В последние годы активное изотопно-геохимическое изучение цирконов из пород океанической коры (базальты, габброиды, абиссальные перидотиты) Срединно-Атлантического хребта (САХ) (рис. 1) показало, что наряду с молодыми цирконами, фиксирующими время излияния базальтов, были выявлены и более древние (PR–AR) цирконы [2, 8–11, 16, 18]. Аналогичные группы молодых и древних цирконов были обнаружены нами [5, 6, 15] в базальтах и габбро-долеритах на поднятии Менделеева в Северном Ледовитом океане (СЛО) (рис. 1). Близкий диапазон молодых и древних возрастов характерен также для цирконов из гранитов, драгированных вблизи Северного полюса [7], а также детритовых цирконов из песчаников и из донных осадков на хребте Ломоносова [12] и на поднятии Менделеева [1, 3]. И, наконец, такой же широкий диапазон значений возраста (K1–AR) демонстрируют детритовые цирконы из габбро-долеритов и песчаников, развитых на островах и побережье СЛО [14, 17] (рис. 1).
Цель – разработка критериев дискриминации источников (корового, мантийного или корово-мантийного) древних цирконов из основных магматических пород САХ и СЛО.
Материалы и методы исследования
Цирконы исследовались в двух группах пород: габбро-долеритах (3 пробы) и в песчаниках (7 проб), отобранных при драгировании на поднятии Менделеева СЛО. Подготовка проб цирконов, выделенных из вышеназванных пород, проводилась по методике [5]; U-Pb-анализы выполняли в ЦИИ ВСЕГЕИ на мультиколлекторном вторично-ионном высокоразрешающем масс-спектрометре SHRIMP-II; химический состав внутренних неоднородностей цирконов исследовался в ИМГРЭ с помощью микрорентгеноспектрального анализатора Camebax-microbeam (аналитик И.М. Куликова).
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 2 показаны гистограммы U-Pb возраста цирконов из пород САХ и СЛО, построенные нами по данным цитированных выше авторов. Сравнительный анализ этих гистограмм позволяет выявить следующие общие закономерности:
– для цирконов из базит-гипербазитовых магматических пород, отобранных вдоль САХ (рис. 2, а), характерны следующие максимумы значений U-Pb возраста: 10–30; 200–600; 1500–2000 и более 2500 млн лет;
– для цирконов из основных магматических пород, отобранных с поднятия Менделеева (рис. 2, б), характерны: 100–200; 300–700; 1000–1200; 1500–2000; и 2650–2700 млн лет;
– для цирконов из песчаников, развитых на островах и на побережье СЛО (рис. 2, в): 200–300; 450–700; 1100–1300; 1500–2000; и 2400–2700 млн лет;
– для цирконов из песчаников, отобранных с поднятия Менделеева (рис. 2, г): 100–200; 300–600; 1000–1200; 1500–2000 и более 2500 млн лет.
Рис. 1. Схематическая карта Срединно-Атлантического хребта (СЛО) и Северного Ледовитого океана (СЛО) с районами отбора проб для изотопно-геохимического изучения цирконов [1]
Обобщая полученные данные, можно наметить следующие сквозные максимумы U-Pb датировок цирконов, свойственные всем вышеперечисленным группам пород: 100–200; 400–600; 1000–1200; 1500–2000 и более 2500 млн лет. При этом особое внимание, прежде всего, заслуживают сквозные максимумы древних (PR-AR) значений возраста цирконов, т.е. явно ксеногенных зёрен, захваченных молодыми базит-гипербазитовыми расплавами при их контаминации более древних блоков коры или литосферной мантии.
