Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Петрология рифлейских базитов Приладожья

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Франк-Каменецкий, Дмитрий Александрович, Санкт-Петербург

/ /

/ '' , / , / _

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 552[321.4+332.8+11]:551.72(470.22/23)

ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ПЕТРОЛОГИЯ РИФЕЙСКИХ БАЗИТОВ ПРИЛАДОЖЬЯ

Специальность 04.00.08. -петрология, вулканология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры петрографии Санкт-Петербургского государственного университета В. В. Иваников

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение 4

1 История развития Балтийского щита в протерозое. 10

1.1 Раннепротерозойский этап. 10

1.1 Позднепротерозойский этап. 13

2 Геологический очерк Приладожья. 18

2.1 Описание магматических комплексов. 20

2.1.1 Метавулканиты сортавальской и ладожской серий 20

2.1.2 Базит-гипербазитовые комплексы. 22

2.1.3 Ранне- и синорогенные гранитоидные ассоциации 22

2.1.4 Позднеорогенные граниты Б-типа. 25

2.1.5 Посторогенные комплексы. 27

2.1.6 Граниты рапакиви и ассоциирующие с ними основные породы. 29

2.2 Геология базитов Южной Карелии (Пашский грабен). 31

2.2.1 Вулканогенно-осадочная толща. 34

2.2.2 Комплекс долеритовых даек. 37

2.2.3 Валаамский силл. 37

2.2.4 Интрузия Хопунвара. 40

3 Петрографическая характеристика пород. 43

3.1 Петрографическая характреристика вулканитов. 43

3.2 Петрографическая характеристика пород Валаамского силла. 54

3.3 Петрографическая характеристика пород интрузии Хопунваара. 60

3.4 Петрографическая характеристика пород даек. 62

4 Петрохимия и геохимия. 64

4.1 Петрохимическая и геохимическая характеристика вулканитов. 64

4.2 Петрохимическая и геохимическая характеристика интрузивных пород. 81

4.2.1 Валаамский силл 82

4.2.2 Интрузия Хопунваара. 93

5 Характеристика термодинамических параметров 100 образования пород.

6 Петрология и моделирование процессов генерации и

эволюции магм. 108

6.1 Проблемы первичной магмы и ее источника 108

6.2 Рассчет двустадийной модели образования базальтов салминской свиты. 116

6.3 Кристаллизация магмы в условиях приповерхностной 124 магматической камеры.

6.3.1 Дифференциация в лавовых потоках. 124

6.3.2 Особенности дифференциации магмы при становления 125 интрузий рифейского комплекса Приладожья.

6.3.3 Модель магматической дифференциации при образовании 130 Валаамского силла.

Заключение. 142

Список литературы. 144

Введение.

Исследования рифейских магматических пород основного состава на побережье и островах Ладожского озера имеют богатую историю. Первые упомянания о них относятся к началу прошлого века (Иогс^ЫИ 1820). Систематические геолого-петрографические описания интрузий и даек были выполнены в конце 19 столетия выдающимися отечественными учеными, основателями отечественой петрографической школы А.А.Иностранцевым и Ф.Ю.Левинсон-Лессингом [23]. Их ученик академик А.А.Полканов в 1956 году опубликовал фундаментальную монографию "Геология хогландия и иотния Балтийского щита", в которой обобщил все имевшиеся на то время данные по магматизму рифея (хогландия-иотния), проявившегося вдоль южной границы Балтийского щита. Примерно в эти годы К.О.Кратц, ученик А.А.Полканова, в своей кандидатской диссертации "Иотнийские основные породы южной Карелии и их титаномагнетитовое оруденение" дал геолого-петрографическую и металлогеническую характеристику рассматриваемых магматитов, остающуюся наиболее полной и по сей день.

Дальнейшие работы по изучению рифейского базитового комплекса Приладожья проводились, в основном, силами Института Геологии КарФАН и Карельской экспедиции СЗПГО. В 1962 г. А.И.Карьяком и Р.А.Хазовым были опубликованы данные по строению вулканогенно-осадочной толщи (салминской свиты), полученные в результате буровых работ в северовосточном Приладожье. Подробное геолого-палевулканологическое исследование рифейского магматизма проведено А.П.Световым (1979), а петрохимические особенности пород охарактеризованы А.И.Голубевым и А.П.Световым (1983).

