Геодинамические обстановки ранней Земли и архейские полосчатые железистые кварциты

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00026

НазваниеГеодинамические обстановки ранней Земли и архейские полосчатые железистые кварциты

Руководитель Слабунов Александр Иванович, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук" , Республика Карелия

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-101 - Общая тектоника и геодинамика

Ключевые слова архей, полосчатые железистые кварциты, геохимия, геодинамика, фациальные условия, зеленокаменный пояс

Код ГРНТИ38.17.21 38.33.27 38.49.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на получение новых знаний о геодинамических процессах на ранней (архейской) Земле. В настоящее время остаётся нерешенным кардинальный вопрос геологии: какие геодинамические процессы обеспечивали формирование древней (архейской) зрелой континентальной коры, были ли они сходны с современными или существенно отличались, какова роль биологических систем? Задача данного проекта: провести реконструкцию геодинамических условий формирования бассейнов, в которых происходило образование полосчатых железистых кварцитов (BIF), и оценить при этом роль живых организмов. Преддуговые, задуговые бассейны островодужных систем, а также внутриплитные бассейны и области осадконакопления в зонах спрединга имеют важные различия условий седиментогенеза, что связывается с различиями в источниках сноса обломочного материала, с особенностями вулканогенных и гидротермальных процессов. Эти различия, а также возможное влияние микроорганизмов, предопределяют геохимические особенности осадочных пород в таких бассейнов, в частности, таких своеобразных как BIF. Методической основой представленной работы является комплексное исследование BIF, с целью установления геодинамический природы бассейнов, в которых происходило их образование. Методика работ предусматривает геологические, геохронологические, геохимические и изотопно-геохимическое исследования BIF и сопряженных с ними вулканогенных и осадочных комплексов. При этом будет учитываться, что современные аналоги древних магматических образований известны, в то время как BIF формировались только в докембрии. Ключевой объект исследований - Костомукшский архейский зеленокаменных пояс Карельского кратона, в котором располагается крупнейшее месторождение железных руд, связанное с BIF. Для реализации данного проекта важно то, что BIF Костомукшского пояса ассоциируют с вулканогенными образованиями, геодинамическая природа которых может быть реконструирована на основании их геохимических особенностей. Таким образом, в данном зеленокаменном комплексе существует редкая возможность оценивать геодинамическую природу BIF-содержащих бассейнов разными методами. Для сравнительного анализа BIF будут использоваться материалы по другим структурам региона, а также по зеленокаменным поясам Бунделкхандского кратона Индийского щита. По результатам работы над проектом будет проведена реконструкция латеральных рядов структурно-вещественных комплексов, в которые входят BIF, а также выполнена их геохимическая типизация. Геохимическая характеристика последних позволит оценить главные источники сноса поступающих в бассейн веществ. С учетом этого и геодинамической природы сопряженных с ними вулканогенных пород будет возможно классифицировать геодинамическую природу бассейна. Будут проведены геохронологические исследования цирконов, монацитов, апатитов, выделенных из BIF и сопряженных с ними вулканогенных и осадочных комплексов. Для оценки роли биологических систем при формировании BIF будет проведено изучение изотопов C в карбонатах из BIF и свободного углерода из вмещающих сланцев. Такой алгоритм позволит использовать BIF для построения геодинамических моделей архея, наряду с магматическими и метаморфическими комплексами. Это особенно важно для понимания ранней истории Земли, для которого остается много альтернативных вариантов интерпретации имеющихся данных. По результатам исследования будут получены новые данные о строение и составе главной железорудной толщи крупнейшего месторождения железа СЗ России и новые знания о геодинамических процессах в раннем докембрии Земли.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Слабунов А.И., Кервинен А.В., Нестерова Н.С., Егоров А.В., Максимов О.А., Медведев П.В. Полихронная история формирования неоархейских полосчатых железистых кварцитов главной рудной толщи Костомукшского зеленокаменного пояса: возраст цирконов и акцессорные минералы Труды Карельского научного центра РАН., № 5. С. 139-143 (год публикации - 2022)
10.17076/geo1666

2. Медведев П.В. Железорудные формации докембрия: палеоэкологический и палеонтологический аспекты Труды КарНЦ РАН. Сер. Геология Докембрия, Труды Карельского научного центра РАН. 2022. № 5. С. 95–98. DOI: 10.17076/geo1676 (год публикации - 2022)
10.17076/geo1676

3. Слабунов А.И., Кервинен А.В., Нестерова Н.С., Максимов О.А., Медведев П.В. Zircon from banded iron formation as a sensitive indicator of its polychronous background: a case study on the Kostomuksha Greenstone Belt, Karelian Craton, Fennoscandian Shield International Geology Review (год публикации - 2023)
10.1080/00206814.2023.2248501.

