Петрогеохимическая характеристика метавулканитов и эволюция эффузивного магматизма. Прежде чем рассматривать петрогеохимические особенности мезоархейских вулканитов Керетского зеленокаменного пояса, следует отметить, что в силу того что эти породы испытали метаморфические преобразования, не все элементы могут быть использованы для оценки состава их магматического протолита. Для этих целей подходят наименее подвижные элементы, такие как Al, Th, Ti, Nb, Zr, Y, РЗЭ и другие высокозарядные элементы (Sc, Hf, Та). Такие элементы, как Si, Fe и переходные элементы (Ni, Cr, Со и др.), также широко используются, но они могут при определенных обстоятельствах быть подвижными. Наибольшей подвижностью при метаморфизме обладают щелочные элементы (К, Na, Rb, Cs), Ca, Sr, U, поэтому они используются реже. В условиях Беломорской провинции Фенноскандинавского щита, как показали специальные исследования на примере амфиболиза-ции габброидов, все петрогенные элементы (включая щелочные) могут применяться для целей петрохимической классификации основных пород, хотя в ряде случаев наблюдается значительное увеличение содержания К в амфиболитах. Среди вулканитов Керетской структуры выделяется три породные ассоциации: коматиит-толеитовая, дифференцированная андезибазальт-андезит-риолитовая и андезибазальт-базальто-вая. На классификационной диаграмме Si02 - Na20 + K2O фигуративные точки составов основных и средне-кислых вулканитов расположены в полях от базальтов до риоли-тов, главным образом, нормального ряда, однако часть андезибазальтов и андезитов имеет повышенную щелочность. Базальты относятся к толеитовой серии натриевому типу щелочности, а средне-кислые - к известково-щелочной серии, натриевому и калиево-натриевому типу щелочности (рис. 25, Б; 26). Ультраосновные породы коматиит-толеитовой ассоциации по соотношению MgO - AI2O3 - FeO+Ti02 классифицируются как перидотитовые и базальтовые коматииты.
Коматиит-толвитовая ассоциация слагает верхнекумозерскую СТА. Метабазальты резко преобладают в ее составе и в соответствии с петрохимической классификацией относятся, главным образом, к толеитам натрового ряда. На бинарных диаграммах MgO - окислы фигуративные точки составов этих метабазальтов образуют тренд, близкий к феннеровскому: при уменьшении в них содержания MgO происходит увеличение содержания суммы FeO, Si02, T1O2 и уменьшение - AI2O3. Такой характер изменения их состава позволяет предположить, что он определяется фракционированием умеренно-магнезиальных расплавов под контролем 01 + Р1 + Срх и 01, т. е. при относительно низких давлениях и низкой фугитивности 02. Однако на ряде диаграмм намечается тренд, существование которого можно объяснить фракционированием СРх , что может свидетельствовать о наличии более глубинных кристаллизационных камер. Ведущая роль 01, Срх и Р1 при образовании этих толеитов подтверждается и особенностями распределения в них Ti, Y, Zr, Co, что продемонстрировано на диаграммах. Расчет на основе модели фракционной кристаллизации показывает, что рассматриваемая вулканическая серия могла сформироваться при высокой (60-70%) степени дифференциации расплава. По содержанию РЗЭ выделяется три группы метабазальтов: сильно обедненные легкими РЗЭ, с содержаниями в 2-10 раз выше хондритовых; с «плоским» графиком распределения РЗЭ на уровне 8-15 норм хондрита, слегка обеднены легкими РЗЭ; слабообога-щенные легкими РЗЭ, с содержаниями выше, чем в хондрите, в 15-30 раз; все группы характеризуются небольшим Ей минимумом. Базальты такого состава могли сформироваться из расплавов, близких к коматиитовым базальтам, путем отделения 01, Срх и Р1 (т. е. при низких давлениях), что согласуется с вышесказанным. Таким образом, толеиты ранней стадии вулканизма формировались преимущественно в малоглубинных камерах (главная из которых находилась на глубине до 15 км) в ходе фракционной кристаллизации первичных выплавок (имевших, вероятно, состав, близкий к коматиитовым базальтам), возможно также существование и более глубинных камер, однако они имели резко подчиненное значение. По особенностям состава базальты этой ассоциации близки толеитам ТН-1 архейских зеленокаменных поясов. При сопоставлении составов верхнекумозерских базальтов с толеитами различных современных геодинамических обстановок в полной мере проявляется своеобразие архейских базитов, на что обращают внимание многие исследователи. Так, на ряде дискриминационных диаграмм фигуративные точки составов рассматриваемых толеитов располагаются в полях островодужных толеитов (Zr/Y - Zr, Ti - V), на других (Cr - Ti) сопоставимы с нормальными и обогащенными базальтами срединно-океанических хребтов (N- и E-MORB). Однако использование более широкого спектра микроэлементов дает основание сопоставлять эти толеиты только с океаническими сериями (Thi\jLai\[). Более того, часть метабазитов сопоставима с базальтами океанических плато, примеры которых известны среди архейских базальтов Каменноозерской структуры Сумозерско-Кенозерской системы зеленокаменных поясов Карельского кратона. Наличие среди верхнекумозерских толеитов тел ультрабазитов усиливает сходство этой ассоциации с магматитами океанических плато. По петрохимическим особенностям метауль-трабазиты рассматриваемой ассоциации отвечают коматиитам и коматиитовым базальтам, это согласуется с положением их фигуративных точек в полях перидоти-товых коматиитов и базальтовых коматиитов на катионной диаграмме MgO - AI2O3 -FeO+Ti02, которая также часто используется для целей классификации ультраосновных вулканитов. По соотношению в коматиитах AI2O3/T1O2 и СаО/А^Оз выделяется два петрогеохимичес-ких типа этих. Коматииты типа Мунро (или А1-недеплетированные) характеризуются хондритовыми уровнями значений AI2O3/T1O2 (около 20), СаО/А^Оз > 1 и тяжелых РЗЭ, а барбертонского типа (или А1-депле-тированные) - AI2O3/T1O2 около 10, СаО/А^Оз 1,5. Низкое отношение AI2O3/T1O2 в ультрабазитах второй группы связано с относительно высоким содержанием в этих породах Т1О2, высокое отношение СаО/А^Оз - с вторичными изменениями в породах. Таким образом, для петрологических оценок условий формирования рассматриваемых коматиитов могут быть использованы только породы с устойчивыми петрохимическими характеристиками, т. е. первой группы. Уровень содержания тяжелых РЗЭ в коматиите этой группы в 3 раза превышает хон-дритовый уровень, а легких - в 10. Спектр распределения РЗЭ характеризуется обогащением легкими РЗЭ и слабофракциониро-ванным распределением - тяжелых, крайне слабо выражен Ей минимум. По особенностям состава РЗЭ рассматриваемые породы относятся к коматиитам типа III, группы I b. Они, кроме Керетского, установлены в зеленокаменном поясе Кухмо, Совдозерской структуре Ведлозерско-Сегозерской системы зе-ленокаменных поясов Карельского неоархейского кратона (Вревский, 2000). Коматииты такого состава могли образоваться в мантийном плюме при плавлении недеплетированного безгранатового мантийного перидотита при Р = 25-40 кбар (т. е. на глубине 75-120 км) и последующем фракционировании, главным образом, оливина. Обогащенность коматиитов легкими РЗЭ, вероятно, связана с особенностями состава мантийного источника. Дифференцированная андезибазалът-андезит-риолитовая ассоциация наиболее широко развита в составе керетьозерского зеленокаменного комплекса. Она слагает хаттомо-зерскую СТА. На классификационных петрохимических диаграммах фигуративные точки составов пород этой ассоциации находятся, главным образом, в поле известково-щелочных андезибазальтов, андезитов, дацитов и реже риолитов калиево-натрового и натриевого рядов. Преобладают