Морфология циркона и изотопное U-Pb и Sm-Nd датирование пород Канозерского массива щелочных гранитов (Кольский регион)

*Геологический институт КНЦ РАН, г. Апатиты, Мурманская обл., Россия; e-mail: , ORCID:

Ниткина Е. А. и др. Морфология циркона и изотопное U-Pb и Sm-Nd датирование пород Канозерского массива щелочных гранитов (Кольский регион). Вестник МГТУ. 2022. Т. 25, № 1. С. 50–60. DOI:

e-mail: , ORCID:

Nitkina, E. A. et al. 2022. Zircon morphology and isotope U-Pb and Sm-Nd dating the rocks of the Kanozero alkaline granite massif (the Kola region). Vestnik of MSTU, 25(1), pp. 50–60. (In Russ.) DOI:

Древнейшими породами в пределах Фенноскандинавского щита являются биотитовые и амфиболовые гнейсы комплекса тоналит-трондьемит-гранодиоритов с подчиненными им пластовыми телами рассланцованных полевошпатовых амфиболитов ( Батиева, 1958 ).

Архейский щелочной магматизм в пределах Фенноскандинавского щита представлен щелочносиенит-карбонатитовым комплексом Сиилинъярви (Финляндия), а также массивами Кейвской провинции щелочных гранитов: Понойским с возрастом 2751 ± 41 млн лет и 2759 ± 36 млн лет, Западно-Кейвским с возрастом 2674 ± 6 млн лет, Белые тундры с возрастом 2654 ±5 млн лет и Сахарийок с возрастом щелочных и нефелиновых сиенитов, соответственно, 2682 ± 10 млн лет и 2613 ± 35 млн лет ( Пушкарев, 1990; Eby, 1990; Zozulya et al., 2001; Архейский…, 2002; Balagansky et al., 2021; Баянова, 2004; Ветрин и др., 2014; Ветрин, 2019; Zakharov et al., 2022 ). Можно отметить, что модельные Sm-Nd возраста для щелочных гранитов Кейвского террейна находятся в интервале 2,9–2,8 млрд лет, характеризуются отрицательными метками по εNd от –1 до –4 и относятся к А-типу внутриплитных гранитов ( Zozulya et al., 2001 ), которые знаменуют переход от орогенных стадий к посторогенным ( Eby, 1990; Balagansky et al., 2021 и ссылки в работе). В ильмените из щелочных гранитов Понойского массива отношение He 3 /He 4 равно 0,7×10^–6 и отражает мантийный источник формирования пород ( Ветрин и др., 2001 ).

Ранее считалось, что для Канозерского массива гранито-гнейсы и бластомилониты являются протерозойскими образованиями. По ним были получены следующие данные: Rb-Sr метод датирования – 2,36 млрд лет ( Щелочные граниты..., 1990 ), Pb-Pb метод датирования – 2,36 млрд лет ( Пушкарев, 1990 ). На Кольском полуострове сходные с Канозерскими щелочные граниты с пегматитовыми жилами присутствуют в Кейвской структуре, возраст пород которой определен U-Pb методом датирования более древним, чем 2,6 млрд лет ( Bayanova et al., 1999 ). Учитывая тот факт, что в лаборатории геохронологии и изотопной геохимии Геологического института КНЦ РАН на данный момент используется метод определения изотопного возраста, отличный от применяемого для предыдущего датирования, для уточнения возраста Канозерского массива были отобраны пробы из щелочных гранитов и бластомилонитов по ним. Предварительные данные датирования пород из Канозерского щелочного массива ( Ниткина и др., 2004 ) дали возможность предположить, что массив попадает во временной интервал формирования архейского щелочного магматизма от 2750 до 2610 млн лет.

Данное исследование посвящено изучению морфологических особенностей циркона и установлению температурных интервалов его кристаллизации, а также изотопному U-Pb и Sm-Nd датированию разновидностей пород Канозерского массива щелочных гранитов.

