Курсовая работа (т): Особенности распределения редкоземельных элементов в метаморфических минералах

Особенности распределения редкоземельных элементов в метаморфических минералах

Особенности распределения редкоземельных элементов в метаморфических минералах

1. Редкоземельные элементы

Геохимия редкоземельных элементов связана с такими понятиями, как зональность и ее типы, фации метаморфизма. Но для начала необходимо выяснить, какие элементы называются редкоземельными.

Редкоземельные элементы - группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы - металлы серебристо-белого цвета, притом все имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3). Название они получили из-за ничтожно малого содержания в земной коре. Однако нашли широкое применение в различных отраслях техники.

Фация - совокупность метаморфических горных пород различного состава, отвечающих определенным условиям образования по отношению к основным факторам метаморфизма (температуре, литостатическому давлению и парциальным давлениям летучих компонентов во флюидах), участвующих в метаморфических реакциях между минералами.

Виды фаций по названию основных пород:

.        Зеленосланцевая и глаукофансланцевая (низкая температура, средние и высокие давления);

.        Эпидот-амфиболитовая и амфиболитовая (средняя температура, средние и высокие давления);

.        Гранулитовая и эклогитовая (высокие температура и давление);

.        Санидинитовая и пироксенроговиковая (очень высокая температура и очень низкое давление).

Зональность минералов заключается в изменении их состава от одних участков к другим. Зональность индивидов характеризуется изменением состава от центра к краю зерна. Необходимо различать прогрессивную и регрессивную зональности. Прогрессивная представляет собой смену минеральных парагенезисов во времени от низко- к высокотемпературным. При регрессивной - высокотемпературные минеральные ассоциации сменяются низкотемпературными.

Познакомившись с важнейшими понятиями, мы можем приступить к рассмотрению основной темы.

2. Геохимия редкоземельных элементов в метаморфических амфиболах

Основой данной главы является анализ распределения РЗЭ и редких элементов в кальциевых амфиболах (роговых обманках) из нюрундуканского мафического комплекса в Северо-Западном Прибайкалье, где кристаллизация амфиболов осуществлялась в широком диапазоне Р-Т параметров метаморфизма (таблица 1). Кроме того, были исследованы амфиболы из пород лапландского гранулитового комплекса и метасоматические амфиболы беломорского комплекса (Балтийский щит).

В результате исследования геохимии редкоземельных и редких элементов в кальциевых амфиболах нюрундуканского мафического комплекса была выявлена зависимость их содержания и распределения от степени метаморфизма. Суммарное содержание редкоземельных элементов в амфиболах, также как и отношение La/Yb, понижается с падением температуры метаморфизма. Постоянство коэффициентов распределения редких и редкоземельных элементов между амфиболами и сопутствующими с ними гранатами, которое служит критерием равновесия, лучше всего достигается в породах гранулитовой фации. В породах амфиболитовой фации такое закономерное распределение РЗЭ нарушается в связи с началом развития метасоматических процессов. Амфиболы из метасоматических пород характеризуются кривыми распределения РЗЭ, отличающимися от распределений в амфиболах пика метаморфизма, и часто показывают распределение РЗЭ, унаследованное от минерала, за счет которого амфибол образовался. Это дает возможность определять последовательность минералообразования в метасоматически измененных породах. Сравнивая особенности распределения РЗЭ в амфиболах нюрундуканского комплекса с амфиболами высокобарического лапландского гранулитового комплекса на Балтийском щите, мы можем сделать вывод об отсутствии влияния давления на содержание и распределение РЗЭ в амфиболах при главенстве роли температуры метаморфизма.

Развитие в последнее время высокоточных методов определения малых количеств редких и редкоземельных элементов (РЗЭ) в минералах, таких как ИНАА, ионный и протонный микрозонд, лазерная абляция с индуктивно связанной плазмой, открыло новые возможности исследования петрологии полиметаморфических комплексов. Определение РЗЭ в гранатах «показывает» эффективность совместного рассмотрения поведения главных и редких элементов для восстановления эволюции метаморфизма конкретных комплексов. Как и гранаты, амфиболы отличаются высокой концентрацией редких и редкоземельных элементов. Широкое развитие амфиболов в породах от зеленосланцевой до гранулитовой фации делает их особенно привлекательными при реконструкции последовательности и характера метаморфических процессов. Тем не менее, амфиболы находят очень ограниченное использование в петрологическом моделировании из-за своей минералогической и кристаллохимической сложности.

