Genetic linkage of corundum plagioclasites–kyshtymites and miaskites of the Ilmenogorsky–Vishnevogorsky complex, South Urals, Russia: new Rb–Sr and Sm–Nd isotopic, geochemical and mineralogical data

M. I. Filina; Филина М. И.; E. S. Sorokina; Сорокина Е. С.; M. A. Rassomakhin; Рассомахин М. А.; N. N. Kononkova; Кононкова Н. Н.; Yu. A. Kostitsyn; Костицын Ю. А.; A. V. Somsikova; Сомсикова А. В.

doi:10.31857/S0016-7525647742-749

Genetic linkage of corundum plagioclasites–kyshtymites and miaskites of the Ilmenogorsky–Vishnevogorsky complex, South Urals, Russia: new Rb–Sr and Sm–Nd isotopic, geochemical and mineralogical data

Authors: Filina M.I.¹, Sorokina E.S.¹, Rassomakhin M.A.², Kononkova N.N.¹, Kostitsyn Y.A.¹, Somsikova A.V.¹
Affiliations:
1. Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical chemistry Russian Academy of Sciences (GEOKHI RAS)
2. Ilmen State Reserve
Issue: Vol 64, No 7 (2019)
Pages: 742-749
Section: Short communications
URL: https://journals.eco-vector.com/0016-7525/article/view/15355
DOI: https://doi.org/10.31857/S0016-7525647742-749
ID: 15355

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

New geochemical, mineralogical, and Rb–Sr and Sm–Nd isotopic data have been obtained on corundum plagioclasites–kyshtymites from the 5th Versta deposit (South Urals, Russia). The genetic link of miaskites and kyshtymites is shown. The formation of the kyshtymites is associated with the redistribution and accumulation of aluminum, calcium, HFSE, and LIL-elements at the stage of tectonic-metamorphic deformations of the Ilmenogorsky–Vishnevogorsky alkaline complex.

Keywords

corundum plagioclasites, kyshtymites, miascites, corundum geochemistry, Ilmenogorsky-Vishnevogorsky alkaline complex

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Корунд α-Al₂O₃ является типичным минералом многих магматических и метаморфических пород. Однако его разновидность синего цвета ― сапфир, окрашенная ионами Fe³⁺ и/или Fe²⁺/Ti⁴⁺, встречается только в породах, обогащенных глиноземом и обедненных кремнеземом (Giuliani et al., 2014). При этом добыча ювелирных сапфиров сконцентрирована преимущественно в россыпных месторождения, генезис которых во многом остается дискуссионным. Поэтому исследование генетической природы минерала, обнаруженного in situ в коренных породах, может помочь решить фундаментальную проблему петрогенезиса синего сапфира на вторичных россыпных объектах.

Исследованное месторождение корунда-наждака “5-я верста” на Южном Урале было открыто А.П. Карпинским в 1883 году (Клер, 1918). В 1910 г. оно было описано А.В. Николаевым, где в ходе разведки было обнаружено три залежи кыштымита – корундсодержащей разновидности плагиоклазитов (плутонической основной породы нормального ряда из семейства габброидов, сложеной до 95% плагиоклазом). Эксплуатация месторождения велась до 1930 года. Намного раньше, в 1823 году, при осмотре отвалов золотого рудника на р. Борзовке профессором Казанского университета К.Ф. Фуксом были встречены и описаны аналогичные жилы кыштымита (впоследствии это месторождение корунда-наждака стало называться Борзовским; Коптев-Дворников и др., 1931; Колесник и др., 1974; Колесник, 1976).

Корундовые плагиоклазиты описаны в крупном расслоенном комплексе Ситтампунди (Индия), где они представлены метаморфизованными породами архейского возраста (Karmakar et al., 2017). Корундовые плагиоклазиты также встречены в комплексе Черных Гигантов, Новая Зеландия. Комплекс является частью Туюанского орогенного пояса и был подвергнут многофазному метаморфизму амфиболитовой фации в девоне и карбоне (Gibson et al., 1979). Еще одно проявление корундовых плагиоклазитов было описано в поясе альпийского типа Чунки Гал-Маунтин (Северная Каролина, США) в ассоциации с амфиболитами и перидотитами (Pratt, 1906; McElhaney, McSween, 1983).