Новые данные о полном разрезе ваулканогенно-осадочных пород рифейского уровня в северо-восточном Приладожье были получены в результате буровых работ, проведенных СЗПГО (Шарпило, 1991). Более детально разрез был изучен при крупномасштабных поисковых работах, проведенных ПГО "Невскгеология" (Поликарпов, 1993). Реконструкция морфологии Пашского грабена была выполнена в рамках работ по подготовке

пояснительной записки к "Карте докембрийского фундамента Финского залива и прилегающих территорий масштаба 1:1 ООО ООО", на основе геофизических данных, предоставленых целым рядом организаций ("Спецгеофизика", "Севзапгеология", ВСЕГЕИ и др.). В 1993 г. А.М.Ларин и Э.П.Кутявин опубликовали важные данные по Шэ-8г изохронному датированию основных пород интрузии Хопунваара.

При достаточно полной геолого-петрографической изученности рифейских интрузивных и эффузивных пород, выполняющих Пашский компенсированный грабен, в литературе почти отсутствуют данные по их минералогии и геохимии, получение на основе современных методов анализа V венщества. Настоящая работа призвана восполнить этот пробел.

Цель работы включала комплексное геолого-петрографическое и минералого-геохимическое изучение рифейского базитового комплекса Приладожья, выяснение геодинамических условий их формирования, характера и происхождения родоначальных магм и процессов их дифференциации, в том числе при становлении гипабиссальных интрузий. Соответственно, основными задачами являлись: изучение геологического строения вулканогенно-осадочного разреза и инртузивных тел, петрографическая и геохимическая характеристика пород и исследование породообразующих минералов.

Фактический материал и методика исследований. Основу коллекции изученных образцов составляет материал собранный доцентом кафедры петрографии В.В.Иваниковым и другими ее сотрудниками, в том числе автором. Были проанализированы так же пробы, любезно предоставленные кандидатами геолого-минералогических А.И.Голубевым (ГИ КарНЦ РАН) и А.М.Беляевым (СПБГУ).

Полевые работы проводились в 1993-95 годах и затрагивали в основном породы Валаамского силла, обнаженные на островах Валаамского архипелага и острове Мантсинсаари. Однако, объектами исследования являлись как интрузии (Валаамский силл и интрузия Хопунваара), так и вулканогенная толща (по материалам бурения). Изучен и опробован керн 5 скважин, описано около 500 шлифов и аншлифов. Комплексность и достоверность изучения химического состава пород и минералов обеспечена применением следующих

аналитических методов: силикатный анализ (90 ан.); рентгено-спектральный флуоресцентный анализ и метод фотометрии пламени (82 ан.); нейтронно-активационный анализ (11 ан.); анализ минералов с помощью микроанализатора (42 ан.). Силикатный анализ выполнен методом количественного рентгено-спктрального флюоресцентного анализа в Опытно-методической экспедиции ПГО "Севзапгеология" и в лаборатории ВСЕГЕИ. Ва, Rb, Sr, Y, Nb, Pb, U, Th, Zr определены методом рентгено-спектрального флюоресцентного анализа в лабораторях, ИГГД и ПГО "Невскгеология", Sc, Сг, Со, Hf, Та, REE - инструментального нейтронно-активационного анализа в лаборатории ИГТД, элементы группы железа - методом рентгено-спектрального анализа в лаборатории ИГ КарФАН.

Расчет количественых петрогенетических моделей проводился в рамках темы "Геоинформационные системы и петрологическое моделирование процессов эволюции рудно-магматических систем" НИИЗК при геологическом факультет СПбГУ. Для решения этой задачи были использованы авторские приложения разработанные на основе стандартных компьютерных программ Excel и Mathematica for Windows. Наряду с этим применялись: программа FC (formula calculation) для расчета и анализа формул минералов, программа Geodyn для обработки геохимических данных, а так же разработка С.И.Григорьева для расчета петрографических смесей .

Основные термины и понятия. При описании интрузивных горных пород автор стремился следовать принятым отечественным и международным рекомендациям.

Термин феррогаббро использовался для определения породы с габбровой структурой и повышенным содержанием Fe-Ti минералов.

Термин монцонитоиды используется как собирательное понятие для обозначения тех разновидностей плутонических пород рассматриваемого комплекса, в которых встречается свободный, а не в виде гранофира, калиевый полевой шпат.

