Свойства флюидов при метасоматических преобразованиях метаморфических пород в Р-Т условиях средней коры: пример из района Большие Кейвы, Беломорско-Лапландский ороген, Фенноскандинавский щит

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Свойства флюидов при Р-Т условиях средней коры исследованы на примере метасоматических преобразований метаморфических пород (амфиболитовая фация) тектонического покрова Большие Кейвы Кейвского террейна Беломорско-Лапландского коллизионного орогена Фенноскандинавского щита. Для изучения свойств флюидов выбраны пять типов пород: метаморфические сланцы и гнейсы с графитом, метасоматические кварцевые породы с повышенным содержанием графита, кианит-кварцевые жилы с околожильными метасоматитами, метасоматические кварцсодержащие кианитовые породы и анхимономинеральные кварцевые жилы. В составе флюидных включений методами микротермометрии и КР-спектроскопии определены NaCl, CaCl2, СО2, N2, СН4 и более тяжелые углеводороды, графит. По минеральным ассоциациям методом мультиравновесной термобарометрии и по плотностям включений СО2 реконструирован ретроградный тренд Р-Т параметров, отражающий Р-Т историю пород при их эксгумации. Предложено объяснение присутствия водных включений с NaCl низкой солености среди включений высокой солености с NaCl и CaCl2. Сравнение данных по активности Н2О (минеральные равновесия) и содержанию солей (флюидные включения) с таковыми модельного флюида (термодинамическая модель системы H2O-NaCl-CaCl2-CO2) показало хорошее соответствие природных и модельных данных. В результате обобщения природных и модельных данных рассмотрены вариации фазового состояния и химического состава, свойства флюидов, в том числе активность Н2О, плотность, соленость вдоль ретроградного Р-Т тренда.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Бушмин

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: s.a.bushmin@ipgg.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. А. Вапник

Ben-Gurion University of the Negev

Email: s.a.bushmin@ipgg.ru

Department of Geological and Environmental Sciences

Израиль, Беэр-Шева

М. В. Иванов

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Email: s.a.bushmin@ipgg.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. Б. Кольцов

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Email: s.a.bushmin@ipgg.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ю. М. Лебедева

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Email: s.a.bushmin@ipgg.ru
Россия, Санкт-Петербург

О. В. Александрович

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Email: s.a.bushmin@ipgg.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. В. Савва