Рядом исследователей было установлено, что РЗЭ и редкие элементы изоморфно входят не в одну, а в несколько кристаллохимических позиций в амфиболах, что объясняет их разную подвижность и неоднозначное поведение этих элементов в петрологических процессах.

3. Геологическая обстановка и условия метаморфизма

Докембрийский нюрундуканский мафический комплекс в Северо-Западном Прибайкалье характеризуется гетерогенностью строения - в нем тектонически совмещены двупироксеновые кристаллосланцы, ранний метаморфизм которых соответствовал условиям гранулитовой фации (770-850ºС, 5-6 кбар), и полимигматизированные амфиболиты и габброиды. Общим для мафических ортопород, слагающих нюрундуканский комплекс, явился наложенный низкобарический метаморфизм высокотемпературной амфиболитовой фации (650ºС, 4-5 кбар). И лишь вблизи контакта нюрундукансого комплекса со слабо метаморфизованным олокитским комплексом проходит Слюдянская зона рассланцевания, в пределах которой минеральные ассоциации фиксируют переход к высоким давлениям (580 - 630ºС, 9-10,5 кбар). Только в пределах Слюдянской зоны амфиболизированные гранулиты, полевошпатовые амфиболиты и габброиды преобразуются в гранатовые амфиболиты, среди которых отмечены тела эклогитоподобных пород. На высокобарический этап метаморфизма был наложен регрессивный, как по температуре (550ºС), так и по давлению (6-7 кбар), этап метаморфизма, сопровождавшийся широким развитием метасоматических процессов.

Кальциевые амфиболы присутствуют практически во всех типах пород нюрундуканского комплекса и являются сквозными минералами, что делает исследование их геохимии особенно важным для реконструкции метаморфической истории разных частей нюрундуканского комплекса. Амфиболы комплекса были предварительно изучены в отношении главных и редких элементов.

Амфиболы из нюрундуканского комплекса сопоставляются с роговыми обманками из лапландского комплекса, породы которого испытали значительно более высокобарический гранулитовый метаморфизм (до 11-12 кбар) по сравнению с гранулитами нюрундуканского комплекса

Проявления метасоматоза в породах нюрундукансого комплекса трудно отличимы от низкотемпературных метаморфических процессов. Для того, чтобы провести между ними отличия, авторы рассмотрели амфиболы из беломорского комплекса, происхождение которых по ряду признаков (текстурным особенностям, крупнозернистой структуре, полиминеральному составу породы и др.) однозначно является метасоматическим. Р-Т параметры образования метасоматических амфиболов из беломорского комплекса определены как 500-600ºС и 6-7 кбар.

4. Особенности состава амфиболов

Проанализировав амфиболы, приведенные в таблице 1, мы можем разделить их на две большие группы по содержанию TiO₂ (рис. 1): амфиболы гранулитовой фации метаморфизма и амфиболы амфиболитовой фации, более низкотемпературной. Два амфибола из ортосланцев нюрундуканского комплекса (обр. ¾, 411, таблица) с необычно высоким содержанием TiO₂ отнесены к керсутитам, возможно сохранившимся от магматического протолита. На рис. 1 фигуративные точки этих амфиболов заметно обособлены от других амфиболов гранулитовой фации метаморфизма. По соотношению TiO₂ и железистости F можно провести границу между амфиболами гранулитовой и амфиболитовой фаций метаморфизма (рис. 1). При сравнении амфиболов гранулитовой фации с амфиболами высокотемпературной амфиболитовой, и далее, низкотемпературной амфиболитовой фации и метасоматическими амфиболами содержание TiO₂ заметно понижается.

