Петрология калиевых магматических комплексов юго-восточной части Горного Алтая

Актуальность исследований. Комплексный петрогеохимический и изотопный анализ продуктов магматизма позволяет установить источники, условия магмогенерации и эволюционную направленность в развитии магматических серий, что дает возможность выявить взаимосвязь их вещественного состава с конкретными геодинамическими режимами. Для современных геотектонических обстановок (спрединговых, внутриплитных океанических и континентальных, надсубдукционных) эта зависимость проявляется достаточно отчетливо и служит одним из основных критериев при расшифровке истории развития древних складчатых областей. Исследования в этом направлении являются важным инструментом металлогенического анализа, особенно для районов с разнотипным эндогенным оруденением. К числу последних относится юго-восточная часть Горного Алтая, спецификой которой являются магматические комплексы с повышенной калиевой щелочностью. Их становление происходило в широком возрастном диапазоне от раннего палеозоя до раннего мезозоя и во многом обусловило металлогенический потенциал Алтайского региона.

Объектами исследований являются пять магматических комплексов повышенной калиевой щелочности в юго-восточной части Горного Алтая: кучерлинский базальтовый, щелочно-основной карбонатитсодержащий комплекс эдельвейс, аксайский трахиандезит-дацит-риолитовый, тархатинский монцодиорит-граносиенитовый, чуйский лампроит-лампрофировый.

Цель и задачи исследований. Целью работы является геолого-геохимическое изучение магматических комплексов повышенной калиевой щелочности для обоснования временной последовательности магматизма, его источников и геодинамического режима. Для этого решались следующие задачи: 1) геологическое картирование магматических комплексов с выявлением особенностей их внутреннего строения и взаимоотношений с вмещающими породами- 2) установление геохронологических рубежей формирования магматических комплексов- 3) геохимическая типизация породных ассоциаций- 4) изотопная систематика магматических источников и их геодинамическая интерпретация.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены результаты геологических исследований Горного.

Алтая, проведенных автором в 1995;2009 гг. в составе Алтайской геофизической и Горно-Алтайской поисково-съемочной экспедиций при ГСР-50, -200, коллектива кафедры динамической геологии и НИЛ структурной петрологии и минерагении Томского госуниверситета. Для вещественной характеристики магматических пород изучено около 3000 образцов и более 1000 прозрачных шлифов. Химический состав определялся современными прецизионными методами РФА, ИНАА и ICP-MS (105 ан.), привлекались химические и рентгено-спектральные анализы, полученные при ГСР-50 (около 400 ан.). Выполнено 110 микрозондовых определений минеральных фаз. Для определения возраста и природы источников магматизма проводилось изучение ArAr-, Sm-Ndи Rb-Sr-изотопных систем (22 ан.), изотопных отношений кислорода, углерода и водорода (37 ан.).

Научная новизна исследований. Выделены раннепалеозойский (средний кембрий — ранний ордовик), среднепалеозойский (ранний девон) и ранне-мезозойский (ранний-средний триас) этапы проявления калиевого магматизма повышенной щелочности. Впервые в изученных магматических комплексах выявлены и охарактеризованы специфические типы пород (базальты океанических островов с HIMU-параметрами, высокомагнезиальные андезиты, Nb-обогащенные базальты и андезиты, лампроиты). Показано, что каждый комплекс формировался из гетерогенного мантийного источника с варьирующей долей корового вещества. Предположено, что калиевый магматизм проявлялся в различных геодинамических обстановках под влиянием плюмовой активности.

Основные защищаемые положения.

1. В юго-восточной части Горного Алтая магматизм повышенной калиевой щелочности проявился на разных временных этапах: в раннем палеозое (комплексы кучерлинский и эдельвейс), в среднем палеозое (аксайский комплекс), в раннем мезозое (чуйский и тархатинский комплексы).

2. По петрогеохимическим признакам среди изученных породных ассоциаций выделяются продукты субщелочной базальтовой OIB-типа, щелочной клинопироксенит-сиенит-карбонатитовой, трахиандезит-дацит-риолито-вой с производными NEBA (Nb-обогащенные базальты и андезиты) и НМА (высокомагнезиальные андезиты), щелочно-базальтоидной с лампроитами и монцодиорит-граносиенитовой магматических серий.

3. Установленные закономерности поведения редких элементов и изменчивости изотопного состава неодима и стронция в магматических породах свидетельствуют об исходно-мантийных источниках расплавов типа PREMA, HIMU, EMI или ЕМ2.

