Thermodynamic conditions of formation and geodynamic reconstruction for the eclogites of Beloretsk complex (South Ural)

Геологическое строение комплекса

Белорецкий метаморфический комплекс (БМК) как стратиграфическое подразделение объединяет метаморфические породы, расположен ные в восточной части Башкирского мегантиклинория (рис. 1). При протяженности около 120 км его наибольшая ширина достигает 40 км. В унифицированных стратиграфических схемах БМК сопоставляется с рифейскими отложениями западного склона Южного Урала [20]. В тектоническом отношении метаморфические породы БМК слагают Маярдакский антиклинорий, вытянутый в северо-восточном направлении, юго-восточное

Рис. 1. Обзорная схема Южного Урала и распространение эклогитов в белорецком метаморфическом комплексе: 1 — нижний рифей; 2 — средний рифей; 3 — палеозой; 4 — палеозойские отложения нерасчлененные; 5 — среднерифейские отложения не-расчлененные; 6 — нижний рифей, кызылташская, свита; 7 — мраморы, кызылташ-ская свита; 8 — слюдисто-кварцевые сланцы, кызылташская свита; 9 — граниты Ах-меровского массива; 10 — стратиграфические согласные контакты; 11 — стратиграфические несогласные контакты; 12 — разрывные нарушения; 13 — участки развития эклогитов и апоэклогитовых амфиболитов; 14 — эклогитовые и апоэклогитовые тела; 15 — скважины, вскрывшие эклогиты и апоэклогитовые амфиболиты; 16 — номера образцов

Fig. 1. General map of the South Urals and distribution of eclogite in Beloretsky metamorphic complex: 1 — Lower Riphean; 2 — Middle Riphean; 3 — Paleozoic; 4 — undivided Paleozoic deposits; 5 — undivided Middle Riphean deposits; 6 — Lower Riphean, kyzyltashskaya suite;

7 — marbles, kyzyltashskaya suite; 8—quartz-mica schists, kyzyltashskaya suite; 9 — Akhmerovsky massif granites; 10 — conformable stratigraphic contacts; 11 — unconformable stratigraphic contacts; 12 — faults; 13 — areas of eclogite and apoeclogite amphibolites; 14 — eclogite and apoeclogite bodies; 15 — boreholes drilled eclogites and apoeclogite amphibolites; 16 — number ofsamples

крыло которого с размывом, перерывом и угловым несогласием перекрыто палеозойскими толщами Зилаирс-кого мегаринклинория. Весь комплекс разбит на ряд тектонических блоков разновозрастными и разноориентированными дизъюнктивными нарушениями. В разрезе БМК выделяются нижнерифейские буганакская свита (переслаивание кварцитов, двуслю- дяно-кварцевых и карбонатно-кварцевых сланцев и мраморов) и кызылташская, подразделяющаяся на 4 подсвиты (снизу вверх): сюрюнзяк-ахме-ровскую (доломитовые и кальцитовые мраморы), басканскую (переслаивание кристаллических сланцев с переменным содержанием биотита, мусковита, карбоната, плагиоклаза и кварца с темноокрашенными крис таллическими известняками), камер-ташскую (преимущественно кристаллические сланцы с биотитом, мусковитом, плагиоклазом, кварцем, иногда с гранатом) и маярдакскую (углисто-кварцевые сланцы с редкими прослоями кварцитов и известняков). Среднерифейские отложения представлены аюсапканской (мусковит-кварцевые, мусковит-хлорит-кварце-вые сланцы и слюдистые кварциты), белетарской (графитсодержащие мус-ковит-хлорит-кварцевые сланцы и кварциты с телами аподолеритовых амфиболитов), а также зигальгинс-кой, зигазино-комаровской и авзянс-кой свитами. Три последние по составу и стратификации близки или аналогичны соответствующим стратиграфическим подразделениям среднего рифея Башкирского мегантиклино-рия, в отдельных случаях отличаясь от них более высокой степенью регионального метаморфизма. Верхнери-фейские отложения представлены зильмердакской свитой, состоящей преимущественно из аркозовых и субаркозовых песчаников с подчиненными им прослоями гравелитов и конгломератов, алевролитов и глинистых сланцев. Общая мощность отложений составляет около 4000—5000 м. А. А. Алексеев [2] установил метаморфическую зональность Белорецкого комплекса, выделив зеленосланцевую, эпидот-амфиболитовую и амфиболитовую фации метаморфизма с изоградами хлоритоида, биотита, граната и омфацита. Эклогиты в БМК установлены только в составе нижне-рифейского яруса (буганакская и кызылташская свиты) в ядре Буганакс-кой брахиантиклинали.

