Термометрия насыщения циркона, апатита, монацита (Кожимский массив, Приполярный Урал)

Для определения температуры образования той или иной породы разработано большое количество различных геотермометров. Это и изотопные геотермометры, основанные на зависимости рас- пределения изотопов между минералом и средой (кислородный, аргоновый геотермометр и др), и геотермометры, базирующиеся на методе минеральных равновесий (двуполевошпатовый геотермометр Барта–Рябчикова, геотермометр Кудо-Вейля, биотитовый геотермометр Офтедаля, магнетитовый геотермометр Баддингтона-Линсли-Тугари-нова, кальцитовый геотермометр Харкера-Татла-Графа-Гольдсмидта, гранат-биотитовый геотермометр Перчука, пирротиновый геотермометр Арнольда, сфалеритовый геотермометр Куллеруда и др.). Все большее распространение стали получать также геотермометры, в основе которых изучение химического состава породы (геотермометр Ватсона, геотермометр Монтеля). В связи с этим стало возможным использовать отдельные минералы, а именно, циркон, апатит, монацит, в качестве природных геотермометров.

Целью настоящей работы является определение температуры формирования гранитов Ко-жимского массива с использованием термометрии насыщения, рассчитанной для циркона, апатита и монацита.

Объект исследования

Одним из гранитоидов, обнажающихся в сводовой части Ляпинского антиклинория, является Кожимский массив, который представляет собой группу вытянутых пластообразных тел, расположенных на берегах р.Кожим в бассейнах ручьев Понъю, Осею и Епкошор. Гранитные тела, приуроченные к ядрам антиклинальных складок, относятся к одной межпластовой интрузии, прорывающей отложения пуйвинской свиты среднего рифея. Породы этого массива обычно сильно катаклазированы, рассланцованы и местами превращены в серицитовые динамометаморфические сланцы. Кожим-ские граниты с максимальной сохранностью первичной структуры и облика представляют собой плотные гнейсовидные породы розового цвета (показатель повышенного содержания щелочного полевого шпата в породе) с хорошо выраженным зеленовато-серым оттенком (характерный признак наличия серицита и мусковита, мелких зерен кварца в граните). Структура изученных пород изменяется от зернистой гипидиоморфной (крупные субидиоморфные зерна полевых шпатов погружены в средне-мелкозернистую массу, состоящую из зерен кварца, полевых шпатов и чешуек слюд) до среднезернистой аллотриоморфной [1, 2]. Минеральный состав гранитов представлен калиево-натриевым полевым шпатом (до 50%), плагиоклазом (до 20%), кварцем (до 40%), биотитом (до 5%), мусковитом (до 7%).

Из акцессорных минералов пород Кожимско-го массива наиболее характерными являются цир-

Рис. 1. Кожимский массив: 1 – слюдяно- кварцевые сланцы, зеленые ортосланцы, кварциты; 2 – слюдяно-кварцевые сланцы, порфиры, порфириты, прослои мраморов и кварцитов; 3 – граниты; 4 – габбро; 5 – геологические границы: а – стратиграфические и магматические, б – тектонические; 6 – элементы залегания плоскостных структур.

Точки отбора проб: К-1 – левый берег р. Кожим, в 1,0 км от устья руч. Епкошор; К-2 – левый берег р.Кожим, в 0,5 км выше по течению от К-1; К-3 – в 2,1 км по азимуту 118 º от К-2; К-4 – в 0,5 км по азимуту 180 º от К-3; К-5 – в 2,3 км по азимуту 197 º от К-4; К-6 – правый берег руч. Понъю, в 3 км по азимуту 237 º от устья руч. Понъю; К-7 – в 1,5 км по азимуту 148 º от К-6; К-8 – в 1,7 км по азимуту 199 º от К-7; К-9 – в 1,6 км по азимуту 242 º от К-8; К-10 – правый берег р. Кожим, в 2,5 км по азимуту 312 º от К-9. Массивы (цифры в кружочках): 1 – Кузьпуаюский; 2 – Кожимский.

Fig. 1. The Kozhim granite massif: 1 – mica-quartz shales, green ortoshales, quartzite; 2 – mica-quartz shales, porphyries, porphyrites, interlayers of marbles and quartzites; 3 – granites; 4 – gabbro; 5 – geological boundaries: stratigraphic and magmatic, b – tectonic; 6 – elements of occurrence of planar structures.