Практическая значимость исследований. Полученные результаты позволяют провести возрастную и вещественную корреляцию магматизма Горного Алтая, на основании которой может быть существенно повышена надежность металлогенического анализа и геодинамических реконструкций. Материалы использованы при обновлении Легенды к Государственной геологической карте масштаба 1:200 ООО (Алтайская серия).

Апробация работы и основные публикации. Результаты проведенных исследований опубликованы в 32 статьях и тезисах докладов, включая 6 статей в рецензируемых журналах. Основные материалы работы были представлены: на 19-й ежегодной международной геохимической конференции им. В. М. Гольдшмидта (Давос, Щвейцария, 2009), 31 Международном геологическом конгрессе (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2000), Международных симпозиумах «Крупнейшие изверженные провинции Азии, мантийные плюмы и металлогения» (Новосибирск, 2007, 2009), Втором Всероссийском петрографическом совещании «Петрография на рубеже XXI века. Итоги и перспективы» (Сыктывкар, 2000), XIX, XXV Всероссийских семинарах «Геохимия магматических пород» (Москва, 2000;, Санкт-Петербург, Москва, 2008), II и III Всероссийских симпозиумах «Вулканизм и геодинамика» (Екатеринбург, 2003; Улан-Удэ, 2006), XLI Тектоническом совещании «Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики» (Москва, 2008), всероссийских и региональных конференциях по проблемам геологии, петрологии, геохимии и металлогении (Томск, 1998, 1999, 2003, 2004, 2005; Горно-Алтайск, 1998).

Различные аспекты работы обсуждались на заседаниях Западно-Сибирского регионального экспертного совета (Новосибирск, СНИИГГиМС) и научно-редакционного совета при Министерстве природных ресурсов Российской Федерации (Санкт-Петербург, ВСЕГЕИ) в 2009 г. в ходе апробации материалов Госгеолкарты-200 листов М-45-XXIII,-XXIV.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения общим объемом 148 страниц, включая 69 иллюстраций, 15 таблиц и список литературы из 193 наименований.

высоты.

MOpCKttX мш *ч.

•8 -10: впияине высоко-1″ «ЯВОрНЫХ ncvi котат I laiiim осалками nsc pic.

0 IIK3MO-10 ф изменения I.

Рисунок 2,16- Изотопный состав кислорода и углерода в кальците карбонатных пород Северо-Чуйского хребта.

Примечание. 1 — карбонатиты комплекса эдельвейс, 2 — гидротермальный кальцитов ый прожилок, 3 — экзоконтактовый мра-моризованный известняк баратальской свиты. Показаны поля составов: PIC — первичных машато генных карбонатитов (Keller, Hoefs, 1995), морских нормально-осадочных (NSC) и почвенных (SC) карбонатов (Salomons, 1975). Стрелками показано влияние основных факторов на С-0 состав (Demeny, 1998).

6lsO,%oSMOW.

Рисунок 2.17 — Изотопный состав водорода и кислорода в породообразующем флогопите комплекса эдельвейс.

Примечание. 1−2 — флогопиты из кли-нопироксенита (1) и карбонатита (2). Показаны соотношения композиционных полей магматических (MGW), метаморфоген-ных (MTW) и неизмененных MORB вод (Покровский, 2000). ставом пород, отражающим происхождение комплекса эдельвейс из умеренно деплетированного мантийного источника.

СРЕДНЕПАЛЕОЗОЙСКИЙ ЭТАП Аксайский трахиандезит-дацит-риолитовый комплекс.

Девонский магматизм в Горном Алтае проявлен в виде двух сменяющих друг друга по времени формирования и латеральному размещению (ранне-среднедевонский южный и позднедевонско-раннекаменноугольный северный) вулкано-плутонических поясов (Шокальский и др., 2000) (рис. 2.18). В составе первого — Алтае-Ми нус и некого — выделяется раннедевонский аксайский трахиандезит-дацит-риолитовый комплекс, объединяющий покровные вулканиты и комагматичные им субвулканические тела и дайки, распространенные в пределах двух крупных вулкано-тектонических структур (ВТС) — Калгутинской и Аксайской — и слагающие ряд мелких депрессий между ними (Тунгурюкский и Муз-дыбулакский грабены, Казане-гирская, Аюутинская и Жанедынгуйская впадины). Покровные фации (аксайская свита) представлены средне-основными и кислыми производными при резком преобладании вторых, субвулканические образования — исключительно грани-тоидами. В качестве типомор-фного геохимического признака комплекса отмечается высокая калиевость его производных как в покровной, так и в субвулканической фациях (Ро-дыгин, 1959,1960; Амшинский,.