Геологическая характеристика массива

Канозерский массив щелочных гранитов расположен на северо-востоке Фенноскандинавского щита в пределах Беломорского мобильного пояса (рис. 1, а ) и представляет собой геологическое тело, вытянутое в северо-западном направлении (рис. 1, б ). Площадь массива щелочных и аплитовидных гранитов с небольшими оперяющими массивами, сложенными бластомилонитами по ним, составляет примерно 170 км² ( Батиева, 1958 ). Массив прорывается жилами амазонитовых пегматитов с U-Pb возрастом 1682 ± 10 млн лет (данные по циркону – Bayanova et al., 1999 ). Вмещающими породами являются архейские биотитовые и амфиболовые гнейсы, гранатовые амфиболиты.

Центральная часть Канозерского массива щелочных гранитов сложена преимущественно среднезернистыми щелочными гранитами (рис. 1, б ). Породы в обнажениях имеют линейную текстуру, подчеркнутую темноцветными минералами (рис. 2). Породы сложены (рис. 3) кварцем (20–25 %), микроклином (40–55 %), плагиоклазом (10–15 %); в меньшем количестве развиты феррогастингсит (до 5 %) и биотит (до 10 %). Акцессорные минералы представлены апатитом, титанитом, цирконом, флюоритом и магнетитом. В шлифах для щелочных гнейсогранитов характерна аллотриоморфнозернистая структура. Феррогастингсит развивается ксеноморфно между зернами полевых шпатов и кварца, образуя кучные скопления призматических зерен, ориентированных согласно гнейсовидности породы (рис. 4). Идиоморфизм в наибольшей степени выражен у микроклина, образующего гипидиоморфные, преимущественно изометрично развитые зерна. Наиболее обычным является образование титанита совместно с магнетитом при замещении эгирин-авгита феррогастингситом и феррогастингсита – биотитом.

Массив, сложенный бластомилонитами по щелочным гранитам, расположен западнее Канозерского на берегу оз. Черная Ламба (рис. 1, б ). Породы в обнажениях имеют серо-розовый цвет и плоско-параллельную текстуру (рис. 2). В образцах бластомилониты характеризуются наличием выраженной линейности, которая определяется сростками эгирин-авгита и гиперстена. Порода состоит главным образом из кварца (25–30 %), плагиоклаза (15–20 %), микроклина (45–55 %), эгирин-авгита (до 5 %) и гиперстена (до 5 %). Акцессорные минералы представлены цирконом, апатитом, титанитом, флюоритом и магнетитом. В шлифах аплитовидный гранит с милонитовой и гранопорфирокластовой структурой отличается интенсивной раздробленностью зерен основной массы, в которой сохраняются относительно крупные порфировидные зерна микроклина и происходит послойное обособление темноцветных минералов (рис. 4).

Рис. 1. Геологическая схема: а – Кольского региона по ( Балаганский, 2002 ); б – района Канозеро-Колвицкого озера по ( Батиева, 1958 )

Fig. 1. Geological map: a – the Kola region by ( Balagansky, 2002 );

б – the Kanozero-Kolvitca aria by ( Batieva, 1958 )

Рис. 2. Фото обнажений пород Канозерского массива щелочных гранитов:

а – N17 щелочных гранитов; б – N13 бластомилонитов по щелочным гранитам;

в – N3 щелочных аплитовидных гранитов

Fig. 2. Outcrops photo: a – N17 alkaline granites; б – N13 blastomylonites; в – N3 aplite-like alkaline granites

Рис. 3. Фото образцов из Канозерского массива: а – N17 щелочных гранитов;

б – N13 бластомилонитов по щелочным гранитам; в – N3 щелочных аплитовидных гранитов (масштабная линейка указана для рисунков а , б , в с учетом пропорций образцов)

Fig. 3. Samples photo: a – N17 alkaline granites; b – N13 blastomylonites; c – N3 aplite-like alkaline granites