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Email: s.a.bushmin@ipgg.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Аранович Л.Я. Роль рассолов в высокотемпературном метаморфизме и гранитизации // Петрология. 2017. Т. 25. № 5. С. 491–503.
  2. Аранович Л.Я., Закиров И.В., Сретенская Н.Г., Геря Т.В. Тройная система H2O-CO2-NaCl при высоких Р-Т параметрах: эмпирическая модель смешения // Геохимия. 2010. № 5. С. 1–10.
  3. Балаганский В.В. Главные этапы тектонического развития северо-востока Балтийского щита в палеопротерозое: Автореф. дис. … докт. геол.-мин. наук. СПб., 2002, 32 с.
  4. Балаганский В.В., Раевский А.Б., Мудрук С.В. Комплексные геолого-геофизические модели древних щитов. Апатиты: ГИ КНЦ РАН, 2009. С. 110–117.
  5. Балаганский В.В., Раевский А.Б., Мудрук С.В. Нижний докембрий Кейвского террейна, Северо-Восток Балтийского щита: стратиграфический разрез или коллаж тектонических пластин // Геотектоника. 2011. № 2. С. 32–48.
  6. Бельков И.В. Кианитовые сланцы свиты Кейв. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1963. 321 с.
  7. Борисенко А.С. Анализ солевого состава растворов газово-жидких включений в минералах методом криометрии // Использование методов термобарогеохимии при поисках и изучении рудных месторождений. М.: Недра, 1982. С. 37–47.
  8. Бушмин С.А., Глебовицкий В.А., Савва Е.В. и др. Возраст высокобарического метасоматоза в зонах сдвиговых деформаций при коллизионном метаморфизме в Лапландском гранулитовом поясе: U-Pb SHRIMP-II – датирование цирконов из силлиманит-гиперстеновых пород Порьегубского покрова // Докл. АН. 2009. Т. 428. № 6. С. 792–796.
  9. Бушмин С.А., Глебовицкий В.А., Пресняков С.Л. и др. Новые данные о возрасте (SHRIMP-II) протолита и палеопротерозойских преобразований архейского Кейвского террейна // Докл. АН. 2011а. Т. 438. № 2. С. 237–241.
  10. Бушмин С.А., Глебовицкий В.А., Прасолов Э.М. и др. Происхождение и состав флюида, ответственного за метасоматические процессы в зонах сдвиговых деформаций тектонического покрова Большие Кейвы Балтийского щита: изотопный состав углерода графитов // Докл. АН. 2011б. Т. 438. № 3. С. 379–383.
  11. Бушмин С.А., Вапник Е.А., Иванов М.В. и др. Флюиды гранулитов высоких давлений // Петрология. 2020. Т. 28. № 1. С. 23–54.
  12. Бушмин С.А., Кольцов А.Б., Лебедева Ю.М., Савва Е.В. Метасоматическое преобразование амфиболитов в корундсодержащие плагиоклазиты: зональность, численная модель процесса (на примере уникального месторождения Хитостров, Фенноскандинавский щит // Петрология. 2023. Т. 31. № 6. С. 602–622.
  13. Галимов Э.М. Геохимия стабильных изотопов углерода. М.: Недра, 1968. 224 с.
  14. Доливо-Добровольский Д.В. TriQuick: программа для построения прямоугольных и треугольных точечных диаграмм, а также для отображения, создания и редактирования диаграммной графики. 2012. URL: http://www.dimadd.ru/ru/Programs/triquick
  15. Доливо-Добровольский Д.В. TC_Comb: оболочка программы THERMOCALC для эффективной мультиравновесной геотермобарометрии методом avPT с визуализацией и анализом результатов. 2013. URL: http://www.dimadd.ru/ru/Programs/tccomb
  16. Дуденко Л.Н. Геохимические структуры эндогенных систем. Л.: Недра, 1981. 193 с.
  17. Жданов В.В., Беляев Г.М., Блюман Б.А. и др. Региональные метаморфо-метасоматические формации. Л.: Недра, 1983. 280 с.
  18. Иванов М.В. Термодинамическая модель флюидной системы H2O-CO2-NaCl-CaCl2 при Р-Т параметрах средней и нижней коры // Петрология. 2023. Т. 31. № 4. С. 408–418.
  19. Иванов М.В., Бушмин С.А. Уравнение состояния флюидной системы H2O-CO2-CaCl2 и свойства флюидных фаз при P-T параметрах средней и нижней коры // Петрология. 2019. Т. 27. № 4. С. 431–445.
  20. Иванов М.В., Бушмин С.А. Термодинамическая модель флюидной системы H2O-CO2-NaCl при Р-Т параметрах средней и нижней коры // Петрология. 2021. Т. 29. № 1. С. 90–103.
  21. Кольцов А.Б., Бушмин С.А. Метасоматоз в термоградиентных условиях: модели сопряженного переноса тепла и взаимодействия флюид–порода // Петрология. 2022. Т. 30. № 3. С. 309–330.
  22. Файф У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. М.: Мир, 1981. 436 с.
  23. Фомина Е.Н., Козлов Е.Н., Лохова О.В., Лохов К.И. Графит как индикатор контактового воздействия Западно-Кейвской интрузии щелочных гранитов, Кольский полуостров // Вестник МГТУ. 2017. Т. 20. № 1/1. С. 129–139.
  24. Харитонов Л.Я. Опыт тектонического районирования восточной части Балтийского щита // Ученые записки ЛГУ. Сер. геол. 1957. Вып. 9. № 225. С. 34–70.
  25. Щеглова Т.П., Маслов А.Т. Эволюция состава гранатов и амфиболов в породах Кейвского блока // Записки ВМО. 1994. № 5. С. 76–88.
  26. Щеглова Т.П., Скублов С.Г., Другова Г.М., Бушмин С.А. Особенности химического состава ставролитов высокоглиноземистых пород Кейвского блока // Записки ВМО. 2000. № 2. С. 71–80.
  27. Шмулович К.И. Двуокись углерода в высокотемпературных процессах минералообразования. М.: Наука, 1988. 183 с.
  28. Ague JJ. Fluid flow in the deep crust // Treatise on Geochemistry. V. 4: The Crust. Еds. H.D. Holland, K.K. Turekian. Oxford, UK: Elsevier, 2014. 2nd ed. P. 203–247.
  29. Aranovich L.Y., Safonov O.G. Halogens in high-grade metamorphism // The Role of Halogens in Terrestrial and Extraterrestrial Processes. Eds. D.E. Harlov, L.Y. Aranovich. Springer Geochemistry. 2018. P. 713–757.
