CC BY
0ДАННЫЕ О ГОРЯЧЕЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ АККРЕЦИИ ЗЕМЛИ - ОСНОВА НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ В ГЕОЛОГИИ
В. С. Шкодзинский DOI: 10.24412/1728-516Х-2023-2-58-63
Владимир Степанович Шкодзинский,
доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН, г. Якутск
Основание континентов слагает мощный комплекс раннедокемб-рийских гнейсов и кристаллических сланцев, который имеет столько непонятных особенностей, что один из ранних исследователей Л. П. Кларк назвал его окаменевшей бессмыслицей. Древние геологические процессы недоступны наблюдению, поэтому для их реконструкции применяется принцип актуализма, согласно которому эти процессы протекали так же, как современные. Обычно предполагается, что Земля образовалась путём одновременного объединения холодных железных и силикатных частиц протопланетного диска,
Р ГПа
то есть путём холодной гомогенной аккреции. Раннедокембрийские кристаллические комплексы возникли в результате метаморфизма древних осадочных и вулканогенных толщ, магмы формируются путём отделения расплавов из слабоподплавлен-ных (на 1-15 %) глубинных пород. Однако в настоящее время выяснилось, что при таких предположениях возникает большое количество неразрешимых проблем.
Непонятна причина выдержанной на всей Земле, примерно одинаковой, очень высокой магматической температуры (810-860 оС, рис. 1) кристаллизации этих пород и
600
600
1000 1°. с
Рис. 1. Средние параметры образования кристаллических комплексов Алданского щита (1), Анабарского щита (2), Лапландского пояса (3), Украинского щита (4), Антарктиды (5), Урала (6), Беломорья (7).
Лк и Ло, Ск и Со, Рк и Ро - соответственно ликвидусы, солидусы и расплавы кислых и основных магм, Ф - флюид, Э - минералы гранита, Рк (0,1) - кислый расплав с отношением в нём количества СО2 к Н2О,
равным 0,1
отсутствия их постепенных переходов в слабометамор-физованные толщи. Неясна причина большой мощности раннедокембрийских кристаллических комплексов. Она достигает многих десятков километров, тогда как в молодых комплексах она, чаще всего, меньше десяти километров. Непонятны причины отсутствия глубоководных океанических осадков среди этих пород и признаков существования климатической зональности при их образовании. Особенно загадочным является происхождение магм, так как вязкость слабоподплавленных пород составляет 1020-1022 пуаз [1].
Полученные в последние десятилетия геологические данные позволяют принципиально по-новому подойти к решению подобных дискуссионных генетических проблем. Судя по результатам обобщения многочисленных опубликованных данных, средняя температура кристаллизации наиболее ранних гарцбургитовых мантийных ксенолитов в кимберлитах и включений в алмазах с возрастом соответственно 2,4 и 3,1 млн лет была на 410 и 580 °С выше, чем в ксенолитах и включениях, возникших 100 и 250 млн лет назад (линии По и ВА на рис. 2). Содержание магния в магматических породах уменьшается с падением температуры их кристаллизации. Количество его в ранних ксенолитах и включениях было в девять раз больше, чем в поздних (линия МдО). Всё это свидетельствует о том, что древняя мантия была намного горячее, чем современная. Земля образовалась путём горячей аккреции, но она постепенно остывает, и радиогенное тепловыделение не способно компенсировать это остывание. Это подтверждают расчёты, по которым импактное тепловыделение при аккреции могло разогреть вещество Земли на 34 000 °С [2] и плавление, обеспечив частичное испарение падающих метеоритов при столкновении с Землей.