Рис. 1. Соотношение содержания TiO₂ и железистости F в исследованных амфиболах. I - поле составов гранулитовой фации, II - поле составов амфиболитовой фации

Два амфибола высокотемпературной амфиболитовой фации (обр. 487, 499, таблица 1) относятся к той основной части нюрундуканского комплекса, где высокобарический метаморфизм не был проявлен. Два других образца из этой же группы (обр. 23, 54/3), а также все низкотемпературные амфиболы и метасоматический амфибол (обр. 133) принадлежат к высокобарическим гранатовым амфиболитам Слюдянской зоны. Амфиболы из высокобарической зоны отличаются повышенной глиноземностью (косвенным признаком повышения давления) и повышенным содержанием Na₂O, по сравнению с амфиболами гранулитовой фации. Содержание K₂O у амфиболов из Слюдянской зоны, наоборот, пониженное по сравнению с другими группами.

Амфиболы нюрундуканского комплекса очень сильно различаются по содержанию железа. Это объясняется гетерогенностью строения комплекса и влиянием состава породы на железистость амфиболов. Амфиболы лапландского комплекса в целом более железистые, чем амфиболы нюрундуканского комплекса. Выделенные группы амфиболов также различаются и по содержанию редких элементов (таблица). В поведении Cr и Co закономерности обнаружить не удалось, как правило, содержание этих элементов в амфиболе сильно зависит от их содержания в породе. Для этих элементов установлена отрицательная корреляция с содержанием Na₂O в амфиболе, а для Cr - положительная корреляция с кальциевостью породы. Низкобарические амфиболы в основном содержат больше Sc по сравнению с амфиболами из гранатовых парагенезисов. Зависимость же Sc от температуры не совсем ясна. Хотя отмечена некоторая положительная корреляция содержаний Ti и Sc в амфиболах.

5. Содержание и распределение РЗЭ в амфиболах

Подсчет общего содержания РЗЭ в проанализированных амфиболах показал четкую зависимость суммарного содержания РЗЭ от степени метаморфизма амфиболсодержащих пород (таблица 1). В керсутитах среднее содержание РЗЭ составило 222 г./т; в амфиболах гранулитовой фации, за исключением диафторированного амфибола из обр. С-7, сумма РЗЭ в среднем равняется 183 г/т; в амфиболах из зоны амфиболитовой фации - 34 г./т; в метасоматических амфиболах среднее содержание РЗЭ не превышает 15 г./т. Таким образом, содержание РЗЭ в амфиболах существенно снижается с понижением температуры их образования. Такую же закономерность можно проследить и в пределах одного зерна. Центр зерна амфибола, являющийся бурой роговой обманкой с повышенным содержанием TiO₂, содержал количество РЗЭ, в 4-5 раз превышающее их содержание в кайме с преобладающими зелеными тонами плеохроизма.

Резкое падение суммы РЗЭ в метасоматических амфиболах, по всей вероятности связано не с понижением температуры, сколько с изменением минеральных ассоциаций в метасоматических породах, в которых, как правило, повышается содержание рутила, сфена, апатита и эпидота, концентрирующих легкие и средние РЗЭ. Именно этими элементами обеднены формирующиеся во время метасоматоза амфиболы.

Формы кривых распределения РЗЭ, нормированных к хондриту, различаются для разных групп амфиболов. Для керсутитов наблюдается пологое понижение от средних к тяжелым РЗЭ с положительной Nd аномалией (рис. 2). Амфиболы гранулитовой фации демонстрируют четкое понижение от легких к тяжелым РЗЭ, причем кривые распределения в амфиболах из нюрундуканского комплекса практически идентичны с кривыми для амфиболов из лапландского комплекса. Амфибол из района Сальных Тундр, по суммарному содержанию РЗЭ близкий к амфиболам амфиболитовой фации, имеет ту же форму кривой распределения, что и гранулитовые амфиболы, не испытавшие диафтореза, с пропорциональным снижением всего спектра РЗЭ.

