Приведены первые данные по U-Pb и Lu-Hf изотопным системам в цирконах из серий образцов пелагических илов из районов Северного полюса, хребтов Ломоносова и Альфа-Менделеева Северного Ледовитого океана. При датировании более 1100 зерен выявлено присутствие значительного количества сходных групп цирконов различного возраста. Это свидетельствует о наличии общих (с единым набором возрастных групп) источников детритовых цирконов пелагических илов для всего района исследований. Установлены значительные вариации в пропорции разных возрастных групп на коротких интервалах разреза илов, что говорит об изменчивости интенсивности вклада основных составляющих этого источника цирконов во времени. Сопоставление с литературными данными указывает на сходный характер распределения возрастных групп детритовых цирконов и параметров их Lu-Hf изотопной системы с детритовыми цирконами Азиатского континента. Совокупность результатов показывает, что признаков значимого вклада других приарктических регионов (Североамериканского и Европейского) в формирование изученных проб цирконов пелагических илов не имеется.

Ключевые слова: Арктика, циркон, U-Pb датирование, изотопы гафния, хребты Ломоносова, Альфа-Менделеева.

Введение. Геологической особенностью полярных областей Арктического океана является наличие мощного (до нескольких километров) осадочного чехла [1, 6], который затрудняет исследование геологических комплексов, слагающих его коренное ложе. В настоящее время считается, что основной источник, формирующий этот осадочный чехол, - компонент, связанный со сносом терригенного материала [5]. Тем не менее, есть свидетельства [2] выхода коренных пород на поверхность перекрывающих их осадков на склонах океанических возвышенностей, пусть и в небольших тектонических «окнах». Эрозия этих пород и аккумуляция ее продуктов вносят свой вклад в формирующиеся осадки и могут быть источником информации о геологическом строении кристаллического фундамента Арктического океана [8].

Изотопно-геохимические и геохронологические исследования пелагических илов, отобранных на склонах хребтов Ломоносова и Альфа-Менделеева Северного Ледовитого океана (СЛО), выполнены в 2012–2014 гг. в рамках работы по объекту «Изотопно-геохимическая и геохронологическая характеристика геологических комплексов внутрибассейновых арктических поднятий, Восточно-Сибирского шельфа и материковой окраины Северной Евразии с целью обоснования ВГКШ».

Метод комплексного исследования детритовых цирконов в осадочных породах получил в последние годы широкое распространение. В значительной степени это связано с развитием методик и техники локальных исследований, таких как SIMS (масс-спектрометрия с ионизацией пучком первичных ионов) и LA-ICPMS (масс-спектрометрия с ионизацией в индуктивно-связанной плазме и лазерным пробоотбором). Сочетание этих методов позволяет решать обширный круг задач - от реконструкции палеоклимата, оценки возраста осадочных бассейнов, процессов роста земной коры до дистанционного поиска полезных ископаемых в труднодоступных районах [11-14].

Образцы и пробоподготовка. В число исследованных образцов вошли глубоководные пелагические илы из грунтовых колонок пробоотбора, поднятых в шести районах станций опробования на западном и восточном склонах хребтов Альфа-Менделеева, пелагических илов восточного склона хребта Ломоносова (отрог Геофизиков) и района Северного полюса. Морские комплексные геолого-геофизические исследования данного района СЛО выполнены в ходе научных экспедиций «Арктика-2007» и «Арктика-2012». В ходе экспедиции «Арктика-2012» особое внимание было уделено сбору большого количества донно-каменного материала для лабораторных исследований. Районы и различные методы пробоотбора, использованное оборудование и сами пробы ранее подробно описаны в [7]. Места отбора проб показаны на рис. 1.

