Minerały ciężkie jako narzędzie do określania proweniencji arenitów kwarcowych albu (dolna kreda) południowej Polski pozakarpackiej

Z końcem wczesnej kredy, w albie (113,0-100,5 mln lat temu), na obszarze pozaalpejskiej Europy rozpoczęła się jedna z największych transgresji morskich w historii Ziemi. Obecny obszar Polski pozakarpackiej, zwany basenem polskim, znajdował się na peryferiach tej transgresji i stanowił wschodni kraniec rozległego systemu basenów środkowoeuropejskich (ang. CEBS) funkcjonujących od późnego permu. W środkowym i późnym albie w wielu miejscach na obszarze Polski morze transgresowało bezpośrednio na wapienne podłoże górnojurajskie, rzadziej na podłoże starszych (przedalbskich) silikoklastycznych osadów dolnej kredy. Materiał zdeponowany w albie reprezentuje płytkie facje przybrzeżne, głównie arenity kwarcowe. Obecnie arenity te reprezentują dojrzały petrograficznie materiał złożony w ponad 90% z ziaren kwarcu. Materiał detrytyczny zdeponowany w basenie polskim w czasie transgresji mógł pochodzić z istniejących obszarów lądowych sąsiadujących z tym basenem. Potencjalnymi obszarami alimentacyjnymi mogły być: masyw czeski, tarcza ukraińska, hipotetyczny masyw świętokrzysko-dobrudzki, a także najdalej oddalona od badanego obszaru tarcza bałtycka. Kwarc, najliczniejszy składnik badanych arenitów, jako minerał detrytyczny dostarcza stosunkowo skromnych informacji o swojej proweniencji. Stąd też wykorzystano minerały ciężkie, obecne w badanych arenitach kwarcowych w ilości poniżej 1% jako źródło informacji o ich pochodzeniu. Głównym celem niniejszej pracy było określenie pochodzenia minerałów ciężkich z albskich skał klastycznych południowej Polski pozakarpackiej. Materiał do badań został pobrany z odsłonięć terenowych i z rdzeni wiertniczych z obszaru miechowskiego i lubelskiego, odpowiednio na zachód i wschód od Gór Świętokrzyskich. Asocjacja minerałów ciężkich w badanych utworach albu jest charakterystyczna dla osadów dojrzałych petrograficznie, które przeszły etap intensywnego wietrzenia chemicznego. Przeważają minerały odporne na wietrzenie takie jak cyrkon, rutyl i turmalin. Minerały mniej odporne, jak np. monacyt, granat, spinel chromowy czy staurolit, spotykane są w badanych próbkach w mniejszej ilości. Nowoczesne metody instrumentalne pozwoliły na precyzyjne określenie zawartości poszczególnych pierwiastków w składzie chemicznym wybranych minerałów ciężkich oraz na wyróżnienie dwóch domen o odmiennej charakterystyce chemicznej. Wiek monacytów oszacowany metodą CHIME (ang. Chemical Th–U-total Pb Isochron Method) pozwolił na podział badanego obszaru na domenę zachodnią i wschodnią. Domena zachodnia, geograficznie związana z dzisiejszą niecką miechowską, charakteryzuje się dominacją detrytycznych monacytów o wieku waryscyjskim (330-370 mln lat), podobnie jak wiek próbki detrytycznego muskowitu (360,0± 1,21 mln lat) pobranego z tej domeny, wydatowanym metodą 40Ar/39Ar. Domena ta najprawdopodobniej zasilana była materiałem klastycznym pochodzącym z północnej i wschodniej części masywu czeskiego, bogatego w skały krystaliczne o wieku waryscyjskim. Domena wschodnia, geograficznie związana z dzisiejszym obszarem lubelskim, charakteryzuje się obecnością detrytycznych monacytów o wieku proterozoicznym, z wyraźnymi wiekami swekofeńskimi (1,75–2,00 mld lat) i swekonorweskimi (0,92–1,15 mld lat). Wiek 40Ar/39Ar detrytycznego muskowitu dobrze koreluje się z wiekiem kaledońskim otrzymanym z detrytycznych monacytów tej domeny i wskazuje prawdopodobnie na kaledonidy skandynawskie jako pierwotne źródło. Domena wschodnia była zatem prawdopodobnie zasilana głównie z południowej strefy tarczy bałtyckiej, zbudowanej ze zróżnicowanych proterozoicznych skał krystalicznych. Materiał detrytyczny z tarczy ukraińskiej w strefie wschodniej wydaje się mieć podrzędne znaczenie w stosunku do ilości materiału detrytycznego z tarczy bałtyckiej. Oszacowane temperatury krystalizacji rutylu pozwoliły na wydzielenie trzech grup zachodniej, centralnej i wschodniej. Grupa zachodnia i centralna charakteryzujące się polimodalnym i bimodalnym rozkładem temperatur krystalizacji rutylu oraz zdecydowaną przewagą rutylu pochodzenia metapelitowego nad metamaficznym, co odpowiada domenie zachodniej wyróżnionej na podstawie datowania monacytów. Grupa wschodnia charakteryzująca się monomodalnym rozkładem temperatur oraz zbliżoną ilością rutylu pochodzenia metapelitowego i metamaficznego odpowiada domenie wschodniej wyróżnionej na podstawie monacytów. Skład chemiczny detrytycznych granatów z domeny zachodniej wskazuje na możliwe pochodzenie z Gór Sowich, natomiast skład chemiczny granatów z domeny wschodniej wskazuje na ich prawdopodobne pochodzenie z południowej i centralnej Norwegii. Inne minerały ciężkie takie jak turmalin, spinel chromowy oraz gahnit również pokazują pewne zróżnicowanie składu chemicznego, odmienne w domenie wschodniej i zachodniej, co także sugeruje pochodzenie materiału detrytycznego z dwóch różnych źródeł. Podział badanego obszaru południowej części basenu polskiego na dwie domeny zachodnią i wschodnią o wyraźnie odmiennym pierwotnym obszarze źródłowym wynika zapewne z ówczesnej paleogeografii badanego rejonu w trakcie transgresji w środkowym/późnym albie. Materiał klastyczny transportowany był głównie przez wzdłużbrzegowe prądy morskie z zachodu (od masywu czeskiego) w kierunku wschodnim (do obszaru miechowskiego) w domenie zachodniej oraz z północnego zachodu (z tarczy bałtyckiej) w kierunku południowo-wschodnim (do obszaru lubelskiego) w domenie wschodniej.