Несмотря на открытие два столетия назад на Южном Урале крупных массивов корундовых плагиоклазитов-кыштымитов, их минералогия и геохимия остаются во многом неизученными, а теории их генетической природы образования до настоящего времени являются предметом дискуссий.

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ

Жилы плагиоклазитов “5-й версты” расположены северо-восточнее Борзовского месторождения и практически граничат с восточным флангом Вишневогорского массива. На этом участке среди кварцито-сланцев метатерригенной саитовской серии обнажены тела метагипербазитов с линзами корундовых плагиоклазитов. Саитовская серия является одним из структурно-вещественных подразделений Ильмено-Вишневогорской полиметаморфической зоны, являющейся глубинным фрагментом регионального постколлизионного сдвига (Русин и др., 2006). Возраст метагипербазитов (SHRIMP U-Pb геохронология циркона) отражает сложную эволюцию формирования пород: ~1.3 млрд лет, возможно, отражает возраст мантийного протолита; ~460−420 млн лет ― этапы метаморфической эволюции, связанные с внедрением основных интрузивных тел карбонатитов и миаскитов (лейкократовая разновидность нефелиновых сиенитов, обнаруженная впервые недалеко от г. Миасс) Ильмено-Вишневогорского комплекса, ~320–280 млн лет ― коллизионные процессы (Краснобаев и др., 2008).

Исследованная жила кыштымитов представляет собой линзовидное тело, вскрытое выработкой мощностью около 3 м. Метагипербазиты, сложенные преимущественно энстатитом, являются вмещающими породами. На контакте вмещающих пород и кыштымитов присутствует реакционная кайма (10−25 см), состоящая из хризотил-асбеста.

Миаскиты Вишневогорского массива, граничащие с кыштымитами “5 версты”, состоят из калиевого полевого шпата (20−60 об.%), нефелина (20−30 об.%), лепидомелана (5−20 об.%), амфибола (до 20 об.%) и кислого плагиоклаза (до 20 об.%). Дополнительно в миаскитах встречаются кальцит (до 3 об.%), канкринит и содалит (Арсланова и др., 1978).

МИНЕРАЛОГИЯ, ГEОХИМИЯ, Rb-Sr И Sm-Nd ИЗОТОПНЫЕ ДАННЫЕ

Минералы породы диагностированы методом спектроскопии координационного рассеивания (Рамановской спектроскопии) на приборе Renishaw in Via. Химические составы минералов определены методом электронно-зондового микроанализа на приборе Cameca SX100 с 4 волновыми спектрометрами (ускоряющее напряжение 15 кV, ток зонда 30 nA). Кыштымит состоит из идиоморфных зерен корунда (до 50 об.%), плагиоклаза (40−50 об.%); до 10 об.% породы составляют мусковит, клинохлор и клиноцоизит. Среди акцессорных минералов присутствует циркон, чёрчит-(Y) и минералы группы апатита. Структура породы порфировидная: крупные кристаллы корунда располагаются среди мелкозернистой массы других минералов (рис. 1).