  30. Bakker R.J. Re-equilibration processes in f luid inclusion assemblages // Minerals. 2017. V. 7. № 117. P. 1–19.
  31. Bakker R.J. Package FLUIDS1. Computer programs for analysis of fluid inclusion data and for modelling bulk fluid properties // Chem. Geol. 2003. V. 194. № 1–3. P. 3–23.
  32. Baumgartner M., Ronald J., Bakker R.J., Doppler G. Reequilibration of natural H2O-CO2-salt-rich fluid inclusions in quartz. Part 1. Experiments in pure water at constant pressures and differential pressures at 600°C // Contrib. Mineral. Petrol. 2014. V. 167. P. 1017.
  33. Bridgwater D., Scott D.J., Balagansky V.V. et al. Age and provenance of early Precambrian metasedimentary rocks in the Lapland-Kola Belt, Russia: evidence from Pb and Nd isotopic data // Terra Nova. 2001. V. 13. № 1. P. 32–37.
  34. Bushmin S.A., Glebovitsky V.A. Scheme of mineral facies of metamorphic rocks and its application to Fennoscandian shield with representative sites of orogenic gold mineralization // Transactions of Karelian Research Centre RAS. Precambr. Geol. Ser. 2016. № 2. P. 3–27.
  35. Bushmin S., Alexeev N., Dolivo-Dobrovolsky D., Shcheglova T. Metasomatic processes, P-T retrograde evolution and tectonic dynamics in trust structures, Lapland-Kola mobile belt, Eastern Baltic Shield // Eurobridge Workshop. Vilnius. 1997. P. 15–17.
  36. Chu H., Chi G., Chou I-M. Freezing and melting behaviors of H2O–NaCl–CaCl2 solutions in fused silica capillaries and glass-sandwiched films: implications for fluid inclusion studies // Geofluids. 2016. V. 16. P. 518–532.
  37. Duan Z., Moller N., Weare J.H. Molecular dynamics simulation of PVT properties of geological fluids and a general equation of state of nonpolar and weakly polar gases up to 2000 K and 20,000 bar // Geochim. Cosmochim. Acta. 1992. V. 56. P. 3839–3845.
  38. Dubois M., Monnin C., Castelain T. et al. Investigation of the H2O-NaCl-LiCl system: a synthetic fluid inclusion study and thermodynamic modeling from –50° to +100°C and up to 12 mol/kg // Econom. Geol. 2010. V. 105. P. 329–338.
  39. Holland T.J.B., Powell R. An internally consistent thermodynamic dataset for phases of petrological interest // J. Metamorph. Geol. 1998. V. 16. P. 309–343.
  40. Manning C.E. Fluids of the lower Crust: Deep is different // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2018. V. 46. P. 67–97.
  41. Manning C.E., Aranovich L.Y. Brines at high pressure and temperature: Thermodynamic, petrologic and geochemical effects // Precambr. Res. 2014. V. 253. P. 6–16.
  42. Mysen B. Fluids and physicochemical properties and processes in the Earth // Progress in Earth and Planetary Science. Carnegie Institution Washington, 5251 Broad Branch Rd., NW, Washington, DC. 2015, USA. 2022. P. 1–39.
  43. Newton R.C., Aranovich L.Ya., Touret J.L.R. Streaming of saline fluids through Archean crust: Another view of charnockite-granite relations in southern India // Lithos. 2019. V. 346–347. P. 1–10.
  44. Perchuk L.L., Gerya T.V. Fluid control of charnockitization // Chem. Geol. 1993. V. 108. P. 175–186.
  45. Powell R., Holland T.J.B. Optimal geothermometry and geobarometry // Amer. Mineral. 1994. V. 79. P. 120–133.
  46. Powell R., Holland T.J.B. An internally consistent thermodynamic dataset with uncertainties and correlations: 3. Аpplication methods, worked examples and a computer program // J. Metamorph. Geol. 1988. V. 6. P. 173–204.
  47. Roedder E. Fluid inclusions // Reviews in Mineralogy. V. 12. Mineral. Soc. America. 1984. 644 p.
  48. Steele-MacInnis M., Bodnar R.J., Naden J. Numerical model to determine the composition of H2O–NaCl–CaCl2 fluid inclusions based on microthermometric and microanalytical data // Geochim. Cosmochim. Acta. 2011. V. 75. P. 21–40.
  49. Steele-MacInnis M., Manning C.E. Hydrotermal properties of geologic fluids // Elements. 2020. V. 16. P. 375–380.
  50. Steele-MacInnis M., Ridley J., Lecomberri-Sanchez P. et al. Application of low-temperature microthermometric data for interpreting multicomponent fluid inclusion compositions // Earth Sci. Rev. 2016. V. 159. P. 14–35.
  51. Whitney D.L., Evans B.W. Abbreviations for names of rock-forming minerals // Amer. Mineral. 2010. V. 95. P. 185–187.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема покровных структур северной части Кейвского террейна, (Бушмин и др., 2011а), с изменениями. 1 – граниты, гранито-гнейсы и гнейсы Кольского кратона, 2 – анортозиты, 3 – щелочные граниты, 4 – гранат-биотитовые и гранат-амфибол-биотитовые гнейсы с телами амфиболитов, щелочные метасоматиты, 5 – высокоглиноземистые метаморфические и метасоматические породы с телами амфиболитов и плагиоклазитов (метаанортозитов), 6 – тектонические границы по надвигам, 7 – цветными знаками показаны места отбора образцов разных типов пород. Тип-1: а – метаморфические гнейсы и сланцы с графитом; б – амфиболиты; тип-2: в – метасоматические кварцевые породы с повышенным содержанием графита; тип-3: г – кианит-кварцевые жилы с околожильными метасоматитами; тип-4: д – метасоматические кианитовые породы; тип-5: е – анхимономинеральные кварцевые жилы. На врезке показано положение района исследований.

