Изотопная систематика магматических пород

Изотопные отношения в магме является характеристикой источника, из которого магма образовалась, и они остаются неизменными при последующих событиях фракционирования. Поскольку различия масс для любой пары радиогенных изотопов, используемых в геохимии, малы, изотопные пары не могут фракционировать в процессах разделения твердое - расплав. Таким образом, при парциальном плавлении магма получает те же изотопные характеристики, что и ее источник. Отсюда имеется два важных следствия для петрологии. Первое, отдельный источник может быть идентифицирован по своим уникальным изотопным характеристикам, и второе, может быть выявлено смешение между изотопно различными источниками.

Стронциевая изотопная систематика магматических пород

Земля образовалась из солнечной туманности около 4,5 млрд.лет назад, и отношение в ней ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr было близко к 0,699. Эта величина известна, как BABI (наилучшее первичное отношение в базальтовых ахондритах). Оно может быть принято за первичное мантийное отношение. Изотопный состав мантии изучался путем анализа базальтов и габброидов, не испытавших значительной контаминации коровым Sr. Результаты позволяют предположить, что современные ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr лежат в узком интервале 0,704±0,002. Изотопная эволюция мантийного Sr может быть исследована путем нанесения значений первичных ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr для базальтов и габбро относительно их возраста. Полученные точки не образуют единую линию эволюции Sr в верхней мантии, а дают расходящиеся линии. Кроме того, Rb/Sr отношение в мантии могло уменьшаться во времени из-за преимущественного переноса Rb в кору, следовательно, наклоны линий мантийной эволюции уменьшаются во времени.

Первичные ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в древнейших гранитных породах низки (0,700-0,702), но они выше, чем в BABI. Породы гранитного состава, обогащенные Rb, играют доминирующую роль в изотопной эволюции Sr. Относительно быстрое обогащение континентальной коры радиогенным ⁸⁷Sr резко контрастирует с меньшим увеличением ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в верхней мантии. Это различие очень полезно, так как оно позволяет идентифицировать Sr, который находился в континентальной коре по его повышенному ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и отличать его от Sr, ведущего свое происхождение из верхней мантии. Таким образом, можно делать выводы об источниках магматических пород.

В отличие от мантии изотопная эволюция Sr в континентальной коре не может быть описана с помощью простых моделей вследствие гетерогенности коры, обусловленной неоднородностью возрастов и Rb/Sr отношений в коровых породах. Но, несмотря на сложную историю Sr в континентальной коре, отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в большинстве случаев должно быть значимо выше, чем в верхней мантии. Это является основой для интерпретации ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в магматических и осадочных породах.

Вулканические породы

Отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в вулканических породах, образовавшихся в различных геодинамических обстановках, значительно варьируют, но имеют тенденцию давать некоторую область значений, отражающую различие источников магм и процессов их эволюции. Подборка данных по ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в 900 молодых вулканических породах базальтового до среднего состава показывает, что для большей их части ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr попадает в интервал 0,704±0,002. Вместе с тем при наличии вариациях значений в пределах каждой группы, средние значения в вулканических породах разных геодинамических обстановок систематически отличаются друг от друга. Самые низкие величины ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0,70280) свойственны океаническим толеитам СОХ. Отношения растут в ряду: океанические острова (0,70386) - островные дуги (0,70437) - континентальные области (0,70577). Отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в вулканических породах, проникших через континентальную кору, в среднем выше, чем в вулканитах океанических бассейнов, и пределы их колебаний шире. Это, вероятно, в большинстве случаев обусловлено контаминацией коровым материалом или смешением с магмами, образовавшимися за счет плавления коровых пород.