Рис. 4. Фотографии комбинированных шлифов пород, отобранных для исследования: N17 щелочной гранит: a – николи скрещены; б – николи параллельны; N13 бластомилонит: в – николи скрещены; г – николи параллельны; N3 аплитовидный гранит: д – николи скрещены; е – николи параллельны Fig. 4. Thin sections’ photo of the samples: N17 alkaline granites: а – crossed nicols; б – parallel nicols;

N13 blastomylonites: в – crossed nicols; г – parallel nicols; N3 aplite-like alkaline granites: д – crossed nicols; е – parallel nicols

Щелочные аплитовидные граниты, состоящие из кварца (20–25 %), микроклина (45–55 %), плагиоклаза (15–20 %) с небольшим содержанием биотита (5–10 %) и феррогастингсита (до 5 %), представлены в восточной части Канозерского массива (рис. 1, б ). Породы в обнажениях имеют серовато-розовый цвет (рис. 2) и мелкозернистую структуру (рис. 3). Акцессорные минералы представлены эпидотом, апатитом, цирконом, флюоритом, гематитом, с заметно меньшим содержанием магнетита, титанита, ортита. В шлифах аплитовидные граниты имеют аллотриоморфную неравномернозернистую и гранобластовую структуру (рис. 4), характеризующуюся наличием ксеноморфных зерен кварца, микроклина и плагиоклаза, при этом биотит выделяется в форме удлиненных таблиц.

Химические составы приведены в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав пород Канозерского массива: N17 щелочных гранитов, N13 бластомилонитов по щелочным гранитам, N3 щелочных аплитовидных гранитов Table 1. Chemical composition of N17 alkaline granites; N13 blastomylonites; N3 aplite-like alkaline granites

	SiO 2	TiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	FeO	MnO	MgO	CaO	Na 2 O	K 2 O
N3	73,00	0,28	11,67	1,05	2,93	0,06	0,08	0,9	3,65	5,51
N13	71,50	0,49	11,98	1,14	3,94	0,11	0,23	1,31	3,50	4,82
N17	69,75	0,41	11,25	2,74	3,98	0,12	0,27	1,88	3,63	5,30

Аналитические методы

На изотопное U-Pb и Sm-Nd датирование, а также для исследования морфологических особенностей кристаллов циркона из Канозерского массива щелочных гранитов были отобраны пробы (рис. 1, 2) щелочных гранитов (N17) весом 20 кг, бластомилонитов (N13) весом 20 кг и щелочных аплитовидных гранитов (N3) весом 15 кг.

Типы циркона выделялись при исследовании в мономинеральном концентрате под бинокуляром – 100 зерен циркона в каждой пробе, где определялись габитус, развитые грани и цвет циркона. Для определения температуры кристаллизации циркона использовалась классификационная диаграмма морфотипов циркона (рис. 5) ( Pupin et al., 1981 ) в зависимости от скорости остывания (индекс Т) и отношения щелочность/глиноземистость среды образования (индекс Аl). Изменение соотношений граней дипирамид приведено по горизонтальной оси и зависит от изменений химического состава среды; вариации соотношений граней призм нанесены по вертикальной оси и отражают скорость кристаллизации и содержание воды. Методика дает хорошие результаты при применении в работах (например, Хабибулина, 2001; Мостафа, 2019 ).

Рис. 5. Классификационная диаграмма морфотипов циркона ( Pupin et al., 1981 ) в зависимости от температуры (индекс Т) и отношения щелочность/глиноземистость среды образования (индекс А) Fig. 5. Zircon typological classification and corresponding geothermometric scale by Pupin et al. ( 1981 ), with depending on temperature (index T) and alkalinity/alumina ratio (index A)

В работе ( Pupin et al., 1981 ) показано, что богатые алюминием магмы соответствуют индексу А от 100 до 400, для щелочных магм индекс А составляет от 500 до 600. В вертикальном направлении применяется соотношение поверхностей призмы {100} и {110}, которое определено как количественная функция термометра – чем больше {100} развивается и {110} отступает, тем выше температура расплава, в котором кристаллизовался циркон.

