Полосчатая железорудная формация кольского полуострова возраст, генезис часть 1

Егоров Д. Г.

Аннотация

На Кольском полуострове рудопроявления полосчатой железорудной формации (ПЖФ) широко распространены в пределах Центрально-Кольского домена. Многочисленные мелкие тела железистых кварцитов еще с работ академика А. А.Полканова (1936) трактуются как метаморфо-метасоматические образования; дискуссию вызывает генезис крупных месторождений района Оленегорска. Оленегорская рудная структура образует вытянутый в северо-западном направлении овал размахом около 20 км и шириной 8-10 км, центр которого сложен серыми плагиогнейсами (тоналитами). По краям этой купольной гранито-гнейсовой структуры залегает рудовмещающая (или продуктивная) толща, относимая к кольской серии. Ее края представлены амфиболитами и амфиболовыми гнейсами, далее к середине зоны – биотитовыми гнейсами, и, наконец, железистыми кварцитами в ассоциации с алюмосиликатными гнейсами

Было проведено U-Pb датирование по акцессорным цирконам и бадделеитам дайковых базитов Кировогорского месторождения (2739±11 и 2738±6 млн. лет – древнейший результат для Балтийского щита), алюмосиликатных гнейсов (лептитов), непосредственно контактирующих с северным рудным телом Кировогорского месторождения (2760±7 млн. лет), и тоналитов, отобранных южнее Печегубского месторождения (2790±20 млн. лет). U-Pb возраст тоналитов в пределах ошибки измерения соответствует Pb-Pb изохроне Герлинга-Хоутерманса, на которой лежат как валовые пробы тоналитов фундамента, так и пробы железистых кварцитов и вмещающих гнейсов (2750±40 млн. лет).

Полученный при датировании основных даек возраст мы интерпретируем как время их внедрения. U-Pb и Pb-Pb датировки тоналитов мы интерпретируем как время диапиризма гнейсовых купольных структур, одновременного процессу позднеархейского метаморфизма Центрально-Кольского блока (2830-2760 млн. лет). По-видимому, с указанным диапиризмом и связаны наблюдаемые в породах кольской серии признаки стресс-сдвигового метаморфизма и тектонического течения.

Предлагается следующая генетическая гипотеза: образование железистых кварцитов железорудной формации Кольского полуострова есть результат стресс-сдвигового метаморфизма первичных высокожелезистых основных вулканитов in situ, при подчиненном значении привноса-выноса вещества в масштабах рудовмещающей кольской серии в целом. Показано, что при стресс-сдвиговом метаморфизме возможно резкое повышение скорости диффузии породообразующих и рудных компонентов. Приводятся результаты компьютерного моделирования образования железистых кварцитов Кольского полуострова на основе систем уравнений “реакция-транспорт” в линейном варианте и с нелинейностями, в одно – и двумерном варианте. Результаты моделирования свидетельствуют, что реальная для исследуемой системы модельная схема геохимической дифференциации может быть реализована как автоволновая распределенная система, что приводит к дифференциации вещества с сегрегацией тел железистых кварцитов.

1. Введение

Докембрийские полосчатые железорудные формации (ПЖФ) – одно из величайших минеральных сокровищ земного шара. Это – главный мировой источник железа (совокупное его количество, содержащееся в ПЖФ, достигает 1021г; Джеймс, Симс, 1975) Важное значение имеют и сопутствующие полезные компоненты, в частности, золото. Текстурно ПЖФ (джеспилиты, железистые кварциты) характеризуются тонкой слоистостью; слои средней мощностью 0.5-3 см слагаются минералами, обогащенными попеременно железом (сидерит, силикаты железа, магнетит, гематит) и кремнием, содержание алюминия и щелочей на порядок ниже соответствующих кларков, а часто близко к нулю.