At the end of the Early Cretaceous, in Albian (113.0-100.5 Ma), one of the greatest marine transgressions in Earth's history began in the extra-Alpine part of Europe. The present area of extra Carpathian Poland, known as the Polish Basin, was located on the periphery of this transgression and constituted the eastern end of the extensive Central European Basin System (CEBS) existing since the Late Permian. In the Middle and Late Albian, in many places in the Polish area, the sea transgressed directly onto the Upper Jurassic carbonate rocks, less frequently onto the pre-Albian siliciclastic sediments of the Lower Cretaceous. The material deposited in the Albian represents shallow coastal facies, mainly quartz arenites. Today, these arenites represent petrographically mature material composed of more than 90% quartz grains. The detrital material deposited in the Polish Basin during the transgression may have originated from uplifted land areas. Potential source areas could have been: the Bohemian Massif, the Ukrainian Shield, the hypothetical Holy Cross Mountains–Dobruja Massif, and the Baltic Shield furthest from the study area. Quartz, the most abundant component of the studied arenites, as a detrital mineral, provides relatively scarce information about its provenance. Hence, heavy minerals present in the studied arenites in amounts of less than 1% were used as a source of information on their provenance.The main objective of this study was to determine the origin of heavy minerals from the Albian clastic rocks of southern extra-Carpathian Poland. Material for the study was collected from outcrops and drill cores from the Miechów and Lublin areas, west and east of the Holy Cross Mountains, respectively. The association of heavy minerals in the studied Albian rocks is typical for sediments that have undergone a stage of intensive chemical weathering. Minerals resistant to weathering such as zircon, rutile and tourmaline predominate. Minerals that are less resistant, such as monazite, garnet, spinel-Cr and staurolite, are found in smaller amounts in the studied samples. Modern analytical methods have made it possible to precisely determine the concentrations of individual elements in the chemical composition of selected heavy minerals and to distinguish two domains with different chemical characteristics.The monazite ages estimated by the Chemical Th-U-total Pb Isochron Method (CHIME) allowed for the division of the studied area into western and eastern domains. The western domain, geographically related to the present-day Miechów Trough, is characterised by a dominance of detrital monazites of Variscan age (330-370 Ma), similar to the age of a muscovite (360.0± 1.21 Ma) from this domain, dated by the 40Ar/39Ar method. This domain was most likely fed by clastic material derived from the northern and eastern parts of the Bohemian Massif, where crystalline rocks of the Variscan age are common. The eastern domain, geographically related to the present day Lublin area, is characterised by the presence of detrital monazites of Proterozoic age, with prominent Svecofennian (1.75-2.00 Ga) and Sveconorwegian (0.92-1.15 Ga) ages. The 40Ar/39Ar muscovite ages correlate well with the Caledonian ages obtained from the detrital monazites of this domain and probably point to the Scandinavian Caledonides as the original source. Therefore the main source of the eastern domain was most likely located in the southern part of the Baltic Shield, which is composed of various Proterozoic crystalline rocks. The detrital material from the Ukrainian Shield in the eastern zone appears to be subordinate in importance to the amount of detrital material from the Baltic Shield. The estimated rutile crystallisation temperatures allowed the distinction of three groups: western, central and eastern. The western and central groups are characterised by a polymodal and bimodal distribution of rutile crystallisation temperatures and a predominance of rutile of metapelitic over metamafic origin, which corresponds to the western domain distinguished on the basis of monazite dating. The eastern group, characterised by a unimodal crystallisation temperature distribution and a similar amount of rutile of metapelitic and metamafic origin, corresponds to the eastern domain distinguished on the basis of CHIME dating. The chemical composition of detrital garnets from the western domain indicates a possible origin from the Góry Sowie Massif, while the chemical composition of garnets from the eastern domain indicates a probable origin from southern and central Norway. Other heavy minerals such as tourmaline, spinel-Cr and gahnite also show some variation in chemical composition, different in the eastern and western domains, which also suggests the origin of the detrital material from two different sources. The division of the studied area of the southern part of the Polish Basin into two domains, western and eastern, with distinctly different primary source areas is probably due to the palaeogeography of the studied area during the Middle/Late Albian transgression. Clastic material was transported mainly by longshore currents from the west (from the Bohemian Massif) towards the east (the Miechów area) in the western domain and from the north-west (the Baltic Shield) towards the south-east (the Lublin area) in the eastern domain.