4. Слабунов А.И., Кервинен А.В., Нестерова Н.С. Егоров А.В., Максимов О.А., Медведев П.В. Главные эпизоды формирования полосчатых железистых кварцитов Костомукшского зеленокаменного пояса (Карельский кратон): данные U-Th-Pb датирования циркона Труды Карельского научного центра РАН, № 2. С. 5-22 (год публикации - 2023)
10.17076/geo1749

5. Слабунов А.И., Нестерова Н.С., Максимов О.А. Геохимия и условия формирования мезоархейских полосчатых железистых кварцитов (BIF-1) Костомукшского зеленокаменного пояса Карельского кратона Геохимия (год публикации - 2023)

6. Слабунов А.И., Джоши К.Б., Сингх С.К., Раи В.К. Depositional age and formation conditions of Archean Banded Iron Formations, Bundelkhand Craton, Central India: Geochemistry, Neodymium isotopes and U-Pb Zircon Geochronology Precambrian Research (год публикации - 2023)

7. Слабунов А. И., Исаченко А.А. Литогеохимия полосчатых железистых кварцитов шурловаарской свиты Костомукшского зеленокаменного пояса (Карельский кратон) Труды Карельского научного центра РАН. , №6. С. 30–50 (год публикации - 2024)
10.17076/geo1950

8. Медведев П.В. Полосчатые железистые формации докембрия: палеоэкологические и палеобиологические аспекты Труды Карельского научного центра Российской академии наук., № 6. С. 17–29 (год публикации - 2024)
10.17076/geo1953

9. Мудрук С.В., Нестерова Н.С., Максимов О.А., Кервинен А.В., Слабунов А.И. Структурный анализ архейских конгломератов Костомукшского зеленокаменного пояса (Фенноскандинавский щит): первые результаты Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН, 21. С. 181–189 (год публикации - 2024)
10.31241/fns.2024.21.022

10. 5. Савко К. А., Гончаров Д. А., Нестерова Н. С., Слабунов А. И. Полосчатые железистые кварциты главной рудной толщи Костомукшского зеленокаменного пояса Карельского кратона: геохимия, петрография и условия формирования Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Геология. , № 2, 50–70 (год публикации - 2024)
10.17308/geology/1609-0691/2024/2/50-70

11. Слабунов А.И., Нестерова Н.С., Мудрук С.В., Максимов О.А., Кервинен А.В. Находка неоархейских (2.71 млрд лет) конгломератов в Костомукшском железорудном районе: к вопросу о самой молодой стратотектоничекой ассоциации архея Карельского кратона Doklady Earth Sciences (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X24603493

