CC BY
21
Vestaik of GeoScieoceA, July, 2020, No. 7
УДК 552.11 DOI: 10.19110/geov.2020.7.2
глобальная петрология по данным о горячей гетерогенной аккреции земли
В. С. Шкодзинский
Институт геологии алмазов и благородных металлов СО РАН, Якутск
shkodzinskiy@diamond.ysn.ru
Накопленные к настоящему времени геологические и планетологические данные противоречат господствующей в петрологии гипотезе холодной гомогенной аккреции Земли и свидетельствуют о ее горячем гетерогенном образовании. При таком происхождении однозначно решаются все дискуссионные генетические проблемы петрологии. Ядро возникло раньше мантии под влиянием магнитных сил. Большая мощность этих сил обусловила больший импактный разогрев ядра по сравнению с мантией и объясняет возникновение в ней конвекции. Возрастание импактного тепловыделения по мере аккреции мантии привело к существованию в ней обратного геотермического градиента и к отсутствию конвекции и современных геодинамических обстановок в раннем докембрии. Они появились в конце протерозоя под влиянием прогрева мантии ядром. Всплывание прогретых нижних частей мантии обусловило возникновение преимущественно тектоногенерирующих суперплюмов, а крупных тел затвердевших расплавов магматического океана — магмогенерирующих основных плюмов. Кристаллизация кислого слоя магматического океана обусловила образование кислой кристаллической коры и раннедо-кембрийских комплексов. Подъем остаточных расплавов из кристаллизовавшихся различных слоев океана привел к эволюции магматизма древних платформ от кислого и основного к щелочно-ультраосновному и кимберлитовому. Фрикционно-декомпрессионное переплавление дифферециатов магматичекого океана — причина океанического, субдукционного и коллизионного магматизма.
Ключевые слова: генезис геосфер, магм и раннедокембрийских комплексов.
global petrology on data about hot heterogeneous accretion of the earth
V. S. Shkodzinskiy
Diamond and Precious Metal Geology institute, Siberian Branch RAS. Yakutsk
Modern geological and planetary data contradict to hypothesis of cold homogenous of the Earth and shown it hot heterogeneous origin. This genesis allows convincingly to decide discussion genetic problems. The core was formed before the mantle as a result of magnetic force influence. Big power magnetic forces caused big impact heat of the core and origin of convection in the mantle. Rise of impact heat the mantle during accretion caused origin of opposite thermal gradient and absence of convection during Precambrian. Convection was formed in Proterozoic as a result of heating the mantle by the core. Rise of the mantle substance, heated by the core, resulted in big superplumes, oceans, subduction and collision areas. Rise of crystallized melts of the synaccretion magma ocean resulted in plumes and basic magmas. Crystallization of acid layer of the magma ocean resulted in crystalline crust and Precambrian complexes. Rise of residual melts from different layers of magma ocean caused evolution of magmas of ancient platform from acid to carbonatite and kimberlite. Magmas of ocean, subduction and collision areas are the result of friction and decompression melting of the magma ocean differentiates.
Keywords: genesis of geospheres, magmas and Precambrian complexes.
Введение
Для решения разнообразных задач геологии важно иметь правильные представления о природе глубинных геологических процессов. В связи с недоступностью для непосредственного наблюдения представления о них во многом основываются на гипотезе происхождения Земли. На ранней стадии исследований вследствие недостатка эмпирических данных была выдвинута максимально упрощенная гипотеза образования нашей планеты путем холодной гомогенной аккреции, то есть путем объединения относительно холодных силикатных и железных частиц протопла-нетного диска, количественное соотношение которых в процессе аккреции не изменялось.
Эта гипотеза была выдвинута математиком О. Ю. Шмидтом [20] на основании предположения о
захвате гравитационным полем Солнца холодного га-зово-пылевого облака, из которого возникли планеты. По этой гипотезе силикатные и железные частицы сначала были перемешаны в земных недрах. В дальнейшем произошла дифференциация их по плотности с образованием железного ядра, силикатной мантии и силикатной земной коры. Ранняя история Земли принципиально не отличается от поздней, поэтому раннедокембрийские кристаллические комплексы являются метам орфизо ванными осад очно -вулканогенными толщами. Магмы образуются путем отделения выплавок из глубинных пород, частично подплав-ленных под влиянием радиогенного тепловыделения.