Рис. 2. Спектры распределения нормированных содержаний РЗЭ в амфиболах из нюрундуканского комплекса

Амфиболы нюрундуканского комплекса из зоны метаморфизма амфиболитовой фации, в отличие от гранулитовых амфиболов, показывают довольно ровное распределение РЗЭ, в 10-40 раз превышающее хондритовое (рис. 2). Значительные колебания содержаний РЗЭ в этих амфиболах наблюдаются лишь в области средних РЗЭ.

Наибольшие вариации в содержании РЗЭ демонстрируют амфиболы из метасоматически измененных пород (рис. 3): положительные аномалии по Се и отрицательные по Sm и Eu. Все три метасоматических амфибола дают в общем повторяющиеся формы кривых распределения, отличаясь друг от друга только общим содержанием РЗЭ.

Рис. 3. Спектры распределения нормированных содержаний РЗЭ в метасоматических амфиболах из пород беломорского и нюрундуканского комплексов

На основе изучения распределения РЗЭ в минералах эклогитов, где структурные и петрологические данные позволяют считать сосуществующие минералы равновесными, были выведены типовые кривые распределения РЗЭ в гранате и клинопироксене. Эти кривые образуют пересечение в области средних РЗЭ с накоплением тяжелых РЗЭ в гранате (La/Yb отношение меньше 1) и преимущественной концентрацией легких РЗЭ в клинопироксене (La/Yb отношение больше 1). Такой же тип распределения установлен и для пары гранат-амфибол в основном кристаллическом сланце гранулитовой фации (рис. 4а).

Для нюрундуканского комплекса, где ассоциации граната с амфиболом присутствуют только в породах амфиболитовой фации, такое закономерное распределение РЗЭ между сосуществующими минералами, близкое к распределению в гранулитах, наблюдается только в редких случаях (рис. 4б). Анализ распределения РЗЭ в паре гранат-амфибол для обр. 23 (рис. 4в) показывает, что амфибол, образованный при температурах амфиболитовой фации, имеет обычное для амфиболов понижение содержания от легких к тяжелым РЗЭ, а гранат повторяет кривую для амфибола в области средних и тяжелых РЗЭ. Гранат в этой породе присутствует в виде крупных порфиробластов с включениями более раннего амфибола. Нетипичная для кальциевых гранатов амфиболитовой фации форма распределения РЗЭ, наряду с предположениями о развитии граната по амфиболу с унаследованным от последнего распределением РЗЭ в гранате.

Рис. 4. Спектры распределения нормированных содержаний РЗЭ в сосуществующих амфиболах и гранатах: а - из обр. 632; б - из обр. 54/3; в-из обр. 23; г - из обр. 133. Составы гранатов показаны черными квадратами

Кривая распределения РЗЭ в амфиболе из метасоматической породы (обр. 133) повторяет форму распределения РЗЭ в гранате с четко выраженной Eu аномалией и повышением содержания от средних к тяжелым РЗЭ (рис. 4г). Здесь, несомненно, имеет место образование амфибола по гранату с унаследованностью в распределении РЗЭ.

Повторяемость коэффициента распределения редких и РЗЭ между гранатом и сосуществующим минералом (клинопироксеном, амфиболом) для различных образцов из сходных по составу пород может служить критерием равновесия двух минералов. Как показал Р. Кретц, коэффициенты распределения редких и РЗЭ между сосуществующими минералами зависят в основном от термодинамических условий, а их близость для однотипных пород означает достижение или приближение к равновесию. Чем больше вариации в величинах коэффициентов распределения, тем больше отклонение от равновесия. К_D для гранулитов испытывают закономерное снижение на два порядка от легких к тяжелым РЗЭ. Такие же значения коэффициентов распределения получаются для сосуществующих граната и амфибола из гранулитового комплекса Скоури, Шотландия. В лапландских гранулитах исключением является обр. С-7 - с пониженными значениями K_D для легких РЗЭ, близкими к коэффициентам распределения для минералов амфиболитовой фации. Данная особенность, наряду с низким общим содержанием РЗЭ в амфиболе (обр. С-7, таблица 1), свидетельствует о более низкотемпературном неравновесном метаморфизме, не нашедшем отражения в составе амфибола по главным элементам.