Геохимические особенности состава флюидов и распределение сорг в метаморфических породах Лапландского гранулитового пояса

• 1.    Введение

  Реконструкция условий образования и метаморфизма пород, образовавшихся в древних активных зонах Земли, является предметом длительной дискуссии. Изучение флюидных включений в минералах широко используется в решении многих дискуссионных проблем магматической и метаморфической петрологии, т.к. состав включений в минералах метаморфических пород может служить источником прямой информации о составе и плотности минералообразующих растворов. К настоящему времени флюидные включения изучены во многих метаморфических комплексах и широко используются для реконструкции петрогенеза, флюидного режима и эволюции нижней коры континентов. Включения минералообразующих сред являются высокоинформативными системами, которые представляют при их изучении, наряду с обширными данными о ведущих физико-химических параметрах и химическом составе минералообразующих растворов и расплавов, также дополнительные данные о последовательности и стадийности процесса минералообразования ( Ермаков, Долгов , 1979; Рэддер , 1987) . В настоящее время изучение состава флюидов проводится как на уровне индивидуальных включений, так и валовым методом (в породе либо в мономинеральных фракциях).

• 2.    Методика исследований

  Методика исследований включает анализ валового состава газов закрытых пор, определение содержания некарбонатного углерода (С_орг) и изотопию гелия. Валовое извлечение газов производилось путем измельчения проб в вакуумной мельнице в стаканах из нержавеющей стали с последующим анализом на газовых хроматографах Цвет-102 и F-30 с определением He, H₂, O₂, N₂, CH₄, тяжелых углеводородных газов (УВГ) С₂-С₅, СO и СO₂. Минимально определяемые концентрации компонентов (в объемных %) составляли: Не – 0.0008, Н₂ – 0.0006, О₂ – 0.005, N₂ – 0.012, CH₄ – 0.00005, тяжелых УВГ С₂-С₅ – 0.00005, СО – 0.003, СО₂ – 0.008. Определение С_орг (некарбонатного углерода) производилось весовым полумикрометодом, основанным на классической методике сжигания в печи элементарного анализа в токе кислорода навески породы, предварительно обработанной кипячением в соляной кислоте

  для удаления карбонатов ( Успенский и др ., 1975). Минимально определяемое содержание С орг по этой методике составляет 0.001%.

• 3.    Геологическое положение Лапландского гранулитового пояса

Исследования состава флюидных включений в породах Лапландского гранулитового пояса являются первой попыткой получения сведений об особенностях флюидного режима их формирования. Характеристика флюидного режима в сочетании с геологическими и изотопно-геохимическими данными поможет более точно реконструировать условия образования и метаморфизма древних активных зон Земли на примере гранулитов Лапландии. Целью проводимого исследования является использование результатов анализа валового состава газов закрытых пор и содержания некарбонатного углерода при рассмотрении вопросов о протоприроде Лапландского гранулитового пояса.

Наряду с валовым изучением газовой фазы в породе путем ее измельчения было проведено изучение валового состава флюидных включений в мономинеральных фракциях граната и кварца из основных и кислых гранулитов. Изучение проводилось методом газовой хроматографии с термической декрепитацией включений в токе гелия. (Анализы выполнены в ГЕОХИ РАН О.Ф.Мироновой).

Гелий для изотопных исследований извлекался путем измельчения образцов в запаянных вакуумированных стеклянных ампулах ( Икорский, Кущ , 1992) . В отличие от плавления, когда из образцов извлекается весь гелий, при измельчении выделение гелия происходит из флюидных включений, имеющих микроскопические размеры. Анализ изотопного состава гелия выполнялся на масс-спектрометре МИ-1201 N 22-78 по методике ( Kamensky et al ., 1990). Ампулы с измельченными образцами вскрывались в разбивающем устройстве, соединенном с системой напуска масс-спектрометра.

Проблема формирования Лапландского гранулитового пояса и протоприроды слагающих его метаморфических пород, тесно связанная с вопросом формирования древних активных зон Земли, является предметом острых дискуссий и обсуждается в литературе длительное время. Еще в 50-е годы были сформулированы две противоположные точки зрения. Согласно представлениям А.А.Полканова, данные образования являются первично интрузивными, а П.Эскола предложил гипотезу вулканогенноосадочного генезиса их протолитов. Высказанное в последнее время В.В.Ждановым предположение о гранулитах как фрагментах (пластинах) гранулит-базитового слоя, тектонически выведенных на поверхность, получило свое развитие в работах Ф.П.Митрофанова.

