Шкодзинский

СПЕЦИФИКА ВУЛКАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ
РАННЕДОКЕМБРИЙСКОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ КОРЫ
В. С. Шкодзинский, А. Н. Зедгенизов
Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН, Якутск,
shkodzinskiy@diamond.ysn.ru
Раннедокембрийская кристаллическая кора мощностью до 40 – 50 км слагает верхнюю часть
континентальной литосферы и имеет ряд специфических особенностей, долгое время казавшихся
непонятными. Грубо слоистое ее строение и преимущественно ортогнейсовый состав, казалось бы,
свидетельствуют о большой роли вулканических процессов при ее формировании. Однако с этим не
согласуется практически полное отсутствие в гнейсовых комплексах одновозрастных с ними
месторождений и рудопроявлений золота, олова, меди, серебра, свинца, цинка и сопровождающих их
зон гидротермальных изменений, очень характерных для фанерозойских вулканогенных поясов.
Отсутствуют и реликты текстур вулканокластов, лавобрекчий и лавоконгломератов, неоднородность
состава которых не мог бы затушевать никакой метаморфизм, так как последний не уничтожает
резких границ между различными породами. Это дополняется почти полным отсутствием
гидротермального оруденения в связи с многочисленными телами раннедокембрийских гранитогнейсов, нетипичностью для гнейсовых толщ метаморфизованных конгломератов, каустобиолитов,
океанических осадков, а также кимберлитов, лампроитов и других щелочных ультраосновных и
основных магматических пород. Все это свидетельствует о специфичности процессов образования
пород раннедокембрийской кристаллической коры.
Природу этой специфичности объясняют полученные в последние десятилетия, особенно в
результате полетов на Луну, данные о горячем образовании планет земной группы и о существовании
на ранних этапах их эволюции глобальных магматических океанов глубиной во многие сотни
километров [Wood et al., 1970; Шкодзинский, 1985, 2003; Beard et al., 1998 и др.]. Оказалось, что на
Луне нет мало дифференцированных пород типа хрондритов. Все ее породы являются
магматическими, очень древними (обычно 4,5 – 3,7 млрд. лет) и высоко дифференцированными
(содержат до сотен хондритовых норм расплавофильных компонентов). Это свидетельствует о
протекании на ранней стадии эволюции Луны глобальных процессов магматического
фракционирования. Особенно показательно присутствие на ней анортозитовой коры мощностью до
100 км, образование которой произошло путем фракционирования слоя мафического расплава
толщиной не менее 1000 км [Beard et al., 1998]. Высокая отражательная способность Меркурия
указывает на анортозитовый состав его коры и на присутствие на нем магматического океана в
прошлом. Широкое распространение среди каменных метеоритов дифференцированных
магматических разностей подтверждает широкое развитие процессов магматического
фракционирования на ранней стадии эволюции планет. О существовании магматического океана на
Земле свидетельствуют: 1) отсутствие в земной коре пород древнее 4 млрд. лет и следов завершавшей
аккрецию гигантской метеоритной бомбардировки, связанное с расплавленным состоянием ее
верхнего слоя в первые 0,56 млрд. лет; 2) изотопные данные о протекании глобальных процессов
магматической дифференциации на самой ранней стадии эволюции Земли; 3) значительное
превышение (в 5 – 10 раз) современного теплового потока над величиной радиогенного
тепловыделения [Смыслов, 1993], обусловленное большими запасами первичного тепла в земных
недрах; 4) признаки тонкости и пластичности докембрийской литосферы и многие другие данные
[Шкодзинский, 2003].
Выполненные расчеты [Шкодзинский, 1995, 2003 и др.] показали, что земной силикатный
магматический океан возник при аккреции нижней мантии в результате импактного тепловыделения.