Понятие комплекс употребляется как термин для обозначения совокупности субсинхронных, генетически связанных магматических образований различной фациальной принадлежности.

Термины субиотний, иотний и постиотний применяются для обозначения трех групп интрузивных рифейских базитов, известных в южной части Балтийского щита и соответствующих им супракрустальных пород. Это разделение, основанное на взаимоотношении интузивных базитов с иотнийскими осадками, ; впервые было предложено Седерхольмом [75], и получило дальнейшее развитие в работах [28, 63]. В данной работе термин иотний применяется к вулканическим породам переслаивающимся с иотнийскими осадками.

Термин инициальная стадия рифтогенеза используется для обозначения специфического типа вулканизма, проявляющегося на предрифтовом этапе развития рифтогенной структуры. Он характеризуется: трещинным типом, извержений отсутствием приуроченности к каким-либо зонам или центрам, субаэральным характером излияния, повышенным содержанием щелочей и титана в породах [2,3].

Понятие петрографическом смеси введено для обозначения гипотетической породы, рассчитанной как сумма составов слагающих ее минералов.

Все сокращения, кроме общепринятых, расшифрованы в тексте.

Основные защищаемые положения. I4) Базальты салминской свиты, долериты и монцонитоиды интрузии Хоунваара и Валаамского силла и долеритовые дайки Сортавалы представляют собой единый магматический комплекс, с возрастом 1.325+52 млрд. лет, сформированый на иотнийском этапе позднепротерозойского рифтогенеза. 2) В соответствии с составами сосущствующих минеральных фаз температура кристаллизации базальтов салминской свиты оценивается в интервале 1275-1000°С, а интрузивных долеритов - 1100-950°С при низкой фугитивности кислорода Ю"10-Ю"1г Бар, соответствующей СЬМ^-Та кислородному буферу. 3) Субщелочные низкомагнезиальные базальты салминской свиты являются результатом кристализационной дифференциации пикритовой или пикробазальтовой магмы, возникшей при плавлении гранатового перидотита и контаминированной архейским веществом в промежуточных коровых очагах. 4) Кристаллизационное фракционирование ферробазальтовой магмы явилось

главным фактором обусловившим разнообразие пород в гипабиссальных интрузиях рифейского магматического комплекса Приладожья.

Научная новизна. В работе впервые дана достаточно полная минералого-геохимическая характеристика пород рифейского базитового комплекса Приладожья на основе современных методов исследования вещества; предложена петрогенетическая интерпретация геохимических и минералого-петрографических особенностей пород; разработана модель и дифференциации магмы в гипабиссальной магматической камере.

Практическая значимость. Результаты работы использовались ГГП ПКГЭ при составлении легенд к картам ГДП-200 (листы ГДП р-35-29,31, р-36-25,31). Данные по петрографии и геохимии пород использовались в рамках международного проекта ГСФ "Минерал" и Геологической Службы Финляндии "Составление комплекта карт 1:1000000 Ладожско-Ботнической зоны", а так же проекта "Региональный металлогенический анализ восточной части Балтийского щита и его склонов на основе изучения рудно-магматических формаций".ГСФ "Минерал"

Апробация работы и публикации. Отдельные положения работы были представлены на Международном симпозиуме, посвященном 150-летию со дня рождения А. А. Иностранцева (С.-Петербург, 1994), на 8-ой конференции молодых ученых "Геология Балтийского щита", посвященной памяти К. О. Кратца (Петрозаводск, 1994), на 10 конференции молодых ученых памяти К.О.Кратца (Апатиты, 1995), на Всероссийском петрографическом совещании "Магматизм, метаморфизм и металлогения различных геодинамических обстановок" (Уфа, 1995), на международной конференции COPENA (Трондхейм, 1997) По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объем и структура работы.

Диссертация объемом 150 страниц состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 52 иллюстрации, 20 таблиц и список литературы состоящий из 88 наименований.

