KOLA ALKALINE PROVINCE IN THE PALEOZOIC: EVALUATION OF PRIMARY MANTLE MAGMA COMPOSITION AND MAGMA GENERATION CONDITIONS

Abstract

Сделана попытка количественно оценить химический состав и объемы мантии, активизация которой привела к формированию в палеозое в северо-восточной части Балтийского щита Кольской щелочной провинции. В отличие от известных моделей, для определения объемов щелочного магматизма в пределах провинции и, соответственно, объема мантийных расплавов, продуцированных в течение палеозойского цикла активизации, был использован метод трехмерного плотностного моделирования, базирующийся на гравиметрических данных. Первый этап исследований, наряду с геолого-геохимическим опробованием проявлений щелочного магматизма региона, включал изучение глубинного строения и построение трехмерных плотностных моделей всех щелочных интрузий провинции до уровня 22,5 км. На втором этапе были выполнены прецизионные определения концентраций микроэлементов в породах методом ICP-MS, что явилось основой для расчета средневзвешенных концентраций микроэлементов в породах провинции и моделирования плавления мантийных субстратов и оценки геодинамических последствий этих мантийных процессов. Проведенные расчеты показывают, что суммарный объем палеозойских выплавок в СВ части Фенноскандии составляет 15000pm2700 кубических км. Расчет составов мантийных выплавок, которые могла продуцировать средняя по составу мантия, обнаруживает необходимость значительного привноса некогерентных элементов в исходный мантийный субстрат. Показано, высокая вероятность возникновения примитивных расплавов Кольской провинции в результате низких степеней плавления субстрата (0,3-0,5%), состав которого отвечал флогопитсодержащему ( pm амфибол) гранатовому лерцолиту в условиях гранатовой мантийной фации глубинности. Степень обогащения такого субстрата, согласно расчетам, в 3 раза превышала средние содержания несовместимых элементов в примитивной мантии. Показано, что в процессы магмогенерации была вовлечена значительная часть литосферы СВ Фенноскандии площадью диаметром около 400 км и достигавшей глубины 120 км, т.е. распространявшейся на всю глубину мантийной фации гранатовых лерцолитов. Эта оценка по площади соответствует области распространения проявлений палеозойского магматизма в регионе, а по глубине коррелируется с определениями PT условий формирования мантийных ксенолитов, обнаруженных в дайках и трубках взрыва региона.

This paper is an attempt to estimate quantitatively the chemical composition and volume of magma, the reactivation of which resulted in the formation during the Paleozoic of the northeastern part of the Baltic Shield in the Kola alkaline province. In contrast to the known models, a gravity-based method of 3-D density modelling was used to evaluate the extent of alkaline magmatism in the province and, accordingly, to estimate the volume of mantle magma produced during the Paleozoic cycle of activity. During the early period of study, along with sample collection and geochemical analyzes, the deep structure of the province was investigated, and 3-D density models were derived for all alkaline intrusions of the province to a depth of 22.5 km. The next step included the high-precision determinations of trace element concentrations in the rocks using an ICP-MS method as a basis for calculating the weighted mean concentrations of these elements in the rocks of the province, deriving models for mantle rock melting, and estimating the geodynamic consequences of these mantle processes. The calculations showed that the total volume of the Paleozoic magma produced in the NE part of Fennoscandia had been 15000 2700 sq. km. The calculated composition of the magma that might have been melted from the mantle of an intermediate composition revealed that a significant amount of incoherent elements must have been added to the primary mantle material. It is shown with a high degree of certainty that the primitive magma was produced in the Kola Province because of the low melting degree of the substrate (0.3-0.5%) whose composition answered to a phlogopite ( ) bearing garnet lherzolite residing at a depth of a garnet mantle. The enrichment degree of this substrate was calculated to have been 3 times higher than the mean contents of incompatible elements in the primitive mantle. It is shown that the process of magma generation involved a significant portion of the NE Fennoscandian lithosphere ca. 400 km across and 120 km in depth, that is, covered the entire depth of the mantle garnet lherzolite. This areal estimate agrees with the area of Paleozoic igneous rocks in the region. The estimated depth correlates with the PT conditions of the mantle xenoliths found in the dikes and breccia pipes of the region.