Изотопно-геохронологическое изучение пород Ингозерского массива (Кольский полуостров)

Ингозерский массив расположен в северо-восточной части Беломорского подвижного пояса (рис. 1) и сложен преимущественно гнейсами и гранитоидами разного состава [1–5]. На геологической карте Кольского региона он выделяется в самостоятельный блок и рассматривается как древнейшая интрузия гранодиоритов, тоналитов и плагиогранитов, окруженная гнейсами комплекса основания [6]. Комплексы основания архея на региональных картах являются геологически значимыми структурами и выделяются как гнейсовые комплексы тоналит-трондьемит-гранодиоритов (ТТГ) [3; 7; 6]. Sm-Nd-модельные датировки гнейсов Ингозерского массива находятся в интервале 3,1–2,8 млрд лет и отражают мезоархейский возраст отделения расплава от мантийного источника [2]. Изотопно-геохронологические U-Pb-исследования для пород данного массива ранее не проводились.

Для Кольского полуострова получено достаточно много датировок древнее 3,0 млрд лет по детритовым цирконам [8–10], но не было обнаружено магматических пород, отвечающих этому возрасту. Геологические предположения о древнейшем возрасте пород Ингозерского массива [6] и первые данные о мезоархейском возрасте (3,1 млрд лет) [10] циркона из биотитовых гнейсов делают изотопно-геохронологическое изучение пород Ингозерского комплекса актуальным и требуют его продолжения.

Изотопно-геохронологическое и изотопно-геохимическое изучение гнейсов и гранитоидов ТТГ комплекса Ингозерского массива, а также определение U-Pb- и Sm-Nd-возраста пород проведено с целью установления временной последовательности геологических процессов, проявленных в данном массиве.

Геологическая характеристика объекта

В Ингозерском массиве установлены биотитовые, биотит-амфиболовые, амфибол-биотитовые гнейсы, амфиболиты, гранитогнейсы, гранодиориты и пегматиты [1; 4–7].

Разнообразные по составу гнейсы, являющиеся метаморфизованными и рассланцованными останцами первичных ТТГ-пород, имеют во всех обнажениях Ингозерского комплекса схожие азимуты и углы падения [2]. Дайки основного состава, метаморфизованные и рассланцованные совместно с толщами гнейсов, переработаны в полевошпатовые амфиболиты и прорваны телами крупнозернистых гранитов и пегматитов. Светлосерые среднезернистые массивные граниты образуют тела небольшой мощности, жилы, прорывающие гнейсы и содержат порфировидные включения пегматоидного материала, при этом граниты прорываются жилами пегматитов различной мощности. Также наблюдаются кварцевые жилы, прорывающие гнейсы и пегматиты.

Последовательность эндогенных процессов Ингозерского массива [2] включает следующие этапы: 1) образование пород, исходных для биотитовых гранитогнейсов; 2) внедрение даек основных пород, впоследствии превращенных в полевошпатовые амфиболиты; 3) деформация и рассланцевание пород; 4) внедрение тел гранитов и послойная микроклинизация биотитовых гнейсов; 5) внедрение крупных тел пегматитов (гнейсы сохраняются в виде неразвернутых ксенолитов); 6) образование пегматитовых и гранитных жил небольшой мощности; 7) внедрение кварцевых жил.

Рис. 1. Схематическая карта Кольского полуострова [11] с изменениями авторов

Fig. 1. Geological scheme of the Kola Peninsula [11] with the authors' changes

Материалы и методы

Из комплекса TTГ Ингозерского массива для изотопного U-Pb-датирования были отобраны пробы: биотитовые гнейсы (проба Н-10-01); амфибол-биотитовые гнейсы (проба Н-10-07); биотит-амфиболовые гнейсы (проба Н-10-08). Изотопное U-Pb-датирование плагиогранитов (проба Н-10-06) и пегматоидных жил в гнейсах (проба Н-10-10) было проведено по зернам циркона и титанита.

Геохронологическое U-Pb-датирование циркона проводилось в лаборатории геохронологии и геохимии изотопов ГИ КНЦ РАН методом изотопного разбавления (ID-TIMS) как с использованием трассера ²⁰⁵ Pb для датирования единичных зерен, так и с использованием трассера ²⁰⁸ Pb для навесок циркона. Химическое разложение циркона для изотопного прецизионного U-Pb-датирования проводилось в лаборатории геохронологии и геохимии изотопов по методике Т. Е. Кроу [12]. Изотопные измерения проводились на масс-спектрометре Finnigan MAT-262 (RPQ) в одноленточном режиме с использованием смешанного трассера ²⁰⁸ Pb/ ²³⁵ U и силикагеля. Расчет координат точек и параметров изохрон проводился на основе работ К. Р. Людвига [13; 14]; использовались принятые в работах Р. Х. Стейгера, Е. Ягера константы распада [15].

Распределение редкоземельных элементов в породах TTГ комплекса Ингозерского массива было изучено с использованием данных, полученных в лаборатории изотопно-аналитических методов ИГМ СО РАН.

