Происхождение и эволюция магм типа Клаймакс

Мы пришли к выводу, что магмы типа Клаймакс поставляли молибденоносные гидротермальные флюиды, которые сформировали рудные тела типа Клаймакс. Следовательно, важно рассмотреть, как образовались магмы типа Клаймакс и как они эволюционировали.

Исходный материал. Информация, полученная по изотопам стронция. Предварительные данные определений возраста по стронцию как по породе в целом, так и методом датирования по следам распада в цирконе дали для относительно неизмененных пород месторождений Клаймакс и Хендерсон изначальное отношение 87Sк/86Sr в основном в интервале 0,705—0,710. Сравнимые значения были получены для месторождения Куэста, где Лафлин и др. вычислили изначальное отношение 87Sr/86Sr, равное 0,7069, по породе в целом для аплита Майн, который датирован K-Ar-методом по биотиту в 22,3 млн. лет.

Отношение 87Sr/86Sr для современного вещества верхней мантии составляет около 0,704. Современные отношения 87Sr/86Sr в докембрийских породах верхних частей коры, выходящей на поверхность около месторождений Клаймакс и Хендерсон, колеблются в среднем от ~ 0,8 в граните Силвер-Плум до 1,0 в кристаллических сланцах формации Айдахо-Спринге.

Породы типа Клаймакс имеют очень высокое значение отношения Kb/Sr (табл. 5) и должны быть очень восприимчивы к верхнекоровому заражению радиогенным коровым Sr. Тем не менее их изначальные отношения (0,705—0,710) значительно ближе к отношениям современных мантийных пород (0,704), чем к среднему современному отношению докембрийских верхнекоровых пород, в которые они внедрились (0,8—1,0).

Таким образом, в этом районе исходный материал магм типа Клаймакс содержал радиогенного 87Sr, получившегося при разложении рубидия, несколько больше, чем обычное вещество верхней мантии, но значительно меньше, чем докембрийские породы верхней части коры. Предполагают, что магмы типа Клаймакс могли произойти из материала нижней части коры промежуточного состава или из смешанного материала верхней мантии и материала нижних или средних частей коры. В любом случае контаминация в верхней части коры такими породами, как кристаллические сланцы Айдахо-Спрингс и граниты Силвер-Плум, минимальна. Если, как считают Уоллес и др., источником молибдена и вольфрама месторождений Клаймакс и Хендерсон были граниты Силвер-Плум и кристаллические сланцы Айдахо-Спринге, трудно понять, как эти составные части могли быть объединены в магмах без значительного изменения изначального отношения изотопов стронция в этих магмах.

Данные по изотопам свинца в образцах галенита из месторождений типа Клаймакс предполагают для свинца нижнекоровый источник. Имеющиеся данные по изотопам свинца приведены в табл. 10. Среднее отношение уранового 206Pb к нерадиогенному 204Pb относительно низкое (17,93), тогда как среднее отношение ториевого 208Pb к 20iPb относительно высокое (39,06). Это подтверждает заключение До и Зартмана о наличии кратонизированного источника в нижней части коры, в котором содержание урана уменьшалось по сравнению с содержанием тория в процессе метаморфизма гранулитовой фации.

Литосферные источники молибдена, вольфрама и фтора. В районе Скалистых гор в Колорадо значительные концентрации Mo, W и F образовались в связи с различными типами пород и в различное время, начиная по крайней мере со времени 1,7 млрд. лет назад. Это наводит на мысль о долговременном источнике этих элементов в континентальной литосфере данного района.

Докембрийские известково-силикатные гнейсы и амфиболиты древнее чем 1,7 млрд. лет содержат редкие месторождения шеелита и повеллита. Биотитовые сланцы формации Айдахо-Спринге содержат в среднем 5 млн-1 Mo, главным образом в виде элемента-примеси в магнетите.

