CC BY
17Владимир Ст епанович Шкодзинский,
доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник
Института геологии алмаза и благородных мет аллов СО РАН.
МаргаритаИваноша Турбина,
редактор редакционно-издательского отдела Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.
Раннедокембрийский этап развития нашей планеты является древнейшим и очень длительным: почти две трети из 4,56 млрд лет существования Земли. К нему относят горные породы возрастом более 1,6 млрд лет, распространенные на всех материках и слагающие фундамент древних платформ. Эти породы выходят на земную поверхность на кристаллических щитах ? Балтийском, Алданском, Канадском и др. Они привлекают особенно большое внимание геологов, так как запечатлели в себе заключительные процессы формирования нашей планеты, происхождение континентальной кристаллической коры, атмосферы, гидросферы и зарождение жизни на Земле. В этих породах содержится более 90% известных запасов железных руд, крупные месторождения никеля, хрома и некоторых других металлов.
К настоящему времени установлено, что раннедокембрийские комплексы имеют характерные черты состава, строения, условий залегания и по многим признакам кардинально отличаются от молодых образований. Однако принятое в геологии ошибочное предположение о том, что процессы на ранней стадии развития нашей планеты существенно не отличались от современных, не позволяло геологам убедительно объяснить природу особенностей этих пород [1, 2]. Поэтому раннедокембрийский этап эволюции Земли оказался самым загадочным, а его древнейшие породы остаются до сих пор для многих исследова-
В. С. Шкодзинский, М. И. Турбина
телей «окаменевшей бессмыслицей».
Раннедокембрийские комплексы представлены гнейсами, разнообразными кристаллическими сланцами, амфиболитами (рис. 1, 2), реже встречаются кварциты, мраморы и джеспе-литы, сложенные кварцем и окислами железа. Тела их обычно перемежаются и образуют мощные толщи, собранные в сложные складки, прорванные интрузиями различного состава и разбитые на блоки тектоническими нарушениями.
Характерным для раннедокемб-рийских пород является отсутствие кристаллов обломочной формы, что типично для осадочных отложений, образовавшихся на поверхности Земли. Такие породы имеют обычно круп-■ нозернистую (1 ? 3 мм) кристаллическую структуру, благодаря чему некоторые из них необычайно красивы. Например, высокоглиноземистые гнейсы, формирующие коренные выходы в долине р. Сутам (южная Якутия), состоят из крупных (2 - 3 см) кристаллов полупрозрачного голубого кордиери-та (около 50% объема породы), красного граната (20 - 30%), перламутрового силлиманита и темно-коричневого гиперстена. Красно-голубая скала на берегу реки оставляет неизгладимое впечатление.
Долгое время предполагалось, что кристаллизация минералов в ран-недокембрийскихпородахобусловлена их метаморфизмом в условиях высоких температуры и давления, который происходил в осадочных образо-
На фото вверху - так могла выглядеть поверхность Земли на начальной ст адии ее геологической эволюции[liveinternet.ru].
Рис. 1. Гнейс ? наиболее распространенная .. порода раннего докембрия [dic.academic.ru].
ваниях после погружения на большую глубину под тяжестью лежащих на них мощных (до 30 ? 40 км) пластов более молодых осадочных толщ. Однако современные исследования не выявили признаков существования в далеком прошлом такого мощного осадочного покрытия [2]. Это свидетельствует о том, что не было и погружения раннедокембрийских пород в область очень высокой температуры (600 ? 900° С).
