ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 6, с. 13-25
УДК 521.21
ТИТАНОМАГНЕТИТЫ И ИЛЬМЕНИТЫ ИЗ РАННЕКАЙНОЗОЙСКИХ БАЗАЛЬТОВ И ЛИМБУРГИТОВ СЕВЕРНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ
© 2011 г. А. Ф. Грачев1, Д. М. Печерский2, В. А. Цельмович2
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Геофизическая обсерватория "Борок" ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН Поступила в редакцию 13.10.2010 г.
На основе рентгеноспектрального и термагнитного анализа изучен химический состав и определены точки Кюри раннекайнозойских базальтов и лимбургитов Северного Тянь-Шаня. Сочетание данных микрозондового и термомагнитного анализов позволило однозначно выделить в изученных образцах серию гомогенных первично-магматических титаномагнетитов на фоне широкого спектра зерен тита-номагнетитов, подвергшихся однофазному, гетерофазному окислению, которые часто не фиксируются микрозондом. Содержание титана или отношение ТЮ2/БеО в титаномагнетитах, а соответственно, и точки Кюри, отражают глубину последнего равновесного состояния магмы, т.е. ее очага. Согласно зависимости состава первично-магматического титаномагнетита от глубины очага, глубина последнего равновесного состояния расплава вулканитов Северного Тянь-Шаня составляет 40 ± 5 км. Полученные результаты согласуются с данными сейсмической томографии о понижении скоростей сейсмических волн ниже границы Мохо на несколько процентов.
ВВЕДЕНИЕ
Раннекайнозойский вулканизм Северного Тянь-Шаня является примером развития внутриплитного магматизма, связанного с развитием мантийного плюма примерно 55 млн. лет тому назад [Грачев, 1999; Глико, Грачев, 1987]. Позднее было показано, что область развития этого плюма захватывает и северо-западную часть Китая [Sobel, Arnaud, 2000].
Такой вывод был сделан на основе детального геохимического анализа базальтов в данном регионе [Грачев, 1999; Sobel, Arnaud, 2000] и данных сейсмической томографии [Винник, 1998].
В последнее десятилетие плюмовому магматизму посвящено большое количество исследований, однако состав и структурные особенности таких минералов как титаномагнетиты и ильмениты из пород мантийных плюмов изучены слабо. Мы полагаем, что изучение составов титаномагнетитов и ильмени-тов из магматических пород плюмового происхождения и сравнение их с аналогичными минералами из магматических пород иного происхождения даст важную дополнительную информацию для диагностики и лучшего понимания процесса плюмового магматизма от стадии нахождения магмы в верхней мантии и до ее кристаллизации.
Титаномагнетиты и гемоильмениты являются основными магнитными минералами магматических пород и, соответственно, земной коры и верхней мантии. Особенности составов титаномагнетитов и гемоильменитов, зависящих прежде всего от температуры (Т), окислительно-восстановительного режима, задаваемого летучестью кислорода fO2), общего состава кристаллизующейся породы, наделяют
эти минералы генетической памятью, расшифровка которой позволяет многое узнать о магматическом процессе и, вообще, о недрах Земли [Геншафт и др., 1999; Печерский и др., 1975; Печерский, Диденко, 1995 и др.]. Например, составы совместно кристаллизующихся титаномагнетитов и гемоильменитов определяются в первую очередь T-f02 режимом, на основании чего построен геотермометр и геобарометр fö2 Линдсли [Spencer, Lindsley, 1981].
Содержание титана в титаномагнетитах, зависит от глубины магматического очага, точнее, последнего равновесного состояния магмы до ее движения к поверхности и застывания в виде интрузивного тела и/или излияния на поверхность в виде лавы [Печерский и др., 1975; Печерский, Диденко, 1995]. Ильменит, содержащий примеси магния и хрома, часто встречается в глубинных породах верхней мантии и нижней коры, вынесенных на поверхность при извержениях базальтовых и кимберлитовых магм в виде мегакристов. Такой магниевый ильменит (пикроильменит) может служить геобарометром. Подобным образом, присутствие в титаномагнети-те повышенных концентраций хрома и алюминия может свидетельствовать о глубинном его происхождении.
Данная статья посвящена изучению титаномаг-нетитов и ильменитов из раннекайнозойских вулканитов Северного Тянь-Шаня.
Объектом наших исследований являются образцы из жерловых фаций некков Уч-Кудука (образцы Ts90-5 и Ts90-6), Каракастека (образцы Ts90-1, Ts90-1/3, Ts90-2), из силла Боомского ущелья (урочище Байламтал) (образец Ts90-3), из лавовых потоков в
долине реки Торайгыр (образцы Т890-7/1, Т890-7/2, Т890-8/1 и Т890-8/2). Все изученные породы имеют много общего как по составу породообразующих минералов, так и по содержанию главных, редких и редкоземельных элементов, по повышенной щелочности и повышенному содержанию титана (ТЮ2 > 2%).
Впервые детальное петрографическое описание одного из районов Уч-Кудукского некка было сделано Г.Л. Добрецовым [Добрецов и др., 1979], который определил слагающие его породы как лимбургиты. Каракастекский некк сложен массивными анальци-мовыми базальтами. Базальты содержат включения глубинных ультраосновных и коровых пород, мега-кристов. Мегакристы представлены оливином, кли-нопироксеном и шпинелью. Силл из Боомского ущелья и лавы Торайгыра сложены плагиоклаз-оли-виновыми базальтами. Характерны высокожелезистые оливины, отражающие кристаллизацию базальтов в приповерхностных условиях. Базальты То-райгыра заметно изменены, что выразилось, в частности, в повышенном содержании кремнезема (8Ю2 > 54%), сильном изменении оливина, по которому развиваются псевдоморфозы иддингсита [Грачев, 1999].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Изучение титаномагнетитов и ильменитов проводилось с использованием рентгеноспектрального и термомагнитного анализа. Главное достоинство этих двух методов изучения состава минералов по сравнению с другими методами — получение информации о минералах, содержащихся в образце горной породы без их извлечения.