Граниты Силвер-Плум с возрастом приблизительно 1,4 млрд. лет являются глиноземистыми посторогенными гранитами В. Согласно Кунцу и Броку, они образовались при частичном плавлении нижнекорового исходного материала. Он обычно содержит 2—3 млн-1 Mo, а отдельные образцы — до 10 млн-1. Пегматиты, расположенные по границам с плутонами гранитов Силвер-Плум, в отдельных местах содержат кристаллы молибденита. Во многих местах в гранитах Силвер-Плум также содержится акцессорный флюорит и генетически ассоциирующийся с ними флюорит в краевых линзах церита близ Джемстауна.

Граниты Пайкс-Пик с возрастом около 1 млрд. лет представляют собой калиевые анорогенные граниты, образовавшиеся в процессе реакционного плавления в нижних или средних частях коры в результате поддвигания базальтов. Граниты Пайкс-Пик содержат нормативный флюорит. Аплитовые, грейзеновые, брекчиевые и жильные месторождения в поздних куполах гранитов содержат молибденит, вольфрамит и флюорит.

С раннеларамийскими (около 70—50 млн. лет) монцонитами, сиенитами, транодиоритами и кварцевыми монцонитами северо-восточной части минерального пояса Колорадо обычно ассоциируются месторождения молибденита и флюорита, такие, как Централ-Сити, Апекс, Эмпайр и Алма. С поздне-ларамийскими (около 50—30 млн. лет) гранодиоритами, кварцевыми монцонитами, кварцевыми латитами и риолитами северо-восточной и центральной частей минерального пояса Колорадо (рис. 35) на разрабатываемых площадях, таких, как Нидерленд, Монтезума, Брекенридж, Алма, Туин-Лейкс и Маунт-Принстон, обычно связаны молибденитовые, флюоритовые и (или) вольфрамитовые месторождения. На основе изучения изотопов стронция и малых элементов Симмонс и Хедж предполагают, что исходным для пород монцонитовой серии мог быть материал глубоких частей коры, а для пород гранодиоритовой серии — материал более высоких уровней нижней части коры.

На месторождениях Клаймакс, Ред-Маунтин (Юред — Хендерсон), Маунт-Эммонс и Куэста главные молибденитовые рудные тела ассоциируются с риолитовыми порфирами типа Клаймакс (возраст от 33 до 17 млн. лет). Эти месторождения обычно содержат флюорит и богатые фтором топаз и слюду. Вольфрам в виде гюбнерита является важным побочным продуктом рудника Клаймакс и в небольших количествах присутствует на месторождениях Юред и Хендерсон. Данные по изотопам свинца и стронция указывают на то, что исходным для магм типа Клаймакс и рудных жил был нижнекоровый или смешанный материал (верхнемантийный с нижне- или среднекоровым). Такой же исходный материал предполагается в данной работе для молибдена, вольфрама и фтора на месторождениях типа Клаймакс.

С некоторыми позднетретичными интрузивами риолитов ассоциируются молибденитовые и флюоритовые месторождения, и многие позднетретичные зоны сбросов, протягивающиеся вдоль границ рифтовой системы Рио-Гранде, содержат эпитермальное флюоритовое оруденение.

Длительная история обогащения молибденом, вольфрамом и фтором района Скалистых гор в штате Колорадо позволяет предполагать, что долговременным источником этих элементов была континентальная литосфера этого района начиная с рубежа по крайней мере 1,7 млрд. лет назад. В противоположность этому субдуцирующие плиты или конвекционная астеносфера могли перемещаться по отношению к континентальной коре в течение каждого эпизода движения плит, которые могли иметь место со времени 1,7 млрд. лет назад.

Хотя тепло, вызвавшее частичное плавление корового материала, могло быть получено андезитовыми магмами из субдуцирующих плит или мафическими магмами из мантии, исходный материал для молибден-, вольфрам-и фтороносных магм, возможно, находился в нижних и средних частях коры.