Согласно представлениям (Козлов и др., 1990), в пределах Лапландского гранулитового пояса совмещены породы различного генезиса: метаинтрузивные (возможно, инфракрустальные) и супракрустальные, составляющие значительную часть объема пород. Это позволяет говорить о разрезах и общих чертах их строения. В пределах супракомплекса могут быть выделены нижняя, метаосадочно- вулканогенная, и верхняя, метаосадочная, толщи (рис.1).

I – район р.Танаелв, Сев.Норвегия;

II – район пос.Вуотсо, Сев.Финляндия;

• III    – район р.Яурийоки;

• IV    – Сальные тундры;

• V    – Кандалакшские тундры;

• VI    – Колвицкие тундры;

• VII    – район р.Лотта.

Горизонтальной штриховкой на карте обозначены площади развития пород метавулканогенной толщи, точками – метаосадочной. Площади, в пределах которых      выделение      названных разновидностей затруднено, обозначены одновременно штриховкой и точками. Черным залиты крупные тела анортозитов.

Условные обозначения для разрезов:

• 1    – метатолеиты;

• 2    – глиноземистые метабазальты;

• 3    – метаандезито-базальты;

• 4    – метаандезиты;

• 5    – метадациты;

• 6    – метатуффиты;

• 7    – метаосадочные породы.

• 4.    Результаты исследований и их обсуждение

Рис.1. Схематическая геологическая карта Лапландского гранулитового пояса и обобщенные разрезы супракрустальных толщ различных районов.

Представления о супракрустальной прототоприроде метаморфитов пояса обосновывают логичность изучения в нем органических соединений, так как появление аквагенных отложений, древнейших органических веществ и морфологически распознаваемых прокариот приурочено к рубежу 3.3-3.8 млрд. лет. Именно с этого времени живое органическое вещество становится одним из важных факторов, влияющих на характер эволюции седиментационных процессов, начиная с гипергенеза (Сидоренко, Сидоренко, 1975).

Содержание органического (некарбонатного) углерода было изучено в основных типах пород, слагающих Лапландский гранулитовый пояс. Проведенные исследования (табл.1, рис.2) показали, что для всех изученныx пород характерны низкие содержания Сорг, не превышающие нескольких сотых мас.%. Относительно повышенные содержания отмечены в породах, реконструируемых как осадочные, а отчетливый максимум содержания Сорг установлен в метапелитах. Это можно рассматривать как возможный аргумент в пользу супракрустального, осадочно-вулканогенного генезиса пород, так как хорошо согласуется с закономерностью Траска, установленной для пород фанерозоя, согласно которой максимальные содержания Сорг характерны для пелитовых

П 08> TU3) ГВ<(.21 СГВ«-ЛРК() (» Д <27) А(42) А-Ь<13) Б(32> ГБ<32 >

МЕТАОСАДКИ МЕТАВУЛКАНИТЫ

разностей пород.

П – пелиты,

Т– туффиты,

ГВ – граувакки,

СГВ+АРК – субграувакки и аркозы,

Д – дациты,

А – андезиты,

А-Б – андезито-базальты,

Б – базальты,

ГБ – глиноземистые базальты.

Рис.2. Содержание Сорг (некарбонатного углерода) в основных типах пород

Лапландского гранулитового пояса.

Рис.3. Содержания метана, гелия и тяжелых углеводородов (С2-С5) в основных типах пород Лапландского гранулитового пояса. Условные обозначения на рис.2.

мстадациты мстаграувакки

• -4Н+-Н------1—Н--------1-----------Н------1------------1---- 1------------------------- 1--------------

• 50                100               150               200

Содержания метана, (п-10'3)см3/кг порода

Рис.4. Распределение содержаний метана в аркозах и дацитах (породы, близкие по химизму, но различные по генезису).

Аналогичный характер распределения установлен по содержанию метана и его гомологов (табл.1, рис.3). Породы, реконструируемые как метаосадочные, характеризуются повышенными значениями CН4 и тяжелых углеводородов с числом углеродных атомов С2–С5. Содержания СО и СО2 изменяются от нулевых значений до нескольких см3/кг, но из-за некоторых методических ограничений, обусловленных сложными физико-химическими явлениями, происходящими при тонком измельчении вещества, эти результаты не могут достоверно интерпретироваться. Неоднозначность интерпретации результатов во многом обусловлена не только методическими трудностями, но также во многом и неоднозначностью генезиса самих газов. Известно, что источником газов могут быть как мантийные, так и внутрикоровые процессы, включая возможность образования их путем смешивания флюидов разного генезиса. В какой-то мере ответ о происхождении газов может быть получен по характеру распределения метана в породах разного происхождения. Содержание СН4 было изучено в породах, близких по химизму, но разных по генезису, и реконструируемых как дациты и аркозы (рис.4). В аркозах наблюдается достаточно широкий разброс содержаний, тогда как в метадацитах он ограничен узким интервалом значений. Наблюдаемый характер распределения метана позволяет предполагать различный его генезис в изученных породах.

