Ультрамафиты Ильмено-Вишневогорского комплекса (Южный Урал): геотермометрия по Ti в цирконе

Ультрамафиты в структуре ильмено-вишневогорского комплекса (ИВК) незакономерно рассредоточены в виде цепочек в зонах сочленения тектонических пластин (рис. 1). Они слагают как крупные серпентинитовые массивы (Булдымский, Няшевский и др.), обладающие индивидуальными особенностями строения и минерально го состава, так и многочисленные мелкие будинообразные и линзовидные тела. Ультрамафиты представлены в основном серпентинитами, которые содержат реликты первичных минералов оливина, хромшпинелида, пироксена и амфибола [2—6, 10—11]. Дискуссионность представления об образовании-преобразовании ультрамафи-

тов ИВК обусловлена очень низкой сохранностью в его породных ассоциациях исходных парагенезисов, возникших на ранних этапах их формирования. Особенности состава реликтовых и редких минералов, определенных в ультрамафитах, позволяют предполагать, что преобразования ультрамафитов характеризовались P-T-трендом от мантийных ультравысокопараметрических до коровых условий [3]. Процессы преобразования ультрамафитов протекали в длительном возрастном интервале от палеопротерозоя до перми (рис. 2) и были дискретными [7—9].

Рис. 2. Гистограмма распределения возрастных параметров по (²⁰⁶Pb/²³⁸U) для цирконов ультрамафитов ильмено-вишне-вогорского комплекса

Fig. 2. The distribution histogram of age parameters by (²⁰⁶Pb/²³⁸U) for zircons from ultramafites of the Ilmeny-Vishnevogorsky complex

Рис. 1. Схематическая геологическая карта ильмено-вишнево-горского комплекса [10]: 1 — селянкинская серия амфиболит-гнейсово-плагиомигматитовая (AR-PR1); 2 — массивы миас-китов (O₃); 3 — милониты гранитоидного и сиенитового состава (P₂-T₁(?); 4 — милониты Кыштымского сдвига-надвига; 5 — еланчиковская толща, тектониты гранитоидного состава; 6 — саитовская серия, метатерригенная (S); 7 — зеленосланцевые осадочно-вулканогенные комплексы Западно-Магнитогорской и Арамильско-Сухтелинской зон; 8 — Увильдинский мон-цонит-гранитный комплекс (Pz₃); 9 — гнейсовидные граниты Кисегачского массива; 10 — ультрамафиты. Цифры в кружках — ультрамафитовые массивы: 1 — Булдымский, 2 — Иш-кульский, 3 — Няшевский, 4 — Савелькульский, 5 — Ураз-баевский, 6 — Карабашский

Fig. 1. Schematic geological maps of the Ilmeny-Vishnevogorsky complex by [10]: 1 — Selyankino Group: Archean to Early Proterozoic amphibolite-gneiss-plagiomigmatite rocks; 2 — Middle Ordovician miaskite massifs; 3 — Middle Permian-Lower Triassic (?) granitic and syenitic blastomylonites; 4 — mylonites of Kyshtym shear-thrust; 5 — Elanchik Sequence: plagioshales and injection migmatites; 6 — Saitovo Sequence: metaterrigenous roks; 7 — greenschist volca-nosedimentary complexes of West Magnitogorsk and Aramil-Sukhteli zones; 8 — Upper Precambrian Uvildy monzogranitic complex; 9 — gneissic granites Kisegach complex; 10 — ultramafic rocks. Notes. In the diagram the numbers in circles — ultramafic massifs: 1 — Buldym, 2 — Ishcul, 3 — Nyashevo, 4 — Savelkul, 5 — Urazbaevo, 6 — Karabash

Целью исследований было определение температуры образования-преобразования ультрамафитов ИВК по температуре кристаллизации циркона на основе эмпирической закономерности, связывающей концентрации титана в цирконе с температурой его кристаллизации [20].

Объект и методика исследований

Объектом исследований являлись цирконы из ультрамафитов Булдымского, Ишкульского, Няшевского, Савелькульского, Уразбаевского и Карабашского массивов. Характеристика ультрамафитов и выделенных из них цирконов дана в работах [3, 7—9]. Содержание редких и редкоземельных элементов в цирконах определялось методом вторично-ионной масс-спектроскопии на приборе CAMECA IMS-4F в Институте микроэлектроники и информатики РАН (г. Ярославль). Область сбора вторичных электронов — 25 мкм в диаметре. Измерения проводились в виде пяти циклов накопления сигнала и изменялись в зависимости от его интенсивности. Калибровочные кривые строились с использованием известных стандартов [12]. Измерения редких и редкоземельных элементов в кристаллах проводились в тех же точках, что и при U-Pb-датировании.