При нанесении на диаграмму данных по морфотипам циркона получают значения индексов А, Т и температуры кристаллизации, и по ним делают предположение о возможных условиях кристаллизации циркона – температуре, химизме среды и скорости остывания расплавов.

Экстрагирование урана и свинца проводилось по методике T. Krogh ( 1973 ). Образцы для Sm-Nd анализа обрабатывали по обычной методике: растворение в HF + HNO 3 при 100 °С с последующим выделением Sm и Nd с использованием метода колоночной ионообменной хроматографии. Измерения проводились на масс-спектрометре Ми 1201-Т в одноленточном режиме. Методики U-Pb и Sm-Nd исследований детально описаны в ( Баяновой, 2004 ). Обсчет координат точек и параметров изохрон проводились по работам K. R. Ludwig ( 1991; 1999 ). В расчете использовались общепринятые константы распада ( Steiger et al., 1977 ).

Результаты и обсуждение

В пробе щелочных гранитов (N17) циркон представлен кристаллами размером 200 мкм с развитыми гранями призмы {110} и дипирамид {111} и {331} (рис. 6). Для циркона установлено следующее процентное соотношение: 60 % – призматические кристаллы (Ку = 2,5–3,5¹) и их сростки; 40 – короткопризматические кристаллы (Ку = 1,6–2,3). Согласно диаграмме Пюпина и Тюрко ( Pupin et al., 1981 ) температура образования циркона дипирамидально-призматического типа соответствует 750 °С ( Костюк, 2004 ), призматического типа с развитием одной призмы {110} – 900 °С, с развитием двух призм {110} и {100} – 850 °С. Индекс A имеет значения от 600 до 700 при диапазоне индекса T от 200 до 800. Из выделенных типов циркона для изотопного U-Pb датирования выбраны следующие: первый – длиннопризматические кристаллы светлокоричневого цвета и их сростки, второй – короткопризматические кристаллы коричневого цвета, третий – отобрано две навески из длиннопризматических кристаллов светло-коричневого цвета. Фигуративные точки выбранных типов циркона на U-Pb диаграмме с конкордией дают возраст в 2667 ± 36 млн лет, который интерпретируется как время формирования щелочных гранитов (рис. 7, а , табл. 2). Можно отметить, что все цирконы из щелочных гранитов, бластомилонитов и аплитовидных гранитов имеют очень высокие концентрации урана, позволяющие отбирать небольшие навески циркона для датирования. С другой стороны, высокое содержание урана в сочетании с трещиноватостью зерен циркона в щелочном граните приводит к большей дискордантности возрастов.

Рис. 6. Фото кристаллов циркона в отраженных электронах с использованием растрового электронного микроскопа из проб: а – N17 щелочных гранитов; б – N13 бластомилонитов по щелочным гранитам; в – N3 щелочных аплитовидных гранитов (линейка на всех фото 30 микрон)

Fig. 6. BSE photo of the zircon using a scanning electron microscope of: a – N17 alkaline granites;

б – N13 blastomylonites; в – N3 aplite-like alkaline granites (size of line – 30 mkm)

В мономинеральной фракции циркон в пробе N13 бластомилонитов представлен кристаллами размером 100–200 мкм, образованными гранями призмы {110} и в подчиненном количестве {100}, а также гранями дипирамид {111} и {331} (рис. 6). Для циркона установлено следующее процентное соотношение: 70 % – призматические кристаллы (Ку = 2,5–3,5) и их сростки; 30 % – длиннопризматические кристаллы (Ку = 4–5). По диаграмме Пюпина и Тюрко (Pupin et al., 1981) температура образования циркона призматического типа с развитием одной призмы {110} соответствует 900 °С, с развитием двух призм {110} и {100} – 850 °С. Индекс A имеет значения от 500 до 700 при индексе T, равном 600–800. Из выделенных типов циркона для U-Pb изотопных исследований отобраны следующие: 1 ‒ коричневые призматические кристаллы, 2 и 3 ‒ призматические светло-коричневые кристаллы. На U-Pb диаграмме по координатам трех точек рассчитан возраст в 2264 ± 12 млн лет, который соответствует времени проявления наложенных процессов (рис. 7, б, табл. 2).