Таблица 1. Содержание газов (см3/кг) в основных типах пород Лапландского гранулитового пояса (по данным хроматографического анализа в породе)

Порода 1)	Кол-во образцов	He (n . 10 -3 )	H 2	N 2	CO	CO 2	CH 4	Σ С 2 -С 5	С орг , мас.%
Аркозы и субграувакки	10	0.095-1.9 0.76	0.34-1.82 1.06	0.39-4.99 1.46	0.00-0.13 0.0052	0.2-2.41 0.71	45-1920 477.1	0.69-73.05 15.84	0.08
Граувакки	20	0.1-3.7 1.2	0.2-2.28 0.86	0.19-3.95 1.06	0.00-0.0059 0.0016	0.00-1.44 0.30	4.2-170 135.6	0.33-28.29 3.03	0.012
Пелиты	4	0.046-3.6 1.51	0.27-0.81 0.63	0.28-1.22 0.95	0.00-0.004 0.0005	0.00-0.19 0.13	2.9-100 65.0	0.051-2.57 1.52	0.027
Туффиты	5	0.15-0.43 0.39	0.34-0.87 0.69	0.32-1.55 0.69	0.0	0.0-0.31 0.088	6.2-120 33.0	0.28-2.28 0.74	0.015
Дациты и туфы	8	0.1-0.33 1.1	0.48-2.04 0.029	0.27-0.91 0.36	0.0	0.0	0.97-52 12.7	0.012-0.52 0.29	0.011
Андезиты	8	0.3-0.75 0.42	0.55-1.36 0.97	0.23-0.81 0.47	0.0	0.0-0.0031 0.0002	5.2-40.0 12.9	0.42-0.46 0.43	0.008
Андезито-базальты	4	0.23-3.8 0.94	0.37-1.14 0.60	0.27-0.91 0.36	0.0	0.0-0.0004 0.00008	5.0-42.0 22.0	0.11-0.27 0.21	0.008
Базальты	4	0.29-1.9 1.30	0.37-1.37 0.91	0.24-0.63 0.42	0.0	0.0-7.8 1.95	3.4-37.0 13.7	0.086-0.54 0.33	0.007

¹⁾ названия пород даны по результатам реконструкции первичной природы по химическому составу ( Предовский , 1980).

Таблица 2. Содержание N2, CO2, CH4 и H2O в мономинеральных фракциях граната по данным хроматографического анализа

Типы гранулитов		Кол. проб	Содержание, мол.%
			N 2	CO 2	CH 4	H 2 O
Гранулиты Алдана, Анабара,	1*	7	0.07	8.6	1.9	89.0
Енисейского кряжа и	2	3	0.07	18.0	2.3	75.2
Канадского щита	3	10	0.83	37.7	2.3	59.7
Лапландские гранулиты	4	3	0.05	1.69	0.06	98.2
	5	2	0.00	1.5	0.15	98.4
	6	1	0.00	1.62	0.16	98.2

*)1 – пониженных, 2 – умеренных, 3 – повышенных давлений, по Чупину и др., 1993;

4 – кислые, 5 – основные гранулиты, 6 – кислый гранулит, обломок в гранатовом плагиограните (4,5,6 – хроматографический анализ выполнен О.Ф.Мироновой, ГЕОХИ РАН).

Наряду с исследованием Сорг и газов в породе, было проведено также изучение валового состава флюидных включений в мономинеральных фракциях граната и кварца, выделенных из основных и кислых гранулитов. Проведенные исследования (табл.2) установили, что Лапландские гранулиты, по сравнению с гранулитами Сибири, характеризуются более высокими содержаниями воды.