Sampling points: K-1 – left bank of the river Kozhim, 1.0 km from the mouth of the stream Epkoshor; K-2 – left bank of river Kozhim, 0.5 km upstream from K-1, K-3 – 2.1 km in azimuth 118 º from K-2; K-4 – 0.5 km in azimuth 180 º from K-3, K-5 – 2.3 km in azimuth 197 º from K-4, K-6 – right bank of the stream Ponyu, 3 km in azimuth 237 º from the mouth of the stream Ponyu ; K-7 – 1.5 km in azimuth 148 º from K-6; K-8 – 1.7 km in azimuth 199 º from K-7; K-9 – 1.6 km in azimuth 242 º from K-8; K-10 – right bank of the river Kozhim, 2.5 km in azimuth 312 º from K-9.

Massifs (numbers in circles): 1 – the Kuzpuayu massif; 2 – the Kozhim massif.

кон, апатит, ортит. Встречаются титанит, флюорит, гранат, монацит. Циркон в гранитах Кожимского массива представлен преимущественно хорошо ограненными бесцветными и светло-желтыми прозрачными дипирамидально-призматическими кристаллами, размер которых составляет 0.05–0.15 мм при коэффициенте удлинения 1.0–2.0. В редких случаях отмечаются прозрачные и полупрозрачные светло-желтые длиннопризматические кристаллы размером 0.4–0.8 мм с коэффициентом удлинения 3.0–5.0 (реже 6.0). Кожимский апатит – это светложелтые полупрозрачные и молочные матовые удлиненные кристаллы гексагонального дипирамидально-призматического габитуса. Размер кристаллов 0.10– 0.4 мм, коэффициент удлинения 1.5–3.5. В гранитах изученного массива монацит встречается преимущественно в виде непрозрачных желтых зерен неправильной формы, реже отмечаются полупрозрачные светло-желтые кристаллы призматического габитуса. Размер кристаллов 0.10–0.25 мм. Содержание циркона, апатита, монацита в гранитах Кожимского массива в среднем составило 12 г/т, 18 г/т, менее 0,1 г/т соответственно [3].

Методы исследования

Для расчета температур формирования ко-жимских гранитов в работе использована термометрия насыщения, которая позволяет получить искомый параметр на основе степени накопления определенных элементов в породе: циркония (термометрия насыщения Ватсона для циркона [4]), фосфора (термометрия насыщения Ватсона и Беа для апатита [5]), легких редких земель (термометрия насыщения Монтеля для монацита [6]).

Многочисленные исследования циркона позволили Е. Ватсону совместно с Т. Хариссоном установить связь между температурой образования циркона и цирконсодержащей породой, уровнем насыщения циркония в породе, содержаниями Na 2 O, K 2 O, Al 2 O и Si 2 O в расплаве. Согласно выявленной закономерности, исследователи представили степень насыщения циркония в породе как функцию от температуры и состава расплава:

InD Zr = (-3.80-[0,85*(М-1)]+12900/Т^K,

M zr = 100(Na+K+2Ca)/(Al*Si), Zr=497644/D Zr , где D Zr – соотношение концентрации Zr в цирконе и расплаве, М Zr – соотношение катионов; Т^K – температура, Кельвин.

Это позволило ученым составить формулу для определения температуры:

Т^C= 12900/(InD Zr +3,8+0,85(M Zr -1)-273,15, где Т^C – температура, Цельсий.

Позже ими же для определения температуры кристаллизации апатита и, соответственно, породы, содержащей этот минерал, была определена зависимость между уровнем насыщения фосфора в породе, необходимого для образования апатита, содержанием кремния и температурой:

InD P = (8400+26400(SiO 2 -0,5))/Т^K-3,1-12,4(SiO 2 -0,5),

P 2 O 5 (HW)=42/D р ,

Т^C = (8400+26400(SiO 2 -0,5))/(In(42/P 2 O 5 )+ 3,1+12,4(SiO 2 -0,5))-273,15, где D P – соотношение концентрации фосфора в апатите и расплаве; P 2 O 5 , SiO 2 – весовая доля оксида фосфора, кремния в расплаве, мас. вес; Т^K – температура, Кельвин; Т^C – температура, Цельсий.

Эта формула была составлена для пород, относящихся к метаалюминиевым (A/CNK< 1). Позже Ф. Беа с коллегами внесли в исходную формулу Ватсона уточнение по уровню содержания оксида фосфора для пералюминиевых пород (A/CNK>1).

P 2 O 5 (Bea) = P 2 O 5 (HW)*exp(6429(A/CNK-1)/ (T-273,15)), где A/CNK = Al 2 O 3 /(CaO+Na 2 O+K 2 O).