Фугитивность (химическая активность) кислорода в мантийных породах в двадцать тысяч раз выше, чем в самородном железе [3]. Эти породы резко обогащены сидерофильными элементами, хорошо растворимыми в железе. Всё это свидетельствует о том, что силикатные и железные частицы никогда не были перемешаны в земных недрах, а выпадали раздельно. В миллиарды раз большая мощность сил магнитного притяжения, чем гравитационное, при небольшом размере тел указывает, что после остывания ниже температуры Кюри намагниченные магнитным полем Солнца железные частицы протопланетного диска объединились раньше силикатных, подобно тому как быстро объединяются намагниченные мелкие железные предметы. Эти частицы сформировали земное ядро. На него выпадали силикатные тела и образовали мантию. Таким образом, Земля возникла в результате горячей гетерогенной аккреции. При таком происхождении получают новое убедительное решение все многочисленные дискуссионные генетические проблемы, не имевшие решения с позиций гипотезы холодной гомогенной аккреции.
В первую очередь это относится к проблеме происхождения магм. Обычно предполагаемому их образованию путём отделения выплавок в слабоподплавленных породах противоречит огромная вязкость таких пород -
Парэгенезисы, породы
Рис. 2. Средние изотопные возрасты различных мантийных пород из ксенолитов в кимберлитах (линия По), включений в алмазах (линия ВА), средняя температура образования при 5 ГПа (линия Т) и среднее содержание MgO в породах (линия MgO).
Состав включений в алмазах и ксенолитов: Г - гарцбургитовый, П - перидотитовый нерасчленённый, Л - лерцолитовый, Э - эклогитовый, В - верлитовый и вебстеритовый, Ф - флогопитсодержащие породы, Ка - карбонатиты, К - кимберлиты. Числа у точек - количество использованных определений
порядка 1020-1022 пуаз. Как показали расчёты [1], при такой вязкости за всю историю Земли (4,6 млрд лет) основные по составу выплавки всплывут в мантии всего на первые миллиметры, что неспособно привести к магмообразованию. Это подтверждается автохтонно-стью анатектического жильного материала в огромных полях мигматитов на древних щитах даже при содержании его 40 %. Давно господствующие представления о формировании магм путём обособления выплавок ничем не доказаны и являются крупным заблуждением, сильно затормозившим развитие геологической науки. Полученные результаты свидетельствуют, что эволюция магматизма древних платформ от кислого к основному и далее, к карбонатитовому и кимберлитовому (рис. 3), обусловлена всплыванием остаточных расплавов из кристаллизовавшихся сверху вниз соответственно кислого, основного, пикритового и перидотитового слоёв магматического океана. В океанических, субдукцион-ных и колллизионных областях магмы возникают путём
океан магмы
платформа А Б К Щ
области субдукции и коллизии
КиТГ Б П Гт
океаническая область СОХЕ
2
3
га" т
х £
Я
100
200-
юоо-
2900
Возраст, млрд. л.
Рис. 3. Схема образования различных геодинамических обстановок и магм:
Д - кислых, Р - рапакиви, А - анортозитовых, Б - основных, К - карбонатитовых, Щ - щелочных, Ки - кимберлитовых, Т - трапповых, иногда содержащих ксенолиты земного ядра, Г - гранитных, П - ультраосновных, Гт - горячих точек, СОХБ - срединно-океанических хребтов, Кр - нижние части кратонов Генетические типы магм: 1 - расплавы магматического океана, 2 - декомпрессионные, 3 - фрикционные
декомпрессионного и фрикционного переплавлений дифференциатов магматического океана при их всплы-вании и тектоническом выжимании. Это подтверждается результатами выполненных расчётов [1], неразрывной связью процессов магмообразования в этих областях с тектоническими деформациями, а также присутствием в зонах тектонических разломов псевдотахилитов. Они образовались в результате остеклования быстро остывавших расплавов, возникавших в результате фрикционного плавления при тектонических перемещениях.
При горячем образовании Земли слагающие основание континентов и кислую кристаллическую кору ранне-докембрийские кристаллические комплексы являются не метаморфизованными осадочными породами, как обычно принимается, а малоглубинными дифференциатами магматического океана. Это полностью подтверждается выдержанными на всей Земле очень высокими магматическими температурами их кристаллизации, отсутствием их постепенных переходов в более низкотемпературные породы, отсутствием среди них метаморфизованных конгломератов и брекчий, обломочную текстуру которых не мог бы замаскировать никакой метаморфизм (см. рис. 2). Встречающиеся в раннедокембрийских комп-
лексах кварциты и карбонатные породы имеют признаки хемогенного, а не осадочного происхождения. Это подтверждается отсутствием типичных терригенных пород в этих комплексах.