За последние сто лет было выдвинуто множество генетических гипотез, обосновывающих образование ПЖФ в ходе магматического (Гусельников, 1969), осадочного (James, 1954), вулканогенно-осадочного (Точилин, 1963), метаморфо-метасоматического (Полканов, 1936) и даже космического (Алиев, Савина, 1996) процессов. В настоящее время большая часть исследователей принимает в качестве основного принципа образования ПЖФ химическое осадконакопление. Тем не менее, полученные в последнее время палеоэкологические данные дают, на наш взгляд, основания для пересмотра генетических воззрений по крайней мере для архейских ПЖФ: исследованиями по изотопной систематике серы (Hattori et al, 1983) и углерода (Melezhik, Fallick, 1996) установлено резкое увеличение содержания кислорода в атмосфере с первых процентов до современного на рубеже 2200 млн. лет. Общее количество кислорода в современной атмосфере (вместе с кислородом, растворенным в морской воде) составляет 1.5 * 1021г (Барабанов, 1985). С учетом того, что большая часть железа в докембрийских ПЖФ содержится в окисленной форме, количество кислорода, которое должно было быть связано в нижнем протерозое в ходе накопления железистых осадков с переходом двухвалентного железа в магнетит и гематит, составляет порядка 1020г. Это значит, что до рубежа 2200 млн. лет назад в атмосфере и гидросфере Земли просто не было такого количества кислорода, которое могло бы обеспечить отложение ПЖФ. Геохронологические исследования ПЖФ подтверждают этот вывод: все месторождения-супергиганты, заключающие в себе, по-видимому, более 90% запасов железных руд в ПЖФ, образовались в нижнем протерозое, в течение относительно узкого интервала 2200-1900 млн. лет назад. Это – месторождения районов Кривого Рога и Курска в России, в Канаде – формации Лабрадора и оз. Верхнее, Трансвааль супергрупп в ЮАР; все они, по-видимому, действительно являются первично-осадочными ПЖФ. Исключением является супергигантское месторождение ПЖФ Хаммерсли в Австралии с возрастом 2450 млн. лет; однако проведенные в последние годы исследования (Barley et al, 1997) ставят под сомнение его хемогенно-осадочный генезис.

На Кольском полуострове рудопроявления ПЖФ широко распространены в пределах Центрально-Кольского домена (Mitrofanov, 1995), встречены они и в разрезе Кольской сверхглубокой (Казанский, Лобанов, 1996). Многочисленные мелкие тела железистых кварцитов еще с работ академика А. А.Полканова (1936) трактуются как метаморфо-метасоматические образования; дискуссию вызывает генезис крупных месторождений района Оленегорска. В данной работе мы представляем новые данные по геохронологии Кольской ПЖФ, и формулируем оригинальную концепцию ее генезиса.

2. Геологическое строение Оленегорской рудной структуры

Морфологически Оленегорская рудная структура (рис. 1) образует вытянутый в северо-западном направлении овал размахом около 20 км и шириной 8-10 км, центр которого сложен серыми плагиогнейсами (тоналитами). По краям этой купольной гранито-гнейсовой структуры залегает рудовмещающая (или продуктивная) толща, относимая к кольской серии. Ее края представлены амфиболитами и амфиболовыми гнейсами, далее к середине зоны – биотитовыми гнейсами, и, наконец, железистыми кварцитами в ассоциации с алюмосиликатными (мусковит-биотитовыми, ± силлиманит) гнейсами. Как в рудовмещающей толще, так и собственно в ПЖФ широко распространены признаки тектонического течения. Это структуры типа «снежного кома» в мегакристаллах, динамосланцы-тектониты, вихревые складки волочения (Никитин, 1988).

Железистые кварциты залегают в виде линз: либо в виде линзовых ассоциаций, образующих сложную иерархическую структуру, как на Кировогорском месторождении, либо одной большой, как Оленегорское или Комсомольское месторождения (при этом различные части рудных линз Оленегорского и Комсомольского месторождений контактируют с разными литологическими типами пород, что говорит об их дискордантном залегании). В рудных телах наблюдается зональность: концентрация железа, как правило, снижается от центра к краю. Закономерность эта не является универсальной, и в ряде случаев наблюдается контакт магнетит-гематитовых зон с высоким содержанием железа в руде непосредственно с вмещающими породами. Однако на контакте с железистыми кварцитами почти всегда наблюдаются алюмосиликатные кислые гнейсы: так, из 400 разрезов скважин Кировогорского месторождения закономерность эта выдерживается в 97 %. Эта общая закономерность: железистый кварцит® алюмосиликатный гнейс® биотитовый гнейс – соблюдается достаточно строго.