андезиты и дациты. Средне-кислые вулканиты хаттомозер-ской свиты по особенностям химического состава являются типичными для архея породами этого типа, они, так же как и многие архейские аналоги, отличаются от современных более высоким содержанием Fe, Ni, Cr. Отмечается закономерное изменение состава пород ассоциации: при увеличении содержания в них Si02 происходит увеличение содержания AI2O3, Na20, уменьшение содержания граната - устойчивого при относительно высоких давлениях (более 20 кбар). Такие условия формирования вулканитов известково-щелочной серии устанавливаются в современных остро-водужных системах. Спектр распределения РЗЭ в породах рассматриваемой ассоциации резко дифференцированный, (La/Yb)N около 10-30: содержания легких РЗЭ превышают хондритовый уровень в 50-100 раз, средних - в 12-30 раз, а тяжелых - в 6-8 раз для андезиба-зальтов и андезитов и около 4 - для дацитов. Ей минимум выражен слабо. Эти особенности, с учетом содержания в них петрогенных и редких элементов, указывают на то, что образование большей части средне-кислых вулканитов происходило в результате кристаллизационной дифференциации базальтовых расплавов под контролем амфибола, пироксенов, магнетита и плагиоклаза, т. е. при умеренном содержании в расплаве воды и давлении в магматической камере около 8 кбар. Вместе с тем обедненность тяжелыми РЗЭ дацитов дает основание предполагать участие в процессе их формирования граната. Среднекислые вулканиты рассматриваемой ассоциации сопоставимы по петрогеохимиче-ским особенностям, в том числе по содержанию РЗЭ, с однотипными вулканитами островоду-жных систем (например, Командорско-Алеутской островной дуги), хотя степень дифференциации РЗЭ в них несколько ниже. Более высокий уровень дифференциации РЗЭ отмечается в адакитовых средне-кислых вулканитах, известных в некоторых современных зрелых островных дугах и активных окраинах континентов. Формирование последнихсвязывается с частичным плавлением грана-товых амфиболитов или эклогитов (т. е. гра-натсодержащего источника). Кроме обед-ненности тяжелыми РЗЭ (сод. Yb 2 > 56%, А1203 > 15%, Y 400 г/т и Sr/Y > 40. Графики распределения нормированных содержаний редких элементов в породах рассматриваемой ассоциации и типичных современных островодужных вулканитах весьма сходны, включая наличие Nb минимума. Большая часть вулканитов хатто-мозерской СТА сопоставима по содержанию редких элементов с островоду-жными средне-кислыми вулканитами изве-стко-щелочной серии (например, Курило-Камчатской. Следует отметить, что среди средне-кислых вулканитов Командорско-Алеутской дуги извесны адакиты. Сопоставление особенностей составов хаттомозерских вулканитов и средне-кислых вулканитов современных субдукцион-ных систем показывает, что наибольшее сходство они обнаруживают с известково-щелочными породами развитых островных дуг, к числу которых принадлежат, например, Курильская и Алеутская. Сходство с развитыми островными дугами усиливается также с учетом изотопных характеристик хаттомозерских вулканитов. Как известно, изотопные отношения Nd и Sr в вулканитах развитых дуг имеют ювенильные характеристики, что указывает на отсутствие континентально-коровой контаминации, т. е. на отсутствие в основании дуг континентальной коры. Изотопный состав Nd в метаандезите хат-томозерской свиты позволяет рассчитать модельный Sm-Nd возраст породы (DePaolo, 1988) -IDM = 2800 млн лет, т. е. он близок U-Pb возрасту цирконов из этой породы (2878 млн лет), величина ENd (2,85) = +2,8 . Эти особенности Nd систематики говорят о ювенильной природе вулканитов и отсутствии контаминации более древним коровым веществом, что также сближает их с вулканитами островных дуг.