На основании корректировки Ф. Беа расчетная формула приобрела следующий вид:

Т^C= (8400+26400(SiO 2 –0,5))/(In(42/P 2 O 5 *exp(6429 (A/CNK-1)/(T-273,15)))+3,1+12,4(SiO 2 -0,5))-273,15 -

Согласно Дж. Монтелю, в основе расчета температуры формирования монацитсодержащей породы и монацита, являющегося фосфатом лантаноидов, лежит взаимосвязь между содержаниями легких редкоземельных элементов, основных элементов и H 2 O в расплаве и температурой: ln(LREE) = 9,5+2,34M mz +0,3879 *(H 2 O)^0,5-13318/Т^K,

LREE=(Σ(REE i )/REE)/X mz ,

Таблица 1

Химический состав гранитов Кожимского массива, мас. %

Chemical composition of the Kozhim massif granites, wt. %

Table 1

Компонент	Номер пробы
	К-1	К-2	К-3	К-4	К-5	К-6	К-7	К-8	К-9	К-10
SiO 2	77.78	76.89	75.95	75.89	76.49	78.12	77.54	76.26	77.48	76.95
TiO 2	0.16	0.22	0.48	0.52	0.48	0.11	0.24	0.42	0.31	0.59
Al 2 O 3	11.88	11.95	12.69	12.52	10.05	11.34	11.78	12.22	11.09	10.92
FeO	1.72	1.29	1.15	1.24	0.56	0.50	0.59	0.62	0.61	1.03
Fe 2 O 3	0.84	1.12	0.52	1.05	0.92	1.21	0.87	1.02	0.89	0.56
MnO	0.02	0.00	0.00	0.01	0.02	0.01	0.02	0.04	0.03	0.03
MgO	0.16	0.25	0.17	0.33	0.38	0.39	0.18	0.29	0.19	0.18
CaO	0.31	0.29	0.22	0.38	0.59	0.28	0.45	0.42	0.37	0.51
Na 2 O	3.65	3.33	4.22	4.02	3.08	3.15	3.22	4.51	3.01	3.89
K 2 O	3.88	4.51	4.09	3.89	4.15	5.17	4.99	3.78	4.65	3.28
P 2 O 5	0.01	0.03	0.02	0.02	0.03	0.02	0.01	0.01	0.03	0.02
ппп	0.05	0.29	0.59	0.15	0.75	0.62	0.39	0.98	1.02	1.23
∑	100.46	100.17	100.10	100.02	97.50	100.92	100.28	100.57	99.68	99.19
H 2 O¯	0.07	0.09	0.10	0.11	0.12	0.13	0.09	0.02	0.05	0.06

Примечание. Химический состав получен с помощью силикатного метода в ЦКП «Наука» Института геологии Коми НЦ УрО РАН (аналитик О.В. Кокшарова).

Таблица 2

Содержания редких и редкоземельных элементов в гранитах Кожимского массива, г/т

Table 2

The content of rare and rare earth elements in granites of the Kozhim massif, g/t

Элемент	Номер пробы
	К-1	К-3	К-5	К-6	К-9
Rb	113.47	118.97	182.15	152.56	148.52
Ba	448.17	387.90	488.23	352.56	322.56
Th	13.73	15.90	12.56	14.23	11.26
Ta	1.56	1.66	1.51	1.86	1.43
Nb	18.58	23.62	37.81	22.36	31.75
Hf	3.38	6.43	4.21	3.78	4.45
Zr	60.62	98.23	75.26	102.23	88.15
Y	27.89	44.89	52.26	35.11	38.89
U	1.86	3.35	2.15	2.89	3.01
La	36.08	49.25	38.15	32.59	33.58
Ce	74.95	103.17	88.59	64.89	58.88
Pr	8.56	12.80	10.20	7.59	6.59
Nd	32.86	51.20	40.10	29.58	25.48
Sm	6.66	11.40	12.23	7.91	9.89
Eu	0.77	0.65	0.88	0.68	0.59
Gd	6.40	12.20	7.88	7.89	7.16
Tb	1.11	2.03	1.57	1.46	1.29
Dy	7.17	13.10	9.36	8.89	7.89
Ho	1.50	2.72	2.05	1.73	1.45
Er	4.65	8.13	6.89	5.71	4.89
Tm	0.71	1.21	1.02	0.85	0.68
Yb	4.77	7.98	6.22	5.02	8.29
Lu	0.69	1.2	0.92	0.75	0.62

Примечание. Содержания элементов получены с помощью ICP- MS метода в Институте геологии и геохимии (Екатеринбург, аналитик Ю. Л. Ронкин).