1973; Мариич, 1975; Фромберг, 1993). Предыдущими исследованиями геодинамическая обстановка формирования девонских вулкано-плутонических поясов в Горном Алтае (в том числе аксайского комплекса) интерпретировалась как активно-окраинно-континентальная (Берзин и др., 1994; Добрецов и др., 1995), или рифтогенная на континентальной окраине (Парначев и др., 1996), чему не противоречат результаты наших исследований (Крупчатников и др., 2005; Врублевский и др., 2006, 2007).

Рисунок 2.18 — Расположение аксайского комплекса на схеме районирования девон-ско-раннекаменноугольных вулканоплуто-нических поясов Горного Алтая, по (Шокальский и др., 2000).

Геологическая позиция, внутреннее строение и петрографическая характеристика.

Калгутинская и Аксайская ВТС расположены субширотно относительно друг друга на расстоянии 50−60 км в юго-восточной части Горного Алтая в бассейнах рек Калгуты, Жумалы, Уландрык, Чаган-Бургазы (рис. 2.19). Частично обе структуры распространяются на территорию Монголии, при этом s • •.

Рисунок 2. 19 — Геологическое строение района развития аксайс-кого вулканического комплекса.

10 км 0 в пределах России Калгутинская ВТС представлена своей большей, а Аксай-ская меньшей половинами (нами изучены только российские части). Обе структуры локализованы на юго-восточном фланге Холзунско-Чуйского ан-тиклинория в пределах Алтае-Монгольского террейна и представляют собой депрессии, наложенные на кембрийско-ордовикское метафлишоидное основание (горноалтайская серия). Аксайская ВТС с севера и востока граничит с Делюно-Юстыдским прогибом по одной из южных ветвей Чарышско-Терек-тинской разломной зоны — Ташантинскому разлому.

В строении Калгутинской и Аксайской ВТС совместно с вулканитами участвуют разрозненные фрагменты дои послевулканических (Sj — D2) кар-бонатно-терригенных литокомплексов и более поздние интрузивные образования — долериты (D2), лампрофиры (Т 2), гранитоиды (J,) (рис. 2.20). Вулканогенные образования аксайского комплекса заметно доминируют среди вещественного выполнения депрессий, однако по характеру вулканических проявлений и внутреннему строению структуры заметно различаются между собой, отражая различные уровни эрозионного среза.

В Калгутинской ВТС ведущая роль в составе комплекса принадлежит субвулканическим телам, сформировавшим единый массив и в значительной мере определяющим контур ВТС. Породы эффузивной фации распространены незначительно, преимущественно в южной части ВТС, и в об.

М2 Г+]з е-л э о о о о.

Рисунок 2.20 — Геологическое строение Калгутинской (а) и Аксайской (б) вулкано-тектони-ческих структур, Себыстейского (в) и Тархатинского (г) грабенов.

Чу некая котлов н.

0002] щем разрезе (аксайская свита) развиты гомодромно при резком преобладании кислых разновидностей: трахиандезибазальты вверх по разрезу сменяются низко-, нормальнои субщелочными дацитами, риодацитами и риоли-тами. Трахиандезибазальты характеризуются плотной и миндалекаменной текстурами, микролитовыми (пилотакситовой, гиалопилитовой) и порфировыми структурами. Во вкрапленниках, составляющих 2−4% объема породы, преобладает плагиоклаз (Ап26 32), более редок темноцветный минерал (предположительно пироксен или оливин), псевдоморфно замещенный гидроокислами железа, карбонатом и хлоритом. В миндалекаменных разновидностях округлые поры (до 5% объема породы) выполнены в разных сочетаниях халцедоном, серицитом, хлоритом, эпидотом, карбонатом, биотитом. На одном из участков (р. Левые Аргамджи, вблизи границы с Монголией) были установлены разновидности, по содержанию кремнезема соответствующие базальтам, однако все они оказались сильно измененными вторичными процессами (ожелезнение, щелочной метасоматоз) и в геохимической характеристике комплекса не учитывались. Риолиты и риодациты по текстурно-структурным признакам более разнообразны: одинаково распространены однородные, такситовые, флюидальные текстуры и порфировые, афировые и сферо-литовые структуры. Нередко отмечаются игнимбритоподобные разновидности. Доля порфировых выделений обычно не превышает 15% (редко до 4550%), во вкрапленниках развиты кварц, плагиоклаз, калишпат и биотит.