Скачать (454KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фото образцов разных типов пород и содержание солей во включениях рассолов. Тип-1: (а) и (б) – гнейсы и сланцы с графитом, Bt1 и Bt2 – биотит ранней и поздней генерации, (в) – содержание солей в гнейсах и сланцах (желтые треугольники – включения только с NaCl). Тип-2: метасоматические Qz породы с повышенным содержанием графита, (г) – черный полосчатый богатый графитом Ky-Qz бластомилонит, (д) – увеличенный участок бластомилонита, (е) – черно-серый массивный богатый графитом кварцевый метасоматит, (ж) – содержание солей в метасоматических Qz породах, богатых Gt (желтые кружки – включения только с NaCl).

Скачать (921KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фото включений в исследованных типах пород. BR – рассол, H – галит, L – жидкая фаза, V – газовая фаза. Тип-1: (а) – р-включение СО2 с Gt и ps-включения рассола, обр. Б878-4; тип-2: (б) – ps-включения рассола с галитом и ps-включения СО2, обр. Е3-1а; (в) и (г) – ps-включения рассола с галитом ±СО2 и ps-включения СО2, обр. Е1-3б; (д) – ps-включения рассола с галитом и ps-включения СО2, обр. Е5-4; (е) – ps-включения рассола с галитом, СО2, Cal и ps-включения СО2, обр. Е5-4; (ж) – ps-включения CH4 с CnHm и Н2, обр. Е5-4; (з) – p-включения СН4 с CnHm и Gt, обр. К8-а; (и) – p-включение C2H6 c CnHm и CH4, обр. К8-д.

Скачать (740KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фото образцов разных типов пород и содержание солей во включениях рассолов. Тип-3: (а) и (б) – Ky-Qz жила с околожильным метасоматитом и содержание солей (желтые кружки – включения только с NaCl). Тип-4: (в) и (г) – метасоматические Ky породы и содержание солей (желтые кружки – включения только с NaCl). Тип-5: (д) – анхимономинеральная Qz жила, (е) – околожильная зона ~0–5 см, (ж) – содержание солей в Qz жилы (желтые кружки – включения только с NaCl).

Скачать (694KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фото включений в исследованных типах пород. BR – рассол, H – галит, L – жидкая фаза, V – газовая фаза. Тип-3: (а) – ассоциация ps-включенй рассола, рассола с Н и Cal, включений СО2 в Ky-Qz жиле, обр. Б880-6а; (б) – ps-включение СН4 среди включений СО2 в околожильном метасоматите, обр. Б880-6б; (в) – ps-включение СО2 в околожильном метасоматите, обр. Б884-1в. Тип-4: (г) – ps-включения рассола с Н, обр. Б901-6; (д) – p- и ps-включения СО2, обр. Б901-6. Тип-5: (е) – ассоциация ps-включений рассола и включений СО2, рядом группа p-включений СО2, обр. Б926-3.

Скачать (566KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Р-Т условия образования исследованных метаморфических и метасоматических пород гнейсово-сланцевой толщи тектонического покрова Большие Кейвы. Условные обозначения типов пород как на рис. 1. Метаморфические фации: GS – зеленосланцевая, AM – амфиболитовая, GR – гранулитовая, EC – эклогитовая (Bushmin, Glebovitsky, 2016). Прерывистая красная линия – обобщенный Р-Т тренд ретроградного изменения условий образования пород. 1 – область Р-Т параметров (Р ~ 7–6.5 кбар, Т ~ 525–500°C) Ky-Qz жил с околожильными метасоматитами (тип-3) по (Бушмин и др., 2011б); 2 – область декомпрессии (6.8–3.4 кбар при ~500°C) по данным микротермометрии включений СО2 (табл. 3) в Ky-Qz жилах с околожильными метасоматитами (тип-3), Qz-Ky жилах, прожилках и прожилковых зонах (тип-4) и анхимономинеральных Qz жилах (тип-5).