M mz = 100(Na+K+Li+2Ca)/(Al(Al+Si)), где REE i – содержание La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd в расплаве, атом. вес; REE – суммарное содержание LREE в расплаве, атом. вес; X mz – суммарное содержание LREE в расплаве, мол. вес; M mz – соотношение катионов; H 2 O – предполагаемое содержание воды в расплаве, мас. %; Т^K – температура, Кельвин.

Это позволяет получить формулу определения температуры для монацита:

ТC=13318/(9,5+2,34Mmz+0,3879*(H2O)^0,5)-ln(LREE))-273,15, где ТC – температура, Цельсий.

Термометрия циркона, апатита, монацита для гранитов Кожимского массива

Данные химического состава пород Кожим-ского массива (таблицы 1, 2) позволили определить искомые температуры: для циркона и цирконсо-держащей породы температура насыщения находится в диапазоне от 749ºС до 816ºС, для апатита и апатитсодержащей породы – от 722ºС до 856ºС, для монацита и монацитсодержащей – от 762ºС до 842ºС (табл. 3).

Необходимо отметить, что кристаллизация того или иного минерала происходит в определенный период, который является наиболее благоприятным по термодинамической обстановке и физикохимическим особенностям минералообразующей среды. Согласно последовательности выделения ми-

Таблица 3

Температура формирования гранитов

Кожимского массива, º С

Table 3

The temperature of formation of granites of the Kozhim massif, º С

Номер пробы Температура по циркону по апатиту По монациту К-1 749 722 810 К-2 - 798 - К-3 816 770 842 К-4 - 764 - К-5 801 856 818 К-6 771 836 796 К-7 - 768 - К-8 - 770 - К-9 784 840 762 К-10 - 826 - Среднее 784 795 806 нералов, которую в свое время определил М.В. Фишман с коллегами для пород Кожимского комплекса (рис. 2), первым из расплава выделялся циркон, затем апатит и на завершающем этапе гранитоге-неза образовался монацит [7]. Причем наиболее интенсивная кристаллизация апатита происходила после выделения основной массы породообразующих минералов. Рассматривая гистограммы температур (рис. 3), видим, что большая часть апатита сформировалась при температурах от 750ºС до 850ºС.

Рис. 2. Последовательность выделения минералов при формировании пород Кожимского массива по М.В. Фишману.

Рис. 3. Температура кристаллизации минералов и минералосодержащей породы.

Fig. 3. Crystallization temperature of minerals and mineral-containing rocks.

Этот же температурный режим характерен и для минералообразующей среды монацита, что позволяет утверждать о сохранении высокой температуры расплава в течение всего гранитогенеза. Отсутствие низкотемпературного режима в истории образования массива подтверждает выводы М.В. Фишмана и его коллег о быстром остывании расплава и, соответственно, относительной кратковременности периода формирования Кожимско-го массива.

Заключение

Комплексное изучение акцессорных минералов (циркона, апатита, монацита) из пород Кожим-ского массива с помощью термометрии насыщения Ватсона, Беа и Монтеля позволило определить, что изученные граниты являются высокотемпературными образованиями, сформировавшимися при температурах от 722ºС до 856ºС.

Это подтверждает более ранние выводы автора, сделанные на основе изучения морфологии циркона этого же массива с применением анализа Ж. Пюпена и Г. Тюрко [8], согласно которому становление Кожимского массива произошло при температуре от 700 ºС до 900ºС [9, 10]. Но в то же самое время автор отвергает данные М.В. Фишмана и его коллег, которые утверждали, что граниты Ко-жимского массива являются более низкотемпературными породами с температурой образования, не превышающей 720ºС.

Ранее выявленная М.В. Фишманом и его коллегами последовательность кристаллизации минералов для пород Кожимского комплекса позволила предположить температуры отдельных этапов гра-нитообразования: температура раннего этапа, в период которого начинал выделяться циркон, не превышала 816ºС. Позже при образовании апатита температуры насыщения варьировали от 722ºС до 856ºС. Температуры от 762ºС до 842ºС характерны для завершающего этапа, который сопровождался формированием монацита. Все этапы гранитогене-за изученного массива характеризуются высокими температурами, что позволяет говорить о кратковременном периоде становления Кожимского массива.

Исследования проведены в рамках НИР ИГ Коми НЦ УрО РАН ГР № AAAA-A17-117121270035-0 и при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований РАН № 18-5-5-19.