Субвулканические образования сформированы в несколько фаз внедрения с последовательностью: (1) риолиты и риодациты, фациально сменяющиеся трахириолитами и трахидацитами- (2) дациты гиперстенсодержащие- (3) гранодиорит-порфиры (до кварцевых сиенит-порфиров) — (4) субщелочные лей-кограниты. Породам первой фазы свойственны обильные порфировые выделения — 40−60, иногда до 70% объема породы, массивные, такситовые, флюи-дальные и шлировые текстуры. Вкрапленники представлены в различных соотношениях кварцем, плагиоклазом (Ang), микропертитом, хлоритизирован-ными и опацитизированными биотитом и полными псевдоморфозами предположительно по пироксену или амфиболу. В трахидацитах доля таких псевдоморфоз максимальна (до 15%). Гиперстенсодержащим дацитам свойственны массивная текстура и высокое содержание вкрапленников (30−60%), представленных плагиоклазом An, гиперстеном, кварцем, биотитом, оксидом железа и калишпатом. Гранодиорит-порфиры и кварцевые сиенит-порфирыпорфировидные породы с тонкои мелкозернистой основной массой. Фе-нокристаллы образованы калиевыми и натриевыми полевыми шпатами (с преобладанием плагиоклаза, Ап35), кварцем, хлоритизированным и опацитизи-рованным биотитом, хлоритовыми псевдоморфозами предположительно по амфиболу или пироксену, железооксидным минералом. Весьма распространены мелкие округлые миндалины, выполненные биотитом, мусковитом, хлоритом, кварцем, кальцитом и оксидом железа в различных сочетаниях. Субщелочные лейкограниты характеризуются-массивной текстурой и мелко-сред-незернистой гранитовой, аплитовой и микропегматитовой структурами. Изредка наблюдаются крупные выделения микропертита. Породы на 90−95% сложены кварцем и калишпатом и практически лишены темноцветных минералов, в небольшом количестве присутствует кислый плагиоклаз.

В Аксайской ВТС покровные вулканиты значительно доминируют над субвулканическими образованиями (по площади в соотношении примерно 4:1) и представлены, как и в Калгутинской ВТС, двучленной гомодромной серией: трахиандезибазальты и трахиандезиты сменяются вверх по разрезу андезидацитами, дацитами и риолитами с варьирующей щелочностью. В составе риолитоидов относительно более ранними являются низкощелочные разновидности, а более поздними — трахириолиты, при этом в переслаивании с теми и другими в переменных соотношениях отмечаются нормальнощелоч-ные риолиты. Для трахиандезибазальтов и трахиандезитов характерны мел.

Рисунок 2.21 — Типичные структуры и текстуры петрографических разновидностей аксайского комплекса.

Субвулканические тела (Аксайский, Уландрыкский, Оюмский, Буратин-ский, Согонолуский, Чаганбургазинский массивы), сложенные лейкограни-тами различной щелочности (от низкодо субщелочных) располагаются в центрально-осевой и периферических частях ВТС и, предположительно, фиксируют собой расположение эруптивных центров. Встречающиеся дайки ри-олитов и трахириолитов какой-либо закономерности в размещении не обнаруживают и сосредоточены преимущественно в юго-западной части ВТС. Породам субвулканических тел свойственны мелкои среднезернистые пор-фировидные структуры, массивные текстуры и лейкократовый состав — кварц, калишпат, кислый плагиоклаз. Редкие мелкие выделения биотита и мусковита, а также акцессорные циркон, апатит, магнетит, пирит, рутил, флюорит, турмалин в сумме не превышают 5%. Наиболее крупные Аксайский и Уландрыкский массивы приурочены к центральной части ВТС и отличаются как своими контактами — почти непрерывная оторочка в виде эруптивных брекчий шириной от 20−30 см до десятков метров -, так и своеобразным петрографическим обликом: микропегматитовая структура, почти биминеральный кварц-микроклиновый состав и мелкие (3−5 мм) поры, частично или полностью выполненные хлоритом, кварцем, гематитом и серицитом в различных сочетаниях (Крупчатников, Чебров, 2004). Породам Оюмского, Буратинско-го и Согонолуского массивов свойственны порфировидные структуры с относительно крупными (0,5−1 см) выделениями полевых шпатов и кварца. Все три интрузива фрагментарно катаклазированы, альбитизированы и ок-варцованы, местами обильно ожелезнены. Вмещающие их осадочные отложения кембрия-ордовика (горноалтайская серия) и раннего девона (уланд-рыкская свита) орговикованы на расстоянии первых десятков метров от контактов и пронизаны маломощными кварцевыми и кварц-полевошпатовыми гидротермалитами. Судя по вмещающим отложениям и лучшей раскристал-лизации гранитоидов, становление данных интрузивов происходило в несколько более глубинной фации, чем Аксайского и Уландрыкского.