Широкое развитие древних ксеногенных цирконов в САХ, во-первых, подвергает сомнению традиционные представления о глубинном строении срединных океанических хребтов, а, во-вторых, предполагает наличие под этими хребтами фрагментов либо древней океанской литосферы [10], либо доокеанической коры [11], либо «растащенного» древнего докембрийского субстрата [9], либо блоков нижней континентальной коры в астеносферной мантии [8], либо гетерогенной по возрасту и тектонически расслоённой литосферной мантии [18].Если это так, то литосферная мантия под океанами мало чем отличается по возрасту, а следовательно, и по составу от таковой под континентами. При этом если источниками океанических вулканов можно по-прежнему считать примитивную мантию (или её диплетированные и/или обогащённые резервуары), то постоянное присутствие в этих же вулканитах древних цирконов прямо указывает на признаки возможного смешения этих расплавов с веществом либо древней коры континентов, либо древней океанской литосферы. По нашему мнению, ответ на этот вопрос, в первую очередь, должны дать сами древние цирконы, строение и структура которых, а также особенности их химического состава позволяют с определённой долей вероятности дискриминировать их мантийное или коровое происхождение [19].
Ниже обсуждаются предварительные результаты решения поставленной проблемы на примере базитовых пород и песчаников, драгированных нами в 2012 г. на поднятии Менделеева в СЛО [6]. Морфологически дно СЛО делится на три морфоструктурно обособленных блока: Норвежско-Гренландский, Евразийский и Амеразийский. Первые два блока схожи между собой; по сейсмичности, аномальному магнитному полю и глубинному строению они относятся к океанической плите и рассматриваются как продолжение Северо-Атлантического срединного хребта (хребты Мона, Книповича, Гаккеля). Амеразийский суббассейн разделяется на две морфоструктурные провинции: Центрально-Арктическую область океанских поднятий, (хребет Ломоносова, поднятия Альфа и Менделеева, Чукотское плато и котловины Макарова и Подводников) и Канадскую котловину. Выполненные в последние годы обобщения, в т.ч. новых геолого-геофизических материалов не оставили сомнений в том, что дно Евразийского бассейна имеет под собой кору океанического типа, а хребет Ломоносова и Чукотское плато являются блоками континентальной коры. Что же касается природы поднятия Альфа-Менделеева и Канадской котловины, то она до сих пор остается предметом острых дискуссий.
а 
б
г
Рис. 2. Графики возрастной вероятности U-Pb датировок цирконов: а – из базальтов, габброидов и абиссальных перидотитов САХ [8,11]; б – из габбро-долеритов; в – из песчаников побережья Амеразийского бассейна СЛО [17]; г – из песчаников поднятия Менделеева СЛО
В 2012 г., в ходе экспедиции «Арктика-2012», исследование пород дна СЛО проводилось вдоль центральной части поднятия Менделеева от 77° с.ш. до 83° с.ш. на 7 комплексных полигонах [6]. На двух из них в коренных породах дна на глубинах около 2600 м впервые были пробурены неглубокие скважины, вскрывшие базальты и андезибазальты. Кроме того, на всех полигонах с помощью драги и грейфера было отобрано более 20 тысяч обломков пород разного состава. Среди последних преобладают (63 %) карбонатные породы, в т.ч. доломиты с палеозойской фауной трилобитов и панцирных рыб (D3-C). Далее по распространенности следуют терригенные породы (20 %, с преобладанием кварцевых песчаников), обломки магматических пород составляют 10 % (в т.ч. долериты и габбро-долериты – 8 % и граниты – 2 %); и завершают этот ряд метаморфические породы (6 %).
Плотности встречаемости U-Pb датировок возраста цирконов из габбро-долеритов и из песчаников показаны на гистограммах (рис. 2, б, г).
По морфологии, внешнему облику, а также по внутреннему строению (катодолюминесценция, CL) цирконы из габбро-долеритов и песчаников между молодыми и древними цирконами фиксируются следующие отличия: в группе габбро-долеритов для молодых цирконов характерны: призматическая форма кристаллов, осцилляторная зональность, в CL часто секториальность, отсутствие трещин и большого количества включений (кристаллы могут быть как окатанные, так и преимущественно неокатанные) (рис. 3, а), тогда как для древних характерен удлинённый, удлинённо-призм. и близкие к изометричным формы, часто с наличием ядер на фото в CL, окатанность, наличие большого количества трещинноватости (рис. 3, б). В группе песчаников для молодых цирконов характерны удлинённые, удлинённо-призматические кристаллы, часто с осцилляторной зональностью, часто неокатанные или слабоокатанные без большого количества трещин (рис. 3, в), в то время как для древних цирконов – хорошо окатанные с большим количеством включений, форма, как правило, удлинённо-призматическая (рис. 3, г).