3. Результаты изотопного датирования ПЖФ Кольского полуострова

Нами были проведены U-Pb исследования по акцессорным цирконам, бадделеиту и апатиту дайковых базитов Кировогорского месторождения (рис. 1). Для исследования были отобраны пробы из двух даек габбро-норитового состава (Е-31 – 120 кг; KГ-96-8 – 80 кг), секущих соответственно южное и северное рудные тела Кировогорского месторождения. Простирание даек СЗ 3400, мощность тел около 10 м.

Методика U-Pb исследований описана ранее (Баянова и др., 1994). Расчет координат точек и параметры изохрон обсчитывались по программам К. Людвига (Ludwig, 1991a, b). Вычисление возрастов проведено по принятым величинам констант распада урана (Steiger, Jger, 1977), ошибки даны на уровне 2б.

Нами были изучены четыре фракции цирконов и апатит из дайки Е-31, а также три фракции цирконов и бадделеит из дайки KГ-96-8. Построенные в результате дискордии имеют верхние пересечения с конкордией, равные 2739±11 и 2738±6 млн. лет, а также идентичные в пределах ошибки измерений нижние пересечения (рис. 2, табл. 1). Цирконы, расположенные на диаграмме дискордантно (пр. 4: Е-31; пр. 3: КГ-96-8), характеризуются неправильным обломочным габитусом и более низким отношением 206Pb/204Pb (табл. 1).

Другие исследованные фракции характеризуются дипирамидально-призматическим обликом, хорошей сохранностью граней; в иммерсии наблюдается первичная тонкая магматическая зональность (рис. 3).

Также были проведены U-Pb исследования акцессорных цирконов (рис. 4, табл. 1) из алюмосиликатных гнейсов (лептитов), непосредственно контактирующих с северным рудным телом Кировогорского месторождения (2760±7 млн. лет), и из тоналитов (2790±20 млн. лет), отобранных южнее Печегубского месторождения (рис. 1).

Этот U-Pb возраст тоналитов в пределах ошибки измерения соответствует Pb-Pb изохроне Герлинга-Хоутерманса (рис. 5), на которой лежат как валовые пробы тоналитов фундамента, так и пробы железистых кварцитов и вмещающих гнейсов (2750±40 млн. лет).

4. Обсуждение результатов

Полученный при датировании основных даек возраст мы интерпретируем как время их внедрения (нижние пересечения соответствуют, по-видимому, времени внедрения щелочных массивов Хибин и Ловозера).

U-Pb и Pb-Pb датировки тоналитов мы интерпретируем как время диапиризма гнейсовых купольных структур, одновременного процессу позднеархейского метаморфизма Центрально-Кольского блока (2830-2760 млн. лет; Mitrofanov, 1995). По-видимому, с указанным диапиризмом и связаны наблюдаемые в породах кольской серии признаки тектонического течения. Альтернативной гипотезе о связи тектонического течения пород кольской серии со сдвигами северо-западного простирания противоречит согласное с породами гнейсового купола северо-восточное простирание пород формации в юго-восточном фланге Оленегорской структуры (см. рис. 1). Так как датированные нами основные дайки не несут на себе признаков деформаций, на рубеже 2740 млн. лет этот процесс уже закончился.

