Включения гротита в цирконе из гранитоидов кристаллического фундамента Южного Ямала

Изучение минеральных включений (минералов-узников) в акцессорных цирконах является важной петрологической задачей в геологии. Сам циркон широко распространен в природе, кристаллизуется в различных горных породах и минеральных ассоциациях, поэтому он давно и успешно используется в качестве минерала-геохронометра. При этом образование циркона может происходить как в магматических условиях, так и при метаморфизме или метасоматозе [1 и мн. др.], т. е. в широком интервале температур и давлений. Зачастую становится не вполне понятно, что же означают полученные датировки: время кристаллизации из магмы или перекристаллизации при метаморфизме? Установить условия образования циркона как раз и помогают минералы-узники. К примеру, нами по результатам изучения минералогии включений в цирконах офиолитового габбро Ключевского комплекса (Средний Урал) было доказано, что они образовались в условиях эпидот-амфиболитовой фации метаморфизма и возраст циркона фиксирует не время кристаллизации габбро, а время его метаморфических преобразований [2].

Подобные исследования нами проведены и для цирконов из гранитоидов доюрского фундамента Южного Ямала. Все выбуренные кислые породы из кристаллического фундамента Западной Сибири характеризуются наложенной вторичной пропилитизацией, особенно на контакте с мощным мезо-кайнозойским осадочным чехлом. Гранитоиды Южного Ямала также несут следы пропилитизации. Изучение минеральных включений в цирконе крайне актуально, так как нам было не совсем понятно, возраст какого процесса показывают датированные цирконы – кристаллизации из магмы или наложенной пропилитизации? При этом во время изучения минеральных включений в цирконе из гранитоидов доюрского фундамента в пределах Верхнереченской нефтеразведочной площади (Южный Ямал, Арктика) [3] мы установили обогащенную алюминием и фтором редкую разновидность титанита – гротит.

Геологическое положение объекта исследований

Верхнереченская нефтегазоразведочная площадь, а точнее расположенная там и изучавшаяся нами скважина № 1, находится в южной части полуострова Ямал, рядом с известным Новопортовским газовым месторождением, примерно в 50 км от последнего на юго-запад и около 225 км на северо-восток от города Салехард. Расположение этой и ряда других структурных скважин полуострова Ямал приведено на рис. 1.

Верхнереченская скважина № 1 вскрыла кристаллический фундамент, а именно граниты, в интервале глубин 1748–2034 м. Глубже бурение не проводилось, а выше по скважине интрузивные породы перекрыты средне-верхнеюрскими отложениями осадочного чехла. Граниты по всему разрезу скважины представлены однородными светло-серыми мелкозернистыми разностями биотит-кварц-полевошпатового состава. Установлено, что они относятся к монцолейкогранитам, которые сформировались по осадочному субстрату, по всей видимости, в условиях позднеорогенной обстановки [4]. Время кристаллизации субщелочных лейкогранитов в фундаменте Верхнереченской площади было оценено методом химического Th-U-Pb-датирования по акцессорным ураниниту и монациту – 259,2 ± 3,6 млн лет [5] и изотопным U-Pb-датированием по циркону – 254,0 ± 3,0 млн лет [3].

Рис. 1. Схема расположения скважин, вскрывших палеозой, п-ов Ямал; номера скважин: 1 – Верхнереченская; 11 – Восточно-Бованенковская; 45 – Сюнай-Салинская; 114 – Бованенковская;

215 – Новопортовская; 300 – Западно-Яротинская

Fig. 1. Location of wells penetrating Paleozoic, the Yamal Peninsula. Wells:

1 – Verkhnerechenskaya; 11 – East-Bovanenkovskaya; 45 – Syunai-Salinskaya; 114 – Bovanenkovskaya;

215 – Novoportovskaya; 300 – West-Yarotinskaya

Материалы и метод исследования

Каменный материал, т. е. керн гранитоидов, для изучения отобран авторами на кернохранилище в г. Лабытнанги (ЯНАО) с разрешения руководства ГУ "Недра Ямала".

Измерение химического состава гротита выполнено на электронно-зондовом микроанализаторе CAMECA SX 100, оборудованном пятью волновыми спектрометрами (ИГГ УрО РАН, г. Екатеринбург, аналитик В. В. Хиллер). Методика количественного определения содержания анализируемых элементов была следующей: 1. Выбор оптимальных параметров колонны (ускоряющее напряжение – 15 кВ, сила тока – 20 нА). Время измерения интенсивности в максимуме пика аналитической линии – 15 сек для каждого из определяемых элементов, фона – 5 сек с каждой из сторон. Использовался двусторонний способ учета фона. 2. Уточнение положения максимумов аналитических линий (как аналитические использовались наиболее интенсивные линии рентгеновских серий) и точек измерения фона. 3. В качестве стандартов использовались следующие соединения: синтетические редкоземельные безводные фосфаты (CePO 4 , LaPO 4 , NdPO 4 , PrPO 4 , SmPO 4 , YPO 4 ) для измерения РЗЭ, Y и P; титанит – Ti, Ca и Si; фторфлогопит – K и F; альмандин – Fe и Mn; уваровит – Cr; торианит – Th; уранинит – U.

