litosphereЛитосфераLITHOSPHERE (Russia)1681-90042500-302XA.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry10.24930/1681-9004-2023-23-5-868-886litosphere-1956Research ArticleСтатьиArticlesРедкоэлементный состав циркона из гранитоидов неоархейской щелочной провинции Кольского полуостроваTrace element composition of zircon from granitoids of the Neoarchean alkaline province of the Kola PeninsulaВетринВ. Р.VetrinV. R.

184209, г. Апатиты, ул. Ферсмана, 14

121357, г. Москва, ул. Вересаева, 15

14 Fersmana st., Apatity 184209

15 Veresaeva st., Moscow 121357

vetrin.val@gmail.comСкубловС. Г.SkublovS. G.

199034, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2

199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, 2

2 Makarova emb., St. Petersburg 199034

2 21 line st., V.o., St. Petersburg 199106

skublov@yandex.ruГеологический институт Кольского научного центра РАН; Институт минералогии, геохимии, кристаллохимии редких элементовРоссияGeological Institute, Kola Science Centre RAS; Institute of Mineralogy, Geochemistry and Crystal Chemistry of Rare ElementsRussian FederationИнститут геологии и геохронологии докембрия РАН; Санкт-Петербургский горный университетРоссияInstitute of Precambrian Geology and Geochronology, RAS; Saint Petersburg Mining UniversityRussian Federation202304112023235868886Copyright © Ветрин В.Р., Скублов С.Г., 20232023Ветрин В.Р., Скублов С.Г.Vetrin V.R., Skublov S.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.lithosphere.ru/jour/article/view/1956

Объект исследования. Циркон из гранитоидов А- и I-типов неоархейской Кольской щелочной провинции Балтийского (Фенноскандинавского) щита. Цель. Определение редкоэлементного состава циркона для характеристики условий его образования в разных типах гранитоидов. Использование этих данных совместно с имеющимися результатами U-Pb датирования и Lu-Hf изотопного состава изученных кристаллов циркона в целях оценки количества мантийного и корового вещества в составе протолитов и влияния условий кристаллизации на редкоэлементный состав циркона. Материалы и методы. Изучены 50 кристаллов циркона из 5 образцов главных разновидностей гранитоидов провинции. Концентрации редких элементов определены на ионном микрозонде Cameca IMS-4f (ЯФ ФТИАН, г. Ярославль). Точки для анализов выбирались при помощи оптических и катодолюминесцентных снимков. Размер кратера не превышал 20 мкм, относительная ошибка измерений для преобладающей части элементов установлена в 10–15%, порог обнаружения элементов – 10 мг/т. Результаты. Установлены два главных типа циркона неоархейского возраста – циркон-1 и циркон-2, образованных соответственно на магматической и автометасоматической стадиях кристаллизации, циркон-4 во включениях в цирконе-1 и палеопротерозойский циркон-3 метаморфического генезиса. Средний изотопный состав Hf в цирконе-1 и цирконе-2 различных массивов изменяется незначительно, количество мантийного компонента (Xm) – в пределах от 23 до 30%, что может свидетельствовать об относительно постоянном и существенно коровом составе их протолитов. Выводы. Изменение редкоэлементного состава неоархейских цирконов контролировалось главным образом составом протолитов и окислительно-восстановительными условиями кристаллизации. В восстановительных условиях наибольшую химическую активность приобретали легкие (La–Nd) лантаноиды, для которых установлена прямая зависимость от величины Ce/Ce*. Для тяжелых лантаноидов с близкими размерами ионов относительно Zr+4 кристаллохимические факторы имели более важное значение и определяли уменьшение зависимости концентраций тяжелых лантаноидов в цирконе от Ce/Ce*.