Гипотеза холодной гомогенной аккреции не была обоснована геологическими и планетологическими данными, поэтому постепенно вошла в грубое проти-
Для цитирования: Шкодзинский В. С. Глобальная петрология по данным о горячей гетерогенной аккреции Земли // Вестник геонаук. 2020. 7(307). C. 9—17. DOI: 10.19110/geov.2020.7.2.
For citation: Shkodzinskiy V. S. Global petrology on data about hot heterogeneous accretion of the Earth. Vestnik of Geosciences. 2020. 7(307). C. 9—17. DOI: 10.19110/geov.2020.7.2.
воречие с ними и убедительно не решила ни одну генетическую проблему. Тем не менее геологические следствия этой гипотезы до сих пор массово используются при генетических построениях. Такая ситуация приводит к большому несоответствию получаемых выводов эмпирическим данным, к ошибочности представлений о глубинных процессах и невозможности использовать их в полной мере при решении различных задач. Это было показано в ряде публикаций автора, посвященных природе раннедокембрийских геологических процессов [15, 16], происхождению магм [17], кимберлитов и алмаза [18]. В настоящей статье более детально рассмотрены эти очень крупные проблемы, а также генезис земного ядра, мантии, гидросферы, блоков самородного железа в базитах и разработана обобщенная модель происхождения и эволюции Земли. Большая сложность и актуальность этих проблем обусловливает целесообразность разработки такой обобщенной модели.
Доказательства горячей
гетерогенной аккреции Земли
Расчеты показали, что выделение потенциальной энергии при аккреции Земли составляло 9000 кал/г, что способно было разогреть ее вещество до 34 000 °С [10] и указывает на горячую аккрецию. Данный факт подтверждается присутствием трендов магматического фракционирования в мантийных ксенолитах из кимберлитов и в раннедокембрийских кристаллических комплексах, полным соответствием среднего изотопного возраста и температуры кристаллизации их различных пород последовательности образования при магматическом фракционировании [19]. Об этом же свидетельствуют проекции наиболее ранних геотермических градиентов в раннедокембрийских кристаллических комплексах в область очень высокой температуры на земной поверхности (до 1000 °С) и множество других данных.
Содержания хорошо растворимых в металлическом железе сидерофильных элементов (N1, Со, Си, Аи и др.) в мантийных породах в десятки — сотни раз выше, чем в случае их химической равновесности с железом [10]. Это свидетельствует о том, что силикатные и железные частицы никогда не были перемешаны в недрах Земли и, следовательно, аккреция была гетерогенной. Такой вывод подтверждается на четыре порядка более высокой фугитивностью кислорода при образовании мантийных пород, чем в металлическом железе [24], а также распространением на нашей планете СО2 и Н2О, а не СО и Н2, которые должны были бы возникнуть в результате реакций восстановления [10].
Происхождение земного ядра
Почти во всех гипотезах предполагается, что процессы аккреции происходили в основном под влиянием сил гравитационного притяжения. Но при сантиметровом размере частиц, судя по формуле всемирного тяготения, эти силы были очень малы (4 • 10-10 Н для тел массой 0.1 кг), что подтверждается отсутствием процессов объединения тел на земной поверхности под влиянием этих сил. Между тем намагничен-
Рис. 1. Соотношение температуры конденсации и нормированного к углистым хондритам содержания элементов-примесей в железных метеоритах (Ci/Cc): 1 — температура начала конденсации; 2 — температура Кюри; 3 — содержание элементов в углистых хондритах [15]
Fig.1. Correlation of condensation temperature and fixed to carbon hondrites of content of admixtures in iron meteorites (Ci/ Cc): 1 — temperature of condensation start; 2 — temperature of Kury; 3 — element contents in carbon hondrites [19]
ные мелкие железные предметы быстро слипаются и остаются в сцепленном состоянии после прекращения процессов намагничивания. Как показывают расчеты, мощность этих сил для мелких частиц была в миллиарды раз выше (около 5 Н для ферромагнита массой 0.1 кг), чем гравитационных. Железные частицы в метеоритах намагничены [6]. Следовательно, аккреция железа в протопланетном диске происходила под влиянием магнитных сил после достижения в нем температуры Кюри (1043 К для чистого железа). Это подтверждается резким уменьшением в железных метеоритах содержания примесей с температурой конденсации ниже точки Кюри (линия 2 на рис. 1), связанным с замедлением процессов растворения низкотемпературных конденсатов протопланетного диска в железе после объединения его в крупные тела под влиянием магнитных сил. Важная роль магнитных сил при аккреции предполагалась П. Г. Харрисом и Д. С. Тозером [23].
