Норильского района Сибирской платформы по петрохимическим и геохимическим характеристикам. Для достижения этих целей решались следующие задачи:

1. Выяснение условий формирования пород сыркашевского и салтымаковского комплексов на основе изучения их петрографического, минерального, петрохимического и редкоземельного составов. 2. Использование данных об

особенностях состава и возраста пород сыркашевского и салтымаковского комплексов для выяснения их генетических взаимоотношений. 3. Оценка роли дифференциации расплава и ассимиляции вмещающих пород при формировании силлов сыркашевского комплекса. 4. Сравнение химического состава траппов Кузбасса с одновозрастными магматическими породами Колывань-Томской складчатой зоны, Западно-Сибирской плиты и Норильского района Сибирской платформы. 5. Оценка состава исходного для траппов Кузбасса мантийного субстрата на основании сопоставления петрохимических их особенностей с экспериментальными данными по плавлению эклогитов и пироксенитов при давлении 3-5 ГПа.

1 Фактический материал и методы исследований. В основу работы положен коллекционный каменный материал, полученный автором во время полевых работ 20042011 гг., а также данные предыдущих исследователей. Изучение разрезов Сыркашевского и Майзасского силлов осуществлялось по рекам Томь и Мрас-Су. Исследование вулканитов салтымаковского комплекса выполнялось: 1. в разрезе мальцевской, сосновской и яминской свит триаса по р. Томь в районе Салтымаковского хребта; 2. в скальных выходах у г. Сосновая по р. Томь; 3. в Елбакском карьере в Ажендаровском хребте; 4. в Караканском, Алексеевском (Планерном), Лиственничном, Нижнетыхтинском карьерах в Караканском хребте.

Использован широкий спектр геологических, аналитических и расчетных методов. Изучено 695 петрографических шлифов и полированных пластинок горных пород. Получено 380 микрозондовых анализов породообразующих и акцессорных минералов на рентгеноспектральном микроанализаторе с электронным зондом «Camebax-micro» в ИГМ СО РАН (аналитики JI.H. Поспелова, E.H. Нигматулина), и 120 определений составов рудных минералов на электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 (аналитик М.В. Хлестов). Погрешность определения микрозондового анализа достигает 0,01 мае. % для Si, Ti, AI, Mg, Ca, К и 0,02 мае. % для Cr, Mn, Fe, Na. Выполнено 62 анализа валового состава пород методом РФА с использованием спектрометра ARL-9900-ХР (Thermo Electron Corporation) в ИГМ СО РАН (аналитик Н.М. Глухова). Кроме этого произведено 20 определений FeO и РегОз химическим методом в Институте геохимии СО РАН, г. Иркутск (аналитик Т.В. Ожогина). Проведено 8 определений ЭПГ методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) на приборе Finnigan Element I (аналитик C.B. Палесский).

Петрохимическая характеристика траппов Кузбасса основывается, кроме того, на использовании дополнительных 144 химических анализов из работ В.А. Кутолина

(1963), В.П. Болтухина и др. (1985ф), В.М.Буркова и др. (1976ф), В.В.Князева и В.П. Ладыгина (1980ф), В.И. Иванова (1993ф), М.М. Буслова и др. (2010).

Научная новизна. 1. Впервые детально изучен состав породообразующих и акцессорных минералов траппов' Кузбасса с использованием современной аналитической аппаратуры.

2. На основе петрографических данных и модельных расчетов с использованием программы СОМАОМАТ 3.72 (Аткт е1 а1, 1993) установлен парагенезис кумулусных фаз при кристаллизации исходного расплава для траппов Кузбасса.

'3. Впервые в траппах Кузбасса обнаружена рассеянная сульфидная вкрапленность, представленная пирротином, халькопиритом, кобальт-пентландитом, галенитом и сфалеритом. Определены содержания ЭПГ в вулканитах и гипабиссальных телах Кузнецкого бассейна.

Практическая значимость работы. Породы салтымаковского комплекса интенсивно разрабатьюаются для получения из них щебня. При этом образуется около 25 % щебеночных отсевов, которые сейчас почти не используются. В работе показано, что выявленный однородный минеральный и петрохимический состав пород делает пригодным для производства из щебеночных' отсевов андезибазальтов петрозита -нового вида легких заполнителей бетонов. Автор, совместно с В.А. Кутолиным и В.А. Широких, разработал научные основы технологии производства таких заполнителей для легких бетонов из щебеночных отсевов пород салтымаковского комплекса (Кутолин и др., 2009ф). Полученный петрозит по насыпной плотности 500 кг/м3 и прочности при сдавливании в цилиндре 1,7 МПа соответствует керамзиту высшей категории качества.