Генетический смысл состава пород. Индексы дифференциации для порфиров Ред-Маунтин и Юред, которые формировались до образования рудного тела Хендерсон, находятся в интервале 91—92 (табл. 5), для связанных с рудой биотитовых порфиров месторождения Клаймакс и для порфиров Праймос месторождения Хендерсон — между 92 и 93, а для поздних риолитовых порфиров и серийных гранитов месторождения Клаймакс и гранитов Хендерсон с одноименного месторождения — в интервале 93—94. Вместе с постепенным ростом индекса дифференциации происходит постепенное увеличение отношения Na2CVK2O от среднего значения 0,50 для дорудных пород до 0,57 для связанных с рудой пород и до 0,74 для пострудных пород.

Тот факт, что индексы дифференциации составляют 91—92 даже для самых ранних, изначальных пород месторождения Клаймакс, позволяет предполагать, что материнские магмы образовались скорее при слабом фракционном частичном плавлении, чем при более полном равновесном частичном плавлении, когда формируются известково-щелочные материнские магмы с более низкими индексами дифференциации. Однако тот факт, что индексы дифференциации возрастают во времени, указывает на постепенную дифференциацию, следовательно, материнские магматические тела эволюционировали во времени.

Изначально низкие и постепенно понижающиеся концентрации Ca и Sr в разрезе пород типа Клаймакс (табл. 5) свидетельствуют о фракционном плавлении, с разделением изначальной и остаточной магмы и отделением тугоплавкого плагиоклаза, за которым следует фракционная кристаллизация и отделение кристаллов плагиоклаза от вновь получающейся магмы. Крайне низкие содержания Ba (табл. 5), который замещает К, предполагают либо фракционное плавление, либо фракционную кристаллизацию К- и Ba-носных минералов. Изначально высокие и постепенно повышающиеся концентрации Rb (табл. 5), который в незначительной степени замещает К, предполагают изначальное фракционное плавление К- и Rb-носных минералов, за которым следует фракционная кристаллизация К-носных минералов и постепенное накопление Rb в остаточных магмах.

Высокие концентрации малых элементов, таких, как U, Th, Zn, Pb, Mn, Ti, Sc, Mo, Sn, W, Nb, Ta, Zr, Y, Ce и La в системах типа Клаймакс, предполагают, что состав исходного материала был от среднего до мафического; в этом материале перечисленные элементы, как правило, присутствуют в рассеянном состоянии чаще в мафических минералах, чем в фельзических. Низкие содержания Fe и Mg и высокие малых элементов в породах типа Клаймакс позволяют предполагать, что хотя мафические минералы подвергались фракционному частичному плавлению и отдавали примесь малых элементов и легкоплавких составных частей, все же большая часть содержащихся в них Fe и Mg оставалась в процессе фракционного плавления в тугоплавком остатке. Это уменьшало последующий вынос несовместимых рассеянных элементов из магмы при фракционной кристаллизации мафических минералов. В свою очередь этот процесс приводил к возрастанию концентраций малых элементов в остаточных расплавах, которые образовались в результате фракционной кристаллизации бедных элементами-примесями фельзических минералов.

Высокие содержания кремнезема, щелочей и, предположительно, летучих компонентов, таких, как фтор и вода, а также высокие содержания некрупных высоковалентных катионов Mo, W, Sn, U, Th и Nb, позволяют предполагать существование дифференциации в процессе конвекционной термогравитационной диффузии — механизм, который Хилдрет [34] предлагал для объяснения увеличения в этой толще содержаний кремнезема, щелочей, летучих и рассеянных элементов по направлению вверх.

По экспериментальным данным Айзака и Кармана, растворимость MoS2 в водном щелочном силикатном расплаве при высокой температуре и давлении достигает 12% и по крайней мере 30% в щелочных десилицифицированных водных флюидах при насыщении MoS2. Хотя эти эксперименты не учитывают влияния алюминия или фтора, которые являются важными составными частями щелочных кислых магм типа Клаймакс, они продемонстрировали, что в такой магме содержание MoS2 могло достичь высоких значений и сосуществующие щелочные и кислые водные флюиды также могли иметь высокие содержания MoS2.