После быстрого слипания железных частиц в крупные тела дальнейшее их объединение происходило с участием гравитационных сил. Импактное тепловыделение резко возрастает с увеличением размера объединяющихся тел вследствие сокращения удельных теплопотерь на излучение. Поэтому им-пактный разогрев ядра при аккреции был значительно больше, чем при образовании силикатной мантии из более мелких тел под влиянием только сил гравитационного притяжения. Это объясняет на тысячи градусов более высокую температуру современного ядра по сравнению с мантией [22] и возникновение в ней тепловой конвекции вследствие постоянного подогрева ее ядром.
Причина конвекции давно является предметом дискуссии. Выдвигались самые невероятные предположения о ее природе: о высоком содержании в ядре радиоактивных компонентов, о протекании в нем
процессов аннигиляции вещества и антивещества, о существовании в нем потоков летучих и литофиль-ных компонентов, разуплотняющих вещество мантии и вызывающих его всплывание [5, 9]. Однако состав железных метеоритов, являющихся обломками ядер мелких планет [6], противоречит этим предположениям. Участие магнитных сил в аккреции полностью объясняет высокую температуру ядра.
Мелкие железные предметы почти мгновенно слипаются после намагничивания, поэтому земное ядро должно было сформироваться очень быстро. Большая сила его гравитационного притяжения резко ускорила последующую аккрецию силикатной мантии и объясняет намного более быстрое реальное образование планет по изотопным данным (первые миллионы лет) по сравнению с расчетной длительностью аккреции под влиянием только гравитации (более миллиарда лет [20]).
Генезис мантии
После исчерпания железных частиц в примыкающей к Протоземле части газово-пылевого диска происходило выпадение силикатных частиц под влиянием значительного гравитационного притяжения быстро образовавшегося ядра. Как показали расчеты [19], импактное плавление при падениях приводило к возникновению глобального океана магмы. По мере аккреции придонные его части кристаллизовались под влиянием возраставшего давления нагрузки образующихся его верхних частей. Кумулаты формировали породы мантии, а остаточные расплавы всплывали в верхние части океана. Образование из ранних кумулатов магматического океана объясняет преимущественно ультраосновной состав мантии, судя по геофизическим свойствам и глубинным ксенолитам в кимберлитах.
Вследствие небольшой глубины раннего магматического океана и пониженной силы тяжести на небольшой еще Протоземле придонное фракционирование при давлении менее 0.3 ГПа, судя по имеющимся экспериментальным данным [3], сначала приводило к образованию малобарических толеитовых остаточных расплавов при относительно небольшой (примерно 80—90 %) степени кристаллизации и кислых — при большей. Большая длительность малобарической стадии объясняет массовое распространение на Земле толеитов и кислых магматических пород. Возрастание температуры и глубины магматического океана по мере аккреции обусловило эволюцию остаточных расплавов к все более мафическим. Расположение их по плотности привело к возникновению слоистости в магматическом океане.
Вследствие разновременного выпадения железные и силикатные частицы не были перемешаны в земных недрах и поэтому химически не взаимодействовали между собой. Это является причиной сохранения высоких содержаний сидерофильных элементов в мантийных породах и на четыре порядка более высокой фугитивности кислорода в них по сравнению с железным ядром. По мере аккреции расплавы магматического океана и возникавшие в нем ку-мулаты обогащались литофильными компонентами вследствие процессов фракционирования и под вли-
янием возрастания доли низкотемпературных конденсатов протопланетного диска в выпадавшем веществе. Это объясняет значительно большее содержание литофильных компонентов в магмах, возникавших в верхних частях мантии, по сравнению с нижнемантийными.
При падении крупных планетезималей в подстилавших океан кумулатах возникали импактные углубления. Заполнявшие их придонные расплавы магматического океана быстро компрессионно затвердевали, так как они оказывались при давлении выше со-лидусного. Это привело к образованию тел основных пород среди ультраосновных кумулатов. Объем их может достигать многих миллионов кубических километров, так как диаметр импактных бассейнов на Луне иногда превышает тысячу километров.