Геотермометрия и особенности состава циркона

Временная эволюция ультрамафитов ИВК по изотопно-геохронологическим данным (U-Pb-метод по циркону) постулируется четырьмя интервалами датировок: 1) >  2.0 млрд лет — минимальный возраст мантийного субстрата; 2) 0.52—0.58 и 1.7—1.8 млрд лет — время преобразования верхнемантийных ультрамафитовых реститов; 3) 0.42—0.45 млрд лет — время внедрения ультрамафита во вмещающие породы силурийского возраста; 4) 0.26—

0.36 млрд лет — преобразования ультрамафита, обусловленные поздними сдвиговыми процессами (рис. 2) [1, 7—9].

Для конкретной оценки природы цирконов использована взаимосвязь параметров концентраций La, Ce и Sm [15], позволяющая решать вопросы о принадлежности цирконов к магматическому (М), переходному (М1) и гидротермальному (H) типам. Все сообщество цирконов уль-трамафитов ИВК по данным параметрам соответствует в рамках возрастного интервала 420 >  2000 млн лет М- и М1-типам и только отдельные кристаллы — H-типам, а во временном диапазоне 260—420 млн лет — M1- и H-типам (рис. 3) [4, 7—9].

Цирконы ранней генерации датируются временным интервалом 1742—1772 млн лет и отвечают M- и M1-ти-пам. Магматические цирконы характеризуются содержаниями титана от 16.7 до 29.9 ppm, что соответствует температуре кристаллизации циркона 822.5 °C (7 88—847 °C). Они имеют следующие показатели состава: Z REE_ср = = 482 ppm (407—642 ppm), LREE_ср = 25.4 ppm (15.8— 37.5 ppm), LREE/HREE = 0.04—0.06, Yb = 180—290 ppm, Y = 610—1030 ppm и отношения (Yb/Gd)_N = 14—15; (Yb/Sm)_N = 44—47 (табл.). На спектрах распределения РЗЭ хорошо выражены положительная цериевая (Ce/Ce* = = 21—45) и отрицательная европиевая (Eu/Eu* = 0.06— 0.14) аномалии (рис. 4). По отношению Th/U = 0.65 (0.52— 0.78) минералы соответствуют цирконам магматического происхождения. Концентрации Ba варьируют от 0.5 до 6 ppm, Sr — от 0.2 до 0.6 ppm. Цирконы M1 имеют концентрации титана 7.6—19.6 ppm, что позволяет оценить температуру кристаллизации циркона — 760 °C (717—804 °C). Для их состава отмечаются более высокие концентрации: E REE_ср = 774 ppm (434—1256) ppm, LREE_ср = 36.9 ppm (19.4—54.3 ppm), LREE/HREE_ср = 0.05 (0.04—0.06), Yb = 163—483 ppm, Y = 557—2272 ppm — и значительные колебания отношений: (Yb/Gd)_N = 13(8—22),

Рис. 3. Генетическая классификация цирконов разных возрастных групп ультрамафитов ильмено-вишневогорского комплекса по [15]: 1 — > 1700 млн лет; 2 — 1100—1695 млн лет; 3 — 480— 570 млн лет; 4 — 420—460 млн лет; 5 — 310—360 млн лет; 6 — < 300 млн лет. М и H — поля магматических и гидротермальных типов цирконов, состав хондрита по [16]

Fig. 3. Genetic classification of zircons of different age groups ofultrama-fites of the Ilmeny-Vishnevogorsky complex by [15]: 1 — more than 1700 Ma; 2 — 1100—1695 Ma; 3 — 480—570 Ma; 4 — 420—460 Ma; 5 — 310—360 Ma; 6 — less than 300 Ma. M and H — fields of magmatic and hydrothermal types of zircons, chondrite composition [16]

(Yb/Sm)N = 19—80 (табл.). Отчетливо проявлена положительная цериевая (Ce/Ce* = 5—67) и отрицательная европиевая (Eu/Eu* = 0.04—0.25) аномалии (рис. 4). Th/U-от-ношение 0.83 (0.52—1.06) в среднем более высокое. Повышенные содержания (42—62 ppm) Ba в цирконе M1 наблюдается для серпентинитов Ишкульского массива.