Они слагают кристаллическую кору континентов толщиной до 40 - 50 км, в то время как мощность слоев молодых отложений обычно на порядок меньше. В раннедокембрийских гнейсах и кристаллических сланцах не установлено присутствия метаморфизованных конгломератов, состоящих из гальки и валунов, и грубообломочных вулканических образований, типичных для толщ молодого возраста. Среди этих пород нет содержащих марганцовистые конкреции метаморфизованных глубоководных океанических осадков, а также однородных по составу протяженных горизонтов, характерных для молодых отложений. Отсутствие таких горизонтов значитель-
но затрудняет расшифровку структуры древних комплексов. Обращает на себя внимание близость по составу большинства гнейсов к гранитам - богатым кремнекис-лотой магматическим образованиям, а также повсеместное присутствие в гнейсах большого количества изолированных тел этих магматических пород. Гнейсы с большим количеством мелких тел гранитов получили название «мигматиты» (рис. 3). Отсутствие подводящих каналов к большинству таких тел в мигматитах казалось особенно загадочным. Проблема происхождения этих гранитов (или региональной гранитизации докембрия) в течение двух столетий была предметом многочисленных острых дискуссий и до последнего времени не имела убедительного решения.
Особенности текстуры (см. рис. 3) свидетельствуют о большой пластичности древнейших гнейсов в процессе деформации, что обусловлено их высокой температурой. Среди раннедокембрийских пород нет моласс - крупновалунных конгломератов, образующих в настоящее время у подножия гор толщи мощностью до 12 км. Это говорит об отсутствии в раннем докембрии высоких гор и значительных неровностей рельефа земной поверхности, что также подтверждает высокую пластичность земной коры, которая в таком состоянии не могла бы выдержать нагрузку массивных горных сооружений, подобных образующимся в настоящее время в зонах сжатия.
Наиболее поразительны различия температуры и давления при минералообразовании в раннедокембрийских комплексах и фанерозойских (моложе 0,54 млрд лет) метаморфических породах (рис. 4). Эти параметры рассчитываются по особенностям состава породообразующих минералов. Отличен также и геотермический градиент, существовавший при формировании рассматриваемых пород. В раннем докембрии он варьировал от 20 до 30° С/км, тогда как в фанерозое - от 3 - 5 в зонах суб-дукции (поддвига океанической коры под континентальную) до 200 -250° С/км в срединно-океанических хребтах и вулканических дугах [4]. При образовании древних
Рис. 2. Гоанат-амфиболовый розоват о- Рис. 3. Пластично деформированный мигматит
коричневый кристаллический сланец ... ... [[3;-стр. 218, фото№ 574].
[elementy.ru/news/430858].
р. -е
Рис. 4. Условия образования раннедокембрийских гнейсов в различных районах земного шара (Д) и на Алданском щит е (А); мантийных ксенолит ов _(М) и фанерозойских метаморфических пород в . зонах субдукции (ВС), ст олкновения плит (К), вулканических дуг (О) и срединно-океанических хребт ов (СОХ.). Линии 0,5,... 3,5 мд - Р-Тусловия в . магматическом океане 0,5,...3,5 млрд лет назад; 5% Рс и 30% Рс - процентное содержание в-нем расплава [3]. Пунктир - проекции полей Р-Т условий образования гнейсов и мантийных пород на ось т емперат уры.
гнейсов амплитуда вариации температуры и давления в них составляла 500° С и 8 кб, соответственно, а в породах фанерозоя примерно 1000° С и 45 - 50 кб.
Важной особенностью раннедокембрийских гнейсов и кристаллических сланцев является то, что кристаллизация минералов в них всегда происходила в условиях высокой температуры. Экстраполяция поля условий образования этих пород на Р-Т диаграмме в область более низкого давления свидетельствует о высокой температуре земной поверхности в то время (см. рис. 4). Например, поле параметров гнейсов Алданского щита проектируется на ось температуры (красный пунктир) в область 400 -500° С. Поле Р-Т параметров для мантийных ксенолитов (обломков пород в магмах) из кимберлитов на этом рисунке также проектируется на ось температуры в область 500 - 600° С (сиреневый пунктир). Все это указывает на очень высокую температуру земной коры и поверхности в раннемдокембрии.
Изотопный возраст пород в гнейсовых комплексах обычно уменьшается с глубиной. В фанерозойских толщах наблюдается противоположная тенденция.