Время появления
и типы мантийной конвекции
Вследствие неизбежного возрастания силы притяжения по мере роста Земли и постепенного укрупнения тел в протопланетном диске масштабы импакт-ного тепловыделения при аккреции мантии сильно возрастали. Величину этого возрастания различные исследователи оценивают в 800—3500 °С [19]. Из этого следует очень важный вывод, что на ранней Земле в мантии существовал обратный геотермический градиент и, следовательно, вопреки массово распространенным предположениям, не было общемантийной конвекции и современных геодинамических обста-новок. Резкое возрастание интенсивности геологических процессов в фанерозое и постюрский возраст пород океанического дна [11] указывают, что общемантийная конвекция началась в протерозое вследствие постепенного прогрева мантии изначально очень горячим ядром. У других планет земной группы ядра значительно меньше по объему, чем у Земли. Поэтому они, видимо, не смогли полностью прогреть их мантии. Это объясняет, казалось бы, удивительный факт отсутствия на них ясных признаков существования плитной тектоники и современного магматизма.
После установления в земной мантии прямого геотермического градиента в ней началась конвекция. Существует два типа этой конвекции. Подогрев мантии ядром приводил к всплыванию ее нижних частей. Вследствие относительно небольшой разницы плотностей сильно и слабо подогретых ультраосновных кумулатов (видимо, сотые доли г/см3), судя по формуле Стокса, всплывать могли только очень большие объемы нижней мантии. Это объясняет возникновение огромных суперплюмов поперечником в тысячи километров под Тихим океаном и Южной Африкой. Вследствие преимущественно ультраосновного состава их вещество относительно мало подплавлялось под влиянием декомпрессии при подъеме, поэтому оно имело огромную вязкость и оказывало огромное динамическое воздействие на литосферу. Под влиянием суперплюмов раскалывались континенты, возникали океанические впадины и складчатые пояса. Эти суперплюмы являются в основном тектоногене-рирующими.
Крупные тела затвердевших преимущественно основных расплавов также должны были всплывать
-и
под влиянием их пониженной плотности (примерно на 0.3—0.4 г/см3) по сравнению с мантийными куму-латами и формировать плюмы относительно небольшого (сотни километров) сечения. Вследствие преимущественно основного состава их вещество сильно переплавлялось под влиянием декомпрессии при подъеме с образованием большого объема толеитовых магм. Это объясняет относительно быстрое (за первые миллионы лет) формирование огромных (миллионы км3) объемов траппов и океанических базитов.
Происхождение кислой кристаллической
коры и раннедокембрийских комплексов
С позиций господствующей гипотезы холодной гомогенной аккреции Земли все особенности кислой кристаллической коры и слагающих ее древнейших комплексов не имеют убедительного объяснения. Наиболее непонятен их преимущественно кислый состав. По существующим экспериментальным данным [3], образование кислых расплавов в первичных ультраосновных породах возможно при очень низкой степени их частичного плавления (на 2—3 %) при давлении менее 0.3 ГПа. Однако при холодной аккреции на соответствующей этому давлению глубине менее 12 км на Земле не могла существовать температура более 1000 °С, необходимая для начала плавления ультраосновных пород.
Чтобы устранить это противоречие, Д. Х. Грин и А. Е. Рингвуд [4] предположили, что кислые расплавы возникали в эклогитах, образовавшихся при погружении основных пород на большую глубину. Однако в тысячах изученных ксенолитах этих пород из кимберлитов нигде не обнаружены кислые обособления. Кроме того, возраст кристаллической коры (около 3 млрд лет) более чем в 2 раза больше среднего возраста эклогитовых ксенолитов (в среднем 1.4 млрд лет [18]), поэтому они не могли принимать участие в ее формировании. Вязкость слабоподплавленных пород (1020—1025 Н • м-1 • с-1) настолько велика, что выплавки за всю историю Земли способны всплыть всего на первые миллиметры [14]. Поэтому магмы не могли возникать в результате частичного плавления.
При горячей аккреции Земли придонное компрессионное фракционирование глобального магматического океана длительное время происходило при низком давлении вследствие пониженной силы тяжести еще небольшой Земли и небольшой глубины раннего магматического океана. Вязкость расплавов океана (102—103 Н • м-1 • с-1) была в секстиллионы раз меньше, чем у слабоподплавленных пород. Поэтому придонное фракционирование происходило в больших масштабах и привело к образованию огромных объемов кислых остаточных расплавов в участках с высокой степенью кристаллизации. Вследствие низкой плотности кислые расплавы накапливались в самых верхних частях магматического океана. Постепенное возрастание температуры и глубины океана по мере аккреции привело к эволюции среднего состава возникавших остаточных расплавов до основного и ультраосновного и к формированию слоистости в магматическом океане. Возрастание плотности в нем сверху вниз (примерно от 2.3 до 2.8 г/см3) препятствовало возникновению обширной (от кровли до подошвы)
единой конвекции в океане при остывании. Поэтому он затвердевал сверху вниз преимущественно в результате кондуктивных теплопотерь вверх.