Цирконы с возрастом 1100—1600 млн лет отвечают M1- и H-типам. Они характеризуются широкими вариациями концентраций Ti — от 6.6 до 27.3 ppm и, соответственно, температуры — 785 °C (706—837 °C). От магматических цирконов их отличают более высокие

Рис. 4. Распределение редкоземельных элементов в цирконе разных возрастных групп из ультрамафитов ильмено-вишне-вогорского комплекса. Тип циркона по [15]: а — магматический, b — переходный, с — гидротермальный. Условные обозначения см. на рис. 3

Fig. 4. REE distribution of different age groups from ultramafites of the Ilmeny-Vishnevogorsky complex in zircon. Zircon type [15]: a — magmatic, b — transitional, c — hydrothermal. See legend to Fig. 3

Показательные характеристики цирконов из ультрамафитов: возраст, концентрации РЭ и РЗЭ, отношения содержаний и рассчитанные значения температуры кристаллизации Indicative characteristics of zircons from ultramafic rocks: the age, the concentration of RE and REE, relationships of contents and calculated values of the crystallization temperature

40    40 t— 00 40 — ?'1 1''О4О 'Г, ' 12 ■    •■m-^’rtOO^-N'H !Г, ^ О О Г1 rr r~ X * r ~ •# -f О о r j c ^. ■<; X' м м м м x     м n o  n х ^ ^ ос м м 00    r^ r- r-       oo SS = r! -. ^ o - ^ ^ ^: ^^s^^S^ss^^^^sgja^^^^^ ’-H00cr)4O4O^^|>.^-^|-rsjC400 0Cxj.^2^ir)5;ir) О О О О О M M 'D M M  О О O'. M  M  О П n — Г) n MO' -t — -(^^ои^^^^ои^чу^^^ ID ^^ 40 ^^ *D *^ ^^q 40 i/-) (^ M~- ^q in [—^ ,—h Q\ Q\ *" nf" Q\ M~ % in ^ M Д ^ m ^ ^ ^ m ^ о M rt ^ ^; m* cq ^ , м         м      o      m oo in ^ C' in o OC' - tj- T^-^t^i^t-^^^oOOr-^TfcxlOOr-HC^intNOO ^ о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о От—- о О М М -* О О М *-< м 'л -л М М --< 'D г-< О 2 О СМ о г- о О О О О О О О1 о о о о о о о о ’"'оооооооооооооооооооо ^.с^т^ГЗоог-т-^г-^Д'хГог-о^Д^г-н^^ in^^^m^^xt''xh^_joor-4ir)^f^_.^_j^t'r^^_j(M ^OOOmr~r-~OOOOOOOO^^^DO. ОО О ^D О\ (Ml CM ,СПг-чс<>(Мт-нт-^сПг-нт-<'4-тГ^СМ^1^-Г'СМГЧГ'г-ч 2 '0 м g o М -  М О  Д М О- О  М о о й о ▻•М^^МО^ОО^^^00^^!-*^00^^ tri o m со м м oo m o^, m м in о м ^ гп м о 0^1Г)1Л'»ООГ^'^00СПС^1П1Г)00СМ'О00Г;Г^СМ0\00 О ^ о г< о О О О О О О О О О О О О г-н* о о 04 ▻ ОО t       „С1 ~Г1 —- Г| 4О ГГ; —f ri ooTt^'^1-’-4C^--oo-l^fsil;°:>no4 ^^^З^^ — о^о^^ооо-'С’^а- тГОГ-а4 4Г>-у-С4|1Г>Г--40г-'У-40 001Г>40Г-40'-ч04 1^ CZ) ^ СО - го ^ -;40V-)04plOOr^O00O-Cn оооооооооо°о^о—‘ о о о о о -t 00 Й № x;:r:TtL!rr^-r->rlOJ.r.C--t-OiA01<1C'r<,. r-40'»-m ^^^т^^ОО^г-чСЧ^СЧ — ’-4<^lrqCx|-HCx|a> <М <Х —4 Д ON ^ ^ S О - "* О rZ - ri Г' т 2 » г| м - ^ _ rr, r~0000_l00Cx|--<'-oqcr>C4l2Lj4j SjO4 гг ГГ - m -     °   р Г1 Г      ° Г- О ,л ГТ, О in IT) ID                                                                    Tt ^^^^^(-^   ^^  ^  ^q ^ ^ m _ ^ m '^t-^l-r^rqCN’-^     ’-i’-t   iD   ^Г’хГ—H^cncncn м~              СП                     Tf CM ^         2             2 CM                     CM ^-( ID                 ^O

Z REE cp = 801 (560-1041), LREE_cp = 28 (18-44), LREE/ HREE = 0.02-0.05, Yb = 339 (170-570), Y = 1258 (5182042) и значения отношений (Yb/Gd)_N = 16 (8-27) и (Yb/Sm)_N = 59 (23-89), менее выраженные цериевая (Ce/Ce* = 4-31) и европиевая (Eu/Eu* = 0.07-0.17) аномалии (табл., рис. 4) и значительные вариации отношения Th/U = 0.60 (0.12-1.25).