Идентичность гистограмм распределения температуры в гиперстеновых и безгиперстеновых гнейсах и их переслаивание в одних и тех же обнажениях cвидетельствуют о том, что кристаллизация гиперстена в них обусловлена пониженным содержанием воды в исходных расплавах, а не очень высокой температурой метаморфизма, как обычно предполагается [1]. Это указывает на отсутствие в природе высокотемпературной гиперстенсодержащей гранулитовой фации метаморфизма, характерной только для раннедокембрийских комплексов. Широко распространённые представления о существовании этой фации являются заблуждением.
Максимальный изотопный возраст раннедокембрийских кристаллических комплексов обычно меньше 3,5 млрд лет. Земля образовалась около 4,56 млрд лет назад. Большая редкость возрастов древнее 3,5 млрд лет указывает, что в течение примерно первого миллиарда лет в верхней части Земли присутствовал глобальный магматический океан и почти не было твёрдых пород. Это объясняет отсутствие на Земле крупных импактных бассейнов, возникавших на планетах земной группы при гигантской метеоритной бомбардировке в конце аккреции в результате падения последних крупных планетезималей протопла-нетного диска. Диаметр их на Луне и Меркурии часто превосходит тысячу километров, а возраст достигает 4 млрд лет. Это указывает, что магматический океан на земной поверхности существовал и позже 4 млрд лет назад. На его жидкой поверхности не могли сохраняться импактные кратеры, поэтому на Земле почти отсутствуют следы гигантской метеоритной бомбардировки. Меньший размер Луны обусловил значительно более ранние остывание и кристаллизацию её магматического океана и объясняет хорошо видимое присутствие на ней гигантских импактных бассейнов.
В некоторых публикациях для объяснения механизма формирования земного ядра без доказательств предполагается, что магматический океан простирался до ядра и имел глубину в несколько тысяч километров. Однако не учитывается, что вследствие большого влияния давления на устойчивость расплава, при такой глубине для сохранения жидкого состояния температура океана должна была составлять более 11 000 °С. Отсутствие подобных высоких температур кристаллизации в
мантийных породах противоречит предположению об очень большой глубине земного магматического океана. Наибольшее давление при кристаллизации, зафиксированное в выносимых придонными кимберлито-выми расплавами магматического океана мантийных ксенолитах, достигает 8 ГПа [1]. Это свидетельствует о том, что максимальная глубина магматического океана составляла около 250 км. Вследствие расслоенно-сти по составу, в остывавшем магматическом океане отсутствовала обширная единая конвекция, поэтому он медленно кристаллизовался сверху вниз в результате теплопотерь через земную поверхность. Средний изотопный возраст последних придонных кимберлитовых остаточных расплавов магматического океана составляет 236 млн лет (см. рис. 2). Это указывает на то, что примерно в это время завершилась кристаллизация его придонных частей. Его верхняя часть начала затвердевать намного раньше - около 3,5 млрд лет, судя по возрасту гнейсов и кристаллических сланцев.
Таким образом, в течение большей части геологической истории в недрах Земли существовал огромный магматический океан (рис. 4). Это оказало большое влияние на протекавшие на ней геологические процессы. Поднимавшиеся нижнемантийные магмы растекались в глубоком магматическом океане, что сильно тормозило подъём к земной поверхности магм, возникавших в результате декомпрессионного и фрикционного переплавления всплывавших в плюмах пород нижней мантии, подогретых изначально горячим ядром и сформировавших в конце фанерозоя океанические области. Это обусловило отсутствие в докембрии отчётливых признаков существования типичных океанических областей и глубоководных океанических осадков.