В мономинеральной фракции в пробе N3 щелочных аплитовидных гранитов циркон представлен (рис. 6) кристаллами размерами 100–250 мкм и развитыми гранями призмы {110} и дипирамиды {111}. Для циркона установлено следующее процентное соотношение: 70 % – призматические кристаллы (Ку = 2,5–3,5) и их сростки; 30 % – длиннопризматические кристаллы (Ку = 4–5). Для изотопных исследований были отобраны четыре типа: 1, 2, 3 ‒ светло-коричневые длиннопризматические кристаллы; 4 – из зерен циркона более темной окраски. По диаграмме Пюпина и Тюрко ( Pupin et al., 1981 ) температура кристаллизации циркона призматического типа с развитием одной призмы {110} составляет 900 °С. Четыре фигуративные точки циркона на U-Pb диаграмме дают возраст в 2301 ± 13 млн лет, что интерпретируется временем кристаллизации щелочных аплитовидных гранитов (рис. 7, б , табл. 2).

Рис. 7. U-Pb диаграмма с конкордией для циркона из: а – N17 щелочного гранита;

б – N13 бластомилонита по щелочному граниту (   ) и N3 щелочного аплитовидного гранита (♦)

из Канозерского массива

Fig. 7. Concordia diagram for: a – N17 alkaline granites; б – N13 blastomylonites (   )

and N3 aplite-like alkaline granites (♦) of the Kanozero massif

Таблица 2. Изотопные U-Pb данные для циркона из щелочных гранитов, аплитовидных гранитов и бластомилонитов Канозерского массива

Table 2. U-Pb isotope data for zircon of the alkaline granites, blastomylonites, aplite-like alkaline granites

№ п/п	Навеска, мг	Содержание, ppm		Изотопный состав свинца1			Изотопные отношения и возраст, млн лет2			Rho3
		Pb	U	206 Pb 204 Pb	206 Pb 207 Pb	206 Pb 208 Pb	207 Pb	206 Pb	207 Pb 206 Pb
Щелочной гранит (проба N17)
1	0,4	211,2	408,1	500	5,371	4,980	9,1886	0,41949	2444	0,90
3	1,2	111,3	255,7	2 540	6,335	10,250	8,4434	0,40071	2378	0,90
2	0,7	134,2	286,9	1 070	6,009	6,619	8,6657	0,40675	2397	0,90
4	3,8	229,1	532,9	2 600	6,368	10,657	8,3369	0,39732	2371	0,80
Бластомилонит по щелочным гранитам (проба N13)
1	0,5	264,5	595,8	1 790	6,671	17,393	8,3348	0,42374	2260	0,80
2	2,5	445,5	1 098,3	21 000	6,832	26,984	8,0056	0,39840	2297	0,82
3	0,6	361,7	917,0	7 070	6,788	20,568	7,6771	0,38270	2294	0,83
Щелочной аплитовидный гранит (проба N3)
1	0,8	396,4	1 063,0	1 180	6,534	9,214	6,6498	0,33929	1883	0,99
2	0,5	301,5	784,2	870	6,335	8,117	6,7529	0,34263	1899	0,84
3	0,6	348,1	943,2	840	6,334	7,790	6,4350	0,32760	1827	0,96
4	0,7	284,8	897,8	700	6,308	6,907	5,2904	0,27630	1572	0,80

Примечание. 1 – все отношения скорректированы на холостое загрязнение 0,2 нг по Pb и 0,04 нг по U и масс-дискриминацию 0,2 ± 0,05 %; 2 – коррекция на примесь обыкновенного свинца произведена на возраст по модели Стейси и Крамерса ( Stacey et al., 1975 ); 3 – Rho – коэффициент корреляции по осям.

