Lu-Hf изотопная систематика реликтовых цирконов из реститогенных ультрамафитов шаманского массива (Восточное Забайкалье)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск, Россия

Всероссийский научно-исследовательский геологический институт, Центр изотопных исследований, Санкт-Петербург, Россия

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

Lu-Hf изотопная систематика реликтовых цирконов из реститогенных ультрамафитов шаманского массива (Восточное Забайкалье)

Ф.П. Леснов

И.Н. Капитонов

С.А. Сергеев

Аннотация

циркон порода верхнемантийный протолит

В работе представлены результаты исследования по Ьи-Ш систематике цирконов из пород Шаманского ультрамафитового массива, входящего в состав Байкало-Муйского офиолитового пояса. Он сложен в различной мере серпентинизированными и динамометаморфизованными гарцбургитами и подчиненными им дунитами, имеющими реститогенную природу. Из композитной пробы этих пород массой около 4 кг было выделено и продатировано Ц-РЬ методом 31 зерно циркона размером 100-150 мкм. Все эти зерна имели округленную форму и шероховатую поверхность. Большинству из них свойственна очень низкая (до полного отсутствия) интенсивность катодолюминесцентного свечения. По значениям изотопного возраста вся коллекция цирконов разделена на три кластера: а) «древний» (3 049-1 189 млн. лет); б) «промежуточный» (827-812 млн. лет); в) «молодой» (630-502 млн. лет). В представительных зернах минерала из этих кластеров были определены параметры их Ьи-Ш изотопных систем. Цирконы из «древнего» кластера характеризуются повышенными значениями параметра РЬ/ РЬ, а также пониженными значениями параметров Тп/ Ц, УЬ/ Иг, Ьи/ Иг и Ш/Ш Цирконы из «промежуточного» кластера характеризуются повышенными значениями параметра 232ТЬ/238Ц, пониженными значениями параметра УЬ/ Иг, а также промежуточными значениями параметров Ьи/ Иг и 176Иг/177Иг. Цирконы из «молодого» кластера характеризуются промежуточными значениями параметра 232Тп/238Ц, примерно такими же, как в предыдущем кластере, значениями параметра УЬ/ Иг, а также повышенными средними значениями параметров Ьи/ Иг и Иг/ Иг.

Исследованные цирконы рассматриваются в качестве реликтовой фазы. Предполагается, что изначально немногочисленные зерна этого минерала находились в виде ювенильной фазы в составе верхнемантийного протолита, возраст которого превышал 3000 млн. лет. Допускается также, что в дальнейшем в процессе нагрева и частичного плавления протолита, инициировавшего диффузию ионов РЬ и Ц в структуре ювенильных цирконов, имели место нарушения в их Ц-РЬ и Ьи-Ш изотопных системах, что обусловило наблюдаемое неравномерное «омоложение» их возраста. Эти цирконы рассматриваются в качестве реликтовой фазы, сохранившейся в ультрамафитовых реститах при частичном плавлении верхнемантийного протолита. По всей вероятности, выделенные возрастные кластеры цирконов не знаменуют собой возрастные рамки каких-либо дискретных геологических событий.

Ключевые слова: цирконы, П-РЬ изотопный возраст, изотопный состав И/, гарцбургиты, дуниты, офиолиты, Восточное Забайкалье.