Своеобразие Лапландских гранулитов отмечалось ранее по особенностям минерального состава. Согласно ( Тернер , 1951), несмотря на отчетливо выраженные парагенезисы гранулитовой фации, в гранулитах Лапландии все же присутствуют роговая обманка, биотит и кордиерит. Хроматографический анализ мономинеральных фракций граната и кварца позволил выявить особенности составов флюидных включений основных и кислых гранулитов по соотношению в них N₂, CO₂ и CH₄ (рис.5)_. В гранатах основных гранулитов, как правило, азот отсутствует, в то время как в кислых гранулитах присутствие азота, не очень высокое, отмечается во всех изученных пробах. Преобладающим компонентом флюидных включений в мономинеральных фракциях гранатов как в основных, так и в кислых гранулитах является СО 2 , содержание которого в пересчете на Н 2 О составляет от 86 до 96 мол.%, содержание метана – от 2.6 до 13.7 мол.%, что позволяет предполагать сходство условий, в которых происходили их метаморфические преобразования.

A 1 – кислые гранулиты,

• □ 2 – обломок кислого гранулита в

плагиограните,

+

• 3    – плагиограниты,

• 4    – кислый гранулит,

и c ,

• 5    – обломок кислого гранулита в плагиограните,

e

• 6    – плагиогранит,

• 7    – основные гранулиты,

• 8    – гранулиты разных районов мира (по литературным данным).

Рис.5. Соотношение CO₂–N₂–CH₄ в мономинеральных фракциях кварца (1-3) и граната (4-8) основных и кислых гранулитов Лапландии, а также Алданского, Анабарского и Канадского щитов ( Чупин и др ., 1993).

Таблица 3. Содержание и изотопное соотношение гелия в мономинеральных фракциях и в различных типах пород Лапландского гранулитового пояса

Номер пробы	Порода	Минеральная фракция	4 Не, (п х 10 "6 ), см3/г			3 Не/ 4 Не (п х 10 "8 )
			измельч.	плавл.		измельч.	плавл.
ЛАП-32	основной гранулит	гранат	34.0 2.9		_	14.2 14.9
ЛАП-33	"	гранат амф. + пирокс.	150.0 4.2 85.0		200	11.1 12.4 10.5	9.6
ЛАП-34а	гранат-амфиболов. гнейс	гранат	6.3 3.2		_	10.8 10.6
Б-1	эклогитоподобная порода	гранат амф. + пирокс.	1.6 16.3		11.2	15.6 13.9	4.1
Я-68	кислый гранулит	гранат кварц	8.9 0.52			2.2 2.3
АН-124	"обломок" из плагиогранита	гранат кварц	9.0 0.37			1.9 4.0

По сравнению с гранатами, в мономинеральных фракциях кварца содержание СО2 снижается до 51-65.5 мол.%. Вторым по содержанию компонентом является азот (20-44 мол.%, а содержание метана изменяется от 1.5 до 14.5 мол.%. Так как кварц является более поздним минералом по отношению к гранату, выявленные различия, вероятно, отражают эволюцию состава метаморфического флюида во времени. Специфический состав флюидов по соотношению СО2–N2–СН4 установлен в мономинеральных фракциях кварца, отобранных из пород, преобразованных в ходе палингенных процессов в гранатовые плагиограниты (2 на рис.5). Полученные результаты позволяют предполагать сходные тенденции в изменении флюидов в процессах метаморфизма и палингенеза. Кроме того, особенности состава включений в кварце из кислого гранулита, подвергшегося палингенезу, допускают возможность существования двух этапов метаморфических преобразований пород кислого состава в Лапландском поясе.

Наряду с хроматографическим анализом было также проведено изучение изотопного состава гелия во флюидных включениях. Привлечение этого метода обусловлено поиском дополнительных критериев в решении вопросов о протоприроде и особенностях формирования Лапландских гранулитов. В основе исследований лежит тот факт, что для пород континентальной коры изотопное отношение ³Не/⁴Не в среднем составляет 1.8^.10^-8, в то время как для современной верхней мантии оно принимается равным 1.2^.10^-5, а для нижней мантии - до 5^.10^-5 ( Толстихин , 1986). Это позволяет предполагать, что гранулиты, имеющие глубинный источник вещества и сохранившие в изотопном составе гелиевую мантийную компоненту, будут отличны по изотопно-гелиевому соотношению от пород, протолит которых был сформирован в коровых условиях.

Изотопы гелия были изучены как в породе, так и в выделенных из нее мономинеральных фракциях граната и кварца из основных и кислых гранулитов. Для сопоставления были проанализированы анортозиты Колвицких тундр, как породы, залегающие в пределах Лапландского гранулитового пояса и метаморфизованные в условиях, характерных для основных и кислых гранулитов, и магматическое происхождение которых не вызывает сомнения. На мантийный источник анортозитов указывает начальное отношение изотопов стронция 87Sr/86Sr, равное 0.7033.