Результаты и обсуждение

Детальное изучение кристаллов циркона (выборка из 35 индивидов) показало, что твердые включения в них представлены разными минералами – апатитом, монацитом, титанитом, плагиоклазом, кварцем, хлоритом и карбонатом. Апатит является главным минералом-узником (слагает до 85–90 об.% от общего числа включений) в цирконах и из-за высокого содержания фтора (F 3,3–3,4 мас.%) уверенно определяется как фторапатит. Монацит установлен в одном зерне и относится к цериевой разновидности. Плагиоклаз обнаружен в двух зернах, оба представлены альбитом. Хлорит и карбонат установлены в одном кристалле циркона и относятся к шамозиту и кальциту соответственно. Последние два минерала зафиксированы в цирконе как вторичные минералы и относятся к стадии пропилитизации гранитоида [3]. В целом, вся минеральная ассоциация включений хорошо коррелируется с акцессорной минералогией в породообразующей матрице монцолейкогранита, что говорит о формировании кристаллов циркона в этом же гранитном расплаве.

Титанит обнаружен в виде двух зерен, размером не более 5–10 мкм (рис. 2), которые приурочены к центральным зонам кристаллов циркона. Титанит имеет округлые и овальные зерна, что позволяет предполагать его совместный рост с цирконом. По данным микрозондового анализа минерал имеет необычный химический состав (табл. 1), но вполне уверенно определяется как РЗЭ-содержащий фтор-глиноземистый титанит. В нем отмечается присутствие существенных концентраций глинозема (Al 2 O 3 до 8,5 мас.%), редкоземельных элементов (РЗЭ до 4,3 мас.%) и фтора (F до 2 мас.%). Интересно, что этот F-Al-содержащий титанит резко отличается по составу от акцессорного титанита из матрицы гранитоида (монцолейкогранита), для которого характерны значения, близкие к эталонному сфену. В сравнении с титанитом из включений в цирконе он содержит меньше глинозема (Al 2 O 3 до 4,8 мас.%) и редкоземельных элементов (РЗЭ до 0,5 мас.%), но значительно больше железа (Fe ₂ O ₃ до 3,2 мас.%) при полном отсутствии фтора (табл. 2).

Рис. 2. Зерна циркона с минеральными включениями гротита и фторапатита. Образец ВРеч1/2016 м: а – BSE-изображение, CAMECA SX 100; б – изображение в оптике, SHRIMP-II.

Сокращения: Ap – апатит, Ttn – титанит (гротит)

Fig. 2. Zircon grains with mineral inclusions of grothite and fluorapatite. Sample VRech1/2016 m:

а – BSE-image, CAMECA SX 100; б – image in optics, SHRIMP-II.

Abbreviations: Ap – Apatite, Ttn – titanite (grothite)

Таблица 1. Химический состав (в мас.%) включений гротита в кристаллах циркона Table 1. Chemical composition (in wt.%) of grothite inclusions in zircon crystals

№ п/п	1	2	№ п/п	1	2	№ п/п	1	2	№ п/п	1	2
P 2 O 5	0,04	0,08	Ce 2 O 3	2,06	1,93	Y 2 O 3	0,27	0,47	CaO	24,51	23,70
ThO 2	0,27	0,41	La 2 O 3	1,15	1,08	Al 2 O 3	8,46	8,33	K 2 O	0,04	0,04
UO 2	0,04	0,07	Nd 2 O 3	0,59	0,72	Cr 2 O 3	–	0,07	F	1,78	2,03
SiO 2	30,98	30,72	Pr 2 O 3	0,06	0,05	FeO	0,18	0,21	O≡F 2	–0,75	–0,85
TiO 2	29,44	29,84	Sm 2 O 3	0,20	0,34	MnO	–	0,04	Сумма	99,32	99,28
Кристаллохимические формулы (даны по методике, разработанной в работе [11])
1	(Ca 0.87 Al 0.06 Ce 0.03 La 0.01 Nd 0.01 Y 0.01 Fe 0.01 ) 1.00 (Ti 0.73 Al 0.27 ) 1.00 SiO 4 (O 0.82 F 0.18 )
2	(Ca 0.85 Al 0.08 Ce 0.03 La 0.01 Nd 0.01 Y 0.01 Fe 0.01 ) 1.00 (Ti 0.75 Al 0.25 ) 1.00 SiO 4 (O 0.80 F 0.20 )

Примечание. Здесь и далее прочерк означает, что элемент не обнаружен.