Введение

При определении условий и времени формирования мафит-ультрамафитовых массивов, распространенных в различных структурах земной коры, применяются различные методы исследований, в том числе структурно-геологическое картирование, петрографические, геохимические, и минералогические наблюдения. Относительно новыми подходами в этих исследованиях являются методы U-Pb изотопного датирования и Lu-Hf изотопной систематики цирконов, обнаруженных в породах подобных массивов [Griffin et al., 2000; Kinny, Maas, 2003; Knauf, 2008; Аникина, Краснобаев, Русин и др., 2012; Малич, Баданина, Белоусова, 2012; Баданина, Белоусова, Малич, 2013; Малич, Баданина, 2018; Леснов, Капитонов, Сергеев, 2018]. В предлагаемой работе представлены первые данные о Lu-Hf изотопном составе цирконов, обнаруженных в реститогенных ультрамафитах из потенциально хромитоносного Шаманского массива. Он представляет собой субвертикально залегающую среди протерозойских карбонатных метаморфических образований (муйская серия) протрузию с площадью выходов 6 х 26 км, которая, обнажаясь на правобережье р. Витим (Восточное Забайкалье) (55°81'38.9" с.ш., 111°09'16.7" в.д.), входит в состав Байкало-Муйского офиолитового пояса [Леснов, Чернышов, Пугачева, 2016]. В северной части массива находится гора Шаман, которая возвышается над уровнем р. Витим на 1 800 м. Массив сложен в различной мере серпентинизированными и динамометаморфизованными реститогенными гарцбургитами, а также подчиненными им дунитами. Последние залегают среди гарцбургитов в виде полосовидных обособлений различной протяженности и мощности. К востоку от ультрамафитового массива на небольшом удалении обнажается вытянутый в субмеридианальном направлении габброидный интрузив, залегающий среди метатерригенных и карбонатных отложений.

Результаты исследований

В ультрамафитах Шаманского массива методом ICP-MS были определены относительно повышенные содержания Zr (9-193 г/т) и Hf (0,20-3,8 г/т), между которыми наблюдалась прямая зависимость. Это позволило предположить присутствие в них зерен акцессорного циркона [Леснов Чернышов, Пугачева, 2016]. Позже это было подтверждено при обработке композитной пробы гарцбургитов и дунитов общей массой около 4 кг, отобранной на нескольких участках массива. Из нее было выделено 31 зерно циркона размером 100-150 мкм. Все они имели округленную форму и шероховатую поверхность. Все зерна циркона характеризовались низкой (до полного отсутствия) интенсивностью катодолюминесцентного свечения, а также редко наблюдаемой аномальной секториально-блоковой осцилляторной зональностью. При изотопном датировании цирконов U-Pb методом (SHRIMP II) выполнено 35 определений их возраста, значения которого варьируют в интервале 3 049-502 млн лет. С учетом этих данных вся коллекция зерен циркона была разделена на три возрастных кластера: а) «древний» (3 049-1 189 млн лет, 13 зерен); б) «промежуточный» (827-812 млн лет, 3 зерна); в) «молодой» (630-502 млн лет, 17 зерен) [Леснов, 2018].

В представительных зернах из этих возрастных кластеров цирконов был исследован их Lu-Hf изотопный состав (рис. 1, табл. 1).

Определение Lu-Hf изотопного состава цирконов было выполнено в Центре изотопных исследований ФГУП ВСЕГЕИ (г. Санкт-Петербург) методом LA ICP-MS на мультиколлекторном масс-спектрометре Termo-Finnigan Neptun (лазер COMPex-102, 193 нм ArF (система абляции - DUV-193). Диаметр кратера от луча лазера составлял ~50 мкм при глубине 2040 мкм. При анализе регистрировали следующие изотопы: Yb, Yb, Lu, Hf, Hf и Hf. Для коррекции масс-дискриминации использовали одно нормирующее отношение - 176Hf/177Hf. Корректные значения 176Hf были получены посредством вычитания 176Yb и 176Lu, для чего измеряли свободные от наложения линии 172Yb и 175Lu. Все ошибки определений находятся на уровне 2ст. При расчете значений sHf использовали следующие хондритовые значения: 176Lu/177Hf = 0,336 и 176Hf/177Hf = 0,282785 [Bouvier, Vervoort, Patchett, 2008]. Модельный возраст цирконов THf(DM) был определен относительно деплети- рованной мантии (DM) со следующими параметрами: 176Lu/177Hf = 0,0384 и 176Hf/177Hf = 0,2832 [Blichert-Toft, Albarede, 1997; Chauvel, Blichert-Toft, 2001]. Исходя из того, что модельный возраст цирконов - THf (DM - указывает на минимальный возраст источника, из которого они кристаллизовались), был получен более реалистичный двухстадийный их возраст 1 Hf, рассчитанный посредством проецирования инициального значения параметра Hf/ Hf цирконов на линию DM с использованием среднекорового значения 176Lu/177Hf = 0,015 [Griffin et al., 2000].