Кристаллы корунда размером 1−7 мм дипирамидально-призматического габитуса вытянуты по оси с (рис. 1). У кристаллов наиболее развиты грани гексагональной призмы (1120), пинакоида (0001) и гексагональной дипирамиды (2243). Корунд имеет характерную магматическую осцилляционную зональность, проявленную в бесцветных и ярко-синих (прозрачных) чередующихся зонах. Синий цвет минерала связан с ионами Fe³⁺, замещающими ионы Al³⁺ в октаэдрических позициях структуры минерала, и/или с присутствием обменно-связанных пар ионов Fe²⁺ + Ti⁴⁺ ↔ Al³⁺. Плагиоклаз образует мелкозернистую массу, равномерно распределенную по всему объему породы. Состав плагиоклаза варьирует от лабрадора до анортита ― An_61-93.Мусковит образует мелкочешуйчатые кристаллы размером 0.1−0.2 мм, встречается в ассоциации с клинохлором и клиноцоизитом. Повышенные содержания магния в мусковите (до 1.71 мас.%) и калия в клинохлоре (до 7.11 мас.%) связаны с процессом замещения мусковита клинохлором. Клиноциозит обнаружен в виде небольших округлых зерен размером до 0.1 мм, замещающих плагиоклаз. В составе клиноцоизита присутствует примесь железа до 2.07 мас.%. Чёрчит-(Y) образует небольшие ксеноморфные кристаллы размером 30−70 мкм, обычно встречающиеся в виде микровключений в корунде. Кроме того, чёрчит-(Y) обнаружен в срастании с Сe, La, Nd-фосфатом и апатитом.

Рис. 1. Дипирамидально-призматические кристаллы корунда (Crn) в мелкозернистой плагиоклазовой (Pl) матрице.

По петрографическим наблюдениям определена последовательность минералообразования в кыштымитах: корунд → плагиоклаз → мусковит + клиноцоизит → клинохлор. Так, на магматической стадии образовался корунд как наиболее высокотемпературный минерал системы, затем, с понижением температуры, кристаллизовался плагиоклаз. Данная последовательность кристаллизации согласуется с петрологическим моделированием фаз в системе CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO(рис. 2; Tang et al., 2015). Далее, на метасоматической стадии при дальнейшем снижении температуры и/или давления и с привносом калия в систему образовался мусковит, который является более низкотемпературной фазой по сравнению с корундом и полевым шпатом (рис. 3), а также клиноцоизит, частично замещавший плагиоклаз. Клинохлор формировался на заключительном этапе метасоматической стадии. Его образование происходило за счет замещения мусковита и привноса Mg в систему из вмещающих метагипербазитов при их переработке метасоматическими флюидами.

В табл. 1 приведены данные рентгенофлуоресцентного анализа (спектрометр AXIOS Advanced, PAN alytical B.V.). Cодержание SiO₂ в кыштымите варьирует от 40.84 до 42.72 мас.%, Al₂O₃ ― от 34.76 до 42.94 мас.%, СaO ― от 5.89 до 15.79 мас.%, содержание щелочей (Na₂O + K₂O) варьирует от 1.58 до 5.03 мас.%, MgO ― от 0.60 до 2.86 мас.%. На классификационной диаграмме магматических горных пород (по Cox et al., 1979) химические составы кыштымита попадают в поля щелочных горных пород йолитов и щелочных габбро. Порода характеризуется чрезвычайно высоким индексом насыщенности алюминия ― ASI (Al₂O₃/(CaO + Na₂O + K₂O) мол.) = 1.12−2.32.

Рис. 2. Фазовая диаграмма CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO (по Tang et al., 2015). Звездочками обозначены валовые составы кыштымитов.

Рис. 3. Равновесная кривая (сплошная линия) для реакции Мусковит (Мус) ↔ Са (санидин) + Кор (корунд) + H₂O, а также оценки равновесной кривой для плавления санидина и лейцита (штрихованные линии) в ассоциации мусковита и одно возможное отношение в ассоциациях Са+Кор+Н₂О и Са+Ле (Лейцит) + Мус+Н₂О (Yoder, Eugster, 1955).

