Изотопно-геохимические методы

Определение возраста образования и преобразования метаморфических пород. Все наложенные процессы в той или иной мере влияют на природные изотопно-геохронометрические системы. Общепринятым считается следующий ряд устойчивости геохронометрических систем к наложенному воздействию: K-Ar < Rb-Sr ≤ U-Tr < Sm-Nd.

U-Pb-метод позволяет по урансодержащим акцессорным минералам (по циркону, бадделеиту, монациту, титаниту, ортиту, пирохлору и апатиту) из метаморфических пород определять время их метаморфизма, если они метаморфического происхождения. Если же в метамагматических породах сохранились магматические (но не ксеногенные) урансодержащие минералы, то определяется возраст их кристаллизации, т.е. возраст магматических пород. По детритовым цирконам в осадках можно определить возраст пород области сноса и нижний предел времени образования осадков. Наиболее современные методики и аппаратура позволяют проводить полный цикл исследований по единичным зёрнам циркона и даже по отдельным фрагментам этого зерна. Минимальный вес исследуемого минерала должен составлять не менее 0,005-0,015 г, а минимальный размер зерна - не менее 0,1 мм

С помощью K-Ar-метода определяется возраст наиболее поздних наложенных процессов в метаморфических породах. Rb-Sr-метод позволяет датировать последнее наиболее интенсивное преобразование метаморфических пород.

Sm-Nd-метод успешно применяется для определения возраста метамагматических пород, если в них сохранились магматические минералы, или возраст метаморфизма по парагенным метаморфическим минералам.

Для датирования процессов преобразования метаморфических пород применяется также трековый метод, основанный на явлении самопроизвольного деления содержащегося в минерале урана, осколки которого создают в материале минерала дефектные зоны, обнаруживаемые химическим травлением. Трековые исследования набора акцессорных минералов, обладающих разной пороговой температурой (циркон, титанит, эпидот, апатит и др.), позволяют выявить изменения во времени температурного режима на последнем этапе существования породы.

Разные изотопные системы в разных минералах открываются и закрываются при разных температурах. Например, пороговые температуры открытия-закрытия Rb-Sr-систем для биотитов составляют 300-400º, для флогопитов – около 400º, для мусковитов – около 500º и т.д. Экспериментально подтверждённая последовательность и значения возраста закрытия Rb-Sr-, K-Ar-изотопных систем при остывании обычно такова: роговая обманка (K-Ar) > мусковит (Rb-Sr) > мусковит (K-Ar) > калиевый полевой шпат (Rb-Sr) > биотит (Rb-Sr) ≥ биотит (K-Ar) > калиевый полевой шпат (K-Ar). Исследования Rb-Sr-, K-Ar-, Ar-Ar-изотопных систем в разных минералах метаморфических пород позволяют вывить, например, продолжительность остывания пород до полного закрытия их изотопных систем.

Определение первичной природы. Sm-Nd-изотопная система может использоваться для определения мантийного или корового происхождения протолита. Sm и Nd обладают высокой степенью фракционирования при корообразующих процессах в ходе частичного плавления мантийных источников, а также близостью поведения этих элементов (т.е. малой изменьчивостью Sm/Nd отношений) в процессах внутрикорового плавления, метаморфизма, эрозии и переотложения. Зная возраст метаморфизма пород и величины отношений изотопов ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd определяется величина ε_Nd(Т), по знаку и величине которой можно определить коровую или мантийную принадлежность протолита и степень контаминации мантийного вещества коровым материалом. Метаморфизованные породы разного генезиса (особенно магматические) имеют разные величины ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr отношения. Например, породы с ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr отношением меньше 0,706 образовались, как правило, за счёт мантийных источников.

Определение модельного возраста протолитов метаморфических пород. Учитывая близость поведения Sm и Nd (т.е. малую изменчивость Sm/Nd отношений) в процессах внутрикорового плавления, метаморфизма, эрозии и переотложения Sm-Nd-изотопная система позволяет определять модельный возраст протолита CHUR и DM. Методика определения модельного возраста протолита, а также расчёта значений ε_Nd(Т) и их интерпретация приведены в работе Г.Фора.

Стратиграфические методы

Стратиграфическое расчленение метаморфических комплексов является одной из важнейших и трудных задач. И чем сильнее преобразованы породы, тем меньше вероятность объективного расчленения, так как при интенсивном метаморфизме и деформациях нарушаются, или вовсе исчезают первичные границы и формы, и возникают новые. Может возникнуть вторичная полосчатость, линзовидное строение, слоистая толща за счёт интенсивного кливажа течения по породам, смятым в изоклинальные складки и т.д.

Определение относительной и стратиграфической последовательности метаморфических пород возможно только в том случае, если метаморфические породы обладают слоистым строением и слои разного состава сохраняют свои различия и первичные границы. Выявление дометаморфических стратиграфических подразделений (пластов, толщ, комплексов) опирается на данные геологического и структурного картирования, полученные с применением всего их арсенала приёмов и методов. Основанием для стратиграфического подхода является доказательство первичной вулканогенно-осадочной природы метаморфических пород. При составлении геологической карты, по возможности, выявляется верх-низ частных разрезов, по крыльям складок и по моноклинальным участкам, строятся частные разрезы и колонки, выявляется степень нарушенности границ, относительная, а затем и стратиграфическая последовательность слоёв и толщ.

Относительная последовательность слоёв и толщ метаморфических пород в частных разрезах и колонках отражает в первую очередь их пространственное соотношение (снизу вверх), а это может быть, например, разрез по опрокинутому крылу складки или по надвинутым тектоническим пластинам или покрову.

Рис. 6.27. Схема изоклинальной складчатости (А) и нормальный разрез слоёв, участвующих в складчатости (Б).

Стратиграфическая последовательность устанавливается сначала в частных разрезах (рис. 6.27) после выявления кровли и подошвы слоёв и толщ, изучения характера изменения разрезов вкрест простирания и по простиранию. Частные разрезы коррелируются по маркирующим границам, горизонтам или по каким-то другим признакам (красноцветность пород, наличие строматолитов, геохронологический изотопный возраст пород и т.д.). Эти данные позволяют составить сначала частные стратиграфические колонки с указанием стратиграфической последовательности и мощности слоёв и толщ, а затем и сводную стратиграфическую колонку.

Стратиграфическое расчленение метаморфических комплексов, утративших литологические признаки, на толщи или свиты проводится обычно на основании преобладания (в разных районах, регионах и разных разрезах или их частях) определённых разновидностей пород, характерных сочетаний пород и их количественных соотношений. При определении площади развития тех или иных толщ или свит используются маркирующие горизонты или толщи характерных пород. Более достоверно выявляются мощные толщи (до сотен или тысяч метров), выделяемые в ранге свит, серий или комплексов. Гораздо труднее, а порой и невозможно выделить стратиграфические подразделения меньших рангов. Например, на территории Кольского региона на больших площадях оказалось невозможным выявить стратиграфическую последовательность неархейских метаморфических пород, а потому они отображены как нестратифицированные комплекс основания и кольско-беломорский комплекс, в составе которого выделены толщи, не имеющие стратиграфического ранга. Но, тем не менее, нельзя квалифицировать данную стратиграфическую интерпретацию как заведомо ошибочную. Она отражает логичную систему представлений, основанных на историко-геологических процессах, и обладает объективными признаками, присущими данным метаморфическим комплексам. Конечно, степень объективности, в первую очередь, зависит от степени обобщения.