Изотопный состав Sr, Nd и Pb в пирсонитовых, шортитовых и кальцитовых карбонатитах вулкана Олдоинье Ленгаи, Танзания
Зайцев А.Н., Келлер Й., Биллстрем Ш.
СПбГУ, Санкт-Петербург; Фрайбургский университет, Германия;
Государственный музей естествознания, Стокгольм, Швеция
Карбонатит-нефелинит-фонолитовый вулкан Олдоинье Ленгаи, расположенный в пределах рифта Грегори, является одним из интереснейших геологических объектов для изучения происхождения и эволюции щелочно-карбонатитовых магм. Это связано с необычном химическим, и как следствие, минеральным составом слагающих вулкан силикатных пород и карбонатитов. Отличительной особенностью пород вулкана является их обогащенность щелочными элементами Na и K (Keller et al., 2006; Klaudius, Keller, 2006), максимальное содержание которых установлено в карбонатитах – 39.0-41.5 мас.% Na2O+K2O (Keller, Krafft, 1990). Натрокарбонатиты Олдоинье Ленгаи по своему химическому и минеральному составу не имеют аналогов среди других известных проявлений карбонатитов. Натрокарбонатиты сложены в основном ньеререитом Na2Ca(CO3)2 и грегориитом Na2CO3, которые образуют фенокристаллы и встречаются в основной массе породы, там же в основной массе присутствует флюорит, сильвин, алабандин, магнетит и фторапатит.
Отличительной чертой Олдоинье Ленгаи является то, что натрокарбонатитовые лавы, лапилли и пепел при контакте с атмосферой и метеорными водами частично растворяются и разрушаются. Уже через несколько часов после затвердевания поверхность лавовых потоков покрывается порошковым налетом термонатрита и нахколита. В дальнейшем, в течение дней, месяцев и лет в результате комбинации процессов растворения, метасоматического замещения и кристаллизации из поровых растворов, происходит образование разнообразных низкотемпературных вторичных карбонатов. Результатом этих процессов является образование вторичных, преобразованных и замещенных карбонатитов, сложенных в основном пирсонитом, шортитом и кальцитом (Dawson et al., 1987; Keller, Krafft, 1990; Dawson, 1993; Keller, Zaitsev, 2006; Zaitsev, Keller 2006).
Исследования радиогенных (Sr, Nd и Pb) и стабильных (C и O) изотопов свидетельствуют о глубинном мантийном источнике этих элементов в оливиновых мелилититах, нефелинитах, фонолитах и натрокарбонатитах (Bell, Dawson, 1995; Bell, Simonetti, 1996; Bell, Tilton, 2001; Keller et al. 2006; Keller, Zaitsev, 2006).
Целью данной работы являлось исследование изотопных составов Sr, Nd и Pb и их возможных изменений в разнообразных по минеральному и химическому составу измененных карбонатитах, то есть изучение поведения, мобильности изотопов в процессе низкотемпературного преобразования натрокарбонатитов. Время является одним из главным факторов при изменении натрокарбонатитов. Поэтому, для исследований были использованы образцы карбонатитов, характеризующиеся достаточно продолжительным временем их взаимодействия с атмосферой и метеорными водами. Большинство исследованных образцов было отобрано из северного активного кратера, они представлены карбонатитовыми лавами подстилающими комбеит-волластонитовый нефелинит, извержение которого относится к 1917 году. Один образец измененной лавы и неизвестного время извержения был отобран на западном склоне вулкана. Другие образцы измененных натрокарбонатитов представлены ксенолитом кальцитового карбонатита из нефелинитового агломерата восточного склона вулкана, и образцами карбонатитовых даек, секущих фонолиты южного кратера.
Дополнительно, для сравнения с опубликованными изотопными данными для натрокарбонатитов, извергавшихся в период с 1960 по 1995 года, были проанализированы два образца свежих неизмененных натрокарбонатитов из лавовых потоков конуса Т49, отобранные в октябре 2000 и октябре 2001 годов.
Данные, полученные для образцов неизмененных натрокарбонатитов 2000 и 2001 годов извержения, подтверждают опубликованные ранее результаты по изотопному составу Sr, Nd и Pb в этих породах. На диаграммах 87Sr/86Sr - 143Nd/144Nd, 206Pb/204Pb - 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb - 208Pb/204Pb точки изотопных составов натрокарбонатитов образуют компактное поле и перекрываются с изотопным составом нефелинитов, относящихся к так называемой «группе I» (Bell, Dawson, 1995) или «Ленгаи IIб» (Klaudius, Keller, 2006). Геологические и геохимические данные, а также схожесть изотопного состава натрокарбонатитов и нефелинитов, указывают на образование натрокарбонатитов при их отделении от нефелинитов, вероятнее всего в результате явления жидкостной несмесимости.
Изотопный состав Sr, Nd и Pb в пирсонитовых, шортитовых и кальцитовых карбонатитах позволяет выделить три группы образцов. Первая группа включает образцы измененных лавовых потоков из северного кратера и западного склона вулкана. Здесь для разнообразных по минеральному составу карбонатитов установлены практически идентичные изотопные отношения Sr, Nd и Pb - 87Sr/86Sr = 0.70440-0.70443, 143Nd/144Nd = 0.512597-0.512614, 206Pb/204Pb = 19.219-19.301, 207Pb/204Pb = 15.575-15.607 и 208Pb/204Pb = 39.229-39.387. Эти значения полностью перекрываются с изотопными отношениями Sr, Nd и Pb в неизмененных натрокарбонатитах.