По мере роста Земли его придонная часть кристаллизовалась и фракционировала под влиянием
увеличения давления новообразованных аккрецией верхних частей. Кумулаты и захороненные среди
них расплавы после компрессионного затвердевания сформировали соответственно мантийные
ультраосновные породы и эклогиты, что объясняет состав и происхождение этих наиболее
1
распространенных в мантии пород. Остаточные расплавы обогащали магматический океан
расплавофильными компонентами и обусловили рост среднего содержания последних от нижних
частей мантии к верхним. С укрупнением с течением времени падавших планетезималей
увеличивались величина импактного тепловыделения, температура и глубина магматического океана
и уменьшалась степень придонной кристаллизации новообразованных импактных магм, что привело к
эволюции состава возникавших остаточных расплавов от малобарических кислых, средних и
толеитовых при образовании нижней мантии до высокобарических субщелочных пикритовых и
перидотитовых при формировании верхней мантии.
Изменение состава остаточных расплавов, формировавшихся при компрессионном придонном
фракционировании, обусловило возникновение расслоенности в магматическом океане. После
прекращения аккреции он имел глубину около 240 км и состав его изменялся от кислого в верхней
части, через средний и основной до пикритового и перидотитового в нижней. Вследствие
значительного увеличения плотности с глубиной (от примерно 2,2 до 2,8 г/см3) в расслоенном
магматическом океане при остывании не возникали обширные, от подошвы до поверхности,
конвективные потоки, поэтому он очень медленно (в течение почти 4 млрд. лет) остывал,
кристаллизовался и фракционировал сверху вниз преимущественно в результате кондуктивных
теплопотерь.
Расчеты динамики остывания расслоенного постаккреционного магматического океана
[Шкодзинский, 2003] свидетельствуют о том, что в первые 0,56 млрд. лет земная поверхность была
полностью покрыта расплавом и на ней не было твердых пород, что объясняет отсутствие в земной
коре пород древнее 4 млрд. лет. В это время начиналась кристаллизация лишь наиболее
высокотемпературных минералов, что является причиной иногда устанавливаемого очень древнего
возраста (до 4,4 млрд. лет) ядерных частей некоторых кристаллов циркона в серых гнейсах Австралии.
В период примерно с 4 до 2,7 млрд. лет назад происходили кристаллизация и фракционирование
верхних частей кислого слоя магматического океана с образованием серых гнейсов из кумулатов и
древнейших гранитов из остаточных расплавов. С появлением на поверхности магматического океана
серогнейсовой протокоры, достаточно прочной для того, чтобы выдерживать нагрузку мафических
вулканитов, на ней начали формироваться зеленокаменные пояса в результате излияния основных и
ультраосновных магм из поднимавшихся нижнемантийных плюмов.
Преимущественно 3,3 – 1,8 млрд. лет назад протекали процессы кристаллизации и
фракционирования нижних частей кислого слоя после их частичного всплывания к земной
поверхности с формированием эндербитов и чарнокитов. На затвердевавшей поверхности
возникавших гранулитовых подвижных зон в ранних очень горячих водоемах накапливались первые
преимущественно хемогенные и эоловые осадки, которые после уплотнения и метаморфизма под
влиянием горячего основания погружались в него и формировали изолированные тела парапарод,
присутствующие в монофациальных супракрустальных гранулитовых комплексах. В нижних частях
гранулитовых зон, куда не достигали погружающиеся тела парапород, сформировался
нестратифицированный инфракрустальный комплекс, не содержащий метаморфизованных осадочных
пород. После значительного затвердевания слоя кислого расплава на нем образовались различные
зонально метаморфизованные супракрустальные комплексы. Эти процессы объясняют происхождение
континентальной кристаллической коры, ее преимущественно кислый ортогнейсовый и гранитоидный
состав и огромную мощность.
Температура на поверхности Земли после завершения процессов ее аккреции составляла около
2000о С. С учетом этого и повышенной в несколько раз скорости вращения вокруг своей оси [Рингвуд,
1982] Земля сначала не могла захватывать и удерживать никакие газы. Поэтому атмосфера
отсутствовала на ранней Земле, что объясняет крайне низкое содержание в современной атмосфере
первичных изотопов благородных газов. Атмосфера и гидросфера начала формироваться из газов,
выделявшихся при кристаллизации магматического океана, после падения температуры земной
поверхности и возникновения на ней ранней пластичной серогнейсовой протокоры. Такое
происхождение атмосферы и гидросферы объясняет близость их по составу (кроме кислорода) к
магматическим газам [Шкодзинский, 2003].