В результате кристаллизации кислого слоя возникли раннедокембрийские кристаллические комплексы, сложенные в основном кумулатами этого слоя. Они образовали преимущественно кислую кристаллическую кору. Кондуктивные теплопотери являются намного более медленными, чем конвективные. Поэтому океан магмы кристаллизовался очень длительно. Это объясняет отсутствие на Земле пород древнее 4 млрд лет. Причиной этого обычно считают полное уничтожение ранней коры последующими геологическими процессами. Однако такому предположению противоречит присутствие пород возрастом около 4.45 млрд лет на Луне [13]. Длительное остывание магматического океана объясняет отсутствие самых древних пород на Земле.
Очевидно, что на покрытой расплавами земной поверхности не могли возникать импактные кратеры, связанные с выпадением при гигантской метеоритной бомбардировке поздних крупных планетезималей протопланетного диска. Это объясняет, казалось бы, загадочный факт отсутствия этих кратеров на Земле, хотя на Луне они широко распространены. Последнее является следствием значительно меньшего размера Луны и поэтому намного более раннего затвердевания на ней магматического океана.
Затвердевшие верхние части кислого слоя магматического океана становились плотнее незатвердев-ших нижних. Поэтому они вместе с накопившимися на них ранними осадками периодически тонули. Это объясняет частое присутствие в раннедокембрийских кристаллических комплексах парапород. Процессы выщелачивания затвердевавших частей кислого слоя под влиянием кислотных эманаций магматического океана обусловили количественное преобладание среди архейских и раннепротерозойских парапород кварцитов, высоко глиноземистых гнейсов и мраморов [11]. Основные и ультраосновные расплавы могут иметь меньшую плотность по сравнению с соответственно кислыми и средними по составу породами [19]. Поэтому всплывавшие расплавы могли иметь основной и ультраосновной состав. Это объясняет широко распространенное в раннедокембрийских кристаллических комплексах переслаивание кислых гнейсов с мафическими.
Преимущественно магматическое происхождение раннедокембрийских кристаллических комплексов объясняет выдержанные во всем мире очень высокие температуры их кристаллизации. Как показывает рис. 2, средние их температуры в различных регионах варьируют примерно от 800 до 850 °С. При исходном содержании воды 1 мас. % при этих температурах в гнейсах должно присутствовать около 15—20 % остаточного расплава. Это примерно согласуется с содержанием жильного гранитного материала в кислых гнейсах. Этот жильный материал является остаточ-но-магматическим, а не анатектическим, как обычно предполагается. Такой вывод подтверждается на десятки градусов более низкой температурой его кристаллизации по сравнению с субстратом и преобладанием в нем биотита среди темноцветных минералов. В высокоглиноземистых парагнейсах анатектический
жильный материал обычно показывает несколько более высокую температуру кристаллизации по сравнению с субстратом, и в его темноцветной составляющей преобладают безводные минералы — гранат, гиперстен, кордиерит. Это связано с поглощением воды при анатектическом плавлении и с кристаллизацией в расплаве продуктов дегидратации биотита [14].
Магматическое происхождение объясняет полное отсутствие в раннедокембрийских кристаллических комплексах реликтовых более низкотемпературных минералов и присутствие, как и в магматических породах, только регрессивной последовательности минералообразования. Таким генезисом обусловлено отсутствие постепенных переходов раннедокембрий-ских кристаллических комплексов в менее высокотемпературные толщи. С магматическим происхождением согласуется полное отсутствие мощных теплоизолирующих перекрывающих толщ. Если бы высокая температура кристаллических комплексов была обусловлена метаморфизмом погружения, то мощность этих перекрывающих толщ должна была достигать 20—30 км. Очевидно, исчезновение такого огромного количества осадочных и вулканогенных пород на всех платформах совершенно невероятно.
