Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ЛАНТАНОИДНЫЙ ТЕТРАДНЫЙ ЭФФЕКТ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРИМЕРЕ ЮЖНО-ЯКУТИНСКОЙ ВУЛКАНО-ТЕКТОНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ (ПРИМОРЬЕ, ДАЛЬНИЙ ВОСТОК РОССИИ)

Гребенникова А.А. 1 Кузьмина Т.В. 1
1 Дальневосточный геологический институт ДВО РАН
Выявление тетрад-эффекта в магматических образованиях, несомненно, имеет ряд петрологических следствий, поскольку он связан с характерными аномальными параметрами флюидного режима в магматических системах, обогащенных летучими компонентами, в первую очередь F, H, B, CO, P и Cl. Воздействие высокотемпературных флюидов на гомогенный гранитоидный расплав вызывает его гетерогенизацию и образование флюидонасыщенных расплавов, что приводит к перераспределению лантаноидов между несмесимыми жидкими фазами магмы и появлению тетрад-эффектов. «Тетрадный эффект» в различных геологических образованиях является одним из показателей рудогенерирующей способности магматических сред, поскольку, в частности, фторкомплексы служат важными переносчиками ряда рудообразующих элементов при формировании рудных гидротермальных месторождений - Sn, W, Mo, Be, Ta, Nb, Li и РЗ. Палеоценовые породы Южно-Якутинской вулкано-тектонической структуры (ВТС) Сихотэ-Алиня сложены кремнекислыми экструзивно-лавовыми и пирокластическими образованиями. Широкое развитие игнимбритов, развитие флюидальных и сферолитовых текстур в вулканических породах, наличие газовых полостей и миароловых пустот в лавах и сферолоидах свидетельствуют о насыщенности летучими компонентами исходных магм. Все это указывает на аномальные параметры флюидного режима в магматических расплавах. Следует отметить, что на прилегающих к ВТС площадях локализованы золото-серебряные и бериллиевые с флюоритом рудопроявления, а в пределах вулканитов самой ВТС отмечается повсеместная флюоритовая минерализация. В данной работе рассматривается наличие тетрад-эффекта в породах Южно-Якутинской ВТС как следствие флюидизации первичных магматических расплавов. Наиболее дифференцированные высококремнеземистые породы характеризуются самыми значимыми величинами тетрадного эффекта, в то время как в «низкокремнеземистых» величины ТЕ1-3 менее выражены, но представляют собой наиболее F-обогащенные породы. Умеренные концентрации F в рассматриваемых риолитах не характеризуют его истинное начальное содержание. Фтор на поздней стадии перераспределяется исключительно во флюидную фазу, обедняя расплав по мере снижения температуры и концентрирования F в кристаллизующихся фторсодержащих минералах, что подтверждают экспериментальные исследования.
Южно-Якутинская ВТС
лантаноидный тетрадный эффект
риолиты
палеоцен
Сихотэ-Алинь
1. Kemkin I.V., Kemkina R.A. Comparative geochemical study of the cherty rocks of the Taukha terrane (Sikhote-Alin) and its paleogeodynamic significance. Acta geochimica. 2019. DOI: 10.1007/s11631-019-00385-3.
2. Кемкин И.В. Геохимическая характеристика кремниевых пород разновозрастных тектоно-стратиграфических комплексов Таухинского террейна (Сихотэ-Алинь): История дрейфа и динамика движения Палеотихоокеанской плиты // Успехи современного естествознания. 2019. № 6. С. 125–137.
3. Гребенников А.В., Максимов С.О. Причины появления вулканических пород А-типа на активных окраинах континентов на примере Южного Сихотэ-Алиня (Дальний Восток России) // Геология и геофизика. 2020. [Электронный ресурс]. URL: https://www.sibran.ru/journals/issue.php?ARTICLE_ID=178370 (дата обращения: 15.03.2020) DOI: 10.15372/GiG2020114.
4. Гребенников А.В., Попов В.К. Петрогеохимические аспекты позднемелового и палеогенового игнимбритового вулканизма Восточного Сихотэ-Алиня // Тихоокеанская геология. 2014. Т. 33. № 1. С. 41–57.
5. Grebennikov, A.V., Khanchuk, A.I., Gonevchuk, V.G., Kovalenko, S.V., 2016. Cretaceous and Paleogene granitoid suites of the Sikhote-Alin area (Far East Russia): geochemistry and tectonic implications. Lithos. 2016. Vol. 261. P. 250–261. DOI: 10.1016/j.lithos.2015.12.020.
6. Гребенников А.В. Гранитоиды А-типа: проблемы диагностики, формирования и систематики // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 9. С. 1356–1373.
7. Martynov Yu.A., Khanchuk A.I., Grebennikov A.V., Chashchin A.A., Popov V.K. Late Mesozoic and Cenozoic volcanism of the East Sikhote-Alin area (Russian Far East): A new synthesis of geological and petrological data. Gondwana research. 2017. Vol. 47. P. 358–371. DOI: 10.1016/j.gr.2017.01.005.
8. Коваленко А.П., Журавлев В.Н., Коваленко Р.А. О бертрандитовой минерализации в молодых вулканогенных образованиях // Геология рудных месторождений. 1968. Т. 10. № 5. С. 87–90.
9. Irber W. The lanthanide tetrad effect and its correlation with K/Rb, Eu/Eu*, Sr/Eu, Y/Ho and Zr/Hf of evolving peraluminus granite suites. Geochimica et cosmochimica acta. 1999. Vol. 63. P. 489–508. DOI: 10.1016/S0016-7037(99)00027-7.
10. Гусев А.И. Петрология, геохимия и рудоносность анорогенных гранитоидов шибеликского комплекса Горного Алтая // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. № 6. С. 71–82.
11. Jahn B.-M., Wu F., Capdevila R., Martineau F., Zhao Z., Wang Y. Highly evolved juvenile granites with tetrad REE patterns: the Woduhe and Baerzhe granites from the Great Xing’an Mountains in NE China. Lithos. 2001. V. 59. P. 171–198.
12. Коренева В.Н., Зарайский Г.П., Граменицкий Е.Н. Экспериментальное изучение фазовых соотношений в системе Na-Al-Si-O-F-H2O при Т = 800 °С и Р = 1 кбар, в зависимости от концентрации воды // Экспериментальная минералогия. 2004. Т. 2. С. 125–134.
13. Перетяжко И.С., Савина Е.А. Тетрад-эффекты в спектрах распределения редкоземельных элементов гранитоидных пород как индикатор процессов фторидно-силикатной жидкостной несмесимости в магматических системах // Петрология. 2010. Т. 18. № 5. С. 536–566.
14. Гусев А.И., Гусева А.А. Тетрадный эффект фракционирования редкоземельных элементов и его использование в решении проблем петрологии гранитоидов // Успехи современного естествознания. 2011. № 5. С. 45–49.
15. Гвоздев В.И., Гребенникова А.А., Вах А.С., Горячев Н.А., Федосеев Д.Г. Эволюция процессов минерало-образования при формировании золото-редкометалльных руд Средне-Голготайского месторождения (Восточное Забайкалье) // Тихоокеанская геология. 2020. Т. 39. № 1. С. 70–91. DOI: 10.30911/0207-4028-2020-39-1-70-91.
16. Manning D.A.C. The effect of fluorine on liquidus phase relationship in the system Qz-Ab-Or with excess water at 1 kb. Contributions to mineralogy and petrology. 1981. Vol. 76. P. 206–215.
17. Jahn B.-M., Valui G., Kruk N., Gonevchuk V., Usuki M., Wu J.T.J. Emplacement ages, geochemical and Sr–Nd–Hf isotopic characterization of Mesozoic to early Cenozoic granitoids of the Sikhote-Alin Orogenic Belt, Russian Far East: crustal growth and regional tectonic evolution. Journal of asian earth sciences. 2015. Vol. 111. P. 872–918.