Термодинамические условия образования эклогитов

Оценки термобарических параметров образования эклогитов белорецкого комплекса немногочисленны. В частности, А. А. Алексеев с соавторами по гранат-клинопироксено-вому геотермобарометру Л. Л. Перчу-ка [17] температуру оценивали в 500— 600 °С, давление — 9—10 кбар [3]. Более поздние оценки температуры и давления по формуле Д. Ж. Эллиса и Д. X. Грина [23] соответствовали: T = 650 °С, P = 10 кбар. Результаты наших расчетов по гранат-клинопирок-сеновому геотермометру [29] и амфи-боловому геобарометру [24, 30] приведены в таблице, из которой видно, что температура образования эклоги-

Термодинамические параметры для эклогитов белорецкого метаморфического комплекса

Thermodynamic parameters for eclogites of Beloretsk metamorphic complex

№ обр. Порода, привязка Гранат-пироксеновый геотермометр по [29], Т (°C) Амфиболовый геобарометр, Р (кбар) по [24] go [30] 9782 эклогит, юго-западный склон выс. 607.6 м 459 10.1 10.3 12712 эклогит,, юго-западный склон выс. 607.6 м 620 8.2 8.3 18505 эклогит амфиболизированный, правый берег р. Буганак 453 8.7 8.8 18617 эклогит, правый берег р. Буганак 445 7.8 7.9 18615 эклогит, карьер западнее высоты 607.6 м 490 8.1 8.2 18214 апоэклогитовый амфиболит с симплектите-выми структурами, правый берег р. Буганак 556 5.4 5.6 487 4.2 4.4 18241 эклогит, выемки на ж/д Уфа-Белорецк, правый берег р. Буганак 450 8.9 9.0 18269 эклогит, выемки на ж/д Уфа-Белорецк, правый берег р. Буганак 435 7.9 8.1 445 7.6 7.7 тов белорецкого комплекса изменяется от 435 до 620 °C, а давление варьирует в пределах от 7.6 до 10.3 кбар.

Кроме того, оценки температуры и давления для амфиболизированно-го эклогита из нашей коллекции были получены методом мультиравновес-ной термобарометрии [18]. Для ассоциации гранат — клинопироксен — плагиоклаз — биотит — кварц в присутствии титансодержащих минералов рутила и титанита были выполнены расчеты в программе TWQ. Полученные результаты по температуре и давлению для системы K 2 O — CaO — — FeO — MgO — Al₂O₃ — TiO₂ — SiO₂— — H₂O (KCFMATSH) с тремя независимыми реакциями составляют: Т = = 612 °C; Р = 8.45 кбар.

Для парапород белорецкого комплекса, в которых были обнаружены высококремниевые фенгиты (Si = 3.4), рассчитанное по методике Н. Л. Доб-рецова и Н. В. Соболева [7] давление превышает 12 кбар. Здесь же необходимо отметить, что, судя по присутствию в кристаллических сланцах силлиманита, максимальная температура преобразования осадочных пород БМК достигала ~ 650 °C.