Гранитные породы

Можно сформулировать критерии различия между гранитными породами, образовавшимися из мантийного материала и материала континентальной коры:

1) если первичное отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в породе лежит на или ниже линии мантийной эволюции на диаграмме эволюции мантийного Sr, то непосредственным или косвенным источником Sr такой породы может быть мантия или ее производные без заметной контаминации коровым стронцием;

2) если первичное отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в породе лежит значительно выше поля, представляющего эволюцию Sr в мантии, возможны два альтернативных варианта: а) Sr полностью ведет свое происхождение из коровых сиалических пород, ранее обогащенных ⁸⁷Sr за счет возраста и/или повышенного отношения Rb/Sr; б) некоторая часть Sr произошла из мантийного источника, но его изотопный состав был значительно изменен в результате добавки корового Sr, обогащенного радиогенным ⁸⁷Sr. В любом случае, высокое первичное отношение означает, что при образовании гранитных пород вклад Sr, унаследованного из ранее существовавшего сиалического корового материала, был значительным. Крупные гранитные батолиты в орогенических поясах имеют сложное происхождение и образовались из магм, сформировавшихся как из мантийных, так и коровых источников.

Изотопная геохимия Nd и Sr в магматических породах

Изотопные исследования молодых базальтов океанических бассейнов позволили показать, что ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd значительно колеблются и могут быть как выше, так и ниже соответствующего отношения для CHUR, образуя строгую обратную корреляционную зависимость с ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Такая линия корреляции, наиболее отчетливо выраженная для MORB, получила название мантийной последовательности.

Для объяснения мантийной последовательности не может быть привлечено предположение о контаминации корового сиалического материала, поскольку он практически отсутствует на океанических пространствах. Взаимодействие с морской водой может отчасти объяснить рост ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, так как содержание Sr в океанической воде относительно высоко, но изменение концентрации Nd возможно лишь при взаимодействии при очень высоком отношении вода/порода ~ 10⁵ .

Базальты океанических островов, зон субдукции и континентальных областей также характеризуются корреляцией изотопных отношений Nd и Sr, но наклоны трендов отличаются от мантийной последовательности для MORB, что, по-видимому, отражает своеобразие источников и процессов, ответственных за образование той или иной вулканической провинции.

1. Изотопные составы Nd и Sr в MORB показывают, что они образуются из источников с более высокими отношениями Sm/Nd и более низкими отношениями Rb/Sr по сравнению с хондритовым резервуаром. Этот источник известен как обедненная или деплетированная мантия

2. Базальты океанических островов образуются, напротив, из обогащенных источников с более высокими отношениями Rb/Sr и более низкими Sm/Nd. Их изотопные составы, отклоняющиеся от мантийной последовательности, не поддаются, как первоначально предполагалось, интерпретации в рамках модели бинарного смешения. Как было показано ранее, в образовании базальтов океанических островов могут принимать участие такие мантийные компоненты (резервуары) как обогащенная мантия EMI и EMII, а также HIMU.

3. Континентальные платобазальты имеют значительно более низкие отношения ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd чем MORB, что позволяло первоначально предполагать, что они образовались из примитивной мантии под континентами. Позднее было показано, что и среди континентальных базальтов имеются производные деплетированной мантии, подобно океаническим областям.

Квадранты Nd-Sr корреляционной диаграммы

В квадрантах I и III практически отсутствуют точки, так как источники с такими характеристиками не возможны с геохимической точки зрения, поскольку такие источники должны быть обогащены Sm и обеднены Rb и наоборот, что является нонсенсом с точки зрения геохимических свойств этих элементов. Тем не менее в квадрант III (низкие Sm/Nd, низкие Rb/Sr) попадает значительное число базальтов из вулканической провинции СЗ Шотландии. Изотопные отношения в базальтах этой провинции объясняют, контаминацией мантийных расплавов гранулитами льюисского комплекса, гранулиты, как известно, имеют низкие ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd и ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, в связи с ранним обеднением Rb при гранулитовом метаморфизме.

Квадрант II содержит мантийную последовательность и все породы, которые произошли из источников с более высокими Sm/Nd и более низкими Rb/Sr, чем CHUR.

Квадрант IV содержит базальты, произошедшие из источников, обогащенных Rb и обедненных Sm задолго да плавления. Они могли также образоваться из расплавов с изотопными характеристиками квадранта II, но контаминированных Nd и Sr магматических и метаморфических пород континентальной коры. Почти все породы континентальных вулканических провинций располагаются в этом квадранте. В нем же располагаются и практически все сиалические континентальные породы.