Монофракции цирконов для дальнейшего изотопного анализа выделены в центре изотопных исследований (ЦИИ) ВСЕГЕИ. Кристаллы циркона (от 30 до 150 зерен для разных проб) прошли общепринятую процедуру пробоподготовки, включающую монтаж зерен в эпоксидные шайбы, полировку, фотодокументацию, напыление токопроводящего слоя на шайбу. Одновременно в препараты для контроля правильности измерений закладывались международные стандарты циркона Temora, Mud Tank, GJ1-59 и 91500, аттестованные на концентрации, и изотопные соотношения U, Pb, Hf и Lu.

Проводились микрозондовые и катодолюминесцентные исследования внутреннего строения цирконов и определялись генетически значимые домены. Изученные образцы пелагических илов представляют собой различные латеральные слои в разрезе, сформировавшемся за время, сопоставимое с 1 млн лет (соответствует скорости осадконакопления ~ 1 см/1000 лет [4]), и отражающем изменения палеообстановки в акватории СЛО в это время [6]. Мы рассматриваем данную величину скорости осадкообразования в исследуемом районе исключительно как приблизительную, учитывая, что существуют и значительно отличающиеся цифры, полученные различными методами [3]. В то же время для наших построений и выводов эта неопределенность несущественна.

Аналитические методы. Изотопные исследования цирконов из глубоководных осадков Арктического региона выполнены в ЦИИ ВСЕГЕИ. Датирование цирконов уран-свинцовым методом проведено с помощью вторично-ионного масс-спектрометра высокого разрешения SHRIMP II. Для уточнения генезиса и дальнейшей идентификации источников сноса цирконов посредством многоколлекторного масс-спектрометра с ионизацией в индуктивно-связанной плазме Neptune и системы лазерной абляции DUV-193, оснащенной эксимерным лазером COMPEX-102, исследована их лютеций-гафниевая изотопная систематика.

При определении возраста использовались зерна международного стандарта циркона Temora (416,8 млн лет), для определения концентраций элементов U, Th, Pb использован международный стандарт циркона 91500.

Исследование Lu-Hf изотопной системы в цирконах выполнено по методике, описанной в [16, 17]. Некоторые особенности реализации метода в ЦИИ приведены в работе [10]. Корректность измерений контролировалась посредством многократного анализа в каждой аналитической сессии международных стандартов циркона GJ-1, Mud Tank, Temora. Для определения соотношений концентраций элементов Lu, Yb, Hf использован международный стандарт циркона 91500. Значения концентраций для Lu 12 и Hf 5895 ppm приведены в сертификате этого стандарта его распространителем CNRS (Франция). Концентрация Yb (средние значения 55-80 ppm) определена по результатам международных межлабораторных сверок [18, 23].

Результаты. Определены характеристики U-Pb и Lu-Hf изотопных систем в детритовых цирконах 8 образцов из опорных слоев разрезов пелагических илов с западного и восточного склонов хребтов Альфа-Менделеева (выбраны наиболее глубокие слои), одной суммарной пробы пелагических илов (разрез на глубину до 50-70 см, отбор с помощью бокс-корера) из района Северного полюса и 9 различных горизонтов (по 2-3 см) из гидростатической колонки станции опробования с отрога Геофизиков хребта Ломоносова.

Высокая представительность экспериментальных данных (более 1100 определений U-Pb возраста и более 700 изотопного состава Hf) позволил получить интегральную картину для всего района пробоотбора. Результат датирования наиболее наглядно может быть представлен в виде диаграмм частоты встречаемости возрастных групп (т. наз. probability density plot - графики функции плотности вероятности) либо в виде традиционных гистограмм распределения анализов.

Для графического отображения эволюции изотопного состава гафния обычно используются диаграммы в координатах возраст - изотопный состав гафния либо возраст - эпсилон гафния, где эпсилон гафния - сдвиг наблюдаемого изотопного состава гафния относительно линии эволюции во времени резервуара хондритового состава (CHUR). Для большей наглядности и удобства сравнения с литературными данными мы использовали оба варианта представления данных.