Положение на одной Pb-Pb изохроне валовых проб тоналитов фундамента, галенита и карбоната из железистых кварцитов и плагиоклаза из алюмосиликатных гнейсов говорит о том, что на время 2790-2760 млн. лет все эти породы имели идентичный изотопный состав свинца, и является аргументом в пользу наличия у всех них единого протолита (в этом случае гнейсовые купола есть продукт региональной гранитизации, а породно-рудная ассоциация продуктивной толщи – следствие метаморфо-метасоматической дифференциации протолита). В то же время диопсид из железистых кварцитов Оленегорского месторождения, который, естественно, имеет тот же возраст, как и сами тела железистых кварцитов, лежит ниже изохроны (см. рис. 5). Этот факт не может быть объяснен с позиции осадочной гипотезы (ибо в этом случае единая линза железистых кварцитов должна иметь 2 значимо различающихся по mPb источника, что маловероятно), в то время как при метаморфо-метасоматическом воздействии весьма вероятна контаминация преобразуемых пород свинцом (который, как несовместимый элемент, будет преимущественно выноситься из нижележащих пород). Тогда более примитивный изотопный состав диопсида можно рассматривать как реликт протолита, что подтверждается нахождением его на одной эрохроне со свинцом плагиоклазов, выделенных из амфиболитов (т. е. предполагаемого протолита).

U-Pb возраст, полученный при исследовании алюмосиликатных гнейсов (2760±7 млн. лет), также соответствует позднеархейскому метаморфизму. По нашему мнению, эта датировка близка к возрасту первичного образования этих, непосредственно вмещающих железистые кварциты пород: в них не найдены более древние цирконы. Кроме того, рассчитанное по измеренным изотопным отношениям рубидия и стронция в алюмосиликатных гнейсах Кировогорского месторождения для возраста 2760 млн. лет начальное отношение (87Sr/86Sr)0=0.7016±0.0004 свидетельствует об отсутствии у исследуемого вещества длительной коровой предыстории.

5. Концепция генезиса ПЖФ Кольского полуострова

В пользу метаморфо-метасоматической концепции генезиса Кольской ПЖФ имеются не только изотопные данные. Так, текстуры железистых кварцитов Оленегорской структуры только внешне напоминают осадочные, их полосчатость – метаморфическая, образована метаморфическими минералами (магнетитом и кварцем), которые секут пироксены и амфиболы (последовательность минералообразования в железистых кварцитах соответствует ряду: диопсид ® актинолит ® магнетит; рис. 6). Сторонники осадочной концепции генезиса железистых кварцитов могут предполагать, что эта метаморфическая полосчатость наследует раннюю осадочную, однако это предположение применительно к Кольской ПЖФ никому еще обосновать каким-либо фактическим материалом не удалось. Осадочной концепции противоречит секущее залегание крупных линз железистых кварцитов относительно вмещающих пород, а также наличие внешней зональности у большинства рудных линз: рудные тела окаймляются пересыщенными алюминием гнейсами, с переходом в биотитовые и, далее, в амфиболиты; в гипотетическом осадочном процессе должна присутствовать в этом случае поистине мистическая упорядоченность осадкоотложения.

В настоящей работе мы предлагаем следующую гипотезу: образование железистых кварцитов железорудной формации Кольского полуострова есть результат стресс-сдвигового метаморфизма первичных высокожелезистых основных вулканитов in situ, при подчиненном значении привноса-выноса вещества в масштабах рудовмещающей кольской серии в целом. От предлагаемых ранее метасоматических концепций генезиса данная отличается в первую очередь предполагаемым источником рудного вещества. В.

В.Ждановым и Т. П.Малковой (1974) выдвигалась гипотеза масштабного мантийного метасоматоза, однако этой концепции противоречат полученные нами совместно с И. Л.Каменским и С. В.Икорским данные по изотопному составу гелия в магнетитах и кварце железистых кварцитов: отношение 3He/4He в них »2*10-7, что соответствует 1% мантийной компоненты во флюиде (Верховский, Шуколюков, 1991).