Вне Калгутинской и Аксайской ВТС вулканиты комплекса развиты незначительно и проявлены в различных фациях: преимущественно в субвулканической (Тунгурюкский и Муздыбулакский грабены), только в покровной (Жа-недынгуйская впадина, Аюутинский, Казанегирский, Тархатинский и Тара-Ирбистинский грабены). В вещественном отношении породы этих проявлений не обнаруживают существенных отличий от вулканитов обеих ВТС.

Особняком в составе аксайского комплекса выглядит сравнительно мощный (620 м) разрез вулканогенной толщи, расположенный на северо-западной периферии Аксайской ВТС (правобережье нижнего течения р. Чаган-Бур-газы) и выделенный как Оюмский палеовулкан. Разрез сложен слабодиффе-ренцированной породной серией, в которой преобладают трахиандезибазальты, трахиандезиты и андезиты, незакономерно переслаивающиеся с резко подчиненными в количестве базальтами и дацитами. В отличие от типичных для аксайского комплекса повышеннокалиевых производных, породы Оюмского палеовулкана характеризуются натриевой спецификой и значительным развитием высокомагнезиальных разновидностей. Породам свойственны мелкопорфировые, сериально-порфировые, микролитовые структуры и грубофлю-идальные, пятнисто-полосчатые, массивные и миндалекаменные текстуры. Вкрапленники деанортитизированного плагиоклазами хлоритовые псевдоморфозы по пироксену (?) составляют в сумме до 25% от объема породы. В дацитах в небольшом количестве присутствуют фенокристаллы кварца. Аналогичные по составу вулканиты, включенные в Оюмский палеовулкан, выполняют небольшой грабен на левобережье р. Себыстей (юго-западная окраина Чуйской котловины).

Взаимоотношения калиевых вулканитов и пород Оюмского палеовулкана не выявлены, но, по наличию среди последних единичных линз калиевых риолитовых туфов (аэральный разнос продуктов аксайского палеовулкана?), предполагается их синхронное формирование (Пономарев и др., 2009).

Геохимия петрогенных и редких элементов.

Калгутинская и Аксайская ВТС (под этим названием объединяются породы вулкано-тектонических структур и мелких впадин и грабенов, расположенных между ними).

В целом породы характеризуются широкими вариациями содержаний кремнезема (SiO, 52−78 мае. %) и общей щелочности (Na30+K20 -3−10 мае. %) при резком преобладаниим кремнекислых (SiO^ > 63 мас.%) разновидностей и почти полном отсутствии андезитовых составов с SiO, 56−60 мае. %, что придает всей серии бимодальный характер (рис. 2.22). В Аксайской ВТС, кроме того, практически не наблюдаются риодацитовые составы. Уровень общей щелочности с увеличением кремнекислотности в целом слабо возрастает, при этом наименее кремнекислые дифференциаты располагаются в области составов нормальной и повышенной щелочности, а среди риолитов и гранитоидов значительную часть составляют низкощелочные (Na20 + К20 < 6 мае. %) разновидности (рис. 2.23а). В координатах Si02 — К20 составы всего породного ряда тяготеют преимущественно к полям производных высококалиевой известково-щелочной и шошонитовой серий. Отношение К, 0/Ыа, 0 иочти постоянно выше 1 и достигает наибольших значений в низкощелочных ри-олитах и лейкогранитах (до 60), характеризуя их как ультракалиевые образования. На вариационных диаграммах SiO, — оксиды по всем компонентам, исключая натрий, наблюдаются сравнительно отчетливые тренды снижения концентраций по мере увеличения кремнезема, при этом поля разнофациальных производных с одинаковой крем.

Н Калгутинска" ВТС (156) I Аксайская ВТС (16″) П.

60 65 SiO, мае. %.

Рисунок 2.22 — Распределение составов пород аксайского комплекса по кремнекислотности.

Примечание. В скобках указано количество образцов. Кроме табличных (табл. 2.1) использованы данные ГСР-50 (Дашков и др. 1962, 1963; Иванов и др., 1990; Крупчатников и др., 1993).