Тектоническая классификация. Силлитое предложил разделение молибден-порфировых месторождений в зависимости от их тектонического положения на два главных типа: связанные с субдукцией и связанные с рифтами. Месторождения Клаймакс, Хендерсон) Маунт-Эммонс й Kyэста относятся к связанным с рифтами и характеризуются тыловодужным рифтообразованием, возникшим при медленной, погружающейся и, возможно, прекращающейся субдукции. Силлитое отмечал, что перед рифтообразованием и во время него магматизм тыловодужного района западной части США изменился от известково-щелочного до бимодального базальт-риолитового, а металлогения района — от халькофильной до литофильной.

Генезис и тектоно-магматическая история. Tектоно-магматическая история. Месторождения Клаймакс, Юред — Хендерсон, Маунт-Эммонс и Куэста расположены около восточной границы обширного района западной части США, на которую воздействовало ларамийское сжатие восточного направления и где проявлялся известково-щелочной магматизм. Связанное с этим перемещение магматизма в восточном направлении началось около западной континентальной границы приблизительно 80 млн. лет назад и достигло Скалистых гор в Колорадо около 70 млн. лет назад. При этом в течение интервала 70—40 млн. лет назад известково-щелочные плутоны эпизодически внедрялись вдоль докембрийских зон сдвигов северо-восточного простирания, вызывая гидротермальное рудообразование в минеральном поясе Колорадо. После внедрения сложного батолита Монтезума около 40—35 млн. лет назад известково-щелочной магматизм закончился северо-восточнее Туин-Лейкс и сместился на юго-запад по направлению к батолиту Маунт-Принстон, Элк-Маунтинс, и вулканическому полю Сан-Хуан (рис. 35).

Диапиры риолитов и гранит-порфиров типа Клаймакс эпизодически внедрялись на Клаймаксе в продолжение 15 млн. лет в интервале 33—18 млн. лет назад (табл. 11), а на месторождении Юред — Хендерсон субвулканические риолиты и гранит-порфиры — в течение 5 млн. лет в интервале примерно 28—23 млн. лет назад. Таким образом, интрузивная активность в северной части минерального пояса Колорадо не начиналась до того, как закончился известково-щелочной плутонизм в его северо-восточной части. Более того, интрузивы типа Клаймакс эпизодически внедрялись в течение таких продолжительных интервалов времени, что маловероятно, чтобы они могли быть дифференциатами верхнекорового известково-щелочного материала.

Связанные с рудой риолиты Маунт-Эммонс также имеют возраст около 17 млн. лет (Гейли, письменное сообщение, 1978), т. е. они на 10—12 млн. лет моложе самых молодых известных известково-щелочных пород центральной части минерального пояса Колорадо, гранодиоритового лакколита Крестед-Бьютт и штока кварцевых монцонитов Парадайс-Пасс (возраст обоих ~29 млн. лет) и пород восточной части вулканического поля Элк (приблизительно 27 млн. лет).

На вулканическом поле Сан-Хуан широко развитые андезитовые лавы и брекчии извергались приблизительно между 35 и 30 млн. лет назад. Последующие туфы и брекчиевые лавы образованы пепловым потоком приблизительно между 30 и 26 млн. лет назад, как и крупный батолит, который был внедрен в горизонты верхней части коры, и его самые верхние купола проникли со взрывом к поверхности, образовав широко распространившиеся туфы и большие кальдеры.

Позднее чем 26 млн. лет назад известково-щелочной магматизм быстро продвинулся к западу через западную часть США. Приблизительно в это же время в вулканическом поясе Сан-Хуан начала образовываться бимодальная ассоциация базальтов и высококремнистых богатых щелочами риолитов.