U-Pb датирование. На рис. 2-4 приведены обобщенные данные U-Pb датирования цирконов для всего региона. В первую очередь следует отметить повторяемость значений возрастов групп цирконов, что указывает на наличие общего (с единым набором возрастов) источника детритовых цирконов пелагических илов для всего района.

При рассмотрении данных датирования по разным пробам становятся очевидными значительные вариации частоты встречаемости различных возрастных групп как для разных слоев одной колонки (рис. 2, колонка у подножия отрога Геофизиков), так и для географически разных мест пробоотбора (рис. 3, различные точки отбора из района хребтов Альфа-Менделеева). Это свидетельствует о значительных вариациях вклада отдельных составляющих источника сноса на более коротких промежутках времени (рис. 2, 3) в сравнении с общим временем накопления исследованных разрезов. При этом отметим, что для пятисантиметрового слоя осадочной колонки время накопления в среднем не превысит ~ 5 тыс. лет. В свою очередь интервал между соседними опробованными слоями колонки из района хребта Ломоносова будет соответствовать ~ 100 тыс. лет.

Тем не менее при усреднении за достаточно большой временной промежуток общность картины становится еще более отчетливой. На рис. 4 сопоставлены совокупные данные по возрастным группам для всех районов исследованного Арктического региона.

Общая картина по всему региону приведена на рис. 5. Отдельно показаны цирконы возрастных групп до 1000 млн лет. В соответствии с общепринятой практикой для цирконов с возрастом до 1000 млн лет использованы значения возраста по ²³⁸U-²⁰⁶Pb, для цирконов с возрастом более 1000 млн лет - по ²⁰⁷Pb-²⁰⁶Pb.

Главные группы возрастов для всех проб: фанерозойская с максимумами 150, 300, 470 млн лет, около 50% всех определений; палеопротерозойская с максимумом 1,85 млрд лет, доля около 21%; нео- и мезоархейская с максимумом 2,7 млрд лет, доля около 11%. Минимальный возраст циркона, полученный в исследованных пробах, 77 млн лет, максимальный ~ 3240 млн лет.

Характеристики лютеций-гафниевой изотопной системы в цирконах глубоководных осадков. Изотопный состав гафния в цирконах в сочетании с данными U-Pb датирования может дать существенную информацию об исходной для этих цирконов горной породе. Эволюция изотопного состава гафния в любой породе происходит в зависимости от начального Lu/Hf соотношения (¹⁷⁶Hf является дочерним изотопом для ¹⁷⁶Lu). Модельные построения эволюции изотопной системы гафния, основанные на обширном фактическом материале, предполагают, что в процессе дифференциации исходного вещества Земли образуются различные модельные резервуары, значительно отличающиеся по соотношению Lu/Hf. Деплетированная мантия характеризуется повышенным соотношением Lu/Hf, что ведет к более высоким отношениям ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf. Коровый резервуар имеет пониженное отношение Lu/Hf. Это ведет к более медленному накоплению радиогенного ¹⁷⁶Hf и более низким отношениям ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf в сравнении с деплетированной мантией в тот же момент времени.

На рис. 6 представлены данные по изотопному составу Hf в координатах возраст - начальные отношения ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf. Для получения начальных значений ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf (на момент формирования зерен циркона) выполнена коррекция на распад ¹⁷⁶Lu, захваченного в зерна цирконов при их образовании.

Исследование изотопной системы Lu-Hf выполнено в тех же пробах зерен цирконов, для которых получены и значения U-Pb возраста.

Параметры эволюции Lu/Hf изотопной системы, использованные при графических построениях и расчетах величины эпсилон Hf и начального (скорректированного на распад ¹⁷⁶Lu в ¹⁷⁶Hf непосредственно в зерне циркона) отношения ¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf, приняты в соответствии с [15, 22].