Другой особенностью раннедокембрийских гнейсов является обычное отсутствие в них реликтов ранних низкотемпературных минералов, являющихся индикаторами существования стадии возрастания температуры и давления. Если в фанерозойских комплексах выделяется как характеризующаяся повышением температуры прогрессивная стадия минералообразования, так и регрессивная, то в докембрийских гнейсах обычно фиксируется лишь кульминационная и регрессивная стадии. Это свидетельствует о том, что вещество раннедокембрийских кристаллических пород до образования высокотем-
пературных минералов находилось не в низкотемпературных условиях, в отличие от фанерозойских пород. Для раннедокембрийских гнейсов не характерно существование участков постепенного перехода их в мета-морфизованные породы. Они контактируют с последними чаще всего по тектоническим разломам или перекрываются ими по поверхностям размыва.
В раннедокембрийских гнейсовых комплексах обычно отсутствует синхронное с ними оловянное, вольфрамовое, молибденовое, серебряное, сурьмяное и другое гидротермальное (возникшее из магматических газов) оруденение, широко распространенное в районах залегания фанерозойских гранитоидов, хотя в этих комплексах содержится огромное количество тел таких магматических пород [4].
Отмеченные выше и некоторые другие особенности раннедокембрийских пород, а также природа специфики ранней эволюции Земли в целом долгое время не имели убедительного объяснения, поскольку эти вопросы решались на основе гипотезы холодного формирования нашей планеты. Прочитать своеобразную раннедокем-брийскую каменную летопись оказалось возможным лишь с позиций гипотезы горячего образования Земли, принятой большинством зарубежных планетологов после того, как полеты космических аппаратов в околоземное пространство доставили свидетельства горячей аккреции (объединении частиц и тел) Луны и планет земной группы (рис. 5). Исследования Луны показали, что на ней все породы являются магматическими и очень древними (возраст 4,5 - 3,7 млрд лет). О развитии на ранней стадии эволюции этого спутника Земли глобальных процессов фракционирования магматического океана (отсадки или всплывания в нем кристаллизующихся минералов) свидетельствует очень высокое содержание в лунных породах химических компонентов, концентрирующихся в расплавах. Особенно показательно присут-
Так выглядели планеты земной группы на стадии существования на них глобального . магматического океана [sibjediacademy.narod.ru].
, Рис. 6. Поверхность Земли на завершающей стадии ее формирования [sotvoreniye.ru].
ствие на Луне анортозитовой коры мощностью до 100 км. Она образовалась в результате всплывания алюмокаль-циевого силиката плагиоклаза в слое магмы толщиной не менее 1000 км [5].
О существовании на Земле глобального магматического океана на ранней стадии ее постаккреционной эволюции свидетельствуют: 1) отсутствие в земной коре пород древнее 4 млрд лет и следов завершившей аккрецию интенсивной метеоритной бомбардировки (рис. 6); 2) изотопные данные о глобальных процессах магматического фракционирования на самой ранней стадии эволюции Земли; 3) значительное превышение (в 5 - 10 раз) современного теплового потока над величиной радиогенного тепловыделения, обусловленное большими запасами первичного тепла в земных недрах; 4) признаки тонкости и пластичности докембрийской литосферы (относительно холодной жесткой части коры и мантии) [4, 6, 7]. Существуют и другие данные.
Разработанная на основе механизма горячей аккреции нашей планеты модель фракционирования глобального расслоенного магматического океана не только объясняет специфику эволюции Земли в раннем докембрии, но дает принципиально новое решение многих других дискуссионных генетических проблем петрологии. Как показали расчеты, изменение состава остаточных расплавов, формировавшихся вследствие компрессионной кристаллизации в период аккреции, обусловило рассло-енность магматического океана. После прекращения аккреции он имел глубину около 240 км. Состав его изменялся от богатого кремнекислотой кислого в верхнем горизонте, через средний и основной в срединной его части, до богатых магнием пикритового и перидотитового в
нижней. Вследствие значительного увеличения плотности с глубиной (от 2,2 до 2,8 г/см3) в расслоенном магматическом океане при остывании не возникало обширных ? от подошвы до поверхности ? конвективных потоков, поэтому он очень медленно остывал, кристаллизовался и фракционировал сверху вниз преимущественно в результате кондуктивных теплопотерь.