Интерпретация в свете тектоники плит. В течение интервала времени между 80 и 40 млн. лет назад скорости сближения плит Северной Америки и восточной части Тихого океана быстро возрастали по мере того, как Северная Америка поворачивалась западнее, к юго-западу от Европы. В результате увеличения на западной окраине континента скорости конвергенции падение субдуцирующих плит выполаживалось и известково-щелочной магматизм, связанный с субдукцией, мигрировал на восток. Около 40—45 млн. лет назад скорости сближения плит Северной Америки и плиты Фараллон уменьшились, субдукция замедлилась, силы сжатия ослабли, падение субдуцирующих плит делалось круче и известково-щелочной магматизм моложе 26 млн. лет изменил направление на западное, сначала медленно, затем с большей скоростью. Когда около 30 млн. лет назад началось растяжение в рифтовой системе Рио-Гранде, его ориентировки, вероятно, были антипараллельны направлению ослабления конвергентного движения плит Фараллон и Северной Америки. Это предполагает, что смена поздней субдукции ранним рифтогенезом включает уменьшение сдвигания, при этом залегание поддвигающейся плиты становилось круче, а в области тыловой дуги возникал диапиризм астеносферного материала, который компенсировал такое изменение залегания пластины. Андезитовые магмы из поддвигающейся плиты, вероятно, обеспечивали источник тепла для частичного плавления в нижней части коры, это проявлялось в обширном, связанном с субдукцией известково-щелочном магматизме. Противоток астеносферного материала мог быть источником тепла для малообъемного фракционного плавления, которое породило материнские магмы типа Клаймакс и бимодальные риолиты.

Генетические аспекты. Пространственно магмо-гидротермальные системы типа Клаймакс ассоциируются с основными отрицательными гравитационными аномалиями северо-восточного простирания (рис. 35), указывающими на сложные верхнекоровые батолиты. Однако по времени образования интрузивы типа Клаймакс и рудные тела ассоциируются с ранней рифтовой системой Рио-Гранде на площади развития более ранних известково-щелочных батолитов. По составу поздние риолиты типа Клаймакс подобны аплитам и пегматитам известково-щелочной серии, но ранние породы типа Клаймакс со средним отношением K2O/Na2O = 2 (Трмп и Тпю, табл. 5) являются более калиевыми, чем типичные известково-щелочные дифференциаты, и подобны высококремнеземистым с высоким содержанием щелочей риолитам бимодальной базальтовой серии. Более того, изначальное отношение 87Sr/86Sr в породах типа Клаймакс слишком низко (0,705—0,710) для того, чтобы они были богатыми Rb и бедными Sr дифференциатами более древних гранодиоритов минерального пояса Колорадо, которые имеют изначальное отношение 87Sr/86Sr, равное 0,707 и выше. Таким образом, по-видимому, породы типа Клаймакс, как и топазовые риолиты, описанные Бертом и др., принадлежат к особому классу бимодальных или высококремнеземистых риолитов, обогащенных фтором и литофильными малыми элементами, и, вероятно, представляют собой гипабиссальные аналоги анорогенных гранитов.

Цилиндрические диапиры, радиальные и концентрические дайки, жилы, сбросы и трещины месторождений Клаймакс и Юред — Хендерсон указывают на то, что во время внедрения магм типа Клаймакс и образования ассоциирующихся с ними рудных тел преобладали относительно атектонические условия. Позднейшее эпейрогеническое поднятие и значительное блоковое сбросообразование вдоль рифта Рио-Гранде привели к главному нормальному смещению части рудного тела Сереско приблизительно на 2700 м вдоль падающего на запад сброса Москито.

Хотя связанный с рифтообразованием базальтовый вулканизм проявлялся около 26 млн. лет назад вдоль западной границы долины Сан-Луис и 24 млн. лет назад на площади Флат-Топ, северо-западная часть Колорадо, внедрение пучков диапиров, сложенных риолитами Клаймакс или Ред-Маунтин, не сопровождалось никаким локальным базальтовым вулканизмом. Проявления базальтового вулканизма известны на Алкали-Крик, приблизительно в 16 км южнее Маунт-Эммонс, но они имеют здесь возраст около 10 млн. лет, т. е. приблизительно на 7 млн. лет моложе образования рудного тела Маунт-Эммонс.

Таким образом, рудные тела и магмы типа Клаймакс, по-видимому, образовались в течение относительно спокойного атектонического периода, который следовал за периодом связанного с субдукцией сжатия и известковощелочного магматизма, но предшествовал связанному с рифтообразованием значительному растяжению и сбросообразованию и происходил вне или перед проявлением известного локально развитого, связанного с рифтообразованием базальтового вулканизма.