Методика рентгеноспектрального анализа. Образцы монтировались в шайбу диаметром 26 мм при помощи сплава Вуда, тщательно шлифовались и полировались алмазными пастами, после чего на образец напылялась угольная пленка. Анализ велся на установках Камебакс и Тескан при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе пучка 10 нА. Эффективный диаметр зонда составлял 2—3 мкм, что регулярно проверялось по захвату силикатной матрицы, содержащей мелкие зерна титаномагнетитов. Если зерно титаномагнетита размером в 3 мкм не давало сигнала по кремнию, это свидетельствовало, что размер электронного зонда менее 3 мкм.
В образцах изучены зерна титаномагнетитов и ильменитов. Определялся размер зерен, содержание в них БеО* (содержание железа пересчитано на его закись), ТЮ2, М§О, МпО, Сг2О3, А12О3. В каждом образце изучалось до 15 характерных зерен. Измерялось также содержание N1, однако значимых величин не найдено. Относительная точность определения содержания перечисленных элементов ±1%. Микрофотографии сделаны на установке Тескан в режиме обратно рассеянных электронов.
Методика термомагнитного анализа. Термомагнитные измерения (ТМА) проводились на магнитных весах Кюри конструкции Ю.К. Виноградова. Магнитные весы, благодаря высокой чувствительности (достаточно присутствия в породе менее 0.00001% магнетита и других магнитных минералов), позволяют изучать состав магнитных минералов в образцах весом 10—100 миллиграмм. Термомагнитные измерения образца до 700°С занимают примерно 10 минут. Анализировалась интегральная и дифференциальная кривые температурной зависимости индуктивной намагниченности микрообразцов, т.е. проводился термомагнитный анализ (ТМА) и дифференциальный термомагнитный анализ (ДТМА). По кривым ТМА и ДТМА первого и второго нагрева определялись точки Кюри магнитных минералов, присутствующих в образце, оценивалась их устойчивость к нагревам как диагностический признак однофазного окисления титаномагнетита.
Точка Кюри — фундаментальная характеристика магнитного материала, зависящая от его состава и строения кристаллической решетки. В сериях твердых растворов либо в магнитных минералах, содержащих примеси, не меняющие их кристаллическую структуру, точка Кюри является однозначной функцией состава магнитного минерала. ТМА велся в постоянном магнитном поле 430 мТ что является заведомо полем магнитного насыщения для зерен тита-номагнетита и гемоильменита. По кривой ТМА определялся вклад в измеряемую намагниченность насыщения каждой магнитной фазы, и этот вклад делился на величину намагниченности насыщения данного минерала. Последняя определена по известной зависимости для титаномагнетитов и гемоильме-нитов "состав-/,-Тс" [Нагата, 1965]. Таким образом, определялась примерная концентрация титаномагне-титов и магнетита в каждом образце. Как правило, в изученной коллекции состав гемоильменитов соответствует чистому ильмениту с Тс ~ —210°С, даже присутствующий в образце Т890-7/1 гемоильменит имеет Тс ~ —100°С. ТМА проводился, начиная от комнатной температуры и выше; соответственно, ильмениты по данным ТМА не изучались.
Данные ТМА (измеренные точки Кюри) сопоставлялись с данными о составе зерен, измерен-ноым микрозондом (расчетные точки Кюри). Для образцов, содержащих гомогенные зерна титано-магнетита, расчетные и измеренные точки Кюри должны совпадать. Заметные их расхождения свидетельствуют о неоднородности зерен магнитных минералов, в частности, их распаде, гетерофазном и однофазном окислении, которые из-за тонкой структуры неоднородностей не могут быть обнаружены микрозондом (мельче 0.02 мкм). Поскольку обособленнъх зерен магнетита во всех образцах не обнаружено (таблица), то можно считать, что присутствие магнетита и близких ему минералов, обнаруженных ТМА, есть результат гетерофазного окисле-
Составы зерен титаномагнетита и ильменита
Образец ТЮ2 БеО* МБО МпО &2О3 А12О3 СаО Сумма
Ts90-1, т. 1 17.3 77.2 1.8 0 0 0.2 0 0 96.5
т. 2 17.0 77.9 2.0 0 0 0.2 0 0 97.1
т. 3 17.1 77.3 1.6 0 0 0.2 0 0 96.2
т .4 18.1 78.2 3.4 0 0 0.2 0 0 99.9
т. 5 17.9 77.3 3.0 0 0 0.2 0 0 98.4
т. 6 17.2 77.9 1.8 0 0 0.1 0 0 97.0
т. 7 17.3 77.8 1.6 0 0 0.2 0 0 96.9
т. 8 17.3 76.9 1.8 0 0 0.2 0 0 96.2
т. 9 17.4 77.5 2.6 0 0 0.2 0 0 97.7
т. 10 17.4 76.9 2.0 0 0 0.1 0 0 96.4
средний 17.4 77.5 2.2 0 0 0.16 0 0 97.2
Ts90-1/3, т. 1 18
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.