Петрохимические данные также свидетельствуют, что железо при сегрегации рудных тел могло быть мобилизовано из вмещающих пород (первичных амфиболитов), преобразованных в результате в маложелезистые гнейсы. Рассмотрим идеализированный петрохимический разрез железорудной формации Кольского полуострова, представленный в виде вариаций содержаний элементов относительно состава амфиболита (рис. 7): породообразующие элементы в железистых кварцитах и вмещающих их гнейсах имеют противоположные знаки вариаций относительно состава амфиболита, и образуют закономерный петрохимический тренд. Петрохимически составу амфиболита в первом приближении соответствуют 1 часть железистого кварцита и 3 части алюмосиликатного гнейса. Масс-балансовые пересчеты (Егоров, 1994) показывают, что при переходе от амфиболита к гнейсо-железорудной ассоциации наблюдается незначительный привнос в первую очередь кремния (а не железа), при выносе кальция и магния, что соответствует процессу метаморфической гранитизации.

Как биотитовые, так и алюмосиликатные гнейсы в разном количестве содержат реликты и резисторы меланократового субстрата: основные ядра в плагиоклазах, темные пятна реликтовой роговой обманки, эпидот-сфеновые скопления (Горяинов, 1989; Жданов, Малкова, 1974). Среди железистых кварцитов также встречаются реликты основных пород и гнейсов (Михайлов, 1986).

Однако каков мог быть конкретный механизм процесса? Если предполагать рециклинговую инфильтрационную систему, то требуется, чтобы она возникала для каждой отдельной линзы (ибо фактически каждая линза обладает зональностью), и непонятно, какой геологический процесс мог создать многопорядковый упорядоченный рециклинг. В то же время предположение о межзерновой диффузии как ведущем генетическом процессе метаморфо-метасоматической дифференциации наталкивается на ограничения, связанные с ее малой скоростью. Так, согласно последним экспериментальным данным, полученным в Институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН (Основные…, 1996), порядок коэффициентов межзерновой диффузии компонентов D составляет 10-16 м2/с. Такие величины D допускают метаморфическую дифференциацию, исчисляемую масштабами менее метра, в нашем же случае мы имеем дело с линзами мощностью до сотен метров, что требует увеличения D минимум на 6-10 десятичных порядков.

Физические процессы, при которых резко увеличивается скорость переноса вещества, действительно существуют. Как показано в последних работах по трибохимии (Ениколопян и др., 1986), при высоком давлении в сочетании с деформацией сдвига:

1. “Коэффициенты” диффузии (кавычки поставлены ввиду того, что перенос вещества в стресс-сдвиговых процессах не является, строго говоря, диффузионным) растут на 10-15 десятичных порядков по сравнению с таковыми в твердом теле без применения давления и сдвига.

2. Скорости химических реакций растут на 3-8 десятичных порядков по сравнению с жидкой фазой.

3. Все процессы протекают без энергии активации.

Эти данные находят объяснение с позиций теории атом-вакансионных состояний (АВС), развитой в работах академика В. Е. Панина (Панин и др., 1982). Основным отличием жидкости от кристалла является ее сдвиговая неустойчивость, в то время как в кристаллах динамические смещения атомов из узлов решетки невелики, а энергия образования дефектов значительна. Однако в кристалле специальным воздействием (легированием, или приложением механических, тепловых, электрических полей) можно вызвать сильные статистические смещения атомов из узлов решетки. При определенном уровне таких смещений кристалл переходит в двухфазное состояние: с областями высокой концентрации дефектов, чередующихся с малоискаженной кристаллической фазой.

Такое двухфазное равновесие термодинамически выгоднее, чем однородноискаженный кристалл. Потоки таких дефектов осуществляют массоперенос, на порядки превышающий скорость перескоковой диффузии. Состояние вещества при этом подобно аморфно-кристаллической плазме, пластическое течение в зоне стесненной деформации часто носит типично турбулентный характер с образованием вихрей. Наиболее разнообразные сочетания факторов, приводящих к появлению АВС-эффектов, реализуются в тектонических процессах. В работах исследователей-геологов данная теория использована для объяснения генезиса метаморфической полосчатости (Летников, 1992), процессов при тектогенезе (Чиков, 1992).