Результаты изучения Lu-Hf изотопной системы в цирконах из района Северного полюса и хребтов Альфа-Менделеева и Ломоносова показали, что в совокупности с возрастными датировками ее использование дает дополнительную возможность идентификации источника сноса. Из диаграммы на рис. 6, 12 следует, что для каждой из основных возрастных групп цирконов параметр эпсилон лежит в широком диапазоне, отражающем разные по составу типы пород, в которых кристаллизовались эти цирконы, несмотря на их одинаковый возраст.

Необходимо также отметить, что при рассмотрении всей совокупности результатов для исследованных цирконов дополнительная отбраковка данных с высокой погрешностью измерения и высокими Lu/Hf отношениями не оказывает принципиального влияния на общий характер полученного распределения (рис. 12).

Сопоставление с литературными данными. Выявленные ранее закономерности по U-Pb и Lu-Hf систематике детритовых цирконов из различных регионов позволяют сопоставить вновь полученные данные с накопленными. Сравнение наших данных с базой данных GEMOC TerraneChron® dataset по детритовым цирконам различных континентов представлено на рис. 7-11. Данные базы GEMOC доступны, например, в supplementary data к работе [13].

Сопоставление показывает, что Азиатский континент имеет уникальную метку, связанную с разрывом в распределении детритовых цирконов в области возрастов 1,0-1,65 млрд лет, тогда как на других континентах этому времени соответствует гренвильское событие, широко проявленное на материках северного полушария Лавразии. Совокупность наших результатов (рис. 8) наиболее близка к аналогичным данным для детритового циркона азиатской части Евразийского континента. Общность картины определяется как наличием совпадающих основных возрастных групп, так и почти полным отсутствием цирконов с возрастами 1,0-1,65 млрд лет.

На рис. 9 и 10 показано распределение детритовых цирконов отдельных рек Евразии. Для построения использованы данные из supplementary data к работам [9, 19, 21].

На рис. 11 и 12 совокупность данных параметров Lu-Hf изотопной системы детритовых цирконов из базы GEMOC по континентам сопоставлена с полученными в настоящей работе результатами по цирконам из арктических илов. Основные особенности распределений, полученных по результатам U-Pb датирования цирконов, и сопоставление параметров Lu-Hf системы подтверждают выводы о генетической схожести арктических цирконов из илов и детритового циркона азиатской части Евразийского континента.

Выводы. При исследовании U-Pb и Lu-Hf изотопных систем в цирконах из колонок пелагических илов района хребтов Ломоносова и Альфа-Менделеева выявлено сходство набора разновозрастных групп цирконов во всех изученных пробах.

По всему району исследований можно выделить следующие возрастные группы циркона: 77-540 млн лет (~51% от общего количества исследованных цирконов), 1800-2000 млн лет (~21%) > 2500 млн лет (~11%). В отдельных пробах найдено некоторое количество цирконов с возрастами 540-1000 млн лет. Во всех пробах часть зерен гренвильского возраста крайне незначительна. Единичные зерна циркона (менее 2% от общего числа) в интервале 1000-1700 млн лет обнаружены преимущественно в пробах восточного склона хребта Менделеева и хребта Альфа (рис. 1, таблица).

Установленное в целом единообразие спектров распределения возрастов циркона свидетельствует о наличии общего (с единым набором возрастов) поликомпонентного источника детритовых цирконов пелагических илов для всего района. Обнаружены значительные вариации в представительности разных возрастных групп на геологически коротких интервалах времени, что говорит об изменчивости пропорций вклада основных составляющих источника цирконов.

Исследование Lu-Hf изотопной системы в цирконах для хребтов Альфа-Менделеева и Ломоносова и района Северного полюса показало, что ее использование дает дополнительную возможность идентификации источника сноса и степени разнообразия его компонентов.

Сопоставление с литературными данными указывает на сходство характера распределения U-Pb и Lu-Hf изотопных параметров исследованных детритовых цирконов данного региона Арктики и детритовых цирконов Азиатского континента. Уникальный характер этого распределения свидетельствует о генетической связи с континентальной корой Азии пород, в которых происходило образование этих цирконов.