Объектом исследования являются экструзивно-лавовые и пирокластические образования Южно-Якутинской вулкано-тектонической структуры (ВТС), расположенной в пределах южной части Восточного Сихотэ-Алиня в Кавалеровском рудном районе (~N 44 °17', E 135 °17'). Структура морфологически представляет собой вулканический массив депрессионного типа практически округлой формы, достигающий в поперечнике 14 км. Вмещающими породами служат образования Горбушинского субтеррейна - фрагмента раннемеловой неокомской аккреционной призмы Таухинского террейна. Они представлены многократно повторяющимся разрезом кремнистых пород с остатками триасово-юрских микрофоссилий, согласно перекрытых преимущественно берриас-валанжинскими песчаниковыми турбидитами. [1, 2]. Новые изотопно-геохимические данные для вулканических комплексов Южно-Якутинской ВТС свидетельствуют об их образовании на границе палеоцен-эоцена: 54,3 ± 2,9 млн лет [3]. В ряде работ было показано, что раннепалеогеновый магматический комплекс в пределах Сихотэ-Алиня (богопольский вулканический и якутинский плутонический комплекс) объединяет горные породы особого минерало-геохимического состава, которые резко отличаются от таковых предшествующего и последующего этапов магматизма. Этот комплекс характеризуется высокодифференцированным составом обогащенных летучими компонентами исходных магм и принадлежностью к магматическим породам A-типа [4–7].