Андезибазалып-базальтовая ассоциация составляет основную часть майозерской СТА (в ее состав, кроме вулканитов, входят метаграувакки). Метавулканиты рассматриваемой ассоциации по петрохимическим характеристикам относятся, главным образом, к толеитам натрового и калиево-натриевого ряда, вместе с тем в этой ассоциации, особенно в южной части пояса (Поньгомозерская, Вокшозерская структуры), значима роль пород с содержанием 53% 2 2, ТЮ2 и уменьшение -AI2O3, другой тренд определяется одновременным уменьшением содержания CaO, FeO и MgO. Первый тренд изменения их состава может быть связан с фракционированием умеренно-магнезиальных расплавов под контролем 01, Р1 и Срх и 01, т. е. при относительно низких давлениях и низкой фугитивности Ог. Второй - может быть следствием решающей роли СРх при фракционировании базальтового расплава, что, как хорошо известно по экспериментальным данным, происходит при относительно высоком (не менее 7,5 кбар) давлении. На существенную роль СРх при формировании этой ассоциации указывает и соотношение в породах СаО/А^Оз. Кроме того, судя модели фракционной кристаллизации показывает, что степень дифференциации первичного расплава для этой вулканической серии оценивается примерно в 50%. Содержание РЗЭ в метабазальтах в 8-20 раз выше хондритовых, график распределения РЗЭ имеет вид, близкий к «плоскому», но с резко выраженным Ей минимумом и относительно высоким содержанием Sm, Eu и ТЬ. Топология графика распределения РЗЭ отличается как от типичных базальтов MORB, так и от базальтов островных дуг, хотя с толеитами последних имеется определенное сходство. На большей части широко используемых дискриминационных диаграмм фигуративные точки составов рассматриваемых толеитов располагаются в полях островодужных базальтов (Ti - Sr - Y, Zr/Y - Zr, Ti - V), на других (Сг - Ti) сопоставимы с базальтами срединно-океанических хребтов. На дискриминационной диаграмме Ti/Cr - Ni большая часть фигуративных точек составов этих базальтов находится в поле островодужных толеитовых базальтов. Обращает на себя внимание то, что фигуративные точки составов базальтов Командорско-Алеутской островной дуги, используемой здесь в качестве эталона, на диаграммах часто лежат в тех же полях, что и маиозерские базальтоиды, хотя есть и отличия. Метаультрабазиты, картируемые среди пород майозерской СТА, вероятно, являются интрузиями. По петрохимическим особенностям они относятся к породам коматиитовой серии - коматиитам и коматиитовым базальтам. По сравнению с однотипными породами коматиит-базальтовой ассоциации (верхнекумозерской СТА) они более однородны по составу. Петрогеохимические характеристики (А12О3/ТЮ2 ~~ 16-20, СаО/А^Оз _ 0,5-0,75, Zr/Y - 3-6) позволяют отнести их к А1-недеплети-рованному типу, хотя отношение Zr/Y в них весьма велико. Уровень содержания тяжелых РЗЭ в метаультрабазитах в 2 раза превышает хондрито-вый уровень, а легких - в 8-10. Спектр распределения РЗЭ характеризуется обогащением легкими РЗЭ, слабофракционированным распределением тяжелых РЗЭ, наличием Ей минимума. По особеностям состава РЗЭ рассматриваемые породы сопоставимы с коматиитами типа IV, группы II. Коматииты с подобными характеристиками установлены в Ведлозерско-Сегозерской системе зеленокаменных поясов Карельского кратона. Коматииты такого состава могли образоваться в мантийном плюме при плавлении примитивного безгранатового мантийного перидотита на глубине 75-120 км и последующем фракционировании, главным образом, оливина. Обогащенность метаультрабазитов легкими РЗЭ и Zr, вероятно, связана с особенностями состава мантийного источника, претерпевшего предварительную контаминацию. Для решения вопроса о геодинамической обстановке формирования базитов важное значение имеет состав метаосадков, с которыми они ассоциируют. Среди базальтоидов майозерской СТА картируются, как отмечалось выше, горизонты парагнейсов. Из-за того, что в гнейсах не