Изучение содержания 4Не и соотношения 3Не/4Не проводилось в мономинеральных фракциях и в породе. Для анализа использовалась фракция -0.5 + 0.375. Как показали проведенные исследования (табл.3), измеряемые значения 3Не/4Не не зависят от количества выделенного 4Не. Содержание 4Не в различных типах пород и в мономинеральных фракциях изменяется в широких пределах, соотношение же изотопов гелия сохраняется практически одинаковым как в породе, так и в различных мономинеральных фракциях (гранате, кварце, пироксене + амфиболе). Это позволило отказаться от трудоемкой процедуры выделения и очистки мономинеральных фракций и проводить изучение соотношений изотопов гелия непосредственно в породе. Изотопный состав гелия, извлекаемый из флюидных включений дроблением, во всех случаях имеет более высокое значение 3Не/4Не, чем валовый состав гелия, выделяемый плавлением из тех же образцов. Следовательно, для изотопного состава гелия, рассеянного в кристаллической решетке минералов, характерны более низкие значения соотношения изотопов 3Не/4Не.

Это подтверждает правомочность использования полученных изотопных характеристик гелия. Полученные результаты дают представления о соотношении изотопов во флюидных включениях на стадии их формирования и исключают контаминацию радиогенными изотопами.

I – кислые гранулиты;

II – то же, из зоны чередования с основными породами;

• III    – основные кристаллосланцы;

• IV    – анортозиты.

• 5.    Выводы

Условные обозначения: 1-4 – порода, гранат, кварц и пироксен, соответственно. Пунктиром обозначены значения изотопного состава гелия в коре и обедненном мантийном резервуаре.

Рис.6. Изотопный состав гелия в метаморфитах Лапландского гранулитового пояса.

В результате проведенных исследований установлено, что в Колвицких анортозитах величина отношения 3 He/ 4 He на порядок и более превышает коровое значение, варьируя в пределах (59 + 307)^.10 -8 . Это указывает на присутствие в содержащемся в них гелии заметной доли мантийной составляющей (рис.6). Исходя из этого, можно говорить о сохранности в древних магматических породах, связанных с мантийным источником и метаморфизованных в условиях до гранулитовой фации включительно, реликтов мантийного гелия, законсервированного во флюидных включениях метаморфогенных минералов. Результаты изучения изотопного состава гелия в кислых и основных гранулитах Лапландского пояса показывают различие этих образований. В кислых отношение ³He/⁴He равно (0.74.0)^.10^-8, что близко его значению в коровых комплексах. Кислые породы из зон чередования с основными гранулитами характеризуются повышенным содержанием мантийного гелия, увеличивающим изотопное отношение до (9.4-11.3)^.10^-8. Отношение ³Не/⁴Не в основных гранулитах достигает (10.615.6)^.10^-8, еще заметнее смещаясь в направлении мантийных значений и отношений, установленных для анортозитов.

Полученные первые данные о составе флюидных включений в метаморфитах Лапландского гранулитового пояса позволяют сделать следующие выводы:

• •    формирование флюидов происходит как в результате метаморфизма пород земной коры, так и, в меньшей степени, за счет глубинных подкоровых флюидов. На пути к поверхности Земли мантийные летучие компоненты смешиваются с летучими компонентами земной коры. Вклад мантийных компонентов значительно меньший, чем коровый, и единственным надежным трассером является гелий. Наблюдаемое отношение ³Не/⁴Не является результатом смешивания Не mantle (R/Ra -6-30) u He crust .

• •    установленное нами отличие изотопно-гелиевых характеристик основных и кислых гранулитов не позволяет рассматривать их как продукты глубинной магматической или метаморфической дифференциации единого источника.

• •    сходство составов флюидов, установленное по результатам газовой хроматографии, в гранатах кислых и основных гранулитов позволяет предполагать генетическую близость этих пород на этапе метаморфических преобразований.

Авторы статьи выражают свою благодарность О.Ф.Мироновой (ГЕОХИ РАН) за проведение хроматографического анализа мономинеральных фракций граната и кварца, выделенных из гранулитов Лапландии. Особую признательность авторы выражают директору Геологического института, члену-корреспонденту РАН профессору Ф.П.Митрофанову за постоянное внимание к проводимым исследованиям.