Среднее давление при минералообразовании в кристаллических комплексах составляет 0.5—1.0 ГПа (рис. 2), что соответствует глубине погружения до 15— 30 км. В связи с отсутствием следов существования мощных перекрывающих толщ это высокое давление должно быть обусловлено кристаллизацией большинства минералов комплексов во время погружения нисходящими струями в глубинные части океана и последующим их подъемом в восходящих струях. Это согласуется обычно с сосуществованием в одних и тех же комплексах разноглубинных минеральных параге-незисов и с присутствием в них основных кристаллических сланцев. Магмы последних всплыли из основного слоя магматического океана, начинавшегося на
глубине около 30 км, и, следовательно, нисходящие струи иногда погружались на такую глубину.
В течение многих десятилетий геологи пытались разработать стратиграфию раннедокембрийских комплексов [11]. В последнее время эти попытки почти оставлены, так как стало ясно, что эти комплексы не стратифицируемы. Почти каждый комплекс показывает огромный интервал изотопных возрастов, иногда превышающий миллиард лет [19]. При этом интервалы для разных комплексов в значительной мере совпадают. Это согласуется с длительной кристаллизацией их в огромном магматическом океане.
Кристаллизация верхнего кислого слоя магматического океана привела к образованию кристаллического фундамента древних платформ. На них впоследствии формировались зеленокаменные, в основном вулканогенные, пояса и осадочные бассейны, зонально метаморфизованные, преимущественно под влиянием горячего основания. Из-за локальных процессов погружения и всплывания вещества в подстилавшем магматическом океане образующаяся кора пластически деформировалась. Вследствие небольшого объема возникавших конвективных ячеек образующиеся на кристаллическом фундаменте тектонические структуры имели сравнительно небольшой размер (обычно до сотен километров). Это объясняет отличия их от фа-нерозойских складчатых поясов, протяженность которых достигает многих тысяч километров. В раннем докембрии существовала тектоника малых пластичных коровых плит.
Происхождение гидросферы
В планетологии обычно принимается, что водород и гелий, составлявшие большую часть протопла-нетного диска, были вынесены на его периферию мощным излучением образовавшегося Солнца. Там они сформировали огромные газовые планеты. В об-
Рис. 2. Средние параметры образования кристаллических комплексов Алданского щита (точка 1, среднее из 36 определений), Анабарского щита (2, 12 опред.), Лапландского пояса (3, 11 опред.), Украинского щита (4, 4 опред.), Антарктиды (5, 1 опред.), Урала (6, 10 опред.), Беломорья (7, 12 опред.). По данным [1, 2, 12]. La и Lb, Sa и Sb — соответственно ликвидусы и солидусы кислых и основных магм, F — флюид, E — минералы гранитов, 10 % Ma, 20 % Ma и 10 % Mb — содержания соответственно кислого и основного расплава, Ma(01) — кислый расплав с отношением количества СО2 к Н2О, равным 0.1
Fig. 2. Average parameters of origin of complexes of Aldan shield (point 1, 36 determinations), Anabar shield (2, 12 determinations), Ukraine shield (4, 4), Antarctica (5, 1), Ural (6, 10), Belomorye (7, 12) [1, 2, 12]. La, Lb, Sa and Sb — accordingly liq-uidus and solidus of acid and basic rocks; F — fluid; E — granite minerals; 10 % Ma and 10 % Mb — contents of acid and basic melts; Ma(01) — acid melt with CO2/H2O = 0.1
ласти планет земной группы под влиянием гравитационного притяжения остались преимущественно сконденсировавшиеся элементы и самые тяжелые газы. Но высокая температура ранней Земли (до 2300 К) приводила к невозможности удержания ее гравитационным полем почти всех газов. Как показали расчеты [19], пары воды начали удерживаться на Земле после падения температуры ее поверхности ниже 1305 К, азота — при температуре ниже 1015 К, что произошло соответственно около 3.7 и 3.15 млрд лет назад. Поэтому гидросфера и атмосфера Земли являются вторичными и возникает вопрос о природе источников их компонентов.
В настоящее время широко распространены предположения о привносе их выпадавшими кометами. Однако гигантская метеоритная бомбардировка завершилась 3.8 млрд лет назад, то есть раньше, чем начали удерживаться главные компоненты гидросферы и атмосферы. Сохранение кислого состава коры континентов не позволяет предполагать более позднее массовое выпадение комет. Это противоречит предположениям о существенном привносе воды кометами. Такой вывод согласуется с обычно большим содержанием дейтерия в воде комет по сравнению с земной. Очевидно, что источником компонентов гидросферы и атмосферы должны быть кристаллизовавшиеся расплавы магматического океана. Отсутствие пород возрастом более 4 млрд лет указывает, что почти весь объем магматического океана закристаллизовался после начала удержания паров воды. Известно, что вода является одним из наиболее хорошо растворимых в расплаве компонентов. Поэтому ее выделение из магматического океана объясняет большой объем гидросферы на Земле.