Проведенное ранее детальное изучение петрографии пород и химического состава породообразующих минералов эклогитов и апоэклогито- вых метабазитов [4] позволило установить, что в их эволюции фиксируются две стадии (этапа) единого процесса метаморфизма — проградный (прогрессивный) и ретроградный (регрессивный, декомпрессионный). На прогрессивной стадии формируется омфацит — гранат — рутиловый парагенезис. Максимальные термодинамические параметры этой стадии метаморфизма достигали: Т~ 650 °C, Р ~ 13 кбар (точка 1 на рис. 2). Прогрессивная направленность в первую очередь устанавливается по зональности состава граната и характеру внутреннего строения его кристаллов. Кроме того, анализ расположения рассчитанных точек на P-T-диаграмме (рис. 2) показывает, что процесс метаморфизма реализовывался в условиях относительно «резкого» увеличения давления при небольших вариациях температуры, что свидетельствует о преобладании стрессовой нагрузки.

На регрессивном (декомпрессионном) этапе в эклогитах формируются симплектитовые клинопироксен-амфиболовая и плагиоклаз-амфиболо-вая минеральные ассоциации, замещающие омфацит, и в это же время начинается замещение рутила сфеном. Термодинамические параметры ретроградной стадии с формированием симплектитовых разновидностей соответ ствуют: Р = 4.4—5.5 кбар, Т = 480— 500 °C. В дальнейшем в породах БМК развивается минеральная ассоциация, включающая хлорит, клиноцоизит (эпидот), альбит, сфен, серицит, кальцит, соответствующая зеленосланцевой (зеленокаменной) стадии, формирование которой происходит при температуре около 250—350 °C и первых кбарах давления.

Обсуждение результатов и выводы

Для реконструкции геодинами-ческих условий формирования пород белорецкого комплекса определяющее значение имеет возрастной интервал проявления метаморфизма. Первые изотопные датировки (515—687 млн лет) были получены М. А. Гаррис и В. И. Ленных [13] K-Ar-методом по мусковиту из пород БМК и связывались авторами с ранне- и позднебайкальской фазами метаморфизма. В 1999 году по семи пробам мусковита из кристаллических сланцев БМК в Институте ядерной физики Макса Планка (Гейдельберг, Германия) 40Ar-39Ar-методом были получены близкие цифры — 541—550 млн лет [21]. Большой блок изотопно-геохронологических данных по породам БМК был опубликован в результате исследований по проекту «Уралиды»

[22], эти данные в целом подтвердили, что последняя фаза метаморфизма в белорецком куполе проявилась 600—550 млн лет назад. В 2006 году А. А. Алексеевым с соавторами были

опубликованы результаты датирования мусковита и биотита из пород БМК. Полученный возрастной интервал метаморфизма — 702±20—590±17 — «удревняет» это событие [3]. Кро-

Рис. 2. Схема эволюции термобарических параметров метаморфизма эклогитов БМК: 1,2 — РТ-параметры эклогитов (1 — неизмененные, 2 — симплектитовые); 3 — расчетные данные по программе TWQ по [18]; 4 — изоплеты содержаний жадеита в клинопироксене по [25]; 5 — изоплеты содержаний жадеита в диопсиде по [16]; 6 — фазовая диаграмма полиморфных модификаций Al₂SiO₅ по [15]; 7 — то же по схеме фаций контактового и регионального метаморфизма [6]; 8 — линии равновесия: Лав = Цо + Сил + + Кв + Н₂О [28]; Ан + Н₂О = Цо + Сил + Кв [28]; Мар + Кв = Цо + Ки + Н 2 О [26]; Хл + Кв = Тк + Ки + Н 2 О [5]; 9 — авторские материалы, рассчитанные по гранат-пироксеновому геотермометру [29]; амфиболовому геобарометру [24,30]; 10 — эволюционный тренд прогрессивного и регрессивного метаморфизма эклогитов: Ан — анортит, Кв — кварц, Ки — кианит, Лав — лавсонит, Мар — маргарит, Сил — силлиманит, Тк — тальк, Цо — цоизит