Research subject. Zircon from granitoids of the A- and I-types of the Neorchean Kola alkaline province of the Baltic (Fennoscandian) shield. Aim. To determine the trace element composition of zircon in order to characterize the conditions of its formation in different types of granitoids. To use these data, along with the available results of U-Pb dating and Lu-Hf isotope composition of the studied zircon crystals, to assess the amount of mantle and core matter in the protolith composition and the effect of crystallization conditions on the rare element composition of zircon. Materials and Methods. 50 zircon crystals from 5 samples of the main types of granitoids of the province were studied. Concentrations of trace elements were determined using a Cameca IMS-4f ion microprobe (NF FTIAN, Yaroslavl). Points for analysis were selected using optical and cathodoluminescent images. The size of the crater did not exceed 20 µm, the relative measurement error for the predominant part of the elements was set at 10–15%, the threshold for detecting elements was 10 ppb. Results. There are two main types of zircon of Neoarchean age – zircon-1 and zircon-2, formed, respectively, at the magmatic and autometasomatic stages of crystallization, zircon-4 in inclusions in zircon-1, and Paleoproterozoic zircon-3 of metamorphic genesis. The average isotopic composition of Hf in zircon-1 and zircon-2 of different arrays varies slightly, with the amount of mantle component (Xm) ranging from 23 to 30%, which may indicate a relatively constant and significantly core composition of their protoliths. Conclusions. The change in the trace element composition of Neoarchean zircons was controlled mainly by the composition of protoliths and redox crystallization conditions. Under reducing conditions, the greatest chemical activity was acquired by light (La-Nd) lanthanides, for which a direct dependence on the Ce/Ce* value was established. For heavy lanthanides with similar ion sizes relative to Zr+4, crystallochemical factors were more important and a decrease in the dependence of heavy lanthanide concentrations in zircon on Ce/ Ce* was determined.