Результаты и обсуждение

Петрография и геохимия пород, отобранных для U-Pb-датирования

Биотитовые, амфибол-биотитовые и биотит-амфиболовые гнейсы сложены как кварц + плагиоклаз + биотит + микроклин ± амфибол; акцессорными для них являются циркон, кальцит, цоизит, эпидот; вторичным минералом является серицит (рис. 2, a, b, c). Вторичные изменения минералов отражают процессы наложенного метаморфизма амфиболитовой фации. Плагиограниты имеют следующий состав: кварц + плагиоклаз + биотит + микроклин ± амфибол; акцессорными минералами являются гранат, циркон, цоизит, титанит, вторичным минералом – серицит (рис. 2, d, e). Состав пегматитов: кварц ± плагиоклаз ± микроклин; вторичный минерал – серицит (рис. 2, f).

Химический состав пород представлен в табл. 1. При реконструкции первичной природы гнейсов по А. А. Предовскому [16] все изученные образцы попали в поле магматических пород. Для исследованных гнейсов Ингозерского массива характерны высокие содержания Na, Ca и низкие K. На диаграмме Ab-An-Or [17] точки химических анализов гнейсов ложатся в поля тоналитов и трондьемитов (рис. 3). По составу гнейсы характеризуются высокими содержаниями легких редкоземельных элементов (La, Ce, Pr) с крутым падением кривой распределения REE (от La до Dy) и последующим выполаживанием до Lu при низком содержании тяжелых REE (рис. 4). Высокое содержание легких редкоземельных элементов и отсутствие Eu-аномалии свидетельствуют о происхождении пород из обогащенных источников без существенной роли фракционной кристаллизации. При этом распределение редкоземельных элементов схоже с таковым для пород комплексов ТТГ, известных на других докембрийских щитах [18].

Рис. 2. Фотографии шлифов пород, отобранных для датирования (увеличение 25): a – биотитовый гнейс; b – биотит-амфиболовый гнейс; c – амфибол-биотитовый гнейс; d – плагиогранит; e – гранит; f – пегматит

Fig. 2. Thin sections' photo of the samples (magnification 25): a – biotite gneisses; b – biotite-amphibole gneisses; c – amphibol-biotite gneisses; d – plagiogranite; e – granite; f – pegmatite

Рис. 3. Классификационная диаграмма Ab-An-Or [17] для гнейсов: биотитовых (проба Н-10-01), амфибол-биотитовых (проба Н-10-07) и биотитовых-амфиболовых (проба Н-10-08) комплекса TTГ Ингозерского массива

Fig. 3. Ab-An-Or diagram [17] for the sample H-10-01 of biotite gneisses, the sample H-10-07 of amphibol-biotite gneisses, and the sample H10-08 of biotite-amphibole gneisses of the Ingozero massive TTG complex

Таблица 1. Химический состав гнейсов Ингозерского массива Table 1. Chemical composition of the Ingozero massive gneisses

Оксид	H-10-01	H-10-07	H-10-08
SiO 2	71,12	67,81	66,55
TiO 2	0,26	0,49	0,47
Al2O 3	14,22	13,90	13,85
Fe2O 3	0,22	0,11	1,09
FeO	2,94	4,77	4,40
MnO	0,037	0,075	0,059
MgO	0,65	1,69	2,00
CaO	2,46	3,95	4,29
Na 2 O	5,20	4,13	4,26
K 2 O	1,70	1,37	1,32
La	18,90	11,37	30,17
Ce	34,89	27,22	53,86
Pr	3,98	3,28	6,22
Nd	12,83	12,36	20,66
Sm	1,98	2,34	3,06
Eu	0,46	0,76	0,77
Gd	1,27	2,43	2,62
Tb	0,17	0,37	0,34
Dy	0,71	1,92	1,41
Ho	0,13	0,37	0,25
Er	0,31	0,88	0,68
Tm	0,05	0,13	0,09
Yb	0,30	0,88	0,56
Lu	0,04	0,13	0,08

Характеристики циркона и изотопный U-Pb-возраст

Для пробы Н-10-01 из биотитового гнейса по трем фракциям единичных цирконов ранее был установлен возраст 3 149 ± 46 млн лет [10]. Он интерпретируется как наиболее древний возраст магматического протолита гнейсов Ингозерского комплекса.

Также из этой пробы был отобран циркон для U-Pb-датирования методом ID-TIMS. Выделенный из породы циркон представлен темно-коричневыми прозрачными призматическими и короткопризматическими слабо-трещиноватыми кристаллами. Для датирования циркон был разделен по размерным фракциям: <0,075 мм – точка 1 на диаграмме с конкордией; >0,15 мм – точка 2; 0,1–0,15 мм – точка 3; 0,075–0,1 мм – точка 4. Верхнее пересечение дискордии, построенной по четырем фигуративным точкам, с конкордией имеет значение 2697 ± 9 млн лет, СКВО = 1,8 (табл. 2, 3; рис. 5, a). Повышенное содержание урана (до 828 ppm) и низкие отношения Th/U (рассчитанные по отношениям ²⁰⁶ Pb/ ²⁰⁸ Pb) в цирконе (0,11–0,15), скорее, характерны для магматического циркона из гранитов, чем из трондьемитов, к которым относится данная проба [19]. Следовательно, возраст 2697 ± 9 млн лет интерпретируется как возраст рассланцевания и метаморфизма пород ТТГ, повлекшего за собой переработку их в биотитовые гнейсы. Вероятно, данный метаморфизм связан с внедрением тел гранитоидов.

