CC BY
49
УДК 550.42, 551.2, 551.14
ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКОЕ СООТНОШЕНИЕ МАНТИЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ГОМОГЕНИЗАЦИИ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ЗЕМЛИ
Ю.А. Балашов
Г еологический институт КНЦ РАН
Аннотация
Проблемы исходного состава и эволюции мантии и коры в геологическом времени слабо изучены, так как процессы генерации всех оболочек и ядра Земли рассматриваются без учета главных процессов - сочетания гомогенизации и дифференциации исходного метеоритного разнообразия, формировавшего Землю. В статье сделана попытка более строгого учета влияния гетерогенного состава метеоритов. Обнаружено два типа мантийных процессов: ранний (архейский-протерозойский) со следами интенсивной гомогенизации и поздний (преимущественно фанерозойский) с признаками интенсивной вторичной дифференциации.
Ключевые слова:
коматииты и базальты зеленокаменных поясов, щелочные серии и офиолиты, редкоземельные элементы - отношение Sm/Nd как индикатор вариаций состава пород и метеоритов.
Важнейший аспект проблемы исходного состава и эволюции мантии и коры в геологическом времени в действительности слабо затронут в современной литературе. Почти ничего не известно о степени гомогенизации состава мантии на стадии аккреции, хотя это имеет прямое отношение к расшифровке эволюции состава древнейших архейских гранит-зеленокаменных систем (ГЗС) в длительной истории развития верхних оболочек земли [1, 2 и др.]. Идентификация стиля развития ГЗС и других типов магм возможна при использовании геохимической информации, в частности, редкоземельные элементы, среди которых Sm и № методами изотопного анализа возможно определять их концентрацию с высокой точностью по 147 Sm и 143Nd для отношения Sm/Nd и для возраста пород, что и является предметом обсуждения в предлагаемой статье.
Прежде всего, отметим, что наблюдаемые исходные изотопногеохимические особенности
ранней аккреционной стадии касаются обычно лишь хондритовых метеоритов. Для них фиксируется среднее отношение Sm/Nd = 0.3238 [3 и др.],
отвечающее потоку «солнечного ветра» (или хондритам С1 и их фрагментам: 0.3318) [4 и др.].
Максимальный диапазон
вариации Sm/Nd достигает в хондритах 0.3 (рис. 1). Этот интервал значительно уступает современным наблюдаемым
вариациям в пределах континентальной и океанической мантии - примерно вдвое [2]. Что означает это различие? Последовательное наращивание геохимической дифференциации в мантии и ее магмах в течение 4.56 млрд лет, или мантия имела более сложный состав и развитие? Не исключено, что сопоставление с хондритами С1 - ошибочный вариант и необходимо сопоставлять с более широким
Рис. 1. Контрастность измеренных изотопных параметров в системе 147Sm/144Ndмежду хондритами и базальтами современной литосферы Земли. Sm/Ndх 0.6045= 147Sm/144Nd. ОМ и Рим - среднее для океанической и континентальной мантии [2, 5 и др.]
V Л
ЧУ
\
< \
спектром метеоритов. Добавление данных по эвкритам и Fe-метеоритам (рис. 2) показало, что диапазон вариаций для отношения Sm/Nd в метеоритах увеличивает геохимическую неоднородность примерно в 2-3 раза, что согласуется с диапазоном изменения Sm/Nd не только в современном уровне для континентов и океанической зоны Земли, но и наследуется на самой ранней стадии аккреции. Следовательно, должны существовать другие мантийные процессы. Если обратиться к сумме данных по архейским ГЗС (рис. 2), то для них определенно фиксируется последовательное направленное снижение гетерогенности (табл. 1 и 2).
Рис. 2. Два тренда развития гетерогенности литосферы по данным о вариациях отношения Sm/Nd для перидотитовых ксенолитов и мантийных магм [5-16]:
Метеориты - хондриты, эвкриты, хондры и их минералы, силикатные включения в железистых метеоритах; 1-12 -
коматиит-базальтовые комплексы зеленокаменных поясов и зон: 1 - Ю.-З. Гренландия Исуа (Isua, 3810 млн лет), 2 - Ю.-З.
Гренландия, Исуа (Isua ,
0 1000 2000 3000 4000 5000 3750 млн лет), 3 - Ю.