цирконщелочные гранитоидыредкие элементыизотопный состав hfКольский полуостровzirconalkaline granitoidstrace elementshf isotope compositionKola PeninsulaРабота выполнена в рамках тем НИР FMEZ-2022-0025 (ГИ КНЦ РАН) и FMUW-2022-0005 (ИГГД РАН). Авторы признательны М.А. Ветриной за помощь в подготовке рисунков, а также анонимным рецензентам рукописи за замечания и рекомендации.The work was carried out within the framework of research and development: FMEZ-2022-0025 (GI KSC RAS) and FMUW-2022-0005 (IPGG RAS). The authors are grateful to M.A. Vetrina for assistance in the preparation of the pictures and anonymous reviewers of the manuscript for comments and recommendations.ReferencesБатиева И.Д. (1976) Петрология щелочных гранитоидов Кольского полуострова. Л.: Наука, 224 с.Balagansky V.V., Myskova T.A., Lvov P.A., Larionov A.N., Gorbunov I.A. (2021) Neoarchean A-type acid metavolcanics in the Keivy Terrane, northeastern Fennoscandian Shield: geochemistry, age, and origin. Lithos, 380-381, 105899. https://doi.org/10.1016/j.lithosБалашов Ю.А. (1996) Геохронология раннепротерозойских пород Печенгско-Варзугской структуры Кольского полуострова. Петрология, 4(1), 3-25.Balashov Y.A., Skublov S.G. (2011) Contrasting geochemistry of magmatic and secondary zircons. Geochem. Int., 49(6), 594-604. (translated from Geokhimiya, (6), 622-633).Балашов Ю.А., Скублов С.Г. (2011) Контрастность геохимии магматических и вторичных цирконов. Геохимия, (6), 622-633.Balashov Yu.A. (1996) Paleoproterozoic geochronology of the Pechenga-Varsuga structure, Kola Peninsula. Petrology, 4(1), 3-25 (translated from Petrologiya, 4(1), 3-25).Ветрин В.Р. (2018) Изотопно-геохимическая систематика (Sm-Nd, Lu-Hf) неоархейских субщелочных и щелочных пород Кейвской структуры (Кольский полуостров): возрастные и генетические соотношения. Зап. РМО, CXLVII(4), 1-13.Batieva I.D. (1976) Petrology of alkaline granitoids of the Kola Peninsula. Leningrad, Nauka Publ., 224 p. (In Russ.)Ветрин В.Р., Белоусова Е.А. (2021) Состав, условия образования известково-щелочных гранитов и проблемы генезиса неоархейской Кейвской щелочной провинции Кольского полуострова. Зап. РМО, CL(3), 27-49. https://doi.org/10.31857/S0869605521030126Bea F., Pereira M.D., Stroh A. (1994) Mineral leucosome trace-element partitioning in a peraluminous migmatite (a laser ablation-ICP-MS study). Chem. Geol., 117, 291-312.Ветрин В.Р., Кременецкий А.А. (2020) Lu-Hf изотопногеохимическая систематика циркона и генезис неоархейских щелочных гранитов Кейвского мегаблока, Кольский полуостров. Геохимия, 65(6), 533-547. https://doi.org/10.31857/S0016752520060126Belousova E.A., Griffin W.L., O’Reilly S.Y. (2006) Zircon morphology, trace element signatures and Hf-isotope composition as a tool for petrogenetic modeling: examples from eastern Australian granitoids. J. Petrol., 47, 329-353.Ветрин В.Р., Родионов Н.В. (2009) Геология и геохронология неоархейского анорогенного магматизма Кейвской структуры, Кольский полуостров. Петрология, 17(6), 578-600.Belousova E.A., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., Fisher N.I. (2002) Igneous zircon: trace element composition as an indicator on source rock type. Contrib. Mineral. Petrol., 143, 602-622.Ветрин В.Р., Скублов С.Г., Балашов Ю.А., Лялина Л.М., Родионов Н.В. (2014) Время образования и генезис иттрий-циркониевого оруденения массива Сахарйок, Кольский полуостров. Зап. РМО, CXLIII(2), 1-22.Eby G.N. (1992) Chemical subdivision of the A-type granitoids: petrogenetic and tectonic implication. Geology, 20, 641-644.Геологическая карта Кольского региона (северо-восточная часть Балтийского щита) м-ба 1 : 500 000. (1996) (Под ред. Ф.П. Митрофанова). Апатиты: Издво КНЦ РАН, 54 с.Geisler T., Schleicher H. (2000) Composition and U-Th-total Pb model ages of polygenetic zircons from the Vanga granite, south Sweden: An electron microprobe study. Geologiska Föreningens i Stockholm Förhandlingar, 122, 227-235.