Линейно-концентрические интрузивные тела Южно-Якутинской вулкано-тектонической структуры (ВТС) подчеркивают внутреннюю структуру изометрических кальдер обрушения и трещинный (по кольцевым сбросам) тип извержений. Широкое развитие пирокластических образований, развитие флюидальных и сферолитовых текстур в вулканических породах, наличие газовых полостей и миароловых пустот в лавах и центральных частях сферолоидов свидетельствуют о насыщенности исходных магм летучими компонентами. Южно-Якутинская ВТС относится к типу открытых магматических систем, в которой развитие игнимбритообразующего очага завершается взрывом и выбросом на поверхность магматической и газовой компонент. Субвулканические и экструзивные тела заключительных стадий магматизма относятся к типу условно закрытых (переходных) систем, где четко проявлены процессы близповерхностной дифференциации, отделения летучих компонентов и автометасоматическое изменение пород. Повышение кремнекислотности расплавов с одновременным накоплением щелочей, магмофильных: B, F и рудных компонентов, вплоть до появления аномальных высококремнистых, ультракалиевых риолитов, может быть обусловлено фильтрацией флюидов, связанной с быстрой потерей летучих компонентов в результате быстрого подъема магмы к земной поверхности. Логичным продолжением эволюции магматической системы является появление в постмагматический этап гидротермальных растворов – производных остывающего очага кислой магмы, обусловивших проявления различного типа минерализации в пределах ВТС. Необходимо отметить, что в прилегающих районах исследованной территории локализована золото-серебряная и бериллиевая с флюоритом минерализация [8].

Цель настоящего исследования состоит в выявлении лантаноидного тетраэдного эффекта в зависимости от содержаний флюидного компонента (F) на примере экструзивно-лавовых и пирокластических образований Южно-Якутинской ВТС.

Материалы и методы исследования

Определение содержания фтор-иона в горных породах выполнено ионометрическим методом с использованием фторид-селективного электрода. Этот метод обладает высокой специфичностью к ионам фтора, прост в обращении, надежен и позволяет определять фторид-ион с чувствительностью от 0,05 мг/мл. Особенностью используемой методики является осаждение мешающих элементов (Al, Th, Be, РЗЭ и др.) с малорастворимыми соединениями двухвалентного железа при рН = 8,5–9,5. Пробы предварительно сплавляли с KNaCO3 при температуре 850 °С и выщелачивали горячей дистиллированной водой. Аликвоты фильтрата (25 см3) нейтрализовали HCl (1:1) по метиловому оранжевому с последующим добавлением ацетатного буферного раствора для установления необходимого рН 5,5. Растворы доводили дистиллированной водой до метки в мерных колбах вместимостью 50 см3. Концентрацию фторид-иона выполняли измерением ЭДС ячейки, составленной из фторидного ЭЛИТ 221 и вспомогательного хлор-серебряного ЭВЛ-1М3.1 электродов на иономере «IONOMETER I-500», Россия. Содержание F– определяли по градуировочному графику. Достоверность полученных результатов анализа на содержание фтор-иона подтверждена анализом стандартных образцов состава (ДВД-1, СГД-2А, ДВМ) и методом добавок известных концентраций фторид-иона в анализируемые растворы.