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Завершен цикл исследований геохимических особенностей основных типов полосчатых железистых кварцитов (BIF) , установленных в, и сделаны выводы о геодинамических обстановках в которых они формировалисб. Ранее были детально изучены особенности химического состава полосчатых железистых кварцитов (BIF-1) Костомукшского зеленокаменного пояса (КЗП) Карельского кратона. В настоящем цикле работ внимание было уделено мезо-неоарххейским и неорхейским BIF. В северной части КЗП в составе шурловаарской свиты установлены BIF-2, состоящие из слоев трех (в то время как обычно они представлены двумя) типов: обогащенных железом (магнетитовые кварциты), обогащенных кремнеземом (кварциты) и состоящих из хлорит-амфиболового сланца. В BIF установлена осадочная цикличность: цикл начинается со сланцев, которые сменяются магнетитовыми кварцитами и завершается кварцитами. Минеральный и химический состав прослоев каждого типа имеет характерные особенности. Кварц является главным породообразующим минералом кварцитов. В этой породе в качестве акцессорных присутствуют магнетит, хлорит, карбонат, пирит, апатит, амфибол. Порода обеднена всеми, кроме Ba, Rb и As, малыми и редкими элементами. Для нее характерно обеднение легкими РЗЭ и наличие слабой положительной Eu-аномалии. Магнетитовые кварциты состоят преимущественно из кварца, магнетита и хлорита. Порода являются главным концентратором V и Ga, они существенно обеднены легкими РЗЭ, в них четко выражена положительная Eu-аномалия. Хлорит-амфиболовые сланцы сложены кварцем, хлоритом и амфиболом, в качестве второстепенных минералов отмечены пирит, магнетит, титаномагнетит, а среди акцессорых - апатит, циркон. Хлорит-амфиболовые сланцы обогащены по сравнению с другими породами BIF практически всеми малыми и редкими элементами. РЗЭ в сланцах обогащены тяжелыми РЗЭ, в них наиболее контрастно выражена положительная Eu-аномалия. Хлорит-амфиболовые сланцы моделируюся как смесь из продуктов разрушения коматиит-базальтовых и кислых вулканитов контокской серии с добавкой железо-кремнистого субстрата. Формирование трех типов слоев в рассмотренных BIF-2 вместо стандартных двух может быть связано с особенностями поступления в преддуговой бассейн, в котором они накапливались, терригенного материалакислого и основного состава. Процесс осадконакопления носил цикличный характер. Изучена геохимия и на этом основании оценены условия формирования неоархейских (2.76–2.74 млрд лет) BIF костомукшской свиты гимольской серии (BIF-3) КЗП. Обогащение HREE относительно LREE, положительные La/La* и YSN аномалии и суперхондритовое отношение Y/Ho (31–42) свидетельствуют о накоплении BIF-3 в морских условиях. Положительные Eu/Eu* аномалии позволяют предполагать ведущую роль гидротермальных источников при их формировании. Отсутствие отрицательных Ce/Ce* аномалий (0.9–1.04) и низкие концентрации U указывают, что их накопление происходило в условиях дефицита кислорода в атмосфере. Сильные положительные корреляции Al2O3 с Zr и REE, TiO2 с Zr указывают на преобладание в источниках сноса пород кислого состава. Проведено также исследование возраста и геохимических особенностей циркона и впервые апатита из BIF-3 КЗП. U-Pb возраст апатита из различных образов оценивается в 2488 ±95 и 1850 ±95 млн лет, соответственно. Эти датировки в пределах ошибки совпадают с возрастами поздних генерации метаморфогенного циркона, установленных в КЗП ранее. Таким образов проведенные геохимические исследования цирконов известного возраста и оценки возраста апатита из BIF позволили впервые уверенно датировать возраст последовательно проявленных фаз метаморфизма в породах главной рудной толщи КЗП: ранний метаморфизм амфиболитовой фации – 2.72 млрд лет, главная фаза метаморфизмв в условиях амфиболитовой фазы повышенных давлений - 2.66 млрд, локально проявленные метаморфические процессы зеленосланцевой фации – 2.5 и 1.85 млрд лет. КЗП, расположенный в центральной части Карельского кратона является стратотипом мезо-неоархея региона. Проведенные в ходе проекта работы позволили существенно уточнить строение этого зеленокаменного комплекса.Стратотектонический разрез КЗП включает, как был показано, три, а не две, как считалось, стратотектонические ассоциации (СТА): контокскую, гимольскую и неоархейских конгломератов. В составе контокской СТА выделяют три свиты: ниемиярвинскую и рувинваарскую, сложенные метаморфизованными толеитовыми базальтами и коматиитами с редкими прослоями BIF-1 и шурловаарскую, представленную туфами, туффитами риолитов - риодацитов (редко до андезитов) с прослоями углеродистых сланцев и BIF-2. В ходе проведенных работ уточнено распростанение этой толщи, что и отражено на авторской схеме геологического строения пояса. Гимольская СТА сложена метаосадками и вулканитами в чередовании с BIF-3. Возраст толщи оцениватся как неоархейский (2.76–2.74 млрд лет) , что подтвердили новые данные исследования BIF-3 . Кроме того, получены новые данные о возрасте парагнейсов сурлампинской свиты: возраст их осадконакомпения находится в интервале 2.53-2.72 млрд лет, так как их мигматизация оценивается в 2720±20 млн лет (по цирконам из лейкосомы), а возраст наиболее распространенного кластера цирконов - 2753.8±4.6 млн лет. Таким образом, парагнейсы сурлампинской свиты не отличимы по возрасту от граувакки костомукшской свиты. Самой молодой СТА в КЗП являются неоархейскиие (2.71млрдлет) конгломераты, формирующиеся, вероятно, в пулл-апарт структуре на заключительных стадиях становления зеленокаменного комплекса. Подгтовлена новая схема геологического строения Гимольского (или Гимольско-Суккозерского) зеленокаменного пояса. По результатам изотопного датирования цирконов (LA-ICP-MS) из кислых вулканитов показано, что в составе пояса существует две содержащих такие вулканиты разновозрастные СТА: 1) мезоархейская (2812.4±5.7 - 2824.4 ±2.7 млн лет), в которой андезит-дациты ассоциируют с BIF и углеродсодержащими сланцами, 2) неоархейская (2745.9 ±4.7 и 2758.4 ±5.4 млн лет), вулканиты которой варьируют по составу от андезибазальтов до дацитов и ассоциируют с линзами конгломератов. Кроме того, в состав пояса входит СТА метабазальтов, которая известна в западной части структуры. Sm-Nd систематика этих вулканитов показала, что их ɛNd(2800) оценивается в +1.6-+3.3. Это означает, что они имеют ювенильную природу. По особенностям химического состава метабазальты аналогичны основным породам контоккской серии Костомукшского пояса. Таким образом, впервые получен набор геохронологических и геологических данных, который позволяет обосновать выделение в составе Гимольско-Суккозерского пояса трех СТА: метабазальтовую (наиболее вероятно, мезоархейскую), мезоархейскую (2.82-2.81 млрд лет) андезит-дацитовую с прослоями BIF и неоархейскую (2.76 – 2.74 млрд лет) андезибазальт-дациовую с линзами конглометатов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты по геологии, геохронологии и петрографии гимольской серии Костомукшского зеленокаменного пояса - главной рудной толщи структуры - важны для создания актуальной модели ее строения.