Таблица 2. Химический состав (в мас.%) акцессорного титанита в матрице гранитоида Table 2. Chemical composition (in wt.%) of accessory titanite in the granitoid matrix

№ п/п	1	2	№ п/п	1	2	№ п/п	1	2	№ п/п	1	2
P 2 O 5	–	–	Ce 2 O 3	0,12	0,11	Y 2 O 3	0,08	0,02	MgO	0,46	0,27
ThO 2	0,02	0,01	La 2 O 3	–	0,05	Al 2 O 3	4,60	4,84	CaO	27,69	28,62
UO 2	–	–	Nd 2 O 3	0,10	0,05	Cr 2 O 3	0,10	0,06	K 2 O	–	–
SiO 2	30,98	31,46	Pr 2 O 3	–	–	Fe 2 O 3	3,23	2,65	F	–	–
TiO 2	31,35	31,02	Sm 2 O 3	0,24	0,10	MnO	–	0,04	Сумма	98,96	99,30
Кристаллохимические формулы в расчете на 3 катиона
1	(Ca 0.96 Mg 0.02 ) 0.98 (Ti 0.76 Al 0.18 Fe 0.08 ) 1.02 Si 1.00 O 5
2	(Ca 0.98 Mg 0.01 ) 0.99 (Ti 0.75 Al 0.19 Fe 0.06 ) 1.00 Si 1.01 O 5

Обогащенные примесями акцессорные титаниты встречаются достаточно часто и в самых разнообразных породах, например в кислых вулканитах Италии [6], дайках лампрофиров Германии [7], карбонатитах Кольского полуострова [8] и многих других [9 и др.]. При этом богатую алюминием и фтором разновидность титанита называют гротитом (Ca,Al,REE)(Ti,Al)SiO ₄ (O,F,OH) в честь известного немецкого минералога Пауля Генриха фон Грота (1843–1927), который впервые описал его в 1866 г. в сиенитах из окрестностей г. Дрездена (Германия). В 1867 г. другой известный минералог Дж. Дэна предложил так называть эту разновидность титанита [10].

По современной номенклатуре гротит не признается Международной минералогической ассоциацией (ММА) и относится к фтор-глиноземистой разновидности титанита. На данный момент он является промежуточным соединением между двумя крайними членами CaTiSiO 4 O (титанит) – CaAlSiO 4 F (синтезированный Al-F-титанит), где алюминий и фтор соответственно замещают титан и кислород. Оба этих минерала изоструктурны друг другу [11], в экспериментах установлена полная смесимость между ними [12]. Получается, что в нашем верхнереченском гротите содержание гипотетического Al-F-титанита достигает 24–26 %, хотя существуют и более высокие соотношения. Так, например, в метасоматитах Березитового месторождения (Дальний Восток) количество Al-F-титанита в гротите значительно больше и достигает 47 % [13], это говорит о том, что в природе наверняка существует, но пока не найден этот фтор-алюминиевый аналог классического титанита.

К сожалению, гротит кристаллизуется в широком интервале температур и давлений: от сверхбарических условий [14] до зеленосланцевой фации [15], что не позволяет использовать его в термодинамических реконструкциях. При этом экспериментальные исследования показывают [16], что повышение давления в системе способствует вхождению алюминия в структуру титанита, а рост температуры вызывает обратный эффект, поэтому гротит является характерной минеральной фазой высокобарических метаморфических пород. Однако существование гротита (или Al-F-титанита) определяется, по всей видимости, не столько PT-условиями образования породы, а химизмом окружающей среды и обогащенностью флюидной фазы фтором. В нашем случае очевидно, что формирование гротита, а также самого акцессорного циркона, происходило на ранних стадиях кристаллизации гранитного расплава (включения расположены в центре кристаллов циркона) и при повышенной концентрации фтора в магме (большая часть включений в зернах циркона представлена фторапатитом).

Заключение

В результате проведенного исследования в позднепермских гранитоидах из доюрского фундамента Верхнереченской нефтегазоразведочной площади (южная часть полуострова Ямал), а точнее в акцессорных цирконах, установлен гротит – фтор-глиноземистая разновидность титанита. Он образует включения в центральных частях кристаллов циркона, которые в свою очередь формировались в гранитном расплаве с повышенной концентрацией фтора. Это первая находка гротита в виде включений в акцессорном цирконе.

Авторы благодарят руководство ГУ "Недра Ямала" и В. С. Бочкарева за предоставленный каменный материал. Исследования проведены при поддержке РФФИ (проект № 18-05-70016).