Автор благодарит и высоко ценит помощь научного руководителя канд. г.-м. наук В. В. Иваникова (каф. петрографии СПбГУ), по инициативе, под

руководством и при участии которого проводилось изучение рифейского базитового комплекса Приладожья. Автор выражает признательность Н.Б.Филиппову, В.А.Богачеву, Т.Е.Салтыковой, А.А.Кольцову, Ф.Г.Крецеру, Н.С.Рудашевскому, В.В.Куриленко, A.C. Карпову, Н.Я.Новиковой, а также всем сотрудникам кафедры петрографии, кафедры общей геологии СПбГУ, ГСФ "Минерал" и "Валаамской экспедиции" Санкт-Петербургского Общества Естествоиспытателей оказавшим содействие в проведении полевых, камеральных работ и лабораторных исследований. Особую признательность автор выражает кандидату г-.м. наук А.И.Голубеву (ГИ КарНЦ РАН) и кандидату г.-м. наук А.М.Беляеву (СПбГУ) за предоставленные полевые материалы и аналитические данные по породам комплекса. Полезными были консультации и дискуссии с д-ром г.-м. наук проф. Н. Ф. Шинкаревым (каф. петрографии СПбГУ), доктором г.-м. наук проф. Г.М.Саранчиной (каф. Петрографии СПбГУ), кандидатом г.-м. наук Ю.Б.Богдановым (ВСЕГЕИ), М.Н.Афанасовым (ГТП ПКГЭ) а также дискуссии во время совместных экскурсий и полевых работ в районе Северного Приладожья и Онежской структуры с член.-кор. РАН В.А.Глебовицким (ИГГД РАН), проф. К.Корсманом, Т.Коистененом (Финляндия) и с кандидатом г-.м. наук А.И.Голубевым.

Глава 1. История развития Балтийского щита в протерозое.

К началу раннего протерозоя после кратонизации и консолидации архейской коры сформировалась Карельская протоплатформа. Ее эволюция охватывает в совокупности огромный временной интервал почти в 2.5 млрд. лет. Неоднократные мощные проявления магматизма этой эпохи можно объединить в два этапа: раннепротерозойский и позднепротерозойско-фанерозойский. Магматизм этих двух этапов обнаруживает определенные черты сходства, но в тоже время имеет свои достаточно специфические особенности.

1.1. Раннепротерозойский этап.

На рубеже 2.7 млрд. лет Карельская гранит зеленокаменная область была стабилизирована, а к рубежу 2.5 млрд. лет Карельский геоблок представлял собой кратон. Начался качественно новый этап развития Фенноскандинавского щита - становление протоплатформенного чехла. Раннекарельские сумийско-сариолийские структуры формировались в условиях эпикратонного растяжения, обусловленного на начальных стадиях аплифтом. Они представлены, в основном, контрастными вулканитами андезито-базальтового и риолитового состава. В отдельных структурах проявлены высокомагнезиальные базальты толеитового ряда. Основание разреза сложено конгломератами, несогласно залегающими на поверхности фундамента. В верхних частях вулканиты переслаиваются с терригенными, пестрыми по составу осадками [30].

Кроме вышеуказанных вулканитов в Восточно-Карельской зоне развиты крупные расслоенные массивы перидотит-пироксенит-габброноритовой формации с возрастом около 2.45 млрд. лет [29]. Синхронно с ними были образованы контрастные плутоны гранитов А-типа.

Дальнейшее развитие восточной части Балтийского щита знаменуется формированием чехла вулканогенно-осадочных пород, который имел широкое площадное распространение. Этот период выделяется как протоплитная стадия

развития Карельской платформы и охватывает промежуток времени с 2.3 до 1.7 млрд. лет (ятулий, людиковий, вепсий).

В современном эрозионном срезе образования протоплитной стадии представлены либо в виде линейных структур, вытянутых в северо-западном направлении, либо крупных изометричных мульдообразных структур.

Практически повсеместно ятулийские толщи залегают на химической коре выветривания и имеют в основании горизонты базальных конгломератов. Выше по разрезу они сменяются кварцевыми песчаниками. В целом разрезы ятулия достаточно однотипны. Осадочные толщи представлены песчанистой и доломитовой формациями. Примечательно, что к карбонатным толщам ятулия приурочены первые признаки протерозойской жизни в виде строматолитовых колоний. По различным данным ятулийские карбонатные отложения фиксируют резкую смену кислородного режима древней атмосферы.

Характер магматизма достаточно однотипен и выдержан на всей рассматриваемой территории. Наибольшая активность вулканизма наблюдалась в среднеятулийское время, когда только на территории Центрально-Карельского района общая площадь, залитая лавами, составила приблизительно 50 тыс. кв. км. В позднем ятулии масштабы в