Fig. 2. Evolution of thermobaric parameters of metamorphism of BMC eclogites: 1,2 — PT-parameters of eclogites (1 — unchanged, 2 — symplectic); 3 — estimated data from TWQ software, according to [18]; 4 — isopleths ofjadeite content in clinopyroxene according to [25]; 5 — isopleths ofjadeite content in diopside according to [16]; 6 — phase diagram of Al2SiO5polymorphs according to [15]; 7 — the same by the scheme of facies of contact and regional metamorphism [6]; 8 — equilibrium lines: Лав = Цо + Сил + Кв + Н₂О [28]; Ан + + Н₂О = Цо + Сил + Кв [28]; Мар + Кв = Цо + Ки + Н₂О [26]; Хл + Кв = Тк + Ки + + Н₂О [5]; 9 — author’s material calculated from garnet-pyroxene geothermometer [29]; from amphibole geobarometer [24, 30]; 10 — evolutionary trend of progressive and regressive metamorphism of eclogites: Ан — anorthite, Кв — quartz, Ки — kyanite, Лав — lawsonite, Мар — margarite, Сил — sillimanite, Тк — talc, Цо — zoisite

ме прямых определений возраста пород БМК существуют косвенные датировки метаморфического события. При изучении черносланцевых отложений, приуроченных к зоне Юрюза-но-Зюраткульского разлома, расположенного ~40 км западнее-юго-запад-нее белорецкого комплекса, нами по составам сосуществующих сульфидов были определены термодинамические параметры образования сульфидной минерализации ( Т = 330—500 °C, Р = 6—7 кбар), а по содержанию радиогенного свинца в уранинитах установлено время ее формирования (~600 млн лет) [10], что свидетельствует о проявлении «белорецкого метаморфического события» на большей территории. При этом метаморфизму подверглись не только отдельные блоки, но и породы, «трассирующие» зоны разломов [9]. При массовых определениях Ar-Ar-возраста белых слюд из вендских синорогенных отложений Южного Урала методом лазерной абляции [33] было установлено, что слюды образуют две отчетливые возрастные группы. Первая, с возрастом 571—609 млн лет, имеет фенгитовый состав и прямо указывает на источник сноса—породы БМК. Вторая группа — 645—732 млн лет, представленная только мусковитом, свидетельствует о том, что в этот временной период породы белорецкого комплекса не подвергались размыву. Таким образом, приведенные выше возрастные датировки свидетельствуют о том, что процесс метаморфизма пород белорецкого комплекса был растянут во времени.

Природа допалеозойского регионального метаморфизма, проявившегося на территории палеоконтинен-тального сектора Южного Урала, остается до сих пор дискуссионной. По представлениям В. И. Ленных [14], она обусловлена неоднократной конвергенцией литосферных плит. По данным А А Алексеева [1], формирование метаморфических комплексов на Южном Урале осуществлялось в обстановке коллизии континентальных плит, наступившей после ранневендского рифтообразования и незначительного раздвига континентальной коры. По мнению В. Н. Пучкова [19], в поздневендское время территория Южного Урала развивалась в режиме сжатия, что выразилось в региональном метаморфизме и локально проявленном метасоматозе. Кроме того, разрабатываются представления об обусловленности регионального метаморфизма верхнедокембрийских толщ западного склона Южного Урала процессами растяжения и пластичного течения в условиях платформенного рифтогенеза и разрыва континентальных плит [8]. Все это свидетельствует о том, что гео-динамическое развитие Южно-Уральского сегмента Уральской складчатой системы в позднем рифее и венде характеризовалось определенной спецификой, которая отражена в большом количестве публикаций, посвященных геологии структурно-вещественных комплексов, стратиграфии отложений и формационной принадлежности магматических пород.

Совокупность имеющихся материалов представляет историю формирования пород белорецкого комплекса в следующем виде. К концу «позднери-фейского» времени субстрат БМК ничем не отличался от расположенных западнее (в современных координатах) структурно-вещественных комплексов и представлял собой последовательности осадочных отложений ранне-, средне- и позднерифейского возраста, пронизанные ранне- и среднерифейскими магматическими породами (рис. 3), на что указывают данные по сравнительному анализу геохимии эклогитов и магматических пород.