Циркон, выделенный из пробы амфибол-биотитовых гнейсов (Н-10-07), представлен темно- и светлокоричневыми прозрачными слабо-трещиноватыми коротко- и длиннопризматическими кристаллами. Для датирования цирконы были разделены по морфологии с учетом соотношения граней призм и дипирамид и коэффициента удлинения кристаллов. Для одной из фракций циркона была использована методика двустадийного растворения (табл. 2, 3), что позволило выделить наименее нарушенную часть циркона. Именно для этой фракции (точка 1) был получен конкордантный возраст 2667 ± 7 млн лет, СКВО = 1,2. По другим четырем фракциям построена дискордия с верхним пересечением в 2725 ± 2 млн лет, СКВО = 0,061 (табл. 2, 3; рис. 5, b). Аналитические данные для фракции циркона, находящейся на конкордии, отличаются низким отношением Th/U (0,06), поэтому полученный по ней возраст 2667 ± 7, близкий в пределах ошибки к возрасту циркона в пробе биотитовых гнейсов, также интерпретируется нами как возраст метаморфизма пород ТТГ, в результате которого они были преобразованы в амфибол-биотитовые гнейсы. Возраст 2725 ± 2 млн лет, возможно, отражает второй этап внедрения тоналитов или этап метаморфизма, связанный с внедрением даек основных пород.

порода/хондрит

Рис. 4. Распределение редкоземельных элементов (РЗЭ), нормированное к хондриту [20], для биотитовых (Н-10-01), амфибол-биотитовых (Н-10-07) и биотит-амфиболовых (Н-10-08) гнейсов комплекса TTГ Ингозерского массива (анализы выполнены в ИГМ СО РАН) Fig. 4. Chondrite normalized REE distribution [20] for the sample H-10-01 of biotite gneisses, the sample H-10-07 of amphibol-biotite gneisses, and the sample H10-08 of biotite-amphibole gneisses of the Ingozero massive TTG complex (chemical analysis by IGM SB RAS)

Рис. 5. Изотопная диаграмма U-Pb с конкордией для циркона из проб гнейсов: а – биотитового (Н-10-01); b – амфибол-биотитового (Н-10-07); c – биотит-амфиболового (Н-10-08) Fig. 5. Concordia diagram for the sample H-10-01 of biotite gneisses (a), H-10-07 of amphibol-biotite gneisses (b) and H10-08 biotite-amphibole gneisses (c)

Таблица 2. Изотопные U-Pb-данные по единичным зернам с использованием трассера ²⁰⁵ Pb для циркона из гнейсов Ингозерского массива Table 2. Isotope U-Pb single zircon data with ²⁰⁵ Pb-tracer for zircon from the Ingozero massive gneisses

№ п/п	Навеска, мг	Концентрация, ppm		Изотопное отношение*				Возраст, млн лет**			Дискордантность, %
		Pb	U	206 Pb/ 204 Pb 1	206 Pb/ 238 U ± 2σ 1	207 Pb/ 235 U ± 2σ 1 207 Pb/ 206 Pb ± 2σ		206 Pb/ 238 U ± 2σ	207 Pb/ 235 U ± 2σ	207 Pb/ 206 Pb ± 2σ
Н-10-07
2	0,063	72,24	132,67	2202,2	0,491 ± 0,001	12,576 ± 0,030	0,1859 ± 0,0001	2574 ± 6	2648 ± 6	2706 ± 2	4,9
3	0,090	50,86	99,21	2848,4	0,488 ± 0,002	12,498 ± 0,041	0,1848 ± 0,0002	2563 ± 8	2638 ± 9	2696 ± 2	4,9
4	0,084	61,15	145,36	579,9	0,378 ± 0,002	9,180 ± 0,074	0,1762 ± 0,0009	2066 ± 11	2356 ± 19	2617 ± 14	21,1
Н-10-08
3	0,0788	214,72	78,95	354,1	0,470 ± 0,002	11,867 ± 0,071	0,1831 ± 0,0007	2484 ± 11	2594 ± 15	2681 ± 10	7,3
4	0,0300	160,23	331,14	1 345,1	0,452 ± 0,002	11,286 ± 0,065	0,1812 ± 0,0005	2403 ± 12	2547 ± 15	2664 ± 7	9,8
5	0,0157	285,26	629,85	1 129,9	0,424 ± 0,001	10,412 ± 0,053	0,1763 ± 0,0006	2279 ± 8	2463 ± 13	2619 ± 9	13,0
6	0,0137	193,81	449,45	1012,9	0,363 ± 0,002	8,506 ± 0,062	0,1699 ± 0,0006	1 997 ± 12	2287 ± 17	2556 ± 8	21,9