На начальном этапе этой эволюции, т.е. примерно первые 0,5 млрд лет, вещество Земли до глубины порядка 240 км находилось в расплавленном состоянии при температуре более 2000° С, что объясняет отсутствие в земной коре пород древнее 4 млрд лет*. В это время на Земле существовал безбрежный океан магмы (рис. 7). Небольшие остывающие участки на его поверхности погружались в более горячие глубинные слои и вновь разогревались. Из магмы выделялись струи раскаленных газов.
Процессы кристаллизации и фракционирования верхней части кислого слоя магматического океана происходили примерно 4,0 ? 2,7 млрд назад. Из кумулатов (осаждавшихся кристаллов) формировались серые (бедные калием) гнейсы, а из остаточных расплавов ? древнейшие гранитоиды. Повсеместное образование последних объясняет присутствие большого количества гранитных тел в гнейсовых толщах, что однозначно решает отмеченную выше проблему гранитизации докембрия.
Серогнейсовая протокора постепенно уплотнялась по мере остывания. Она становилась достаточно проч-
Рис. 7. Примерно так выглядела поверхность Земли в первые 0,56 млрд лет ее существования. Лавовое озеро. Эфиопия [http://sl.photo- _ traveller.net/.../index12htm].
* Древнейшие породы земной коры (от 3,7 до 4,0 млрд лет) обнаружены в Западной Гренландии, Канаде и в Западной Австралии. В последние годы в геологической литературе делаются попытки отодвинуть примерно на 200 млн лет назад время формирования первичной континентальной коры на основании обсуждаемых геохронологических и геохимических результаты цирконометрии [8, 9]. Циркон ? химически инертный минерал с прочной структурой, что обусловливает его длительную сохранность в условиях земной коры. Однако источник найденных, например, в метаморфизованных осадочных породах района Джек-Хиллс (Западная Австралия) обломочных зерен циркона, показавших возраст (по и/РЬ-датированию) около 4,3 млрд лет (одно из них ? 4,4 млрд) [9], неизвестен.
По нашему мнению, установленный возраст этих цирконов может свидетельствовать о появлении в то время первых кристаллов в расплаве охлажденных полей, чередовавшихся в безбрежном океане магмы с участками огненной лавы. Дело в том, что температура начала кристаллизации кислых магм примерно на 300° С ниже температуры их полного затвердевания. Поэтому ранние минералы в них могли кристаллизоваться на сотни миллионов лет раньше появления первых твердых пород, образовавших земную кору.
Рис. 8. Осадочные образования, напоминающие о времени существования на Земле горячих периодически пересыхающих водоемов [National Geographic, июль 2008, стр. 114 ? 115].
ной для того, чтобы выдерживать нагрузку плотных пород. На ней начали накапливаться изливавшиеся богатые магнием и кальцием мантийные магмы, формируя зеленокаменные пояса (области распространения вулканических пород). С кристаллизацией этих магм связано образование крупных месторождений никеля и хрома.
Отдельные участки серогнейсовой древней коры проседали или обламывались и вновь плавились при погружении в более горячие глубинные слои. Всплывавшие горячие магмы из нижних частей кислого слоя магматического океана после затвердевания образовали так называемые гранулитовые зоны, сложенные гнейсами и кристаллическими сланцами, более высокотемпературными, чем серые гнейсы. На затвердевшей поверхности этих зон накапливались принесенные ветром (эоловые) осадки. В ранних небольших горячих водоемах, периодически испарявшихся, формировались первые преимущественно хемогенные породы (рис. 8). После уплотнения и метаморфизма на горячем основании они погружались в него и формировали изолированные тела парагнейсов (метаморфизованных осадков), присутствующих в гранулитовых комплексах. После значительного затвердевания слоя кислого расплава на нем формировались различные супракрустальные (первично-осадочные) комплексы, зонально метаморфизован-ные под влиянием горячего основания.