Первая фаза метаморфизма субстрата белорецкого комплекса проявилась в позднем рифее (аршиний по [11]) в связи с локально(?) проявленным рифтогенезом (рис. 3). В это время формируются габбро-гранитный Барангуловский массив (725 ± 5) млн лет; [12]), вулканогенно-осадочный аршинский комплекс (709.9 ± 7.3) млн лет [11]) и дайковые тела основного состава мазаринского комплекса. Породы, слагающие субстрат белорецкого комплекса, метаморфизуются в условиях амфиболитовой фации, о чем свидетельствует 40Aг-39Aг-возраст амфибола из эклогитов (718 млн лет [22]) и K-Ar-возраст мусковита из двуслюдяно-квар-цевого сланца (702 ± 20 млн лет [4]).

Как показывают ранее проведенные и наши исследования, основная фаза метаморфизма пород белорецкого комплекса проявилась 600— 550 млн лет назад [21, 22, 31—33 и др.] при орогенических движениях в складчатой области тиманид, сформировавшейся на краю рифейского платформенного бассейна [19]. В это время в условиях стрессовой (либо стресс + литостатическое давление) нагрузки сформировались эклогитовые тела (рис. 2), а термобарические параметры метаморфизма достигали максимальных величин: Т ~ 650 °С,

Рис. 3. Геодинамическая модель формирования белорецкого метаморфического комплекса: 1 — нижнерифейские отложения нерасчлененные; 2 — среднерифейские отложения нерасчлененные; 3 — верхнерифейские отложения нерасчлененные;

4 — ашинская серия (моласса); 5 — субстрат БМК и Улуелгинско-Кудашмановской зоны; 6 — интрузивные магматические породы нерасчлененные; 7 — амфиболиты;

8 — эклогиты; 9 — граниты ахмеровского комплекса; 10 — гнейсы

Fig. 3. Geodynamic model of formation of Beloretsky metamorphic complex: 1 — undivided Lower Riphean deposits; 2 — undivided Middle Riphean deposits; 3 — undivided Upper Riphean deposits; 4 — ashinskaya series (molasses); 5 — substrate of BMC and Uluelginsko-Kudashmanovskaya zone; 6 — undivided intrusive igneous rocks;

7 — amphibolites; 8 — eclogites; 9 — granites ofAkhmerovsky complex; 10 — gneisses

P ~ 13 кбар. На этом же этапе локальному метаморфизму амфиболитовой фации подвергаются породы, трассирующие линейные зоны разломов (Улуелгинско-Кудашмановская зона).

Дальнейшая эволюция пород БМК характеризовалась относительно быстрым снятием стрессовой нагрузки и выведением комплекса на поверхность, о чем свидетельствует широкое распространение в эклогитах симплектитовых структур и деком прессионной амфиболизации, а появление фенгитовых слюд с возрастом 571—609 млн лет [33] в отложениях ашинской серии определяет временной интервал начала размыва пород БМК (рис. 3).

Подводя итог исследованию эклогитов белорецкого метаморфического комплекса, необходимо акцентировать внимание на следующем:

• —    максимальные термодинамические параметры при формировании

эклогитов БМКдостигали: Т ~ 650°С, Р ~ 13 кбар; при этом широкое распространение в породах симплекгито-вых структур, сформировавшихся при Т = 500 °С, Р = 5.5 кбар, свидетельствует об относительно быстром выведении комплекса на поверхность;

• —    процесс формирования пара- и ортопород белорецкого метаморфического комплекса с определенной долей условности можно подразделить на два основных этапа, первый из которых обусловлен локально(?) проявленным рифтогенезом, проявившимся в период ~ 730—710 млн лет; второй этап — основной — реализовывался при орогенезе в складчатой области тиманид в условиях стрессовой (либо стресс + литостатическое давление) нагрузки, что позволяет считать БМКтипичным представителем метаморфических комплексов коллизионного типа [27].