Цирконы с датировками в возрастном интервале 520580 млн лет отвечают всем трем (M, M1, H) типам и имеют значительные вариации концентраций титана от 4.1 до 42.1 ppm. Цирконы M-типа (Ti = 7.9-12.9 ppm, T = 721764 °C) отличает от ранних магматических цирконов более высокое содержание Z REE^ = 623 (159-1328) ppm, Yb = 317 (66-703) ppm и Y = 810 (142-1733) ppm (табл.). Для них характерны более значительные вариации отношения LREE/HREE = 0.10 (0.02-0.22), (Yb/Gd)_N = 26 (20-39), (Yb/Sm)_N = 123 (6-343). M1- и H-типы циркона имеют широкие вариации как концентраций титана (от 4.1 до 42.1 ppm) и T = 668-885 °C, так и параметрических особенностей состава: Z REE >  1100, Yb = 268 (180-350), LREE_cp = 300 (69-480), LREE/HREE = 0.2-0.8, а также повышенные содержания Ca = 210-250, Ba - до 14.7 ppm, Sr - до 7.1 ppm (табл., рис. 5).

Цирконы с возрастными датировками 420-450 млн лет имеют широкие вариации по концентрации титана (от 3.3 до 49.3 ppm), встречены отдельные кристаллы с аномальными концентрациями Ti (до 145 ppm) и, соответственно, температурами кристаллизации (650-900 °C). Представлены по своей природе M-, M1- и H-типами (рис. 3). Цирконы M-типа (Ti = 7.4-19.6 ppm, Т = 715804 °C) имеют следующие параметры состава: ZREEcp = 1142 (170-2624) ppm; Yb = 600 (92-1283) ppm; Y = 1535 (194-3252) ppm; (Yb/Gd)N = 35 (19-46); (Yb/Sm)N = 145 (55-195). На спектрах распределения ZREE хорошо выражена положительная цериевая (Ce/Ce* = 20-56) и слабее по интенсивности европиевая (Eu/Eu* = 0.21-0.48) аномалии (табл., рис. 4). Отношения LREE/HREE = = 0.03 (0.01-0.04) и Th/U = 0.42 (0.20-0.57) низкие. Концентрации Ba - 2.23 (0.54-3.42) ppm - повышенные, а Sr - 0.88 (0.44-1.34) ppm - низкие. От магматических цирконов ранних генераций их отличает более высокое содержание ZREE и высокие значения отношений (Yb/ Gd)N, (Yb/Sm)N, более выраженные цериевая и менее -европиевая аномалии, а также более низкие Th/U-отношения. Для M1- и H-цирконов отмечаются более широкие колебания содержаний титана (от 3.3 до 49.3 ppm) и температуры - 782 (653-904) °C. Для их состава характерны более низкие концентрации ZREE = 399 ppm при повышенных содержаниях легких элементов LREE (LREE/HREE = 0.07). Цериевая аномалия менее отчетлива. Отношение Th/U = 0.36 (0.04-0.75) имеет низкие значения. Концентрации Ba = 3.4 (1.9-5.5) ppm и Sr = 2.65 (0.17-12.8) ppm значительно выше.

Поздние (270-360 млн лет) генерации цирконов представлены M1- и H-типами, имеют очень широкие колебания по содержанию титана (от 2 до 273 ppm) и температуры (от 640 до 1150 °C). Они характеризуются очень пестрым составом: Z REE = 52 — 953 pmm, при повышенных концентрациях легких элементов (LREE/HREE = 0.04-0.20) и (Yb/Gd)_N = 15-131, (Yb/Sm)_N = 3-610. Cо-держания Th низкие, при различных концентрациях U (Th/U = 0.2-84). Концентрации Ba и Sr колеблются в очень широких пределах (табл., рис. 5).