Достоверных признаков значимого вклада коренных геологических комплексов других приарктических регионов в формирование тяжелой фракции изученных проб пелагических илов в настоящее время не обнаружено.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белов Н.А., Лапина Н.Н. Донные отложения центральной части Северного Ледовитого океана // Сборник статей по геологии Арктики. 1958. Вып. 9. Т. 85. С. 90-116 (Труды НИИГА).

2. Гусев Е. А., Лукашенко Р.В., Попко А.О. и др. Новые данные о строении склонов подводных гор поднятия Менделеева (Северный Ледовитый океан) // Доклады РАН. 2014. Т. 455. № 2. С. 184-188.

3. Гусев Е.А., Максимов Ф.Е., Новихина Е.С. и др. К вопросу о стратиграфии донных осадков поднятия Менделеева (Северный Ледовитый океан) // Вестник СПбГУ. Сер. 7. Геология. География. 2012. Вып. 4. С. 102-115.

4. Куликов Н.Н., Лапина Н.Н., Семенов Ю.П. и др. Стратификация и скорости накопления донных отложений Арктических морей СССР // Северный Ледовитый океан и его побережье в кайнозое. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. С. 34-41.

5. Левитан М.А., Сыромятников К.В. Геологическая роль льда в формировании состава современных и четвертичных осадков Северного Ледовитого океана // Квартер во всем его многообразии. Фундаментальные проблемы, итоги изучения и основные направления дальнейших исследований: Материалы VII Всерос. совещ. по изучению четвертич. периода (Апатиты, 12-17 сент. 2011 г.). Апатиты; СПб., 2011. Т. 2. С. 31-33.

6. Лисицын А.П. Новый тип седиментогенеза в Арктике - ледовый морской, новые подходы к исследованию процессов // Геология и геофизика. 2010. Т. 15. № 1. С. 18-60.

7. Морозов А.Ф., Петров О.В., Шокальский С.П. и др. Новые геологические данные, обосновывающие континентальную природу области центрально-арктических поднятий // Региональная геология и металлогения. 2013. № 53. С. 34-55.

8. Рекант П.В., Пяткова М.Н., Николаев С.Д., Талденкова Е.Е. Донно-каменный материал отрога Геофизиков как петротип фундамента южной части хребта Ломоносова (Северный Ледовитый океан) // Геология и геоэкология континентальных окраин Евразии. Вып. 4. Специальный выпуск. Геология и полезные ископаемые окраинных морей Евразии. М.: ГЕОС, 2012. С. 29-40.

9. Сафонова И.Ю., Рино Ш., Маруяма Ш. U-Pb возраст детритовых цирконов из современных отложений реки Янцзы и этапы орогении в Юго-Восточной Азии // Доклады РАН. 2010. Т. 431. № 1. С. 72-77.

10. Туркина О.М., Капитонов И.Н., Сергеев С.А. Изотопный состав Hf в цирконе из палеоархейских плагиогнейсов и плагиогранитоидов шарыжалгайского выступа (юг сибирского кратона) и его значение для оценки роста континентальной коры // Геология и геофизика. 2013. № 3. С. 357-379.

11. Adams C.J., Campbell H.J., Griffin W.L. Provenance comparisons of Permian to Jurassic tectono-stratigraphic terranes in New Zealand: perspectives from detrital zircon age patterns // Geological Mag. 2007. N 144. P. 701-729.

12. Batumike J.M., O’Reilly S.Y., Griffin W.L., Belousova E.A. U-Pb and Hf-isotope analyses of zircon from the Kundelungu Kimberlites, D.R. Congo: Implications for crustal evolution // Precambr. Res. 2007. N 156. P. 195-225.

13. Belousova E.A., Kostitsyn Y.A., Griffin W.L. et al. The growth of the continental crust: Constraints from zircon Hf-isotope data // Lithos. 2010. Vol. 119. P. 457-466.