2
Сначала вся вода находилась в состоянии пара и верхняя часть газово-паровой оболочки
остывала под влиянием излучения в космическое пространство. Это приводило к конденсации пара и к
возникновению мощного слоя облаков. Этот слой поглощал солнечное излучение. Поэтому на ранней
Земле не было широтной климатической зональности, что является причиной близости состава
парапород на различных древних щитах. Это согласуется с данными А.И.Пака [1987] о существовании
в раннем докембрии на всей Земле жаркого влажного климата. Разделение на слабо выраженные
аридные и гумидные зоны начинается в раннем протерозое. Очень влажный жаркий климат обусловил
широкое развитие в раннем докембрии кор выветривания и объясняет отсутствие следов присутствия
каустобиолитов в раннедокембрийских гнейсах
В участках погружения затвердевшей и уплотнившейся коры на земную поверхность
изливались кислые расплавы. На поверхности этих магматических “морей” вновь формировалась и
погружалась пластичная кора и эти процессы повторялись многократно. Высокое давление на дне
газово-паровой оболочки тормозило процессы расширения магматических газов и эксплозивной
дезинтеграции магм, поднимавшихся к земной поверхности, что является причиной отсутствия
вулканокластов и реликтов их текстур в раннедокембрийских ортогнейсах. Высокая температура
газово-паровой оболочки и приповерхностных пород препятствовала процессам остывания
отделявшихся магматических газов и формирования ими гидротермального оруденения. Это
объясняет отсутствие сингенетичного гидротермального оруденения в древних ортогнейсах.
Вынесенные рудные компоненты рассеивались в газово-паровой оболочке, многие сотни миллионов
лет находились в ней в растворенном состоянии, затем осаждались под влиянием ее остывания и
обусловили широкое развитие стратиформного оруденения преимущественно в позднепротерозойских
осадочных толщах, формировавшихся в полуостывших водоемах.
Вследствие подъема кислых магм с очень небольшой глубины и незначительной разницы между
плотностями их и формировавшейся коры в участках излияния магм не могли возникать высокие
вулканические постройки. Большая пластичность и небольшая мощность коры приводили к быстрому
растеканию под влиянием гравитационных сил небольших возвышенностей, возникавших в участках
тектонического сжатия. Это обусловило выравненность рельефа земной поверхности при
формировании раннедокембрийских гнейсовых комплексов и объясняет отсутствие в них
метаморфизованных конгломератов.
Изливавшиеся на затвердевавшую высокотемпературную земную поверхность в основном
кислые, реже основные магмы перекрывали возникшие осадочные породы и очень медленно остывали
и кристаллизовались под покровом горячей газово-паровой оболочки. Поэтому они формировали
изначально хорошо раскристаллизованные породы, что объясняет частое переслаивание парапород с
гранитогнейсами и с основными кристаллическими сланцами и нетипичность для ортогнейсов и
кристаллических сланцев мелкозернистых разностей с реликтами вулканических структур и текстур.
Высокая температура земной поверхности и магматический генезис большинства пород
кристаллической коры объясняют обычно отсутствие в раннедокембрийских гнейсах реликтов
прогрессивного этапа метаморфизма, высокотемпературный характер и ареальное распространение их
минеральных парагенезисов. Локальные конвективные течения магмы под формирующейся корой
приводили к возникновению на ее нижней границе субгоризонтальной изоклинальной складчатости,
которая позже по мере консолидации коры сминалась все более открытыми и крупными складками.
