Submit an Article
Become a reviewer
Online First
Research article
Geology

Origin of carbonate-silicate rocks of the Porya Guba (the Lapland-Kolvitsa Granulite Belt) revealed by stable isotope analysis (δ18O, δ13C)

Authors:
Dmitry P. Krylov1
Ekaterina V. Klimova2
About authors
  • 1 — Ph.D., Dr.Sci. Leading Researcher Institute of Precambrian Geology and Geochronology RAS ▪ Orcid
  • 2 — junior researcher Institute of Precambrian Geology and Geochronology RAS ▪ Orcid
Date submitted:
2023-02-07
Date accepted:
2023-06-20
Date published:
2023-09-06

Abstract

Carbonate-silicate rocks of unclear origin have been observed in granulites of the Porya Guba of the Lapland-Kolvitsa Belt within the Fennoscandinavian Shield. The present work aims to reconstruct possible protoliths and conditions of metamorphic transformation of these rocks based on oxygen and carbon isotopic ratios combined with phase equilibria modeling. Isotope analysis and lithochemical reconstructions suggest that carbonate-silicate rocks of the Porya Guba represent metamorphosed sediments (possibly marls) with the isotopic composition corresponding to the Precambrian diagenetically transformed carbonates (δ 18 O ≈ 17.9 ‰, SMOW and δ 13 C ≈ –3.4 ‰, PDB). The chemical composition varies depending on the balance among the carbonate, clay, and clastic components. Significant changes of the isotopic composition during metamorphism are caused by decomposition reactions of primary carbonates (dolomite, siderite, and ankerite) producing CO 2 followed by degassing. These reactions are accompanied by δ 18 O and δ 13 C decrease of calcite in isotopic equilibrium with CO 2 down to 15 ‰ (SMOW) and –6 ‰ (PDB), respectively. The isotopic composition is buffered by local reactions within individual rock varieties, thus excluding any pronounced influence of magmatic and/or metasomatic processes.

Keywords:
carbonate-silicate rocks stable isotopes metamorphism inorganic carbon cycle isotope fractionation Rayleigh distillation
Online First