Обсуждение

Оценка температуры кристаллизации циркона по содержанию в нем титана является на сегодня наиболее применяемым методом. Закономерности распределения элементов-примесей в цирконах изучены для пород различного генезиса и состава. Выявлено, что концентрация титана в цирконе определяется целым рядом факторов -температурой, давлением, флюидным режимом и кристаллической структурой циркона [12, 14, 15, 17]. Предыдущие исследования показали, что элементы-примеси, такие как LREE, Ca, Al, Ba и Sr, могут входить в структуру циркона после его кристаллизации, на стадии его преобразования [18-19]. Отличительной чертой изученных цирконов из ультрамафитов ИВК является значительная ва-

Рис. 5. Вариации элементов-примесей Ti: Ba, Sr, Ca, LREE - в цирконах ультрамафитов ИВК. Условные обозначения см. на рис. 3. Цирконы М-типа - черный цвет, M1 и H - красный

Fig. 5. The variations of impurity elements Ti: Ba, Sr, Ca, LREE - in zircons of ultramafites from Ilmeny-Vishnevogorsky complex. Zircons M-type marked -black, M1 and H - red

риация (от 2.5 до 1160 ppm) концентрации Ti в цирконах, которая, вероятно, отражает широкое проявление вторичных процессов и их влияние на первичный состав циркона. Для цирконов из ультрамафитов ИВК каждого типа отмечаются следующие колебания элементов-примесей: для M-типа цирконов — Ti_ср = 15.4 ppm (5—30 ppm), LREE/ HREE_ср = 0.05 (0.01—0.15), Са_ст =17.8 ppm (0.3—42 ppm), Ba_tp = 2.4 ppm (0.4—6 ppm), Sr^ = 0.63 (0.4—1.3 ppm); для М1-типа цирконов — Ti_ср = 16.2 ppm (4—70 ppm), LREE/ HREE^ = 0.05 (0.01—0.18), Са_ст = 19 ppm (0.4—71 ppm), Ba_ср = 7.5 ppm (0.7—62 ppm), Sr_ср = 2.4 (0.1—19 ppm); для H-типа цирконов — Ti^^ = 137.5 ppm (2.5—1160 ppm), LREE/HREE_ср = 0.23 (0.02—0.82), Са_ст = 62.2 ppm (26— 125 ppm), Ba_ср = 8.4 ppm (2—31 ppm), Sr_ср = 7.7. (0.5— 53 ppm). В цирконах М1- и H-типов концентрации данных элементов в отдельных кристаллах превышает указанные средние значения на несколько порядков (рис. 5). В цирконах M1- и H-типов концентрация Ti коррелируется с содержанием LREE, Ca, Ba и Sr (рис. 5). Например, в ядре кристалла циркона M-типа регистрируется концентрация Ti = 13.9 ppm при содержании LREE = 20.9 ppm, Ca = 18.9 ppm, Ba = 20.04 ppm, а в перекристаллизованной оболочке, отвечающей H-типу, — 30.4, 29.5, 34.5 и 3.92 ppm соответственно. Аналогичная закономерность в распределении Ti и LREE, Ca, Ba и Sr наблюдается в зональном кристалле циркона M-M1-H-типов (табл., кристалл 3, проба 2144) и др. Наличие этой корреляции значительно ограничивает использование Zrn Ti -геотермометра. Полученное изучение распределения Ti и других редких и редкоземельных элементов в цирконах из ультрамафитов ИВК показало, что для реалистичной оценки температуры кристаллизации циркона, а следовательно и ультрама-фита, могут быть использованы цирконы M-типа.

Выводы

Температура кристаллизации циркона и, вероятно, образования-преобразования ультрамафита соответствовала на раннепротерозойском (1740 — 1770 млн лет) этапе (822.5 ± 37)°С. Значения температуры кристаллизации ранней генерации M-циркона согласуются с температурой образования хромшпинели — шпинели #Cr = 0.05 — 0.46, #Mg = 0.59 — 0.75 (850 — 900 °С) [13] и ассоциации омфацит Jd 14, #Mg = 0.60 — энстатит Na >  0.01 к.ф., #Mg = 0.92 (800 — 820 °С), отмеченными в ультрамафитах ИВК [3]. Венд-раннекембрийский (580 — 520 млн лет) этап проявлен не очень отчетливо и не во всех массивах установлен. Характеризуется наиболее низкой (742 ± 17 °С) температурой. Процесс внедрения ультрамафитов в по-зднеордовикско-силурийское время (450 — 420 млн лет) во вмещающие породы происходил при температуре (768 ± 27) °С. Близкие значения (620 — 700 °С) температуры определены по пироп-альмандиновому и альмандиновому гранатам, чермакиту и эдениту и ассоциации омфацит — глаукофан — фенгит [2 — 3].

Оценка температуры кристаллизации циркона по концентрации титана в его составе позволяет получать информацию об условиях образования-преобразования ультрамафитов, испытавших полихронные процессы, которые не оставили первичных минеральных ассоциаций в своем составе. Для корректной оценки температуры перспективны цирконы магматического типа.

Работа выполнена по госбюджетной теме № АААА— А19 — 119070890019 — 7 и частично поддержана проектом УрО РАН № 18 — 5 - 5 - 48.