Вулканические породы, изливавшиеся вдоль островных дуг и активных континентальных окраин, размещаются в квадранты II и IV. Магмы, образовавшиеся в таких обстановках, содержат вклад нескольких источников: 1) измененная океаническая кора (базальты), 2) терригенные осадки океанической коры, 3) мантийный клин над субдуцирующей плитой, 4) сиалические породы континентальной коры или основания вулканической толщи в островных дугах. Этим обусловлен широкий диапазон изотопных составов, так что каждая вулканическая провинция отражает единственное в своем роде стечение обстоятельств, которое определяет химический и изотопный состав слагающих ее пород. В целом, вулканические породы островных дуг имеют более низкие отношения ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd и более высокие ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr по сравнению с MORB.

Корреляция изотопных отношений Sr и Nd в вулканических и плутонических породах, образованных на континентах и вдоль их окраин, скорее всего, вызвана контаминацией материалом более древней сиалической коры. Положение фигуративных точек пород на Nd-Sr корреляционной диаграмме вдоль гиперболических линий свидетельствует в пользу моделей смешения двух компонентов (источников) или контаминации мантийным расплавом, контрастных в изотопном отношении пород коры. Два крайних случая представляют собой линии смешения базальтов с гранитами верхней (1) или гранулитами нижней (2) континентальной коры при варьирующей доле в смеси сиалического компонента. Однако, причинами корреляции могут быть также плавление гетерогенных фрагментов коры или смешение магм, возникших из различных источников.

Изотопные отношения ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd и ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в гранитных породах демонстрируют значительный разброс, но концентрируются, главным образом, в квадранте IV. Разброс в значительной мере обусловлен распадом ¹⁴⁷Sm и ⁸⁷Rb после кристаллизации, и таким образом положение на диаграмме зависит от возраста пород. Породы фанерозойского возраста располагаются в пределах полосы в верхней части квадранта (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd>0,5118), тогда как докембрийские занимают нижнюю часть. Отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr изменяются в более широких пределах, чем ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd, в связи с тем, что Rb/Sr отношения в породах выше и более изменчивы, чем Sm/Nd, а также потому, что ⁸⁷Rb распадается быстрее, чем ¹⁴⁷Sm. Таким образом, положение гранитоидов на диаграмме зависит не только от петрогенезиса (источника), но и от возраста и отношений Sm/Nd и Rb/Sr в исходном расплаве.

Изотопные составы Sr и Nd сами по себе не позволяют отдать предпочтение той или иной из многочисленных гипотез о происхождении магм, необходимы также геохимические и минералогические данные в сочетании со знанием региональной геологии и тектоники и полевыми наблюдениями.

Индикаторные отношения редких элементов

Из отношений редких элементов наиболее универсальным и информативным является La/Yb отношение, которое отражает степень фракционирования лантаноидов. Поскольку распределение РЗЭ в исходном мантийном, близком к хондритовому, источнике, может быть принято за единицу отсчета, а степень некогерентности РЗЭ уменьшается от La к Lu с уменьшением ионного радиуса то, очевидно, что процессы плавления и фракционной кристаллизации будут приводить, как правило, к относительному росту La/Yb в расплаве относительно источника. Так как породы базальтового расплава формируются только за счет мантийных источников, а гранитоидного как из метабазитовых, так и чаще коровых сиалических субстратов, то в общем случае первые будут обладать более низкими величинами La/Yb, чем вторые. Среди базальтоидов минимальными величинами La/Yb характеризуются NMORB, образующиеся из деплетированной мантии, обедненной легкими РЗЭ и другими некогерентными элементами. Более высокие La/Yb типичными для базальтов, формирующихся из неистощенных или обогащенных источников и при относительно меньших степенях плавления, к числу которых относятся островодужные толеитовые и известко-щелочные базальты. Максимальные La/Yb установлены для щелочных базальтов, образующихся при минимальных степенях плавления обогащенных мантийных субстратов. Очевидно, что гранитоиды, как производные более разнообразных коровых источников, будут обладать большими вариациями La/Yb. Кроме общей тенденции к росту La/Yb в гранитных расплавах относительно источника, для гранитоидов может проявляться и обратная тенденция к понижению La/Yb в процессе кристаллизационной дифференциации, которая обусловлена фракционированием монацита, реже ортита - минералов, имеющих очень высокие K_d для легких РЗЭ (>>100).