Рассмотренные выше процессы объясняют происхождение континентальной кристаллической коры, преимущественно гранитоидный ее состав, огромную мощность, а также выдержанную высокую температуру при образовании минералов.
Кристаллизация магматического океана сверху вниз является причиной уменьшения изотопного возраста раннедокембрийских пород с увеличением глубины их залегания.
После падения температуры поверхности и возникновения ранней пластичной серогнейсовой протокоры начали формироваться атмосфера и гидросфера, отсутствовавшие на ранней Земле вследствие высокой
температуры ее поверхности (около 2000° С) после завершения аккреции. Кроме того, на начальном этапе существования наша планета вращалась вокруг своей оси в несколько раз быстрее, поэтому не могла удерживать газы. Это объясняет низкое содержание в современной атмосфере первичных изотопов благородных газов.
Атмосфера и гидросфера формировались из летучих компонентов, выделявшихся при кристаллизации магматического океана. В его исходном веществе они присутствовали в небольшом количестве в адсорбированном и химически связанном состоянии. Такое происхождение атмосферы и гидросферы объясняет близость их по составу (кроме кислорода) к магматическим газам. Содержание свободного кислорода в этих оболочках повысилось преимущественно в последние 1,5 млрд лет в результате фотосинтеза в растениях.
На раннем этапе эволюции Земли вся вода находилась в состоянии пара. Верхняя часть газово-паровой оболочки остывала вследствие излучения в космическое пространство. Конденсация пара приводила к возникновению мощного слоя облаков, которые поглощали солнечное излучение. Поэтому на ранней Земле не было существующей в настоящее время широтной климатической зональности. Это является причиной близости состава формировавшихся осадочных пород в различных районах земного шара и их метаморфизованных разностей (парагнейсов) на различных древних щитах.
На средних и поздних этапах раннего докембрия существовала большая неоднородность в распределении температуры на земной поверхности - она была очень высокой (до 600 - 800° С) в гранулитовых зонах, где на поверхность выходили расплавы магматического океана, и более низкой (до десятков градусов) на участках серогнейсовой протокоры. К тому же обильные дожди, возникавшие вследствие конденсации паров в верхних частях газово-паровой оболочки, приводили к быстрому остыванию таких участков.
Массовые процессы испарения и конденсации воды обусловили образование мощной конвекции в газово-паровой оболочке, ее интенсивную электризацию и возникновение многочисленных электрических разрядов. Жаркий дождливый полумрак ранней Земли оглашался частыми громовыми раскатами и освещался многочисленными молниями (рис. 9).
По современным представлениям о химической эволюции органической материи, в таких условиях на ранней Земле осуществлялся абиогенный синтез органического вещества. Образование аминокислот, нуклеоти-дов, а из них на определенной стадии ? биополимеров, затем протоклеток и т.д. привело к появлению первых организмов в горячих минерализованных водоемах, что согласуется с термофильностью предков современных бактерий, подтвержденной результатами расшифровки их генома [10].
Недостаток солнечного света под мощной газово-паровой оболочкой обусловил широкое развитие бакте-
< + н Jr pslI Яг 'г jjyЩШ
ETдГ j/< j .у Je
* * JjÖy л*
S .
fcTTt^ff hl л ^
Рис. 9. Ранняя Земля (3,5 -2,0 млрд лет назад) в эпоху инт енсивных дождей и гроз : - [http://www.prosa.ru/pics/2007/12/12/23]..
рий, получавших энергию за счет каталитического окисления железа, сносимого горячими дождями в водоемы. Это объясняет массовое образование в раннем докембрии месторождений высокоокисленных железных руд (джеспелитов) при еще низком содержании кислорода в атмосфере и присутствие в некоторых случаях окаменелых остатков железоокисляющих бактерий в этих породах.