Скачать (134KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Примеры результатов расчета Р-Т параметров методом avPT типичных образцов исследованных типов пород. (а, б) – метаморфические гнейс и сланец; (в, г, д) – метасоматические кварцевые породы с повышенным содержанием графита; (е) – метасоматический Ky кварцит.

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сечение фазовой диаграммы флюидной системы H2O-NaCl-CaCl2-CO2 через вершины Н2О-СО2-отношение солей. ysalt – мольные доли общей солености в четверной системе, yCO2 – мольные доли СО2 в четверной системе. Сольвусы и фазовые поля при T = 560°C, P = 7.5 кбар и xr = 0.75 (отношение мольной доли NaCl к суммарной мольной доле соли). Цифры обозначают области (поля) различного фазового состава: 1 – гомогенный флюид, 2 – две сосуществующие флюидные фазы, 3 – две флюидные фазы, сосуществующие с твердой фазой NaCl (границы обозначены для T = 560°C, P = 7.5 кбар, xr = 0.75 – жирные зеленые линии). Тонкие черные линии соединяют точки сольвуса с одинаковыми активностями воды. a – xsalt = 0.299, b – xsalt = 0.143, c – xsalt = 0.221 – точки максимальной, минимальной и средней солености водно-солевого флюида в обр. Е6, Е5, К8.

Скачать (105KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Относительное присутствие в кварце включений газов (СО2 и СН4) и рассолов (Н2О, соли с учетом мас. % солей) в исследованных типах пород: (а) тип-1, (б) тип-2, (в) тип-3, (г) тип-4, (д) тип-5.

Скачать (96KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Включения в породах типа-2. Серые кружки – водно-солевые составы исследованных флюидных включений в обр. Е3 (а) и Е5, Е6, К8 (б). Цветные символы – составы флюидов исходных включений и соответствующие им составы расслоенных флюидов. Точки, соответствующие составам флюидов исходных включений дополнительно отмечены знаком + того же цвета. Составы модельных флюидов исходных включений (y – мольные доли компонентов в четверной системе H2O-NaCl-CaCl2-CO2), Р-Т параметры, при которых произошло фазовое расслоение: 1. yH2O = 0.719, yCO2 = 0.197, yNaCl = 0.049, yCaCl2 = 0.035, T = 320°C, P = 2 кбар; 2. yH2O = 0.712, yCO2 = 0.205, yNaCl = 0.043, yCaCl2 = 0.040, T =320°C, P = 2 кбар; 3. yH2O = 0.736, yCO2 = 0.184, yNaCl = 0.038, yCaCl2 = 0.042, T = 320°C, P = 2 кбар; 4. yH2O = 0.653, yCO2 = 0.237, yNaCl = 0.090, yCaCl2 = 0.020, T = 500°C, P = 4 кбар; 5. yH2O = 0.614, yCO2 = 0.222, yNaCl = 0.140, yCaCl2 = 0.024, T = 500°C, P = 4.3 кбар; 6. yH2O = 0.522, yCO2 = 0.391, yNaCl = 0.072, yCaCl2 = 0.016, T = 470°C, P = 2 кбар.

Скачать (151KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Включения в породах типа-4. Состав модельного флюида исходного включения: yH2O = 0.734, yCO2 = 0.211, yNaCl = 0.028, yCaCl2 = 0.028. T = 390°C, P = 1.4 кбар. См. также подпись к рис. 10.

Скачать (75KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Фазовые диаграммы флюидов вдоль обобщенного Р-Т тренда ретроградного изменения условий образования исследованных типов метаморфических и метасоматических пород покрова Большие Кейвы. (а) – тип-1, (б) – тип-2, (в) – тип-3, (г) – тип-4, (д) – прерывистая красная линия – обобщенный Р-Т тренд. Жирные синие линии – сольвусы. Обозначения фазовых полей – см. подпись к рис. 8. Незалитые кружки – критические точки сольвусов, в которых активность воды достигает максимального значения, возможного в области гетерогенного флюида. Красные кружки – максимальные мольные доли соли в водно-солевой части флюида для каждого из типов пород. Пунктирная красная линия на рисунке (а) – сольвус для P-T условий пород типа-2. аН2О – активность воды, ρ – плотность флюидных фаз (г/см3).

Скачать (322KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024