Таблица 1. Химические составы кыштымитов “5-й версты” и миаскитов Ильмено-Вишневогорского комплекса (мас.%)

Компонент	Кыштымит					Миаскит*
Компонент	6-к	8-к	12-к	16KC4	13-к	миаск-1	миаск-2
SiO₂	42.37	42.72	40.84	41.56	41.24	58.67	60.34
TiO₂	0.04	0.10	0.07	0.08	0.13	0.85	0.25
Al₂O₃	34.76	36.77	42.94	35.33	42.77	22.76	22.49
FeO_tot	0.35	1.20	0.11	0.56	0.46	2.05	1.38
MnO	0.01	0.01	–	–	0.01	0.06	0.04
MgO	1.61	2.52	0.60	2.86	1.11	0.33	0.20
CaO	15.79	11.23	7.46	13.82	5.89	0.58	0.52
Na₂O	1.08	2.17	4.01	0.82	3.98	8.95	8.86
K₂O	0.50	0.99	0.98	1.29	1.05	4.38	4.42
P₂O₅	0.06	0.07	0.04	0.04	0.04	0.03	0.04
S	0.03	0.02	0.02	0.02	0.02	0.30	0.28
ппп	2.51	1.44	2.42	2.96	2.71	0.57	0.69
Сумма	99.11	99.24	99.49	99.34	99.41	99.53	99.51

Примечания. «–» ― ниже предела обнаружения. * ― миаскит Ишкульского участка Ильмено-Вишневогорского комплекса.

На рис. 4, 5 показаны распределения REE; измерение REE проведено с помощью метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе Agilent 7500. На графике распределения REE, нормализованных к хондриту, наблюдается основной тренд ― обогащение LREE по сравнению с HREE, схожий с трендом распределения REE в миаскитах. При этом кыштымиты более обогащены REE по сравнению с миаскитами. Некоторые образцы кыштымитов и миаскитов показывают отчетливую положительную аномалию по Eu (рис. 4). Графики распределения химических элементов, нормализованных к примитивной мантии, показаны на рис. 5. Кыштымиты имеют отчетливые аномалии по U, Th, Nb, Pb, Sr и Ti (рис. 5). Аномалии Eu и Sr объясняются накоплением этих элементов в плагиоклазе, при этом аномалии U и Th связаны с присутствием этих микроэлементов в цирконе, тогда как отрицательная аномалия Nb связана с отсутсвием Nb-содержащих фаз в породе. Вмещающие метагипербазиты, по сравнению с миаскитами и кыштымитами, обеднены REE и имеют более пологую кривую с менее выраженным обогащением LREE.

Рис. 4. Нормированные к хондриту (Sun, McDonough, 1989) графики распределения концентраций редкоземельных и рассеянных элементов в кыштымите, вмещающих метагипербазитах, реакционной кайме между метагипербазитом и кыштымитом, а также в миаските Ильмено-Вишневогорского комплекса (Ишкульский участок).

Рис. 5. Нормированные к примитивной мантии (Sun, McDonough, 1989) графики распределения концентраций редких и рассеянных элементов в кыштымите, вмещающих метагипербазитах, реакционной кайме между метагипербазитом и кыштымитом, а также в миаските Ильмено-Вишневогорского комплекса (Ишкульский участок).

Для кыштымитов характерны умеренные и высокие фракционированные распределения REE (La/Yb)_N = 4.20−48.12 c небольшим максимумом Eu (Eu/Eu* = 1.02−1.32).

На диаграмме Y к Nb показано, что составы кыштымитов и миаскитов Вишневогорского массива попадают в область формирования пород при синколлизионных процессах (Eby et al., 1998; рис. 6). При этом образцы миаскитов попадают или находятся вблизи границы пород, возникших при внутриплитовом магматизме (вынос некоторого количества Y из миаскитов, скорее всего, связан с дальнейшим развитием щелочного комплекса и его изменением тектоно-метаморфическими процессами).

Рис. 6. Диаграмма Y к Nb (по Pearce et al., 1984; Eby et al., 1998) с нанесенными составами кыштымитов (круги) и миаскитов Вишневогорского комплекса (треугольники). Химические составы миаскитов (по данным Недосековой и др., 2009, и неопубликованным данным Медведевой). Син-коллиз. ― породы, сформированные при син-коллизионных процессах; Вулк. ― породы, сформированные в вулканических дугах.