Вторая группа - это образцы карбонатитовых даек южного кратера. Две дайки, расположенные друг от друга на расстоянии около 50 метров, характеризуются одним и тем же изотопным составом, и по сравнению с натрокарбонатитами, пирссонитовыми, шортитовыми и кальцитовыми породами северного кратера показывают более радиогенный состав стронция (87Sr/86Sr = 0.70470-0.70475) и менее радиогенный состав неодима (143Nd/144Nd = 0.512521-0.512527) и свинца (206Pb/204Pb = 18.512-18.560, 207Pb/204Pb = 15.523-15.536 и 208Pb/204Pb = 38.715-38.773). На диаграммах, связывающих изотопные отношения Sr, Nd и Pb, точки располагаются вблизи поля изотопных составов этих элементов в фонолитах.
Последняя группа представлена образцом ксенолита кальцитового карбонатита из нефелинитового агломерата восточного склона вулкана. Для этого образца установлено наибольшее значение отношения 87Sr/86Sr (0.70509) и наименьшее значение отношения 143Nd/144Nd (0.512440) по сравнению со всеми известными данными для карбонатитов Олдоинье Ленгаи. По изотопному составу элементов, включая также и Pb, карбонатит близок к так называемым нефелинитам «группы II» (Bell, Dawson, 1995) или «Ленгаи IIа» (Klaudius, Keller, 2006). Эти нефелиниты, так же как и ксенолит карбонатита, встречены в нефелинитовом агломерате. Геологические данные указывают на относительно более древний возраст этих пород по сравнению с нефелинитами слагающими верхнюю часть вулкана («группа I / Ленгаи IIб»).
В образце пирсонитового и кальцитового карбонатитов были проанализированы как кислото-растворимая, так и нерастворимая фракции. Первая из них, характеризует изотопный состав вторичных низкотемпературных минералов, главным образом пирсонита и кальцита. Нерастворимая в HCl фракция представлена реликтовыми минералами натрокарбонатитов - флюоритом и магнетитом. В каждом из образцов обе фракции характеризуются одинаковыми изотопными отношениями Sr, Nd и Pb. Это указывает на то, что вторичные минералы характеризуются теми же изотопными отношениями элементов, что и первичные натрокарбонатиты.
Полученные новые данные по изотопному составу разнообразных измененных натрокарбонатитов позволяют сделать следующие выводы.
1. Образцы измененных натрокарбонатитов, пространственно связанные с различными силикатными породами, четко отличаются друг от друга по изотопному составу Sr, Nd и Pb и образуют три группы пород – лавы северного кратера и западного склона, дайки южного кратера и ксенолит с восточного склона. Изотопный состав Sr, Nd и Pb в каждой из трех групп измененных натрокарбонатитов близок или полностью перекрывается с изотопным составом этих элементов в ассоциирующих силикатных пород.
2. При низкотемпературном преобразовании натрокарбонатитов не происходит изменения изотопного состава Sr, Nd и Pb. Пирсонитовые, шортитовые и кальцитовые карбонатиты, широко развитые в пределах северного активного кратера и представляющие собой различные ступени преобразования натрокарбонатитов, имеют такое же соотношение Sr, Nd и Pb изотопов, что и современные потоки натрокарбонатитовых лав.
3. Сходство изотопного состава Sr, Nd и Pb в измененных натрокарбонатитах и ассоциирующих силикатных породах в каждой из трех групп свидетельствует о их возможной генетической взаимосвязи. Наблюдаемые вариации в изотопных отношениях Sr, Nd и Pb в измененных натрокарбонатитах позволяют предположить, что в пределах Олдоинье Ленгаи извергались различные по изотопному составу порции натрокарбонатитовой магмы.
Работа выполнена при финансовой поддержке программ SYNTHESYS, Marie Curie IIF в рамках 6 Рамочной программы EC и Немецкого научно-исследовательского сообщества (проект КЕ 136/40).
Литература
Bell K., Dawson B. // In: Carbonatite Volcanism. Oldoinyo Lengai and the Petrogenesis of Natrocarbonatites. Berlin Heidelberg. Springer-Verlag. 1995. P. 100-112.
Bell K., Simonetti A. Carbonatite magmatism and plume activity: implications from the Nd, Pb and Sr isotope systematics of Oldoinyo Lengai // J. Petrol. 1996. V. 37. P. 1321–1339.
Bell K., Tilton G.R. Nd, Pb and Sr isotopic compositions of East African carbonatites: evidence for mantle mixing and plume inhomogeneity // J. Petrol. 2001. V. 42. P. 1927–1945.
Dawson J.B. A supposed sövite from Oldoinyo Lengai, Tanzania: result of extreme alteration of alkali carbonatite lava // Miner. Mag. 1993. V. 57. P. 93–101.
Dawson J.B., Garson M.S., Roberts B. Altered former alkalic carbonatite lava from Oldoinyo Lengai, Tanzania: inferences for calcite carbonatite lavas // Geology. 1987. V. 15. P. 765–768.
Keller J., Krafft M. Effusive natrocarbonatite activity of Oldoinyo Lengai, June 1988 // Bull. Volcan. 1990. V. 52. P. 629–645.
Keller J., Zaitsev A.N. Calciocarbonatite dykes at Oldoinyo Lengai, Tanzania: the fate of natrocarbonatite // Can. Mineral. 2006. V. 44. P. 857-876.
Keller J., Zaitsev A.N., Wiedenmann D. Primary magmas at Oldoinyo Lengai: the role of olivine melilitites // Lithos. 2006. V. 91. P. 150–172.
Klaudius J., Keller J. Peralkaline silicate lavas at Oldoinyo Lengai, Tanzania // Lithos. 2006. V. 91. P. 173–190.
Zaitsev A.N., Keller J. Mineralogical and chemical transformation of Oldoinyo Lengai natrocarbonatites, Tanzania // Lithos. 2006. V. 91. P. 191-207.