На построенной по этим данным гистограмме частот встречаемости значений параметра Hf/ Hf, имеющей полимодальную конфигурацию, присутствует серия максимумов различной интенсивности, которые условно разделены на две группы (рис. 2). Первая из них включает пять максимумов с относительно низкой интенсивностью, расположенных в области низких значений параметра 176Hf/177Hf. Эти максимумы характеризуют цирконы, относящиеся к «древнему» кластеру. Вторая группа включает два более интенсивных максимума, расположенных в области повышенных значений параметра 176Hf/177Hf. Они характеризуют цирконы из «промежуточного» и «молодого» возрастных кластеров.

Цирконы из «промежуточного» кластера (813804 млн лет) по сравнению с минералом из двух остальных кластеров отличаются повышенными содержаниями 177Hf, U и Th, а также промежуточными значениями параметров 176Lu/177Hf и 176Hf/177Hf, более высокими значениями параметра Th/ U, более низкими значениями параметра 176Yb/177Hf. Значения параметра sHf(T) в этих цирконах имеют как положительный, так и отрицательный знак. Соответственно, их фигуративные точки (4-6) находятся по обе стороны линии CHUR на различном удалении от нее (см. рис. 3).

Цирконам из «древнего» кластера (3 0491 736 млн лет), представленным шестью зернами, свойственны пониженные содержания 177Hf, U и Th по сравнению с этим минералом из двух остальных 232-238 кластеров. Значения параметров Th/ U, 176Lu/177Hf и 176Hf/177Hf в них тоже более низкие, чем в зернах из двух остальных кластеров. Значения параметра Hf/ Hf в цирконах из этого кластера варьируют в интервале 0,280896-0,281724. Значения параметра sHf(T) имеют как положительные, так и отрицательные знаки (от +3,3 до -4,9). На диаграмме в координатах «eHf - возраст» фигуративная точка наиболее древнего зерна циркона (1) расположена в непосредственной близости от линии эволюции изотопного состава Hf в универсальном хондритовом резервуаре (CHUR), точки двух остальных зерен (2 и 3) находятся выше этой линии на большем удалении (рис. 3).

Рис. 1. Морфология зерен циркона из трех возрастных кластеров, в которых были определены параметры их Lu-Hf изотопных систем. Кластеры: а) «древний», Ь) «промежуточный» и «молодой»

Fig. 1. Morphology of zircon grains from three age clusters in which the parameters of their Lu-Hf isotopic systems were determined. Clusters: a) “ancient”, b) “intermediate” and “young”

Таблица Результаты исследований Ьи-НТ изотопных систем цирконов из гарцбургитов и дунитов Шаманского массива

Table 1 Results of studios of the Lu-Hf isotope systems of zircons from harzburgites and dunites rocks of the Shaman massif

«Древний» кластер

Промежуточный» кластер

Молодой» кластер

Примечание. 17бНВ177Н1ЪиС0ГГ - рассчитанный первоначальный состав НҐ на момент образования цирконов; єНґ(Т) - значение на момент образования цирконов; Тн^ОМ) - значение модельного возраста цирконов. В зернах 2_14, 3_4 и 3_9 определены повышенные содержания редкоземельных элементов. ±2а - стандартное отклонение. Данные об изотопном возрасте цирконов, по [Леснов, 2018].

Note. 176Hf /177HfLucorr - calculated initial Hf composition at the time of zircons formation; sHf (T) - value at the time of zircons formation; THf (DM) is the value of the model age of zircons. In grains 2_14, 3_4 and 3_9, elevated REE contents were determined. ± 2a - standard deviation. Data on the isotopic age of zircons, according to [Lesnov, 2018].