Африка, Онвервахт
(Onverwacht, 3510 м.л.), 4 - Канада, Лумби Лэйк и Учи (Lumdy Lake and Uchi, Balmer, (~ 3000 м.л.), 5 -
Карелия: Койкарская, Паласельгинская, Совдозерская и Хаутавааринская структуры (~ 2940 м.л.), 6 -
Карелия, Костомукшинская структура (2830 м.л.), 7 - Канада, Визейн (Vizien, 2786 м.л.), 8 - Канада, Абитиби (Abitibi, 2718 м.л.), Визейн Vizien (2724 м.л.), Австралия, Камбалда (Kambalda, 2722 м.л.), 9 -Австралия, Уилгарн (Yilgarn, 2700 м.л.), 10 - Французская Гвиана, Дачин (Dachine, 2110) м.л.), 11 - Ю. Китай, Северная Гуанх Провинция (Northern Guangxi Province, 2015 м.л.), 12 - Ю. Африка, Бушвельд (Bushvfeld, 2060 м.л.), 13 - Австралия, Новый Южный Уэльс (New South Wales, 280 м. л), 14 - Агпаитовые щелочные комплексы, ультрабазитовые ксенолиты и магмы Кольской палеозойской провинции (380 м.л.), 15 - ксенолиты шпинелевых перидотитов в океанических базальтах (Кергелен, о. Св. Павла, Забаргат, 280 м.л.), 16 - Ксенолиты в щелочных породах (260 м.л.), 17 - Колумбия, Горгона коматииты и базальты (88), 18 - офиолиты Урала (387)
Таблица 1
Диапазон вариаций Sm/Nd в коматиитах ГЗС
Объект млн лет n Диапазон вариаций Интервал
Хондриты+ эвкриты+ Fe-метеоригы 4566 63 0.58-0.10 0.48
Коматииты, Исуа, З. Гренландия 3800 17 0.57-0.19 0.38
Коматииты, Онвервахт, Ю.Африка 3450 18 0.32-0.15 0.17
Коматииты, Лумби Лайк. Сьюп., Канада 3000 6 0.41-0.21 0.20
Коматииты, Бальмер. Сьюпериор, Кан 2992 3 0.45-0.34 0.11
Коматииты, В.Карелия 2940 14 0.4 -0.31 0.09
Коматииты, Костомукша, З. Карелия 2843 13 0.44-0.34 0.10
Коматииты+перидотиты, Камбалда 2722 11 0.39-0.33 0.06
Коматииты, Франц. Гвиана 2110 9 0.32-0.20 0.11
Коматииты, Горгона 88 7 0.54-0.46 0.07
Современная контнент. литосфера 0 * 0.6-0.05 0.55
Возрастное различие между разными ГЗС может быть следствием более интенсивной вторичной переработки - метаморфизме и метасоматозе архейских комплексов относительно протерозойских или отражать большую степень гомогенизации мантийной оболочки в более молодых породах. Достаточно строгая однотипная направленность изменения отношения Sm/Nd отдельно для коматиитов и базальтов (табл. 1 и 2) заставляет рассматривать это явление как результат глобального процесса гомогенизации мантии по крайней мере для ранних докембрийских этапов вплоть до интервала времени около 2.0-2.3 млрд лет, когда в более молодой мантии вновь появляется и усиливается степень гетерогенности в сторону фанерозоя. В последние ~ 2.0 млрд лет обнаруживается возрастание фракционирования по отношению Sm/Nd в мантийных ксенолитах и магмах разного состава. Это в итоге реализуется в формировании новой, современной литосферной неоднородности, записанной в совокупности перидотитов, щелочных комплексов и офиолитов. По существу этот второй этап соответствует изменению мантийных источников - преобладанию более глубинных астеносферных и малоглубинных из зоны генерации на границе континент-океан.
Таблица 2
Диапазон вариаций Sm/Nd в базальтах ГЗС
Объект млн лет п Диапазон вариаций Интервал
Хондриты + эвкриты+ Fe-метеориты 4566 63 0.58-0.10 0.48
Базальты+габбро, Исуа, Гренландия 3800 39 0.39-0.16 0.23
Базальты, Онвервахт, Ю. Африка 3450 14 0.34-0.19 0.15
Базальы, Лумби Лайк., Канада 3000 8 0.37-0.31 0.06
Базальты, Бальмер.Сьюпериор, Кан. 2992 4 0.47-0.33 0.14
Базальты, В.Карелия ** 2940 8 0.43-0.31 0.12
Базальты, Костомукша, З.Карелия 2843 6 0.44-0.34 0.10
Базальты, Камбалда, Австралия 2722 16 0.34-0.23 0.11
Коматиитовые базальты, Китай 1900 17 0.28-0.22 0.06
Базальты+пикриты, Г оргона 88 8 0.72-0.25 0.47
Современная континент, литосфера 0 * 0.6-0.05 0.55
Примечание. * - п > 200; ** - имеется еще два базальта с Sm/Nd < 0.22 [5].