В табл. 2 приведены данные Rb-Sr и Sm-Nd изотопного анализа кыштымитов с использованием мультиколлекторного масс-спектрометра с термической ионизацией Finnigan Triton (Thermo Fisher Scientific). Содержание Sr в кыштымите составляет 1272−3799 ppmw, содержание Rb — около 19−31 ppmw. Начальные изотопные отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr для изученных кыштымитов, пересчитанные на 280 млн лет (возраст заключительного этапа коллизионных процессов), составляют 0.706371 – 0.706936. Начальные изотопные отношения (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)₂₈₀, пересчитанные на 280 млн лет, составляют 0.5119-0.5122, εNd (Т) варьирует от -1.9 до -7.9. Подобные отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и низкий εNd характерны для коровых условий образования исследованных образцов кыштымитов. Так, на диаграмме εNd (Т) к εSr (Т) для пород Ильмено-Вишневогорского-комплекса (рис. 7), 3 точки находятся за границей мантийных резервуаров, 1 точка находится в области мантийного резервуара EM2. Последнее, вероятно, связано с переработкой первичных плагиоклазитов и выносом радиактовного стронция, однако, для окончательных выводов требуются дополнительные исследования.

Таблица 2. Rb-Sr и Sm-Nd изотопные данные для кыштымитов Ильмено-Вишневогорского массива

Характеристика	Образец
Характеристика	3-k*	6-k	8-k	12-k	13-k
Rb, ppm	21.5	19.4	28.8	30.2	31.9
Sr, ppm	1272	3799	2699	2830	2661
⁸⁷Rb/⁸⁶Sr**	0.0488	0.0147	0.0309	0.0309	0.0347
⁸⁷Sr/⁸⁶Sr	0.706566	0.706665	0.706844	0.707024	0.707074
± 2σ	0.000007	0.000012	0.000010	0.000008	0.000020
(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₂₈₀	0.706371	0.706607	0.706721	0.706901	0.706936
ε^Sr (T)	26.6	29.9	31.5	34.1	34.6
Sm, ppm	8.01	4.28	63.34		8.89
Nd, ppm	48.27	12.93	324.35	—	33.99
¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd	0.1004	0.2002	0.1181	—	0.1582
±2σ	0.000007	0.000009	0.000008	—	0.000007
(¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)₂₈₀	0.5122	0.5120	0.5119	—	0.5119
ε^Nd (T)	-1.9	-5.9	-7.9	—	-6.9

Примечания. 3-k, 6-k, 8-k, 12-k, 13-k — кыштымит; * — ошибка измерения 2σ ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr = 1%, ошибка измерения 2σ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd =0.1%.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Проблема генезиса кыштымитов Южного Урала исследовалась с начала ХХ века (Ферсман, 1940; Коржинский, 1953, и др.) и наиболее подробно рассмотрена в работах Ю.Н. Колесника (Колесник и др., 1974; Колесник, 1976) на примере Борзовского месторождения. Последний связывает образование кыштымитов с метасоматическими процессами, происходящими при внедрении даек гранитоидов в ультраосновные породы. Так, в одном из забоев наблюдалось развитие корундового анортозита на зальбанде дайки аплитовидного гранита с участками пегматоидного строения (Коптев-Дворников и др., 1931). Однако источники алюминия и кальция, необходимые для формирования массивов корундовых плагиоклазитов-кыштымитов, до настоящего времени являются дискуссионными.

Нами были впервые получены данные о Rb-Sr и Sm-Nd изотопным составе породы, получены новые минералогические, геохимические данные, которые показывают, что образование высокоглиноземистых ассоциаций в пределах Ильмено-Вишневогорского полиметаморфического комплекса связано с концентрацией алюминия, кальция, HFSE и LIL-элементов при формировании нефелин-сиенитового (миаскитового) щелочного массива на этапе 440−420 млн лет (возраст магматизама по Краснобаеву и др., 2008). В дальнейшем на этапе тектоно-метаморфических деформаций 280−320 млн лет назад (возраст регионального метаморфизма по Краснобаеву и др., 2008) в условиях земной коры формируется магма, генетически связанная с миаскитами и обогащенная алюминием, кальцием и щелочными элементами. Данная магма обеспечивала ремобилизацию и перераспределение алюминия, кальция, HFSE и LIL-элементов.