Достигавшие магматического океана нижнемантийные расплавы увеличивали его объём, что способ-ствовапло возникновению в нём перемещений магмы и стимулировали её подъём. Это обусловило тектонические деформации перекрывающей земной коры, возникновение в ней прогибов и поднятий, образование в прогибах осадочных толщ и проявление интенсивного
магматизма. В связи с затратами значительного времени на прогрев ядром нижнемантийных пород, их всплывание и активизация процессов в магматическом океане происходили периодически. Это объясняет существование циклов в геологической эволюции Земли. Так, С. Л. Салоп выделил в докембрии 12 крупных циклов геологической активности [5]. Связь с одним и тем же океаном магмы приводила к значительной синхронности проявления однотипных геологических процессов на различных континентах. Например, траппы имеют пермо-триасовый возраст в Сибири, Африке и Антарктиде и близкий к нему фанерозойский возраст на других континентах. Образование более древних основных пород, видимо, обусловлено подъёмом расплавов из магматического океана, поэтому они имеют не такое происхождение, как типичные траппы. Это подтверждается обычно их большей щелочностью и значительно меньшим объёмом.
На ранних этапах эволюции происходил подъём частично дифференцированных придонных расплавов магматического океана. Это объясняет массовое образование около 2-2,5 млрд лет назад богатых кальцием коматиитов. Уменьшение количества этих расплавов в магматическом океане обусловило прекращение их формирования в более позднее время. Затвердевание магматического океана привело к проникновению через него нижнемантийных магм, к достижению их земной поверхности и объясняет резкое повышение интенсивности геологических процессов в кайнозое. Так, средняя мощность образовавшихся за миллион лет осадочных пород возросла со 100-120 метров в протерозое до 500 м - в плиоцене. Число тектонических циклов уменьшилась с чаще всего 1-2 за 100 млн лет в протерозое до 7 - в кайнозое [5] продолжительностью 66 млн лет. Возросла жёсткость земной коры и мантии.
Вследствие присутствия в земных недрах резервуара магмы, геологическая эволюция сопровождалась формированием большого объёма вулканических и интрузивных магматических пород. Дифференциация магм в магматическом океане объясняет массово распространённую эволюцию магматизма от основного к кислому и щелочному. Постепенное затвердевание магматического океана является причиной снижения интенсивности магматизма к концу геологических циклов.
Вода земной поверхности сначала была растворена в магматическом океане. Первичное содержание её в нём, обеспечившее формирование современных водоёмов, составляло примерно 1,4 мас. %. Затвердевание океана завершилось около 236 млн лет назад. В это время выделилась главная масса воды, поэтому на большей части ранней геологической эволюции на земной поверхности её было относительно немного. Это объясняет отсутствие отчётливых признаков существования глубоководных океанов в это время. Они появились в триасе, когда произошло отделение главной массы воды из затвердевшего магматического океана. Вследствие высокой температуры земной поверхности на ней существовала очень мощная газопаровая атмосфера. Большой объём препятствовал
Рис. 4. Глобальный магматический океан Земли [4]
возникновению различий температуры её в разных климатических зонах. Это объясняет отсутствие климатической зональности на большей части геологической истории Земли.
Существование магматического океана впервые объясняет приуроченность высокорудоносных карбо-натитов и алмазосодержащих кимберлитов не к океаническим областям, где массово протекают магматические процессы, а к древним платформам, которые давно остыли и на которых, казалось бы, условия для проявления магматических процессов неблагоприятны. Карбонатиты являются последними дифференциата-ми пикритового слоя магматического океана. Большая мощность этого слоя (около ста километров) привела к образованию иногда гигантских (более 1000 км2) массивов карбонатитов и сопутствующих им пород и к огромному накоплению в его последних расплавах рассеянных элементов. Это объясняет значительное содержание их в карбонатитах. Например, содержание пентаоксида ниобия в них иногда достигает десяти процентов, тогда как в других магматических породах оно составляет граммы на тонну, то есть во многие тысячи раз меньше.