Атектоническая диапировая модель. Мы предлагаем следующую модель для объяснения происхождения магм типа Клаймакс в штате Колорадо, учитывая пространственные, временные и композиционные ограничения, приведенные выше.

В течение и после процесса отступления известково-щелочного магматизма в западном направлении, связанного с субдукцией, мафическая магма (возможно, из астеносферы) поднялась на нижние или средние горизонты земной коры, где она вызвала частичное фракционное плавление высоко-метаморфизованных докембрийских пород среднего состава. Это фракционное частичное плавление должно было действовать на породы, которые не были до этого обеднены гранитными компонентами и несовместимыми рассеянными элементами во время более ранних эпизодов нижнекорового частичного плавления, образовавшего магмы гранитов Силвер-Плум и известково-щелочных батолитов минерального пояса Колорадо. Таким образом, относящиеся к Клаймаксу эпизоды избирательного плавления, вероятно, происходили в предварительно нагретой неистощенной верхней части нижней коры, ниже более ранних батолитов, но выше уровня остаточного тугоплавкого материала, который отходил в нижнюю часть коры по мере того, как батолиты продвигались вверх.

Степень частичного плавления, результатом которого было формирование изначальной магмы типа Клаймакс, вероятно, была значительной, такой, что ранние магмы в толщах типа Клаймакс оказались калиевыми, имеющими высокие индексы дифференциации (91—92) и обогащенными несовместимыми рассеянными элементами, такими, как Mo, W, Sn, U, Th, Nb и Rb.

Незначительные порции относительно низкотемпературной риолитовой изначальной магмы могли скапливаться, образуя расплавленный слой. Из-за меньшей плотности слоя по сравнению с плотностью перекрывающих пород гравитационная неустойчивость такого расплавленного слоя должна была возрастать по мере того, как возрастали его мощность и объем. При некоторой критической мощности гравитационная неустойчивость этого расплавленного слоя должна была компенсироваться диапиризмом подобно тому, как компенсируется диапиризмом гравитационная неустойчивость глубоко погруженного слоя соли. Эта модель — упрощенный вариант модели, предложенной Маршем для объяснения размещения вулканов вдоль островных дуг с точки зрения явления нестабильности Рэлея — Тейлора, которая наблюдается вдоль лентообразных расплавленных слоев на критических глубинах зон Беньоффа.

Сложная история многократного внедрения указывает на повторный диапиризм для любой интрузивной серии типа Клаймакс. Это предполагает, что последовательные диапиры образовались и поднялись вдоль ослабленных путей, возникших вследствие поднятия предшествующих диапиров, а также, что место глубокого расплавленного слоя было вновь заполнено при непрерывном частичном плавлении. Хотя диапиризм имел циклический характер, избирательное плавление могло быть непрерывным. Несмотря на это, систематическое возрастание со временем индексов дифференциации в породах типа Клаймакс предполагает, что существовал обычный слой магмы, который дифференцировался с течением времени, даже эпизодически уменьшаясь в мощности при диапиризме и непрерывно пополняясь снизу. Внутри этого слоя магмы, вероятно, преобладающим механизмом дифференциации было разделение на кристаллы и расплав. Постепенная кристаллизация и отделение плагиоклаза и щелочного полевого шпата делали остаточный расплав все более обедненным Ca, Sr и Ba и все более обогащенным Rb.

В условиях верхней части коры диапиры внедрялись в зоны возрастающих термических градиентов. Здесь, как описано Хилдретом, преобладающим механизмом дифференциации, вероятно, становилась термогравитационная диффузия, которая быстро приводила к значительному накоплению но направлению вверх летучих, кремнезема, щелочей и небольших высокозарядных катионов, таких, как Mo, W, Sn, Nb, U и Th.

На месторождении Клаймакс цикл внедрения повторялся по крайней мере четыре раза, на месторождении Хендерсон — пять раз, в системе Маунт-Эммонс — Редуэлл — три раза.