Реконструкция протолитов метаморфических пород

Возможность реконструкции протолитов метаморфических пород базируется на представлении об изохимичности регионального метаморфизма, если это не так то данная процедура не имела бы смысла. Поскольку, как было показано выше, не все элементы являются инертными при метаморфизме, то при рекострукции протолитов следует сосредоточиться только на элементах не мобильных в водных флюидах, то есть обладающих промежуточными значениями ионного потенциала Картледжа. По указанным причинам следует избегать использования таких элементов как K, Cs, Rb, Ba, Sr, U, Pb. Кроме того следует избегать использования образцов, несущих явные петрографические признаки метасоматических замещений и гидротермальных изменений, что контролируется просмотром шлифов.

Необходимо использовать геологическую информацию, включающие ассоциации различных типов метаморфических пород в разрезе. Поскольку наибольшую сложность представляет определение протолитов гнейсов, то стоит помнить, что ортогнейсы - метавулканиты среднего и кислого состава часто представляют собой продукты субаэральных извержений и не редко ассоциируют с парагнейсами, протолиты которых соответствуют вулканогенным грауваккам. В ассоциации с метакарбонатами и метапелитами ортогнейсы крайне мало вероятны, тогда как амфиболиты (метабазальты) обычны в ассоциации с карбонатными метаосадками и кварцитами. По минеральному составу гнейсы, содержащие высокоглиниземистые минералы и гранат, как правило являются метаморфизованными осадками, но небольшое количество граната может образоваться и при метаморфизме вулканитов.

На основании распределения петрогенных и редких элементов наиболее уверенно диагностируются метабазиты – продукты метаморфизма базальтов и андезибазальтов, по соответствию их петрохимического состава основным магматическим породам, характерным спектрам РЗЭ (обедненным LREE, «плоским» или слабо фракционированным). В отличие от метабазальтов продукты метаморфизма мергелей – смешанных глинисто-карбонатных осадков выделяются повышенными концентрациями элементов, характерных для глинистых осадков – Ba, Th, легкие РЗЭ, Zr, Nb, и напротив в сравнении с метабазальтами обеднены элементами группы железа – Cr, Ni, Co, V.

Второй тип пород, протолиты которых легко опознаются, это метапелиты, представленные сланцами и гнейсами с высокоглиноземистыми минералами: кордиеритом, ставролитом, дистеном, андалузитом, силлиманитом, гранатом. Они имеют повышенное содержание Al2O3 и пониженное Na2O и CaO. В редкоэлементном составе характерно одновременное обогащение как несовместимыми, так и совместимыми элементами, так как глинистое вещество накапливает различные элементы путем сорбции не зависимо от их химических свойств.

Наиболее трудная и не всегда решаемая проблема это реконструкция протолитов гнейсов по кремнкислотности соответствующих магматическим породам среднего и кислого состава, так как они могут представлять собой как метаморфизованные вулканиты, так и слабо дифференцированные осадки – граувакки, состав которых приближен к составу магматических источников сноса и слабо изменяется вследствие незначительного химического выветривания и фракционирования детритового материала при переносе и седиментации.

Имеющиеся приемы идентификации магматических или осадочных протолитов гнейсов сводятся к следующему. Первое это расчет значения функции Д. Шоу (Shaw, 1972), которая может быть использована только для пород с MgO<6%. Функция имеет следующий вид: DF=10,44-0,21SiO2-0,32Fe2O3 (total)-0,98Mg)+0,55CaO+1,46Na2O+0,54K2O, содержания окислов в мас. %. Если DF>0 протолит магматический, если <0 – осадочный. Для граувакк обычно получаются противоречивые результаты, то есть и положительные и отрицательные значения. Второй прием более известный это диаграмма Вернера (Werner, 1987), в координатахMgO/CaO – P2O5/TiO2, на которой парапороды имеют повышенное MgO/CaO (от 1 до7) и низкое P2O5/TiO2 (<0,2), а ортопороды – наоборот MgO/CaO<3. Оригинальный вид диаграммы можно посмотреть в (Ножкин, Туркина, 1993).

По данным Р. Рудник пара- и ортопороды различаются по отношению La/Th. В целом для осадков La/Th одычно составляет 2,7-3,6. Для граувакк La/Th 4 в океанических островных дугах и снижается до 2 на активных окраинах. В тоже время для магматических пород островных дуг La/Th может быть от 1 до 10, то есть имеется значительное перекрытие с осадками, но магматические породы характеризуются тенденцией к повышенному La/Th (данные Рудник приведены из работы (Rudnick et al., 1985).

В пользу осадочного происхождения гнейсов свидетельствуют одновременно повышенные концентрации элементов группы железа и несовместимых элементов, особенно, таких как Th (о причинах говорилось выше для метапелитов).

Наконец, очень полезно бывает посмотреть на корреляцию содержаний Th и SiO2. Для магматических пород эта корреляция прямая, так как Th, как несовместимый элемент накапливается в ходе дифференциации с ростом кремнекислотности от основных пород к кислым. В осадочном процессе в идеале корреляция обратная, поскольку рост SiO2 это отражение увеличения доли псаммитовых частиц и конкретно кварца, тем самым происходит разбавление, так как в кварце нет Th, и с ростом SiO2 ториеносность падает. Однако для анализа нужен значительный диапазон SiO2 в исследуемых гнейсах (хотя бы порядка 5%). На практике в осадках ториеносность либо падает, либо сохраняется грубо на одном уровне, но не растет. Если диапазон кремнекислотности в изученных образцах маленький можно просто посмотреть какие в них концентрации Th: в андезитах Th5 г/т (за исключением подщелоченных, в них выше), в кислых магматических породах 10-15 г/т и выше, в граувакках с кремнекислотностью дацита Th как правило <10 г/т. Но содержание Th в грауваках зависит напрямую от источников сноса и растет от океанических островных дуг к энсиалическим и активным окраинам (см. работы Bhatia).

Даже использовав все предлагаемые приемы, не всегда можно получить однозначное решение, но порой это и не нужно, поскольку очевидно, что состав вулканитов островной дуги и образовавшихся за счет их разрушения вулканогенных граувакк различить в принципе нельзя, да и не нужно.

Когда протолит реконструирован, дальнейший анализ, касающийся уточнения протолитов и их генезиса базируется на известных приемах анализа осадочных и магматических пород.