Результаты исследования и их обсуждение

Поведение микроэлементов в геохимических системах и их интерпретация основаны на фундаментальных параметрах: изовалентные микроэлементы с равными или очень сходными ионными радиусами должны оставаться тесно связанными в геологических процессах. Если нарушается геологическая система, то происходит прерывание когерентности «парных» элементов и появляется лантаноидный тетрадный эффект фракционирования РЗЭ. Это явление связано с нарушением формы спектра нормированных по хондриту содержаний редкоземельных элементов, выраженных в разделении всего спектра из 15 элементов на 4 группы (тетрады) с образованием зигзагообразной кривой: 1: La-Ce-Pr-Nd; 2: Pr-Sm-Eu-Gd; 3: Gd-Tb-Dy-Ho; и 4: Er-Tm-Yb–Lu. Для количественного определения тетрадного эффекта в настоящий момент используют только первую (TE1) и третью (TE3) тетрады. Вторая тетрада (Pr–Gd) малозаметна в связи как с отсутствием в природе Pr, так и с исключительным поведением Eu2+ при низкой кислородной летучести и высоких температурах в магматических системах. Четвертая тетрада (Er–Lu) в основном является слабо развитой [9]. Лантаноидный тетрадный эффект впервые был установлен экспериментально при изучении экстракции редкоземельных элементов в системах водных фаз. Позднее он был отмечен как в магматических породах, так и в отложениях гидротермальных флюидов [10]. Существуют два различных типа тетрадных эффектов (M и W), относящихся к кривым REE с изогнутыми вверх и вниз линиями каждой тетрады соответственно. В гранитах известен только M-тип, в то время как W-тип типичен для жидких фторидных фаз, отделяющихся от силикатных расплавов и/или минералов поздних стадий кристаллизации. Оба типа производны друг от друга и по определению являются зеркальными. Тетрад-эффект считается значимым при ТЕ1-3 < 0,9 (W-тип) и ТЕ1-3 > 1,1 (M-тип).

Данный эффект часто сопровождается другим модифицированным, так называемым не заряд-радиус-контролируемым (non-CHARAC) геохимическим поведением многих микроэлементов. «Чистые» силикатные расплавы характеризуются соответствием поведения заряд-радиусных характеристик микроэлементов, поэтому элементы с одинаковыми зарядом и радиусом демонстрируют согласованное поведение и сохраняют когерентность элементов, нормированных к хондриту, а нормированные графики (спайдер-диаграммы) представляют собой плавные функции ионных радиусов и атомных номеров. Высокодифференцированные составы магм, богатые такими компонентами, как H2O, Li, B, F, P и/или Cl [11], часто имеют некогерентное поведение REE типа non-CHARAC и нехондритовые соотношения Y/Ho, La/Nb и Zr/Hf.

На примере редкоземельного состава пород Южно-Якутинской структуры нами рассчитаны значения тетрадного эффекта фракционирования РЗЭ и построены спайдер-диаграммы (таблица, рисунок). Значительные показатели тетрадного эффекта установлены в наиболее дифференцированных высококремнеземистых породах, в то время как показатель ТЕ1-3 имеет меньшие величины в «низкокремнеземистых разностях», но при этом в F-обогащенных породах. В то же время оба типа пород Южно-Якутинской ВТС не характеризуются аномальными величинами содержания F (таблица).

Как известно, содержание F может быть достаточно низким в магматических породах, но это не соответствует его действительному содержанию в первичных расплавах. Даже небольшое количество F заметно влияет на минеральные равновесия и существенно мобилизует целый ряд редкометалльных элементов. На поздней стадии F перераспределяется исключительно во флюидную фазу, обедняя расплав по мере снижения температуры, и концентрируется в кристаллизующихся F-содержащих минералах [12].

В дальнейшем возможны разделение фторидных и силикатных расплавов в магматических очагах, внедрение силикатных расплавов во вмещающие породы и образование интрузивных, субвулканических или эффузивных пород с тетрад-эффектами M-типа в спектрах РЗЭ [13]. Как известно, F-комплексы являются важными переносчиками ряда элементов при формировании рудных гидротермальных месторождений – Sn, W, Mo, Ta, Nb, Li, РЗЭ и Au и Be [14, 15].

Согласно данным [16] обогащение системы F смещает эвтектические и котектические отношения кислого расплава в менее кремнекислотную область, богатую щелочами, подтверждая природный феномен Южно-Якутинской ВТС.

Одним из следствий полученных результатов является наблюдаемое значительное уменьшение концентраций Zr в высокодифференцированных порциях «высококремнеземистых» расплавов. В подобных случаях использование Zr в качестве одного из элементов дискриминантных диаграмм для выявления геодинамических обстановок проявлений магматических комплексов может привести к их ошибочной интерпретации [17]. В тех случаях, когда взаимодействие расплав-флюид вызывает тетрадный эффект и «нехарактерное» поведение микроэлементов, их тектоническая интерпретация не может быть корректной.

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Приведенные материалы показывают наличие лантаноидного тетрадного эффекта M-типа в риолитах Южно-Якутинской ВТС.