а 
б
г
Для дискриминации возможных источников исследуемых цирконов (коровые, мантийные или корово-мантийные) нами были проведены микрозондовые профильные исследования (от центра к периферии) всех датированных зёрен цирконов в представительных выборках из габбро-долеритов и из песчаников. На рис. 4 показано распределение средних содержаний U, Th (г/т), HfO2, Tr2O3, Y2O3 и P2O5 (масс. %) (в системе центр-край) для молодых и древних цирконов исследуемых пород. Сравнительный анализ этих значений показывает, что в группе габбро-долеритов древние цирконы отличаются от молодых пониженными значениями средних содержаний U и Th и повышеными – остальных элементов (рис. 4, а); в группе же песчаников древние цирконы также характеризуются пониженными значениями U и Th, однако для других элементов за исключением Y2O3 значения средних содержаний равны (рис. 4, б). Реликтовые ядра древних цирконов из песчаников характеризуются относительно более высокими содержаниями в таковых из габбро-долеритов ZrO2, (на 1,44 масс. %), HfO2TR2O3; равными содержаниями P2O5, Th и относительно более низкими содержаниями Y2O3 (в 6 раз), U в 1,8 раз и Pb206* в 10 раз. В древних реликтовых ядрах габбро-долеритов (по сравнению с краями) больше ZrO2, Y2O3, P2O5, меньше HfO2, Tr2O3. При сравнении древних цирконов из габбро-долеритов и песчаников значимые отличия между ними фиксируются более высокими значениями TR2O3 и более низкими (U, Y2O3 и P2O5 песчаниках (рис. 4, в), что соответствует известным дискриминациям [9] цирконов, имеющих соответственно мантийный или коровый источники. Более наглядно это различие проявлено на диаграмме U/Th-Hf [13], где фигуративные точки габбро-базальтов тяготеют к полю мантийных, а песчаников – к полю континентальных пород.
а б в
Рис. 4. Тренды распределения средних содержаний элементов – примесей (U, Th (г/т); HfO2, TR2O3, Y2O3, P2O5 (масс. %)) в древних (1) и молодых (2) цирконах из габбро-долеритов (а) и песчаников (б), а также сравнительная характеристика древних цирконов (в) из песчаников (3) и габбро-долеритов (4) с поднятия Менделеева в СЛО
Выводы, заключение
Выявлены различия между молодыми и древними цирконами по их морфологии, облику, неоднородностям внутреннего строения, а так же по трендам распределения элементов-примесей. Полученные данные рассматриваются нами в качестве предварительных геохимических критериев оценки возможных источников (мантийных или коровых) ксеногенных древних цирконов (в том числе и их ядер) в базит-гипербазитовых породах САХ и СЛО. С целью более надёжной реконструкции первичной природы исследуемых древних цирконов нами предусмотрено на следующем этапе изучение в них изотопного состава гафния в соответствии с рекомендациями [4] и результатами выполненного изучения нами (совместно с Е. Белоусовой) источников цирконов из титан-цирконовых россыпей Австралии (рис. 5).
а 
б
Рис. 5. Диаграмма 176Hf/177Hf – U-Pb возраст (а) и ԐHf цирконов из россыпных месторождений Австралии: 1 – цирконы из гранитоидов (70-75 %SiO2); 2 – цирконы из мафических пород
Рецензенты:
Левченко Е.Н., д.г.-м.н., зав. отделом института, ФГУП ИМГРЭ, г. Москва;
Роговой В.М., д.г.-м.н., старший научный сотрудник, г.н.с., ФГУП ИМГРЭ, г. Москва.
Работа поступила в редакцию 23.08.2013.