сохранились реликты первичноосадочных структур и плохо выражены осадочные текстуры , рассматриваемых парагнейсов на диаграммах SiC>2 - FeOcyM, MgO, V располагаются на линии, соединяющей средний состав кислых пород и метабазитов района. На диаграммах SiC>2 - AI2O3, CaO, Zr фигуративные точки составов парагнейсов образуют тренды, не совпадающие с обозначенной линией смешения. Это может объясняться тем, что при седи-ментогенезе происходит обогащение новообразований AI2O3, Zr и обеднение СаО за счет источника вещества в области сноса. Обращает также на себя внимание высокое содержание в метаосадках Сг и Ni, что может свидетельствовать о наличии в области сноса ультраосновных пород. Для оценки примерного модельного состава разрушающихся в области сноса пород используются диаграммы, на которые наносятся рассчитанные линии смешения составов. Крайними компонентами на линиях являются наиболее вероятные породы из области источника сноса. Проведенные расчеты показывают, что соотношение Cr/Ti - Zr/Y, наблюдаемое в майозерских метаграувакках, может быть результатом смешения материалов, отвечающих по составу базальтам (около 50% в составе смеси), кислым вулканитам (45%) и коматиитам (до 5%). Как видно на диаграмме Cr/Ti - Zr/Y, фигуративные точки состава граувакки располагаются, главным образом, вдоль линии смешения между кислыми ме-тавулканитами и смесью, состоящей на 80-90% из базальта и на 10-20% из коматиита. Таким образом, именно вариации количества кислых вулканитов, аналогичных хаттомозер-ским, определяют разнообразие состава метаосадков. Нормированные по хондриту содержания РЗЭ в наиболее распространенной группе метаосадков майозерской свиты характеризуются дифференцированным спектром распределения ((La/Yb)N около 16). Содержание легких РЗЭ в них немного ниже (в 60-70 раз выше хондритового уровня), чем в средне-кислых вулканитах хаттомозерской свиты, и значительно выше, чем в базальтах, а тяжелых - соответствует его уровню в средне-кислых вулканитах. Такие особенности состава РЗЭ в метаграувакках согласуются с моделью их образования, главным образом, за счет средне-кислых вулканитов и базальтов, с небольшой долей коматиитов. Одна из проб метаосадков имеет спектр распределения РЗЭ, близкий к базальтам, что, вероятно, свидетельствует о ведущей роли базальтов в составе их обломков и согласуется с положением ряда фигуративных точек состава граувакк на диаграмме Cr/Ti - Zr/Y вблизи поля базальтов. В одной из проб отмечается крайне низкое содержание тяжелых РЗЭ (0,5-0,9 хондритового уровня), относительно высокое (в 50 раз выше хондритового уровня) - легких РЗЭ и ярко выраженная положительная Ей аномалия. Кроме того, в ней высокое содержание Sr (531 г/т). Метаграувакки такого состава могли образоваться при наличии в области сноса вулканитов среднего состава адакитовой серии, которые, однако, весьма редки. Составы осадков используются для оценки геодинамических условий седиментогенеза, и для этих целей, в частности, широко применяются дискриминационные диаграммы М. Р. Бхатия и К. А. В. Крука. Положение фигуративных точек составов майозерских метаосадков (граувакк) на дискриминационных диаграммах Th - Со - Zr, La - Th - Sc, Th - Sc - Zr и Th - La соответствует, главным образом, полям осадков, формирующихся в обстановках океанических островных дуг, реже континентальных островных дуг. Близкое положение на таких диаграммах занимают составы метаграувакк Чупинского парагнейсового пояса. Таким образом, совокупность данных о составе пород майозерской андезибазальт-базальтовой ассоциации, включающей также коматииты и граувакки, свидетельствует о формировании ее во фронтальной части вулканической дуги, возможно, субсинхронно с островодужными вулканитами дифференцированной андезибазальт-андезит-дацитовой ассоциации.