Основные защищаемые положения

1. Породы салтымаковского и сыркашевского комплексов, относящиеся к трапповой формации, комагматичны. Химический состав зон закалки силлов сыркашевского комплекса аналогичен составу салтымаковских андезибазальтов, что согласуется с их близким Аг/Аг возрастом и одинаковыми геохимическими характеристиками. Различия в составах и содержаниях породообразующих минералов обусловлены кристаллизационной дифференциацией ' в силлах сыркашевского комплекса и сопровождавшими их формирование процессами ассимиляции вмещающих пород (песчаников и углей), что привело к увеличению содержания кварца и калишпата в этих породах, а также уменьшению фугитивности кислорода при их кристаллизации.

2. Траппы Кузбасса по сравнению с пермотриасовыми магматическими комплексами Колывань-Томской складчатой зоны, Худосейского и Уренгойского рифтов Западно-Сибирской плиты и базальтами Норильского района Сибирской платформы содержат меньше MgO, но обогащены SÍO2, TÍO2, FeOtot, щелочами, Р2О5 и имеют больший коэффициент железистости Кф. По составу они соответствуют андезибазальтам, а по коэффициенту железистости Кф относятся к железистым андезибазальтам (Кф - 71-75) и ферроандезибазальтам (Кф - 75-86).

3. Траппы Кузбасса характеризуются относительно низкой магнезиальностью при отсутствии признаков дифференциации расплавов. Они являются результатом частичного плавления мантийных коэситовых эклогитов или пересыщенных кремнеземом гранатовых клинопироксенитов. Согласно экспериментальным данным по плавлению коэситовых эклогитов и гранатовых клинопироксенитов при давлениях 3-5 ГПа, выплавки из таких пород имеют низкое содержание MgO и повышенное содержание SÍO2,' что хорошо согласуется с выявленными петрохимическими особенностями кузбасских траппов.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликована 1 статья в российском научном журнале, входящем в список ВАК, и 9 тезисов в сборниках российских и международных конференций.

Основные положения работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на 5 международных и 4 российских конференциях. Среди них V Всероссийский симпозиум по вулканологии и палеовулканологии «Вулканизм и геодинамика» (Екатеринбург, 2011); XI Всероссийское петрографическое совещание «Магматизм и метаморфизм в истории Земли» (Екатеринбург, 2010); III Международная конференция «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и связанные с ними месторождения» (Екатеринбург, 2009); XI конференция «Проблемы минералогии, петрографии и металлогении» (Пермь, 2008); VIII, IX, XI, Международные симпозиумы «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2004, 2005, 2007); IV Международный симпозиум «Минералогические' музеи» (Санкт-Петербург, 2005); II конференция «Геммология» (Томск', 2005).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Объем работы составляет 185 страниц, она содержит 26 таблиц и 65 рисунков. Список литературы включает 101 наименований.

В первой главе приведен обзор стратиграфии, магматизма и тектонического строения Кузбасса на основе опубликованных и фондовых материалов.

Во второй главе рассматривается история геологического изучения силлов сыркашевского комплекса. Представлена геологическая, петрографическая и минералогическая характеристики кварцсодержащих монцогаббро и кварцевых монцодиоритов.

В третьей главе рассматривается история геологического изучения пород салтымаковского комплекса. Охарактеризовано геологическое строение и ' дана петрографическая и минералогическая характеристики андезибазальтов, трахиандезибазальтов и базальтов в центральной части Кузнецкого бассейна.

В четвертой главе приводится петрохимическая и геохимическая характеристики траппов Кузбасса на примере салтымаковского и сыркашевского комплексов. Также рассматривается состав мантийного субстрата, за счет которого образовались траппы Кузбасса.

В пятой главе проводится сравнение химического состава траппов Кузбасса с одновозрастыми пермотриасовыми магматическими породами Колывань-Томской складчатой зоны, Западно-Сибирской плиты и вулканическими породами Норильского района Сибирской платформы.

В шестой главе описаны результаты моделир