В участках повышенной основности подстилающего слоя кислого расплава процессы
погружения кристаллизовавшейся более кислой коры не происходили. Поэтому здесь формировались
более мощные слои осадочных пород, замедлявшие подток тепла из незакристаллизованных частей
магматического океана, и температура земной поверхности очень сильно понижалась в результате
выпадения проливных дождей из верхних частей газопаровой оболочки, конденсировашейся под
влиянием излучения тепла в космическое пространство. Это приводило к возникновению устойчивых
конвективных ячей в газопаровой оболочке – ее нижние остывшие части перемещались в
гранулитовые подвижные зоны, где кислые магмы частично выходили на земную поверхность. Они
здесь нагревались, поднимались вверх и конденсировались преимущественно над охлажденными
участками. Выпадавшие из них дожди еще больше охлаждали эти участки. Вулканические и
осадочные процессы в этих участках, вследствие существования пониженной температуры и более
3
жесткой коры, начинали приближаться к современным. Это объясняет присутствие иногда
небольшого количества вулканокластов, конгломератов и гидротермального оруденения в
зеленокаменных поясах, тогда как в близких к ним по возрасту гранулитовых зонах эти образования
не возникали.
В период с 2,6 до 0,6 млрд. лет назад происходили процессы кристаллизации и
фракционирования нижних мафических слоев магматического океана с образованием мафических
кумулатов, щелочных и субщелочных остаточных расплавов и продуктов их затвердевания в
континентальной литосфере и коре, что объясняет позднее появление щелочных магматических пород,
континентальной литосферы и тектоники литосферных плит в истории Земли и обычно отсутствие
щелочных разностей в раннедокембрийских ортогнейсах и кристаллических сланцах. Примерно 2,8 –
1 млрд. лет назад происходили процессы выжимания еще не затвердевших плагиоклазовых кумулатов
среднего и основного слоев магматического океана с образованием автономных анортозитов. Позже
эти кумулаты затвердели и потеряли способность к выжиманию, что объясняет прекращение
процессов образования автономных анортозитов в конце протерозоя и в фанерозое. Высокая
пластичность кислой коры препятствовала протеканию процессов скалывания и выдвижения
мантийных пород под влиянием ее смещений и является причиной отсутствия офиолитов в
раннедокембрийских гнейсовых комплексах.
С позиций концепции глобального магматического фракционирования на раннем этапе
существования Земли выделяются следующие стадии ее геологической эволюции: 4,56 – 4 млрд. лет
назад – панмагматическая стадия эволюции континентальной литосферы; 4 – 1,9 млрд. лет назад –
стадия зарождения тонкой пластичной континентальной коры в океане магмы; 1,9 – 0,6 млрд. лет
назад – стадия тектоники тонких пластичных коровых плит; 0,6 – 0,2 млрд. лет назад – стадия
тектоники толстых полужестких корово-мантийных плит; 0,2 – 0 млрд. лет – стадия тектоники
толстых жестких корово-мантийных плит. Дальнейшее утолщение литосферы при еще длительном
сохранении высокой температуры ядра приведет в будущем к возрастанию глубины образующихся
океанов, высоты гор и вулканов и к все более широкому формированию щелочных вулканитов и
интрузий. После остывания ядра тектонические и магматические процессы прекратятся и Земля будет
находиться на стадии развития, аналогичной существующей в настоящее время на Луне. На ней
присутствует очень мощная (около 800 км) жесткая литосфера и почти не протекают эндогенные
процессы.
Список литературы
Пак А. И. Эволюция кор выветривания в истории Земли. ФАН, 1987, 156 с.
Рингвуд А. Е. Происхождение Земли и Луны. М.: Недра, 1982, 294 с.
Смыслов А. А. Тепловая эволюция Земли // Эволюция геологических процессов в истории Земли. М.:
Наука, 1993. С. 216-225.
Шкодзинский В. С. Фазовая эволюция магм и петрогенезис. М.: Наука, 1985, 232 с.
Шкодзинский В. С. Проблемы глобальной петрологии. Якутск: Сахаполиграфиздат, 2003, 238 с.
Beard B.L., Taylor L.A., Scherer E.E., Johonson C.M., Snyder G.A. The source region and melting
mineralogy of high-titanium and low-titanium lunar basalts deduced from Lu-Hf isotope data // Geochim. Et Cosmochim.
Acta., 1998, V. 26. P. 525-544.
Wood J. A., Diskey J. S., Marnin V. B., Powel B. H. Lunar anorthosits and geophisical model of Moon // Proc.
Appolo XI Lunar Sci. Conf. Houston. 1970, V. 1. P. 965-989.
4