14. Bingen B., Griffin W.L., Torsvik T.H., Saeed A. Timing of Late Neoproterozoic glaciation on Baltica constrained by detrital zircon geochronology in the Hedmark Group, Southeast Norway // Terra Nova. 2005. N 17. P. 250-258.

15. Blichert-Toft J., Albarede F. The Lu-Hf isotope geochemistry of chondrites and the evolution of the mantle-crust system // Earth and Planet. Sci. Lett. 1997. Vol. 148. P. 243-258.

16. Griffin W.L., Pearson N.J., Belousova E.A. et al. The Hf-isotope composition of cratonic-mantle: LAM-MC-ICPMS analysis of zircon megacrysts in kimberlites // Geochem. Cosmochim. Acta. 2000. N 64. P. 133-147.

17. Griffin W.L., Nikolic N., Suzanne Y. et al. Coupling, decoupling and metasomatism: Evolution of crust-mantle relationships beneath NW Spitsbergen // Lithos. 2012. Vol. 149. P. 115-135.

18. Honglin Yuan, Shan Gao, Xiaoming Liu et al. U-Pb Age and Trace Element Determinations of Zircon by Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry // Geostandards and Geoanalytical Res. 2004. N 28(3). P. 353-370.

19. Rino S., Komiya T., Windley B.F. et al. Major episodic increases in crustal growth determined from zircon ages of river sand; implications for mantle overturns in the Early Precambrian // Physics of The Earthland Planet. Interiors. 2004. N 146. P. 369-394.

20. Scherer E., Munker C., Mezger K. Calibration of the lutetium-hafnium clock // Science. 2001. Vol. 293. P. 683-687.

21. Safonova I., Maruyamab S., Hiratac T. et al. LA ICP MS U-Pb ages of detrital zircons from Russia largest rivers: Implications for major granitoid events in Eurasia and global episodes of supercontinent formation // J. of Geodynamics. 2010. Vol. 50. P. 134-153.

22. Wiedenbeck M., Allé P., Corfu F. et al. Three natural zircon standards for U-Th-Pb, Lu-Hf, trace element and REE analyses // Geostandards Newsletter. 1995. N 19. P. 1–23.

23. Wiedenbeck M., Hanchar J.M., Peck W.H. et al. Further characterisation of the 91500 zircon crystal // Geostandards and Geoanalytical Res. N 28. P. 9-39.

Kapitonov I.N., Petrov O.V., Shevchenko S.S., Goltsin N.A., Belyatsky B.V., Prasolov E.M., Lokhov K.I., Rodionov N.V., Presnyakov S.L., Lepekhina E.N., Berezhnaya N.G., Balashova Yu.S., Antonov A.V., Sergeev S.A. (2014) Isotope-geochemical and geochronological study of zircons from pelagic ooze from the area of Lomonosov and Alpha-Mendeleev Arctic ridges Regionalnaya geologia i metallogenia. N. 60. P. 5-20.

The article presents the first U-Pb and Lu-Hf zircon isotope data from a series of pelagic sediments core samples from the Lomonosov and Alpha-Mendeleev ridges area of Arctic Ocean. According to the dating over 1100 grains it was revealed the presence of a significant number of different age zircon groups. The results indicate the presence of common (with a uniform set of age groups) sources of detrital zircons from pelagic deposits for the entire studied area. Considerable variation in the proportion of different age groups within short time-intervals indicates the variability of the intensity of the main components of the contribution of this zircon source. Comparison with published data shows a similar character of the main detrital zircon age group distribution and its Lu-Hf isotope system signatures with those typical for detrital zircons from the Asian continent. Obtained data set suggests that the significant contribution of other Arctic regions rock basement (North American and European) in the formation of zircon characteristics of the studied samples of pelagic mud seems to be negligible.

Keywords: Arctic, zircon, U-Pb dating, hafnium isotope, Lomonosov, Alpha-Mendeleev Ridges