Высокое давление в нижней части газово-паровой оболочки тормозило процессы расширения магматических газов и взрывной дезинтеграции магм, поднимавшихся к земной поверхности, что является причиной отсутствия реликтовых текстур обломочных вулканических пород в раннедокембрийских гнейсах. Высокая температура препятствовала остыванию отделявшихся магматических газов и осаждению содержавшихся в них рудных компонентов, которые рассеивались в газово-паро-вой оболочке. Это объясняет отсутствие в гнейсах древнего оловянного, вольфрамового и другого гидротермального оруденения.
Изначально высокая температура земной поверхности и магматический генезис большинства пород кристаллической коры являются причиной обычного отсутствия в них реликтовых минералов прогрессивного этапа метаморфизма и широкого распространения высоко-
температурных фаз. Высокая пластичность земной коры и парообразное состояние большей части воды обусловили небольшой размер существовавших в раннем докембрии впадин и водоемов. Это объясняет отсутствие протяженных пластов однородных по составу осадочных пород в докембрийских гнейсовых комплексах.
В раннем докембрии масштабы заключительных процессов кристаллизации и фракционирования нижних слоев магматического океана были еще малы. Поэтому щелочные и субщелочные остаточные расплавы формировались в незначительном количестве. Это является причиной нетипичности щелочных магматических пород и кимберлитов для раннего докембрия.
Выявленные особенности пород раннего докембрия показывают их значительное отличие от молодых образований. В специфике раннедокембрийских комплексов нашло отражение «горячее прошлое» нашей планеты, когда происходили мощные процессы дифференциации и кристаллизации расплавленного вещества Земли. Неповторимость древнейшего этапа истории нашей планеты убедительно доказывается на основе разработанной модели кристаллизации и фракционирования глобального расслоенного магматического океана. Эта модель позволила расшифровать главные детали образования и эволюции земной коры в раннем докембрии и слагающих ее пород. «Окаменевшая бессмыслица» приобрела вполне определенный смысл.
Лит ерат ура
1. Тейлор С.Р., Мак-Леннан С.М. Континентальная кора, ее состав и эволюция. ? М.: Мир, 1988. ? 380 с.
2. Резанов И.А. Эволюция предст авлений о земной коре. - М.: Наука, 2002. -300 с.
3. Половинкина Ю.И. Структ ура и текст ура изверженных и мет аморфических горных пород. В 4 т. - Т. 1, ч. 2. ? М.: Недра, 1966. ?272с.
4. Шкодзинский В.С. Проблемы глобальной пет ро-логии. - Якут ск: Сахаполиграфиздат, 2003. -238 с.
5. BeardB.L., TaylorL.A., SchererE.E. etal. The source region and melting mineralogy of high-titanium and low-titanium lunar basalts // Geochim. et Cosmochim. Acta. -1998. - V. 26. - P. 525-544.
6. Шкодзинский В.С. Гзнезис кимберлитов и алмаза. - Якут ск: ОАО «Медиа-холдинг Якутия», 2009. -352с.
7. Шкодзинский В.С. Происхождение магм по современным данным о «горячем» образовании Земли //Наука и техника в Якутии. ?2009. ? № 1 (16). ? С. 106?107.
8. На Земле нет гранита древнее //Природа. ?2001. ? № 7 ? С. 84. ? По материалам Science. ?2000. ? V 290. ? № 5530. ? P. 239(США).
9. Когда возникла земная кора? // Природа. ?2002. ? №11 ? С. 84? 85. ? По материалам Science. ? 2001. ? V 293. ? № 5530. ? P. 569,619,683(США).
10. Заварзин ПА. Термофильная спирохет а // Природа. -1990. - № 4. - С. 106-107.
Л<РШЬ 94<У№Ь1ХШ1СЛ(ЕЙ
Когда государство идет к расцвет у, небо посылает ему мудрых и искусных в речах мужей, а когда государство идет к упадку, небо посылает смутьянов и краснобаев.
Китайская пословица