Таким образом, фактор космической неоднородности ме-теоритного материала выступает лишь как первичная неоднород-ность, в той или иной форме влиявшая на геохимические соот-ношения в мантии ранней Земли и в ее верхней зоне - литосфере, насле-дованной от этапа аккреции. Это свидетельствует об ограниченных мас-штабах гомогениза-ции силикатной оболочки в древней-ших породах и позволяет поддержать версию о существовании процессов крупномасштабной гомогенизации на последующих этапах существования мантии. Такой эффект для более молодой литосферы сменяется противоположной тенденцией - появлением разнотипных и разноглубинных континентальных типов магм преимущественно из астеносферных и более глубинных частей мантии, а также пограничных зон между континентами и океанами. Иначе говоря, возрастание степени гетерогенности в сторону фанерозоя отражает изменение характера тектоники магматизма - приуроченности к глубинным разломам в архейском основании. Это в итоге реализуется в формировании гигантской современной литосферной гетерогенности при расширении типов источников в мантии.
Открытие двухэтапной эволюции гетерогенности литосферы позволяет внести определенные коррективы в представления об истории становления и взаимодействия геосфер Земли и по новому осмыслить другие смежные геологические, геодинамические и геохимические проблемы, в том числе и о потенциальной рудоносности мантийных магм. Подчеркнем также, что традиционно принятый постулат нормализации отдельных элементов на среднее значение для С1 хондритов не отражает полностью исходные особенности состава Земли на стадии аккреции. По-видимому, необходимо расширить список метеоритов для более достоверного описания эволюции мантийного магматизма планеты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Печерникова Г.В., Витязев А.В. Катастрофическое воздействие космических тел / ред. В.В. Адушкин, И.В. Немчинова. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. С. 251-265. 2. Balashov Yu.A. Evolution aspects of geochemical heterogeneity of the lithsphere // Deep Seated magmatism, its sources and plumes. Mias. Irkutsk. 2009. P. 86-97. 3. Anders E., Grevesses N. Abandances of the elements: Meteoritic and solar //Geochim. Cosmochim. Acta. 1989. Vol. 53. P. 197-214. 4. Amelin Yu., Rotenberg E. Sm-Nd systematics of chondrites // Earth Planet. Sci. Lett. 2004. Vol. 223. P. 267-282. 5. Коваленко В.И., Наумов В.Б. и др. Средние составы магм и мантии срединно-океанических хребтов и внутриплитных океанических и континентальных обстановок по данным изучения расплавных включений и закалочных стекол базальтов / В.И. Коваленко, В.Б. Наумов, А.В. Гирнис, В.А. Дорофеева, В.В. Ярмолюк // Петрология. 2007. Т. 15, № 4. С. 361-396. 6. Светов С.А. Магматические системы зоны перехода океан-континент в архее восточной части Фенноскандинавского щита. Петрозаводск. 2005. 229 с. 7. Arndt N.T., Kerr A, Tarney J. Dynamic melting in plume heads: the formation of Gorgona komatiites and basalts // Earth and Planet. Sci. Lett. 1997. Vol. 146. P. 289-301. 8. Bennett V.C., Nutman A.P., McCulloch M.T. Nd isotope evidence for transient, highly depleted mantle reservoirs in the early history of the Earth // Earth Planet Sci. Lett. 1993. Vol. 119. P. 299-317. 9. Frey R., Jensen B.K. Re-Os, Sm-Nd isotope- and REE systematics on ultramafic rocks and pillow basalts from the Earth's oldest oceanic crustal fragments (isua Supracrustal Belt and Ujaragssuit nunat are // Chem. Geol. 2003. Vol. 196. P. 163-191. 10. Jochum K.P., Arndt N.T., Hofmann A.W. Nb-Th-La in romatiites and basalts: constraints on komatiite petrogenesis and mantle evolution // Earth Planet Sci. Lett. 1991. Vol. 107. P. 272-289. 11. Mattielli N., Weis D., Gregoire M., Mennessier J.P., Cottin J.Y., Giret A. Kerguelen basic and ultrabasic xenoliths: Evidens for long-lived Kerguelen hotspot activity // Lithos. 1996. Vol. 37. P. 261-280. 12. Арзамасцев А.А, Беа Ф. и др. Палеозойские процессы плюм-литосферного взаимодействия в северо-восточной части Балтийского щита: длительность, объемы, условия магмогенерации / А.А. Арзамасцев, Ф. Беа, Б.В. Беляцкий, В.Н. Глазнев, Л.В. Арзамасцева, А.В. Травин, П. Монтеро // Геология и полезные ископаемые Кольского полуострова. Апатиты, 2002. Т. 2, С. 104145. 13. Ashwal L.D., Wooden J.L., Emslie R.F. //Geochem. Cosmohem. Acta. 1986. Vol. 50, № 12. P. 2571-2585. 14. Sharma M., Wasserburg G.J., Papanastassion D.A., Quick J.E., Sharkov E.V., Laz’ko E.E. High 143Nd/144Nd in extremely depleted mantle rocks // Earth and Planetary Sci.1995. Vol. 135. P. 101-114.
Сведения об авторе
Балашов Юрий Андреевич - д.г.-м.н, главный научный сотрудник, профессор; e-mail:
balashov@geoksc. apatity.ru