Рис. 2. Гистограмма частот встречаемости значений параметра 176Hf/177Hf цирконов (по данным табл. 1). Кластеры: 1 - «древний», 2 - «промежуточный» и «молодой»

Fig. 2. A histogram of the frequencies of occurrence of the parameter values 176Hf / 177Hf of zircons (according to the data in the Table 1)

Рис. 3. Диаграмма в координатах <<sHf - возраст» для цирконов

Возрастные кластеры: I - «древний», II - «промежуточный», III - «молодой». CHUR - линия эволюции изотопного состава Hf в универсальном хондритовом резервуаре, DM - линия эволюции изотопного состава Hf в деплетированной мантии. Номера точек соответствуют номерам анализов в табл. 1

Fig. 3. The diagram in coordinates <<sHf - age» for zircons Age clusters: I - «ancient», II - «intermediate», III - «young». CHUR is the evolution line of the Hf isotopic composition in a universal chondrite reservoir, DM is the evolution line of the Hf isotopic composition in depleted mantle. The point numbers correspond to the numbers of analyzes in the Table 1

Цирконы из «молодого» кластера (623-459 млн лет) по сравнению с цирконами из двух остальных кластеров характеризуются промежуточными содержаниями U, Th и 177Hf, промежуточными значениями параметра Th/ U, примерно такими же, как в цирконах из «промежуточного» кластера значениями параметра 176Yb/177Hf, а также более высокими значениями параметров Lu/ Hi и Hf/ Hf. Параметр sHi(T) в них имеет как положительные, так и отрицательные значения, соответственно, их фигуративные точки (7-14) также находятся по обе стороны от линии CHUR на различном удалении от нее (см. рис. 3). Следует отметить, что значения модельного возраста - Thi(DM) - для цирконов из всех проанализированных цирконов находятся в интервале от 3 306 до 814 млн лет, причем во всех случаях они превышают те значения возраста, которые были рассчитаны на основе параметров 207Pb/206pb и 206Pb/238U.

Суммируя изложенное выше, подчеркнем, что все зерна цирконов из гарцбургитов и дунитов Шаманского массива имеют округленную в результате резорбирования форму, пониженную (до полного отсутствия) интенсивность катодолюминесцентного свечения, а также аномальную секториально-блочную осцилляторную зональность. Им свойственны значительные вариации значений U-Pb изотопного возраста. Как предполагается, это обусловлено процессами неравномерного «омоложения» U-Pb изотопных систем, изначально находившихся в верхнемантийном протолите ювенильных цирконов, имевших возраст более 3 000 млн лет. Подобное «омоложение», предположительно, было обусловлено процессами диффузии ионов Pb и U в структуре цирконов [Cherniak, 2010]. Представленные данные изотопного датирования позволили разделить всю коллекцию цирконов на три возрастных кластера («древний», «промежуточный» и «молодой»). Эти цирконы рассматриваются в качестве реликтовой фазы, сохранившейся в ультрамафитовых реститах при частичном плавлении верхнемантийного протолита. По всей вероятности, выделенные возрастные кластеры цирконов не знаменуют собой возрастные рамки проявления каких-либо дискретных геологических событий.

Выводы

Значения параметров 176Hf/177Hf и sHf(T) в цирконах из ультрамафитов Шаманского массива имеют полимодальное распределение.

Полимодальное распределение изотопных параметров Hf в цирконах в целом согласуется с их разделением на «древний», «промежуточный» и «молодой» возрастные кластеры по результатам датирования U-Pb методом.

Стандартные отклонения значений параметра sHf(.T) увеличиваются в ряду от цирконов «древнего» кластера к цирконам из «промежуточного» и «молодого» кластеров.

Значение параметра sHf(T) для наиболее древнего зерна циркона (3 049 млн лет) почти совпадает со значением этого параметра в универсальном хон- дритовом резервуаре (CHUR). Аналогичный факт ранее был установлен в отношении наиболее древнего реликтового циркона (~ 3 100 млн лет) из гибридных пироксенитов Березовского мафит-ультрамафитового массива (о. Сахалин) [Леснов и др., 2018].

Результаты Lu-Hf систематики цирконов из ультрамафитов Шаманского массива в целом коррелируют с данными по их U-Pb изотопному датированию.

Исследованные цирконы рассматриваются в качестве реликтовой фазы. Предполагается, что изначально немногочисленные зерна этого минерала находились в виде ювенильной фазы в составе верхнемантийного протолита, возраст которого превышал 3 000 млн лет. Допускается также, что в дальнейшем в процессе нагрева и частичного плавления протолита, инициировавшего диффузию ионов Pb и U в структуре ювенильных цирконов, имели место нарушения в их U-Pb и Lu-Hf изотопных системах, что обусловило наблюдаемое неравномерное «омоложение» их возраста.