По экспериментальным данным, при давлении более 2,5 ГПа карбонатитовые расплавы становятся полностью смесимыми с силикатными и могут приобретать кимберлитовый состав, поэтому высокобарическая дифференциация придонного перидотитового слоя магматического океана завершилась возникновением кимберлитовых расплавов, что объясняет происхождение кимберлитов. Повсеместное распространение магматического океана является причиной присутствия этих пород на всех древних платформах. Большая степень дифференциации перидотитового слоя и незначительный объём последних остаточных расплавов (примерно в тысячи раз меньший, чем объём исходных магм) объясняют выдержанный на всей Земле небольшой размер (обычно меньше 1 км3) кимберлитовых тел. Поздние остывание и дифференциация самого нижнего перидотитового слоя магматического океана являются причиной более молодого среднего изотопного возраста кимберлитов (236 млн лет) по сравнению с карбона-титами (688 млн лет, см. рис. 1).
На ранней стадии эволюции в магматическом океане происходила малобарическая дифференциация вследствие осаждения минералов, возникавших в результате кристаллизации под влиянием роста давления новообразованных при аккреции верхних частей. После завершения аккреции протекала высокобарическая дифференциация вследствие кристаллизации и осаждения минералов, формировавшихся в результате остывания магматического океана. Сочетание процессов синаккре-ционного низкобарического и постаккреционного высокобарического фракционирования объясняет огромное разнообразие состава расплавов магматического океана и возникавших в нём магм. При протекании только процессов высокобарического фракционирования формировались типичные кимберлитовые и близкие к ним остаточные расплавы. В случае предшествовавшей
малобарической дифференциации кристаллизация и осаждение оливина привели к возрастанию содержания кремнекислоты в остаточном расплаве. При последующем высокобарическом фракционировании возникали лампроитовые и близкие к ним магмы. Разнообразие химического состава магматических пород древних платформ обычно объясняют протеканием процессов метасоматоза в очагах магмообразования. При этом полностью игнорируются процессы фракционирования магм. Позднемагматические флогопит и ильменит считаются продуктом метасоматоза. Эта точка зрения в высшей степени ошибочна, поскольку в мантии нет открытых трещин и пор, необходимых для движения флюидов, и нет их реальных источников, процессы же фракционирования магм массово распространены.
Возникновение кимберлитов означает почти полное затвердевание магматического океана и появление возможности свободного достижения земной поверхности нижнемантийными основными магмами. Это является причиной близости возрастов кимберлитов и траппов (240-200 млн лет) и их сонахождения в одних и тех же участках. Нижнемантийное происхождение магм траппов объясняет изредка присутствие в них крупных (до десятков тонн), заимствованных из ядра ксенолитов никелистого железа. Опускание перекрывающих пород на место поднявшихся карбонатитовых и ассоциирующихся с ними магм является причиной образования рифтов и связи с ними карбонатитов. Очень небольшой размер тел обусловил отсутствие такой связи в кимберлитах. Повышенное содержание углерода в рано затвердевших мафических перидотитах магматического океана обусловило приуроченность высокоалмазоносных кимберлитов к кратонам. Относительно небольшое уменьшение их объёма при кристаллизации является причиной размещения кимберлитовых тел в слабовыра-женных поднятиях на земной поверхности амплитудой в десятки метров.
Взрывы кимберлитовых магм обычно объясняют быстрым выделением из них газов, притоком водорода из земного ядра, смешением магм с грунтовыми водами. Однако эти предположения не имеют убедительных доказательств в связи с неиспользованием в них количественных моделей магм, необходимых для решения сложных вопросов магматической петрологии. Разработка таких моделей [3] привела к принципиально новому решению этой проблемы. Модели выявили существование малоизвестного явления - декомпрес-сионного затвердевания большинства магм на малоглубинных стадиях подъёма. Оно обусловлено выделением газов из расплавов и поэтому их остеклованием или кристаллизацией. Консервация высокого давления выделявшихся газов процессами затвердевания объясняют взрыв верхних частей кимберлитовых магматических колонн при их дальнейшем подъёме, размещение большинства кимберлитов в трубках взрыва и обычно отсутствие излившихся на земную поверхность ким-берлитовых лав. При взрыве в верхней части трубок из наиболее затвердевших частей кимберлитовых магматических колонн формируются твёрдокластические
туфы и брекчии. Ниже они переходят в автолитовые вязкокластические брекчии, ещё ниже - в жидкоклас-тические неоднородные кимберлиты. Переход большинства трубок на глубине 1-2 км в дайки указывает на начало декомпрессионного затвердевания магм на этой глубине. Присутствие даек и на меньшей глубине свидетельствует о пониженном содержании летучих компонентов в сформировавших их кимберлитовых магмах. Повторный подъём магм по одним и тем же магмоводам является причиной многоэтапности в образовании некоторых кимберлитовых трубок.