Согласно полученным ранее данным, к высокоглиноземистым образованиям, генетически связанным с массивами миаскитов и возникшим на этапе коллизионных процессов, относятся корундовые сиенит-пегматиты Ильменогорского щелочного массива (жилы 298, 299, 311 и 349; Sorokina et al., 2017; Sorokina et al., 2016) и корундсодержащие метасоматиты во вмещающих метагипербазитах саитовской серии Ильменогорского метаморфического комплекса (жила 418, Sorokina et al., 2019). На генетическую связь кыштымитов и миаскитов указывают обнаруженные в кыштымитах твердофазовые микровключения Y-содержащих фаз (чёрчита-(Y) в асcоциации с апатитом и REE-фосфатом, диагностированные ранее в миаскитах Вишневогорского массива (Еськова и др., 1964), чрезвычайно высокие содержания Al₂O₃ в кыштымитах (до 42.94 мас.%) и в миаскитах Ильмено-Вишневогорского комплекса (до 22.76 мас.%), похожий характер распределения REE (обогащение LREE по сравнению с HREE, наличие положительной аномалии по Eu ― рис. 4; аномалии по U, Nb, Pb, Sr и Ti ― рис. 5). Так, комагматичный генезис плагиоклазитов и сиенитов был ранее обнаружен на массиве Адирондак (США): Rb-Sr изотопные значения в сиените и плагиоклазите образуют одну изохрону с возрастом 1 млрд лет (Health, 1967).

Рис. 7. Диаграмма εSr (T) к εNd (T) для кыштымитов и миаскитов Ильмено-Вишневогорского комплекса (Недосекова и др., 2009). На диаграмме показаны мантийные резервуары DMM, HIMU, EM1, EM2, MORB и OBI (по данным Ноfmann, 1997).

В кыштымитах Ильмено-Вишневогорского комплекса образование корунда как наиболее высокотемпературного минерала системы происходило непосредственно из магмы при ее пересыщении алюминием (Morozewicz, 1898). Согласно работе (Morozewicz, 1898), кристаллизация корунда из алюмосиликатного расплава возможна при значении nSiO₂ <6 для составов с общей формулой (Ca, K₂, Na₂)O*Al₂O₃*nSiO₂; в изученных образцах кыштымита значения n варьировали от ~1 до 2,5 (при значении nSiO₂ >6 образуются алюмосиликаты). Далее, при понижении температуры кыштымитовой магмы кристаллизовался анортит. Образование более низкотемпературных минералов кыштымитов (мусковита, клиноцоизита и клинохлора) происходило в метасоматическую стадию минералообразования.

Благодарности

Авторы благодарят академика РАН д.г.-м.н. Л.Н. Когарко (ГЕОХИ РАН), Prof. Dr. Р. Бочарникова (Johannes Gutenberg University Mainz, Германия), а также рецензентов д.г.-м.н. О.А. Луканина (ГЕОХИ РАН) и к.г.-м.н. В.М. Козлоского (ИГЕМ РАН) за ценные комментарии к рукописи; к.г.-м.н. Е.В. Медведеву (Ильменский государственный заповедник) за предоставленные химические анализы миаскитов. Авторы признательны сотрудникам ГЕОХИ РАН (к.г.-м.н. В.Н. Ермолаева, к.ф.-м.н. Т.Г. Кузьмина, Т.В. Ромашова и В.А. Турков) и МГУ им. Ломоносова (к.г.-м.н. Я.В. Бычкова) за помощь в пробоподготовке и аналитических исследованиях образов кыштымитов и миаскитов.