References

  1. Berner R.A., Lasaga A.C., Garrels R.M. The carbonate-silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric carbon dioxide over the past 100 million years // American Journal of Science. 1983. Vol. 283. Iss. 7. P. 641-683. DOI: 10.2475/ajs.283.7.641
  2. Groppo C., Rolfo F., Castelli D., Connolly J.A.D. Metamorphic CO2 production from calc-silicate rocks via garnet-forming reactions in the CFAS-H2O-CO2 system // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2013. Vol. 166. P. 1655-1675. DOI: 10.1007/s00410-013-0947-5
  3. Catling D.C., Kasting J.F. Atmospheric Evolution on Inhabited and Lifeless Worlds. Cambridge: Cambridge University Press, 2017. 579 p. DOI: 10.1017/9781139020558
  4. Сорохтин Н.О., Никифоров С.Л., Козлов Н.Е. Коромантийная ветвь глобального цикла углерода и происхождение глубинных углеводородов // Вестник МГТУ. 2018. Т. 21. № 1. С. 61-79. DOI: 10.21443/1560-9278-2018-21-1-61-79
  5. Brovarone A.V., Tumiati S., Piccoli F. et al. Fluid-mediated selective dissolution of subducting carbonaceous material: Implications for carbon recycling and fluid fluxes at forearc depths // Chemical Geology. 2020. Vol. 549. № 119682. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2020.119682
  6. Deep Carbon: Past to present / Ed. by Orcutt B.N., Daniel I., Dasgupta R. Cambridge: Cambridge University Press, 2020. 669 p. DOI: 10.1017/9781108677950
  7. Stagno V. Carbon, carbides, carbonates and carbonatitic melts in the Earth’s interior // Journal of the Geological Society. 2019. Vol. 176. Iss. 2. P. 375-387. DOI: 10.1144/jgs2018-095
  8. Skublov S.G., Rumyantseva N.A., Qiuli Li et al. Zircon xenocrysts from the Shaka Ridge record ancient continental crust: New U-Pb geochronological and oxygen isotopic data // Journal of Earth Science. 2022. Vol. 33. № 1. P. 5-16. DOI: 10.1007/s12583-021-1422-2
  9. Левашова Е.В., Скублов С.Г., Ойцева Т.А. и др. Изотопно-геохимические особенности циркона из постколлизионных гранитов: на примере рибекитовых гранитов Верхнее Эспе, Восточный Казахстан // Геохимия. 2022. Т. 67. № 1. С. 3-18. DOI: 10.31857/S0016752522010083
  10. Румянцева Н.А., Скублов С.Г., Ванштейн Б.Г. и др. Циркон из габброидов хребта Шака (Южная Атлантика):
  11. U-Pb возраст, соотношение изотопов кислорода и редкоэлементный состав // Записки Российского минерального общества. 2022. Ч. CLI. № 1. С. 44-73. DOI: 10.31857/S0869605522010099
  12. Satish-Kumar M., Miyamoto T., Hermann J. et al. Pre-metamorphic carbon, oxygen and strontium isotope signature of high-grade marbles from the Lützow-Holm Complex, East Antarctica: apparent age constraints of carbonate deposition // Geological Society, London, Special Publications. 2008. Vol. 308. Iss. 1. P. 147-164. DOI: 10.1144/SP308.7
  13. Thaworndumrongsakul P., Booth J., Nantasin P., Kim Y. Metamorphic Evolution of Calc-silicate Body Enclosed in Charnockitic Gneiss at West Ongul Island, Lützow-Holm Complex, East Antarctica // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 837. № 012015. DOI: 10.1088/1755-1315/837/1/012015
  14. Jacobs J., Mikhalsky E., Henjes-Kunst F. et al. Neoproterozoic geodynamic evolution of easternmost Kalahari: Constraints from U-Pb-Hf-O zircon, Sm-Nd isotope and geochemical data from the Schirmacher Oasis, East Antarctica // Precambrian Research. 2020. Vol. 342. № 105553. DOI: 10.1016/j.precamres.2019.105553
  15. Гусев Н.И., Сергеева Л.Ю., Ларионов А.Н., Скублов С.Г. Реликты эоархейской континентальной коры Анабарского щита, Сибирский кратон // Петрология. 2020. Т. 28. № 2. С. 115-138. DOI: 10.31857/S086959032002003X
  16. Гусев Н.И., Сергеева Л.Ю., Скублов С.Г. Свидетельства субдукции палеопротерозойской океанической коры в Хапчанском поясе Анабарского щита Cибирского кратона // Петрология. 2021. Т. 29. № 2. С. 115-135. DOI: 10.31857/S0869590321020047
  17. Ильченко В.Л., Афанасьева Е.Н., Каулина Т.В. и др. Лицевское рудопроявление урана (арктическая зона Фенноскандинавского щита): новые результаты петрофизических и геохимических исследований // Записки Горного института. 2022. Т. 255. С. 393-404. DOI: 10.31897/PMI.2022.44
  18. Кудряшов Н.М., Удоратина О.В., Калинин А.А. и др. U-Pb (SHRIMP-RG) возраст циркона из редкометалльных (Li, Cs) пегматитов месторождения Охмыльк зеленокаменного пояса Колмозеро-Воронья (северо-восток Фенноскандинавского щита) // Записки Горного института. 2022. Т. 255. С. 448-454. DOI: 10.31897/PMI.2022.41
  19. Смолькин В.Ф., Мокрушин А.В., Баянова Т.Б. и др. Магмаподводящий палеоканал в Мончегорском рудном районе: геохимия, изотопный U-Pb и Sm-Nd анализ (Кольский регион, Россия) // Записки Горного института. 2022. Т. 255. С. 405-418. DOI: 10.31897/PMI.2022.48
  20. Салимгараева Л.И., Скублов С.Г., Березин А.В., Галанкина О.Л. Фальбанды Керетского архипелага Белого моря: характеристика состава пород и минералов, рудная минерализация // Записки Горного института. 2020. Т. 245. С. 513-521. DOI: 10.31897/ PMI.2020.5.2
  21. Melnik A.E., Skublov S.G., Rubatto D. et al. Garnet and zircon geochronology of the Paleoproterozoic Kuru-Vaara
  22. eclogites, northern Belomorian Province, Fennoscandian Shield // Precambrian Research. 2021. Vol. 353. № 106014. DOI: 10.1016/j.precamres.2020.106014
  23. Скублов С.Г., Березин А.В., Салимгараева Л.И. Эклогиты Беломорского подвижного пояса: геолого-петрологические и изотопно-геохимические критерии возраста // Геохимия. 2022. Т. 67. № 7. С. 621-638. DOI: 10.31857/S0016752522070044