Длительное остывание магматического океана и Земли привело к направленной необратимой её геологической эволюции. Выделяются пять стадий этой эволюции. На аккреционно-магматической стадии (около 4,56-4,0 млрд лет назад) происходило объединение сначала железных, а затем силикатных частиц прото-планетного диска. Падавший силикатный материал плавился под влиянием огромного импактного тепловыделения, поэтому в верхней части растущей Земли на этой стадии существовал глобальный магматический океан. После завершения аккреции 4,0-3,5 млрд лет назад земная поверхность была покрыта расплавом и происходила панмагматическая стадия эволюции Земли (см. рис. 4). Её существование объясняет большую редкость изотопных возрастов пород, относящихся к этому времени. С 3,5 по 2,6 млрд лет существовала гнейсово-магматическая стадия эволюции. В это время в магматическом океане кристаллизовалось огромное количество гнейсов и кристаллических сланцев. Растекание всплывавших горячих расплавов обусловило пластообразную и линзовидную форму большинства образующихся тел. Позднее всплывание горячих подстилавших магм объясняет массовое развитие овальных тектонических структур в перекрывающих гнейсах [5]. Магматическое происхождение является причиной распространения на всей Земле высоких магматичес-
ких температур кристаллизации этих пород (см. рис. 1). С 2,6 по 1,9 млрд лет назад существовала зеленокамен-ная стадия эволюции. В это время её вулканиты, сформированные изливавшимися на земную поверхность магмами, метаморфизовались под влиянием горячего основания и образовали массово распространённые зе-ленокаменные комплексы. Из слабодифференцирован-ных придонных мафических расплавов магматического океана сформировались коматииты. После 1,9 млрд лет назад протекает континентально-осадочная стадия эволюции геологических процессов.
Таким образом, учёт горячей гетерогенной аккреции Земли позволил получить принципиально новое решение многочисленных генетических проблем геологии, полностью согласующееся со всеми данными. Раннедо-кембрийские комплексы уже не кажутся окаменевшей бессмысленностью. Такое восприятие их было обусловлено не учётом участия в их формировании глобального магматического океана. Доказательства его существования установлены только в последние десятилетия.
Список литературы
1. Шкодзинский, В. С. Генезис литосферы и алмазов. Модель горячей гетерогенной аккреции Земли / В. С. Шкодзинский. - Saarbrucken : Palmarium Academic Publishing, 2015. - 687 c.
2. Wood, B. J. The formation and differentiation of Earth / B. J. Wood // Physics Today. - 2011. - V. 64, № 2. -P. 40-45.
3. O'Neil, H. S. Oxygen fugacity and siderophile elements in the Earth's mantle: implications for the origin of the Earth / H. S. O'Neil // Meteoritics. - 1990. - № 25 (4). -P. 395.
4. https://lenta.ru/news/2023/02/28/magma/.
5. Салоп, Л. И. Гдологическое развитие Земли в докембрии /Л. И. Салоп. - Ленинград : Недра, 1982. - 344 с.
А&Х№ мувхрых шкутй:
Судья, который не способен карать, становится, в конце концов, сообщником преступления.
Генрих Гёте
Нужно стремиться к тому, чтобы сделать философию популярной. Если мы хотим, чтобы философия прогрессировала, приблизим народ к уровню философов.
Дени Дидро