Зозуля Д.Р., Баянова Т.Б., Серов П.Н. (2007) Возраст и изотопно-геохимические характеристики архейских карбонатитов и щелочных пород Балтийского щита. Докл. АН, 415(3), 383-388.Geological map of the Kola region (Northeastern Part of the Baltic Shield) scale 1 : 500 000. (1996) (Ed. F.P. Mitrofanov). Apatity, Publishing House of the KSC RAS, 54 p. (In Russ.)Когарко Л.Н., Асавин А.М. (2007) Региональные особенности щелочных первичных магм Атлантического океана. Геохимия, (9), 915-932.Griffin W.L., Wang X., Jackson S.E., Pearson N.J., O’Reilly S.Y., Xu X., Zhou X. (2002) Zircon chemistry and magma genesis, SE China: in-situ analysis of Hf isotopes, Pingtan and Tonglu igneous complexes. Lithos, 61, 237-269.Ионова Г.И., Вохмин В.Г., Спицын В.И. (1990) Закономерности изменения свойств лантаноидов и актиноидов. М.: Наука, 240 с.Hawkesworth C.J., Kemp A.I.S. (2006) Using hafnium and oxygen isotopes in zircons to unravel the record of crustal evolution. Chem. Geol., 226, 144-162. https://doi.org/10.1016/j.2005.09.018Митрофанов Ф.П., Зозуля Д.Р., Баянова Т.Б., Левкович Н.В. (2000) Древнейший в мире анорогенный щелочногранитный магматизм в Кейвской структуре Балтийского щита. Докл. АН, 374(2), 238-241.Hoskin P.W.O. (2005) Trace-element composition of hydrothermal zircon and the alteration of Hadean zircon from the Jack Hills, Australia. Geochim. Cosmochim. Acta, 69(3), 637-648.Смолькин В.Ф., Скублов С.Г., Ветрин В.Р. (2020) Редкоэлементный состав детритового циркона архейского возраста из ятулийских террогенных пород Фенноскандии. Зап. РМО, CXLIX(6), 27-49. https://doi.org/10.31857/S0869605521030126Hoskin P.W.O., Black L.P. (2000) Metamorphic zircon formation by solid state recrystallization of protolith igneous zircon. J. Metamorp. Geol., 18, 423-439.Gorbunov I.A. (2021) Neoarchean A-type acid metavolcanics in the Keivy Terrane, northeastern Fennoscandian Shield: geochemistry, age, and origin. Lithos, 380381, 105899. https://doi.org/10.1016/j.lithosHoskin P.W.O., Schaltegger U. (2003) The composition of zircon and igneous and metamorphic petrogenesis. Zircon. Rev. Mineral. Geochem., 53, 27-62.Bea F., Pereira M.D., Stroh A. (1994) Mineral leucosome trace-element partitioning in a peraluminous migmatite (a laser ablation-ICP-MS study). Chem. Geol., 117, 291312.Ionova G.I., Vokhmin V.G., Spitsyn V.I. (1990) Patterns of change in the properties of lanthanides and actinoids. Moscow, Nauka Publ., 240 p. (In Russ.)Belousova E.A., Griffin W.L., O’Reilly S.Y. (2006) Zircon morphology, trace element signatures and Hf-isotope composition as a tool for petrogenetic modeling: examples from eastern Australian granitoids. J. Petrol., 47, 329-353.Kemp A.I.S., Hawkesworth C.J., Foster G.L., Paterson B.A., Woodhead J.D., Hergt J.M., Gray C.M., Whitehouse M.J. (2007) Magmatic and Crustal Differentiation History of Granitic Rocks from Hf-O Isotopes in Zircon. Sci. New Ser., 315(5814), 980-983.Belousova E.A., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., Fisher N.I. (2002) Igneous zircon: trace element composition as an indicator on source rock type. Contrib. Mineral. Petrol., 143, 602-622.Kogarko L.N., Asavin A.M. (2007) Regional features of primary alkaline magmas of the Atlantic Ocean. Geochem. Int., 45(9), 841-856 (translated from Geokhimiya, (9), 915-932). https://doi.org/10.1134/S0016702907090017Eby G.N. (1992) Chemical subdivision of the A-type granitoids: petrogenetic and tectonic implication. Geology, 20, 641-644.Levashova E.V., Mamykina M.E., Skublov S.G., Galankina O.L., Li Q.L., Li X.H. (2023) Geochemistry (TE, REE, Oxigen) of zircon from leucogranites of the Belokurikhinsky Massif, Gorny Altai, as indicator of formation conditions. Geochem. Int., 