  24. Козлов Н.Е., Иванов А.А., Нерович Л.И. Лапландский гранулитовый пояс – первичная природа и развитие. Апатиты: КНЦ АН СССР, 1990. 168 с.
  25. Виноградов Л.А., Богданова М.Н., Ефимов М.М. Гранулитовый пояс Кольского полуострова. Ленинград: Наука, 1980. 208 с.
  26. Сафронов В.Т., Розен О.М. Метакарбонатные породы (кальцифиры) Лапландско-Колвицкого гранулитового пояса Балтийского щита // Литология и полезные ископаемые. 2004. № 5. С. 491-503.
  27. Ивлиев А.И. Геология метаморфических комплексов Лапландского гранулитового пояса (Сальные тундры, Кольский полуостров): Автореф. дис. … канд. геол.-минерал. наук. М.: ИМГРЭ, 1977. 23 с.
  28. McCrea J.M. On the Isotopic Chemistry of Carbonates and a Paleotemperature Scale // The Journal of Chemical Physics. 1950. Vol. 18. № 6. P. 849-857. DOI: 10.1063/1.1747785
  29. Clayton R.N., Mayeda T.K. The use of bromine pentafluoride in the extraction of oxygen from oxides and silicates for isotopic analysis // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1963. Vol. 27. Iss. 1. P. 43-52. DOI: 10.1016/0016-7037(63)90071-1
  30. Sang-Tae Kim, O’Neil J.R. Equilibrium and nonequilihrium oxygen isotope effects in synthetic carbonates // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1997. Vol. 61. № 16. P. 3461-3475. DOI: 10.1016/s0016-7037(97)00169-5
  31. Крылов Д.П. Фракционирование стабильных изотопов в Сa-Mg карбонатах: расчет β-факторов методом «замороженных фононов» // Геохимия. 2022. Т. 67. № 10. С. 942-960. DOI: 10.31857/S0016752522100065
  32. Connoly J.A.D. Multivariable phase-diagrams – an algorithm based on generalized thermodynamics // American Journal of Science. 1990. Vol. 290. Iss. 6. P. 666-718. DOI: 10.2475/ajs.290.6.666
  33. Connolly J.A.D. A Primer in Gibbs Energy Minimization for Geophysicists // Petrology. 2017. Vol. 25. № 5. P. 526-534. DOI: 10.1134/S0869591117050034
  34. Hua Xiang, Connolly J.A.D. GeoPS: An interactive visual computing tool for thermodynamic modelling of phase equilibria // Journal of Metamorphic Geology. 2022. Vol. 40. Iss. 2. P. 243-255. DOI: 10.1111/jmg.12626
  35. Holland T.J.B., Powell R. An internally consistent thermodynamic data set for phases of petrological interest // Journal of Metamorphic Geology. 1998. Vol. 16. № 3. P. 309-343. DOI: 10.1111/j.1525-1314.1998.00140.x
  36. Бибикова Е.В., Мельников В.Ф., Авакян К.Х. Лапландские гранулиты: петрология, геохимия и изотопный возраст // Петрология. 1993. Т. 1. № 2. С. 215-234.
  37. Минц М.В., Глазнев В.Н., Конилов А.Н. и др. Лапландско-Колвицкий гранулито-гнейсовый пояс // Ранний докембрий северо-востока Балтийского щита: палеогеодинамика, строение и эволюция континентальной коры. М.: Научный мир, 1996. С. 112-138.
  38. Schidlowski M., Eichmann R., Junge C.E. Precambrian sedimentary carbonates: carbon and oxygen isotope geochemistry and implications for the terrestrial oxygen budget // Precambrian Research. 1975. Vol. 2. Iss. 1. P. 1-69. DOI: 10.1016/0301-9268(75)90018-2
  39. Shields G., Veizer J. Precambrian marine carbonate isotope database: Version 1.1 // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2002. Vol. 3. № 6. P. 1-12. DOI: 10.1029/2001GC000266
  40. Baumgartner L.P., Valley J.W. Stable Isotope Transport and Contact Metamorphic Fluid Flow // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2001. Vol. 43. № 1. P. 415-467. DOI: 10.2138/gsrmg.43.1.415
  41. Valley J.W. Stable isotope geochemistry of metamorphic rocks // Stable Isotopes in High Temperature Geological Processes. 1986. P. 445-490. DOI: 10.1515/9781501508936-018
  42. Lattanzi P., Rye D.M., Rice J.M. Behavior of 13C and 18O in carbonates during contact metamorphism at Marysville, Montana: implications for isotope systematics in impure dolomitic limestones // American Journal of Science. 1980. Vol. 280. P. 890-906. DOI: 10.2475/ajs.280.9.890
  43. Graf D.L. Geochemistry of Carbonate Sediments and Sedimentary Carbonate Rocks: Part IA-A. Isotopic Composition Chemical Analysis. Urbana: Illinois State Geological Survey, 1960. 42 p.
  44. Hoefs J. Stable Isotope Geochemistry. Springer, 2015. 389 p. DOI: 10.1007/978-3-319-19716-6
Access statistics
Abstract Views
243
Full-Text Views
16
Cited
Scopus:
0
Crossref:
0
Article Menu

Similar articles

Combined method of phytoremediation and electrical treatment for cleaning contaminated areas of the oil complex
2023 Nikolay S. Shulaev, Ramil R. Kadyrov, Valeriya V. Pryanichnikova
Specifics of geotechnical risk control in the design of underground structures
2023 Elena Yu. Kulikova, Aleksandr G. Polyankin, Anna M. Potokina
Trace elements in the silicate minerals of the Borodino Meteorite (Н5)
2023 Kristina G. Sukhanova
Technologies of intensive development of potash seams by longwall faces at great depths: current problems, areas of improvement
2023 Vladimir P. Zubov, Denis G. Sokol
Substantiation of the optimal performance parameters for a quarry during the stage-wise development of steeply dipping ore deposits
2022 Sergey I. Fomin, Maxim P. Ovsyannikov
Analysis of the problems of high-quality drinking water extraction from underground water intakes on Vysotsky Island in the Vyborg district of the Leningrad region
2023 Vyacheslav V. Nikishin, Pavel A. Blinov, Vladimir V. Fedorov, Evgeniya K. Nikishina, Igor V. Tokarev