Гранулометрический анализ ксенолитов как метод изучения условий формирования интрузивов (на примере архейских массивов Карельского кратона)

Бурдюх Е.В.

Учреждение РАН Институт геологии КарНЦ РАН, Петрозаводск, Россия

burdukh@krc.karelia.ru

Гранулометрический анализ был разработан и широко используется в литологии для изучения генезиса обломочных пород. Вместе с тем, он может быть использован и в петрологии магматических пород.

В основу использования данного метода для изучения магматических комплексов была положена возможность применения закона Стокса (1) для описания движения твердых тел (ксенолитов, кристаллов) в жидкости с высоким коэффициентом вязкости (магме).

Дело в том, что скорость движения () ксенолита в неподвижной вязкой жидкости описывается уравнением (Кокс и др., 1982; Тёркот, Шуберт 1985):

(1)

где ρ_к - плотность вещества ксенолита, ρ_ж - плотность жидкости, r - радиус ксенолита, μ- вязкость жидкости, g – ускорение свободного падения равное 9.8 м/с².

Если совокупность обломков попадет в подвижную среду, то в данном сечении потока будут преобладать ксенолиты, которые движутся с одинаковой скоростью. Следовательно, для них должна выполняться следующая пропорция (Слабунов, 1995):

(2)

где ρ₁, ρ₂ - дефициты плотностей состава 1 и 2 соответственно, r₁, r₂ - радиусы ксенолитов состава 1 и 2 соответственно. Равенство (2) является следствием закона Стокса и его соблюдение указывает на факт плотностной сепарации обломков в динамической среде.

Данный метод применялся (Слабунов, 1995) для изучения условий становления неоархейского санукитоидного батолита (площадь около 6,5 тыс. км² ) Северной Карелии (Бибикова и др., 1997) в северо-восточной части Карельского кратона. Он сложен слаборазгнейсованными диоритами, кварцевыми диоритами, гранодиоритами, плагиогранитами санукитоидной серии.

Породы комплекса содержат многочисленные ксенолиты. По особенностям минерального состава среди последних выделяются: метаультрабазиты, амфиболиты, амфиболовые, эпидот-амфибол-биотитовые, биотитовые сланцы.

В результате гранулометрического анализа ксенолитов батолита был установлено полимодальное распределение их размеров и обратная корреляция между размером и составом, что позволило обосновать факт плотностной сепарации обломков в диоритовой магме. Кроме того был проведен анализ распределения ксенолитов по площади, что позволило оценить динамику движения магмы в камере на поздних стадиях ее существования.

С помощью гранулометрического метода была изучены ксенолиты в гранитах Онежского комплекса (Водлозерского террейна Карельского кратона).

Характерной особенностью пород является средне- и крупнозернистое сложение, иногда порфировидный (рапакивиподобный) облик, наличие реликтовых включений (или ксенолитов) более древних пород (субстрата), в различной степени гранитизированных. Реликты представлены породами тоналит-трондьемитового ряда и амфиболитами (Костин, 1989).

Существует две гипотезы образования данного комплекса: путем магмо-метасоматического замещения субстрата (Костин, 1989) или путем внедрения гранитной магмы (которое сопровождается образованием ксенолитов). В первом случае должна происходить дезинтеграция вмещающих пород без последующего перемещения и сепарации, следовательно распределение размеров фрагментов рамы должно иметь логарифмически-нормальный характер, как это наблюдается, например, в меланже (Слабунов и др., 2007; Бурдюх, 2009). В случае справедливости второй гипотезы распределение размеров ксенолитов должны быть полимодальным.

Гранулометрический анализ включений в граните был проведен на южном береге губы Глубокая Кара Онежского озера. В изученных сечениях они обычно имеют эллипсовидную, сглажено угловатую или угловатую форму. Каждый фрагмент измерялся только в одном произвольном сечении и поэтому размеры охарактеризованы лишь частично. Однако эти параметры, безусловно, имеют прямую функциональную связь с главными характеристиками размеров тел и, следовательно, дают возможность оценить их вариации. У обломков измерялись два параметра: длина (измерение по наиболее длинной оси) и ширина (измерение по наименьшей оси). Измерения проводились с помощью рулетки с точностью до 0.5 см.

Результаты гранулометрических исследований ксенолитов представлены в таблице 1 и на рис.1.

Таблица 1. Линейные размеры и плотности ксенолитов в гранитах Онежского комплекса.

Состав

ксенолитов

Кол-во замеров

Средняя длина (a)

см

Средняя ширина (b)

см

Средний радиус(r=(a+b)/4)

см

Плотность (ρ)

г/см³

Амфиболит

120

28.5

16.0

11.0

3.0

Тоналит-плагиогранит

36.0

26.5

15.5

2.7

Рис.1. Распределение ксенолитов по длине (n - размер выборки).

Полученные данные показывают, что выполняется равенство

(3)

где ρ_ж≈ 2.4 г/см³ - плотность жидкости гранитного состава (Справочник…, 1969).

В тоже время распределение ксенолитов по величине отлично от логарифмически- нормального и имеет бимодальный характер. Первая мода приходится на интервал 10-15 см, вторая на 20-25 см.

Эти данные могут быть аргументом в пользу того, что имела место плотностная сепарация обломков, что в свою очередь указывает на истинность второй гипотезы формирования комплекса гранитов.

Главные выводы:

Гранулометрические характеристики ксенолитов в гранитах Онежского комплекса согласуется с гипотезой о его формировании в результате внедрения магмы в гетерогенную раму.
Гранулометрический анализ может с успехом применяться как метод реконструкции условий становления магматических комплексов, оценки особенностей движения вещества в магматической камере, реологических свойств магмы.

Список литературы

Бибикова Е.В., Слабунов А.И., Кирнозова Т.И., Макаров В.А., Борисова Е.Ю., Кавелич В.И. U-Pb геохронология и петрохимия диорит-плагиогранитного батолита северной Карелии // Геохимия, 1997. №11. С. 1154-1160.

Бурдюх Е.В. Гранулометрический метод изучения генезиса микститов (на примере Гридинского эклогитсодержащего меланжа) / Современная тектонофизика. Методы и результаты. Материалы I молодежной тектонофизической школы-семинара. М.: ИФЗ, 2009. С. 21-26.

Кокс К. Г., Белл Дж. Д., Панкхерст Р. Дж. Интерпретация изверженных горных пород. М.: Недра, 1982. 416 с.

Костин В.А. Гранитоиды и метасоматиты Водлозерского блока. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1989. 162 с.

Слабунов А.И. Ксенолиты как индикаторы движения вещества в магматической камере (на примере архейского батолита Северной Карелии, Балтийский щит) // Геохимия, 1995. №10. С.1506-1511.

Слабунов А.И., Бурдюх Е.В., Бабарина И.И. Гранулометрия и распределение по площади обломочной составляющей гридинского эклогитсодержащего меланжа / Геология и полезные ископаемые Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2007. Вып.10. С.27-34.

Тёкорт Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. Часть.2. М.: Мир, 1985. 360 с.

Справочник физических констант горных пород. М.: Мир, 1969. 544 с.