45(9), 841-856. https://doi.org/10.1134/S001670292311006XGeisler T., Schleicher H. (2000) Composition and U-Th-total Pb model ages of polygenetic zircons from the Vanga granite, south Sweden: An electron microprobe study. Geologiska Föreningens i Stockholm Förhandlingar, 122, 227-235.Luo Y., Ayers J.C. (2009) Experimental measurements of zircon/melt trace element partition coefficients. Geochim. Cosmochim. Acta, 73, 3656-3679.Griffin W.L., Wang X., Jackson S.E., Pearson N.J., O’Reilly S.Y., Xu X., Zhou X. (2002) Zircon chemistry and magma genesis, SE China: in-situ analysis of Hf isotopes, Pingtan and Tonglu igneous complexes. Lithos, 61, 237-269.Mints M.V., Eriksson P.G. (2016) Secular changes in relationships between plate-tectonic and mantle-plume engendered processes during Precambrian time. Geodinamics & Tectonophysics, 7(2), 173-232.Hawkesworth C.J., Kemp A.I.S. (2006) Using hafnium and oxygen isotopes in zircons to unravel the record of crustal evolution. Chem. Geol., 226, 144-162. https://doi.org/10.1016/j.2005.09.018Mitrofanov F.P., Zozulya D.R., Bayanova T.B., Levkovich N.V. (2000) The word’s oldest anorogenic alkaline granitic magmatism in the Keivy structure of the Baltic Shield. Dokl. Earth Sci., 374, 1145-1148 (translated from Dokl. Akad. Nauk, 374(2), 238-241).Hoskin P.W.O. (2005) Trace-element composition of hydrothermal zircon and the alteration of Hadean zircon from the Jack Hills, Australia. Geochim. Cosmochim. Acta, 69(3), 637-648.Nardi L.V.S., Formoso M.L.L., Müller I.F., Fontana E., Jarvis K., Lamarão C. (2013) Zircon/rock partition coefficients of REEs, Y, Th, U, Nb and Ta in granitic rocks: Uses for provenance and mineral exploration purposes. Chem. Geol., 335, 1-7.Hoskin P.W.O., Black L.P. (2000) Metamorphic zircon formation by solid state recrystallization of protolith igneous zircon. J. Metamorp. Geol., 18, 423-439.Poller U., Huth J., Hoppe P., Williams I.S. (2001) REE, U, Th, and Hf distribution in zircon from Western Carpathian variscan granitoids: a combined cathodoluminescence and ion microprobe study. Amer. J. Sci., 301, 858-876.Hoskin P.W.O., Schaltegger U. (2003) The composition of zircon and igneous and metamorphic petrogenesis. Zircon. Rev. Mineral. Geochem., 53, 27-62.Romano S.S., Dörr W., Zulauf G. (2004). Cambrian granitoids in pre-Alpine basement of Crete (Greece): evidence from U-Pb dating of zircon. Int. J. Earth Sci. (Geol. Rundsch.), 93, 844-859.Kemp A.I.S., Hawkesworth C.J., Foster G.L., Paterson B.A., Woodhead J.D., Hergt J.M., Gray C.M., Whitehouse M.J. (2007) Magmatic and Crustal Differentiation History of Granitic Rocks from Hf-O Isotopes in Zircon. Sci. New Ser., 315(5814), 980-983.Shannon R.D. (1976) Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Crystallogr., A32, 751-767.Levashova E.V., Mamykina M.E., Skublov S.G., Galankina O.L., Li Q.L., Li X.H. (2023) Geochemistry (TE, REE, Oxigen) of zircon from leucogranites of the Belokurikhinsky Massif, Gorny Altai, as indicator of formation conditions. Geochem. Int., 45(9), 841-856. https://doi.org/10.1134/S001670292311006XSmolkin V.F., Skublov S.G., Vetrin V.R. (2021) Trace Element Composition of Archean detrital Zircons from Jatulian Terrigenous Rocks of Fennoscandia. Geol. ore Dep., 63(8), 869-880 (translated from Zapiski RMo (2020), CXLIX(6), 1-13). https://doi.org/10.1134/S1075701521080092Luo Y., Ayers J.C. (2009) Experimental measurements of zircon/melt trace element partition coefficients. Geochim. Cosmochim. Acta, 73, 3656-3679.Sun S., McDonough W.F. (1989) Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes. Magmatism in the ocean basins. Geol. Soc. Lond., Spec. Publ., 42, 313-345.Mints M.V., Eriksson P.G. (2016) Secular changes in relationships between plate-tectonic and mantle-plume engendered processes during Precambrian time. Geodinamics & Tectonophysics, 7(2), 173-232.Vetrin V.R. (2018) Isotopic-Geochemical Systematics (SmNd, Lu-Hf) of Neoarchean Subalkaline and Alkaline Rocks of the Keivy Structure (Kola Peninsula): Their Age and Genetic Relations. Geol. ore Dep., 61(7), 581-588 (translated from Zapiski RMo, (4), 1-13).Nardi L.V.S., Formoso M.L.L., Müller I.F., Fontana E., Jarvis K., Lamarão C. (2013) Zircon/rock partition coefficients of REEs, Y, Th, U, Nb and Ta in granitic rocks: Uses for provenance and mineral exploration purposes. Chem. Geol., 335, 1-7.Vetrin V.R., Belousova E.A. (2021) Composition and Conditions formation of Calc-Alkaline Granites and Problems of Genesis in the Neoarchaean Keivy Alkaline Province, Kola Peninsula. Zapiski RMo, CL(3), 27-49. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0869605521030126Poller U., Huth J., Hoppe P., Williams I.S. (2001) REE, U, Th, and Hf distribution in zircon from Western Carpathian variscan granitoids: a combined cathodoluminescence and ion microprobe study. Amer. J. Sci., 301, 858-876.Vetrin V.R., Kremenetsky A.A. (2020) Lu–Hf Isotope-Geochemical Zircon Systematics and Genesis of the Neoarchean Alkaline Granites in the Keivy Megablock, Kola Peninsula. Geochem. Int., 58(6), 624-638 (translated from Geokhimiya, 65(6), 533-547). https://doi.org/10.1134/S0016702920060129Romano S.S., Dörr W., Zulauf G. (2004). Cambrian granitoids in pre-Alpine basement of Crete (Greece): evidence from U-Pb dating of zircon. Int. J. Earth Sci. (Geol. Rundsch.), 93, 844-859.Vetrin V.R., Rodionov N.V. (2009) Geology and geochronology of Neoarchean anorogenic magmatism of the Keivy structure, Kola Peninsula. Petrology, 17(6), 537-557 (translated from Petrologiya, 17(6), 578-600).Shannon R.D. (1976) Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Crystallogr., A32, 751-767.Vetrin V.R., Skublov S.G., Balashov Yu.A., Lialina L.M., Rodionov N.V. (2014) Time of formation and genesis of yttrium-zirconium mineralization in the Sakharjok massif, Kola Peninsula. Geol. ore Dep., 56(8), 603-616 (translated from Zapiski RMo, CXLIII(2), 1-22).Sun S., McDonough W.F. (1989) Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes. Magmatism in the ocean basins. Geol. Soc. Lond., Spec. Publ., 42, 313-345.Wang Q., Zhu D.-C., Zhao Z.-D., Guan Q., Zhang X.-Q., Qing-Lin Sui Q.-L., Hu Z.-C., Moaet X.-X. (2012) Magmatic zircons from I-, Sand A-type granitoids in Tibet: Trace element characteristics and their application to detrital zircon provenance study. J. Asian Earth Sci., 53(7), 59-66.Wang Q., Zhu D.-C., Zhao Z.-D., Guan Q., Zhang X.-Q., Qing-Lin Sui Q.-L., Hu Z.-C., Moaet X.-X. (2012) Magmatic zircons from I-, Sand A-type granitoids in Tibet: Trace element characteristics and their application to detrital zircon provenance study. J. Asian Earth Sci., 53(7), 59-66.Watson E.B., Wark D.A., Thomas J.B. (2006) Crystallization thermometers for zircon and rutile. Contrib. Mineral. Petrol., 151(4), 413-433.Watson E.B., Wark D.A., Thomas J.B. (2006) Crystallization thermometers for zircon and rutile. Contrib. Mineral. Petrol., 151(4), 413-433.Williams I.S., Shah J.S., Stowe S. (1996) Elemental and isotopic microanalysis of zircons and backscattered electron contrast. Proceedings of the 6-th European Conference of Surface and Interface Analysis, 1007-1010.Williams I.S., Shah J.S., Stowe S. (1996) Elemental and isotopic microanalysis of zircons and backscattered electron contrast. Proceedings of the 6-th European Conference of Surface and Interface Analysis, 1007-1010.Zozulya D.R., Bayanova T.B., Serov P.A. (2007) Age and isotopic geochemical characteristics of Archean carbonatites and alkaline rocks of the Baltic Shield. Dokl. Earth Sci., 415(2), 874-879 (translated from Dokl. Akad. Nauk, 415(3), 383-388.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.