Минеральная Sm-Nd изохрона, построенная по породе и по вторичным минералам ‒ биотиту, титаниту, имеет возраст 1921 ± 53 млн лет (рис. 8, табл. 3), который интерпретируется как время регионального свекофеннского метаморфизма. Модельный Sm-Nd возраст породы равен 2,84 млрд лет, εNd, рассчитанное на это время, имеет отрицательное значение –3,5, которое очень близко значениям для гранитов Кейвской зоны.

Рис. 8. Sm-Nd изохрона для пород и минералов из щелочного гранита (N17) Канозерского массива Fig. 8. Sm-Nd isochron for rock and minerals of alkaline granites (N17) of the Kanozero massif

Таблица 3. Изотопные Sm-Nd данные для породы и минералов из щелочных гранитов (N17) Канозерского массива

Table 3. Sm-Nd isotope data for rock and minerals of alkaline granites (N17) of the Kanozero massif

Образец	Содержание		Изотопные отношения
	Sm	Nd	147Sm/144Nd	143Nd/144Nd
Биотит	5,83	44,4	0,0794	0,510938 ± 11
Титанит	1 096,9	2 414	0,2746	0,513398 ± 9
Порода	51,47	250,8	0,1241	0,511475 ± 7

Выводы

По габитусу кристаллов оценена температура кристаллизации циркона. Во всех породах циркон призматического типа с призмой {110} кристаллизовался при температуре 900 °С, с двумя призмами {110} и {100} – при температуре 850 °С. По морфологии циркона из щелочных гранитов и бластомилонитов установлены индекс A от 500 до 700 и диапазон индекса T от 200 до 800, что может свидетельствовать об условиям кристаллизации Канозерского массива из богатых летучими элементами и щелочами длительно охлаждавшихся высокотемпературных корово-мантийных расплавов.

Изотопный U-Pb возраст щелочных гранитов из Канозерского массива Фенноскандинавского щита составляет 2667 ± 36 млн лет, аплитовидных щелочных гранитов – 2301 ± 13 млн лет и бластомилонитов по ним – 2264 ± 12 млн лет. Минеральная Sm-Nd изохрона, построенная по породе и по вторичным минералам ‒ биотиту, титаниту, имеет возраст 1921 ± 53 млн лет, который интерпретируется как время регионального свекофеннского метаморфизма, широко проявленного в северо-восточной части Фенноскандинавского щита. Основываясь на полученных изотопных данных, можно отметить, что породы массива Канозеро сформировались в архейское время и неоднократно подвергались деформациям и региональному метаморфизму во время проявления наложенных процессов при формировании Имандра-Варзугской зоны в раннепротерозойское время (2,30–2,26 млрд лет); а также региональному метаморфизму и пегматитообразованию в свекофеннское время (1,90–1,68 млрд лет), и имеют сходные черты образования и преобразования со щелочными гранитами Кейвского террейна.

Основываясь на полученных изотопных данных, можно отметить, что породы Канозерского массива щелочных гранитов имеют сходные черты образования и преобразования со щелочными гранитами Кейвского террейна, а возрастные U-Pb и Sm-Nd данные увеличивают банк изотопных данных для архейских щелочных гранитов, распространенных на древних щитах континентов.

Работа выполнена в рамках темы НИР АААА-А19-119100290148-4 (FMEZ-2022-0025).

Авторы выражают искреннюю благодарность доктору геол.-минерал. наук А. В. Волошину за детальное и исчерпывающее консультирование по минералогии циркона, Е. Э. Савченко – за выполнение фотографий циркона с использованием растрового электронного микроскопа.