2. Выявленный тетрадный эффект подтверждает факт эволюции магматической системы Южно-Якутинской ВТС в условиях аномального флюидного режима, что в свою очередь приводит к значительному перераспределению РЗЭ.

Микроэлементный состав (г/т) вулканических пород Южно-Якутинской ВТС

 

«Низкокремнеземистые»

риолиты

«Высококремнеземистые»

риолиты

F

51

85

643

104

64

272

172

186

61

Zr

124,73

108,14

276,12

171,16

217,47

187,08

106,05

148,24

244,24

La

16,38

21,82

39,74

40,01

9,39

10,96

15,86

12,95

33,41

Ce

47,08

66,63

78,83

63,63

61,68

74,38

62,13

53,18

73,93

Pr

3,73

5,67

9,29

8,54

3,03

2,79

4,19

3,52

7,83

Nd

12,98

18,24

33,21

30,53

12,99

9,89

15,47

13,45

27,84

Sm

3,16

4,82

7,69

6,25

3,97

2,76

4,76

3,75

5,95

Eu

0,36

0,48

0,90

0,74

0,44

0,09

0,14

0,15

0,62

Gd

2,75

3,27

5,80

5,06

3,34

2,32

4,72

3,23

4,02

Tb

0,52

0,59

1,01

0,92

0,72

0,45

1,04

0,71

0,70

Dy

4,47

4,77

6,77

5,65

4,87

3,48

8,13

5,61

4,80

Ho

0,91

0,85

1,20

1,02

0,93

0,65

1,48

1,27

0,86

Er

3,18

2,91

3,86

3,49

3,31

2,29

4,70

4,36

2,57

Tm

0,46

0,49

0,52

0,50

0,49

0,39

0,69

0,65

0,42

Yb

3,07

3,18

3,62

2,95

2,85

2,38

3,84

3,89

2,15

Lu

0,50

0,54

0,57

0,53

0,51

0,39

0,63

0,59

0,38

Hf

5,31

5,84

5,46

5,53

5,62

5,03

5,33

5,83

6,24

Ta

1,00

1,17

1,35

1,14

1,05

0,92

1,39

1,42

1,29

Pb

23,47

24,14

24,85

23,04

11,10

43,80

36,36

26,24

29,20

Th

17,30

17,63

18,51

18,46

12,24

14,38

17,11

17,60

15,92

U

3,68

3,63

3,79

3,87

2,29

2,42

4,09

3,88

3,32

TE1,3

1,16

1,23

1,07

1,02

1,43

1,47

1,32

1,26

1,10

Примечание: геохимический состав из работы [3].

Степень тетрадного эффекта = TE1,3 = (t1 x t3)0,5 [8], где t1 = (Ce/Cet x Pr/Prt)0.5 и t3 = (Tb/Tbt x Dy/Dyt)0.5. Ce/Cet = Cecn/(Lacn2/3 x Ndcn1/3); Pr/Prt = Prcn/(Lacn1/3 x Ndcn2/3); Tb/Tbt = Tbcn/(Gdcn2/3 x Hocn1/3); Dy/Dyt = Dycn/(Gdcn1/3 x Hocn2/3). Lncn = хондрит-нормализованные лантаноидные концентрации [11].

greben1.tif

Составы вулканических пород Южно-Якутинской ВТС, нормированные по хондриту (а); вариационные диаграммы отношений элементов ключевых величин тетрад эффекта для «низкокремнеземистых» (1) и «высококремнеземистых» пород (2) и сферолита риолитовых лав Южно-Якутинской ВТС (3) (б–ж)

3. Флюидонасыщенные магматические расплавы Южно-Якутинской ВТС обладают потенциальной рудогенерирующей способностью. При проведении детальных поисковых работ необходимо учитывать парагенетическую связь флюоритовой с бериллием минерализации с наиболее дифференцированными породами раннепалеогеновых комплексов Сихотэ-Алиня.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-05-00100.


Библиографическая ссылка

Гребенникова А.А., Кузьмина Т.В. ЛАНТАНОИДНЫЙ ТЕТРАДНЫЙ ЭФФЕКТ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРИМЕРЕ ЮЖНО-ЯКУТИНСКОЙ ВУЛКАНО-ТЕКТОНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ (ПРИМОРЬЕ, ДАЛЬНИЙ ВОСТОК РОССИИ) // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 4. – С. 73-78;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37365 (дата обращения: 24.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074