Литература

1. Аникина Е.В., Краснобаев А.А., Русин А.И., Бушарина С.В., Капитонов И.Н., Лохов К.И. Изотопно-геохимические характеристики циркона из дунитов, клинопироксенитов и габбро Платиноносного пояса Урала // Доклады РАН. 2012. Т. 443, № 6. С. 711-715.

2. Баданина И.Ю., Белоусова Е.А., Малич К.Н. Изотопный состав гафния цирконов дунитов Нижне-Тагильского и Гулинского массивов (Россия) // Доклады РАН. 2013. Т. 448, № 1. С. 59-63. БОЇ: 10.7868/80869565213010179.

3. Леснов Ф.П. Петрология полигенных мафит-ультрамафитовых массивов Восточно-Сахалинской офиолитовой ассоциации. Новосибирск: ГЕО, 2015. 240 с.

4. Леснов Ф.П. И-РЪ изотопное датирование цирконов из ультрамафитовых реститов Шаманского массива (Восточное Забайкалье) // Геосферные исследования. 2018. № 1. С. 6-16. БОЇ: 10.17223/25421379/6/1.

5. Леснов Ф.П., Капитонов И.Н., Сергеев С.А. Изотопный состав гафния в цирконах из пород Березовского мафит-ультрамафитового массива и условия его формирования (о. Сахалин) // Геосферные исследования. 2018. № 2. С. 31-51. БОЇ: 10.17223/25421379/7/3.

6. Леснов Ф.П., Чернышов А.И., Пугачева Е.Е. Геохимия редких, редкоземельных и платиновых элементов в породах Шаманского ультрамафитового массива (Восточное Забайкалье) // Литосфера. 2016. № 4. С. 30-53.

7. Малич К.Н., Баданина И.Ю. Изотопный состав гафния цирконов платиноносного Феклистовского массива (Шантарский архипелаг, Охотское море, Россия) // Литосфера. 2018. Т. 18, № 4. С. 585-522.

8. Малич Л.Н., Баданина И.Ю., Белоусова Е.А. Lu-Hf изотопная систематика архейских цирконов ультрамафитов платиноносных массивов // Минералогия во всем пространстве этого слова: проблемы укрепления минерально-сырьевой базы и рационального использования минерального сырья. СПб.: Издательство Российского минералогического общества, 2012. С. 182-184.

9. Blichert-Toft J., Albarede F. The Lu-Hf isotope geochemistry of chondrites and the evolution of the mantle-crust system // Earth Planet. Sci. Lett. 1997. Vol. 148. P. 243-258.

10. Bouvier A., Vervoort J.D., Patchett P.J. The Lu-Hf and Sm-Nd isotopic composition of CHUR constraints from unequilibrated chondrites and implications for the bulk composition of terrestrial planets // Earth and Planet. Sci. Lett. 2008. V. 273. P. 48-57.

11. Chauvel C., Blichert-Toft J. A hafnium isotope and trace element perspective on melting of the depleted mantle // Earth and Planet. Sci. Lett. 2001. V. 190. P. 137-151.

12. Cherniak D.J. Diffusion in accessory minerals: zircon, titanite, apatite, monazite and xenotime // Reviews in mineralogy and geochemistry. 2010. V. 77. P. 827-869.

13. Griffin W.L., Pearson N.J., Belousova E., Jackson S.E., van Achterbergh E., O'Reilly S.Y., Shee S.R. The Hf isotope composition of cratonic mantle: LAM-MC-ICP-MS anlysis of zircon megacrysts in kimberlites // Geochem. Cosmochem. Acta. 2000. V. 64. P. 133-147.

14. Kinny P.D., Maas R. Lu-Hf and Sm-Nd isotope systems in zircon / Zircon // Reviews in mineralogy and geochemistry. 2003. V. 53. P. 327-341.

15. Knauf O. The age of dunite-clinopyroxenitr core of Kytlym and Galmoenan zonal Ural-type massifs by data of zircons // 33th Int. Geol. Congr. Abstract. Oslo. 2008. P. 105-107.

16. Geosphere Research, 2019, 3, 42-49. DOI: 10.17223/25421379/12/4.

17. Lesnov F.P. Data on U-Pb isotopic dating of zircons from ultramafic restites of Shaman massif (Eastern Transbaikalia). Geosphere Research. 2018. No 1. pp. 6-16. DOI 10.17223/25421379/6/1 In Russian.

18. Lesnov F.P. Petrologiya poligennyh mafit-ultramafitovyh massivov Vostochno-Sahalinskoy ofiolitovoy assotsiatsii [Petrology of polygenic mafic-ultramafite massifs of the East Sakhalin ophiolite association]. Novosibirsk: Publishing House GEO, 2015. 240 p. In Russian.

19. Lesnov F.P., Kapitonov I.N., Sergeev S.A. Isotopic composition of Hafnium in zircons from the rocks of Berezovskii mafic- ultramafic massif and the conditions of its formation (Sakhalin Island) // Geosphere Research. 2018. No 2. pp. 31-51. In Russian. DOI 10.17223/25421379/7/3.

20. Lesnov F.P., Chernyshov A.I., Pugacheva E.E. Geochemistry of rare, rare earth, and platinum elements in rocks of the Shaman ultramafic massif (East Transbaikalia) // Lithosphere. 2016. No 4. pp. 30-53. In Russian.

21. Malich K.N., Badanina I.Yu. Isotopic composition of hafnium zircons of the platinum-bearing Feklistovsky massif (Shantar archipelago, Sea of Okhotsk, Russia) // Lithosphere. 2018. V. 18. No 4. pp. 585-522. In Russian.

22. Malich K.N., Badanina I.Yu., Belousova E.A. Lu-Hf izotopnaya sistematika arkheyskikh tsirkonov ul'tramafitov platinonosnykh massivov [Lu-Hf isotope systematics of Archean zircons of ultramafites of platinum-bearing massifs] // Mineralogy in the whole space of this word: problems of strengthening the mineral and raw materials base and rational use of mineral raw materials. St.-Peterburg: Publishing House of the Russian Mineralogical Society, 2012. pp. 182-184. In Russian.

23. Blichert-Toft J., Albarede F. The Lu-Hf isotope geochemistry of chondrites and the evolution of the mantle-crust system // Earth Planet. Sci. Lett. 1997. V. 148. pp. 243-258.

24. Bouvier A., Vervoort J.D., Patchett P.J. The Lu-Hf and Sm-Nd isotopic composition of CHUR: constraints from unequilibrated chondrites and implications for the bulk composition of terrestrial planets // Earth and Planet. Sci. Lett. 2008. V. 273. pp. 48-57.

25. Chauvel C. Blichert-Toft J. A hafnium isotope and trace element perspective on melting of the depleted mantle // Earth and Planet. Sci. Lett. 2001. V. 190. pp. 137-151.

26. Cherniak D.J. Diffusion in accessory minerals: zircon, titanite, apatite, monazite and xenotime // Reviews in mineralogy and geochemistry. 2010. V. 77. pp. 827-869.

27. Griffin W.L., Pearson N.J., Belousova E., Jackson S.E., van Achterbergh E., O'Reilly S.Y., Shee S.R. The Hf isotope composition of cratonic mantle: LAM-MC-ICPMS analysis of zircon megacrysts in kimberlites // Geochem. Cosmochim. Acta. 2000. V. 64. pp. 133-147.

28. Kinny P.D., Maas R. Lu-Hf and Sm-Nd isotope systems in zircon / Zircon // Reviews in mineralogy and geochemistry. V. 53. (Eds. Hanchar J.M. and Hoskin P.W.O.). 2003. pp. 327-341.

29. Knauf O. The age of dunite-clinopyroxenite core of Kytlym and Galmoenan zonal Ural-type massifs by U-Pb data of zircons // 33th Int. Geol. Congr. Abstracts. Oslo, 2008. pp. 105-107.

Размещено на Allbest.ru