При средней глубине слоя воды на всей поверхности Земли 2.6 км, максимальной глубины магматического океана 250 км и средней плотности его расплава 2.6 г/см3 необходима концентрация воды в нем около 0.4 мас. % для образования всей гидросферы нашей планеты. Содержание воды в природных магмах чаще всего около 1 %. Поэтому выделение воды при кристаллизации магматического океана было вполне достаточным для возникновения гидросферы. Интенсивные процессы затвердевания магматического океана завершились примерно 2 млрд лет назад, судя по возникновению к этому времени жесткой литосферы. Это согласуется с началом формирования в это время осадочного чехла на древних платформах, связанного с их затоплением мелководными морями. Примерно до этого времени большая часть воды находилась в виде пара вследствие еще высокой температуры земной поверхности [19]. Это объясняет преобладание в древних толщах кварцитов, карбонатных и высоко глиноземистых пород [11], являю щих-ся продуктами интенсивного химического выветривания ранних магматических пород. Дифференциация огромного магматического океана объясняет генезис уникально крупных месторождений на древних платформах (железистые кварциты, Витватерсранд, Бушвельд, редкоземельные карбонатиты, кимберлиты) [19].
Существование магматического океана и выделение из него воды обусловили сначала высокую температуру поверхности и существование гидросферы на
Марсе. Затем, после его быстрого остывания, в связи с небольшим размером замерзшая вода была перекрыта пылью и остались лишь многочисленные следы былых речных русел и озер.
Происхождение магм
При холодной гомогенной аккреции на Земле сначала должны были отсутствовать магмы. Предполагается, что они формировались в результате последующего радиогенного разогрева и плавления. Природные магмы содержат значительно больше расплавофильных литофильных компонентов, чем исходные ультраосновные породы. Поэтому принимается, что степень плавления является небольшой, примерно 0.1—15 % [3], и магмы возникают путем отделения выплавок. Однако детальное изучение [14] показало, что в огромных полях мигматитов анатек-тический жильный материал всегда является автохтонным, что связано с огромной вязкостью слабопод-плавленных пород, препятствующей отделению в них выплавок [19]. Встречающиеся в мигматитах крупные тела гранитов имеют иной состав и возраст, чем ана-тектический жильный материал. Автохтонность ана-тектического расплава согласуется с экспериментами Н. Т. Арндта [21], в которых в расплавленных менее чем на 30 % перидотитах не происходило разделение расплава и твердых фаз. Следовательно, природные магмы не возникают путем частичного плавления, как обычно предполагается. Вследствие в секстиллионы раз меньшей вязкости расплавов, чем слабопод-плавленных пород, фракционирование магматического океана было очень эффективным механизмом генерации разных по составу магм. Его учет позволяет объяснить особенности состава и последовательность образования природных магматических пород.
Как иллюстрирует рис. 3, в раннем докембрии происходили кристаллизация и фракционирование верхнего кислого слоя магматического океана с образованием гнейсовых комплексов преимущественно из кумулатов и многочисленных гранитоидов из остаточных расплавов. С углублением фронта кристаллизации возникали субщелочные и щелочные остаточные расплавы, в том числе рапакиви, характерные только для древних комплексов. Выжимание еще не затвердевших преимущественно плагиоклазовых ку-мулатов привело к образованию часто крупных тел автономных анортозитов возрастом 2.8—1.0 млрд лет [19]. Всплывание расплавов основного и ультраосновного слоев обусловило возникновение иногда очень крупных мафических интрузий, в том числе комати-итов, характерных для ранних зеленокаменных поясов. После начала фракционирования ультраосновного слоя коматииты сменились возникавшими из остаточных расплавов пикритового слоя щелочно-ультра-основными карбонатитсодержащими комплексами со средним изотопным возрастом 688 млн лет [19]. Затем из остаточных расплавов перидотитового слоя формировались наиболее глубинные кимберлитовые магмы со средним возрастом 257 млн лет.
Перед возникновением прямого геотермического градиента в мантии в конце протерозоя начали всплывать крупные тела основных пород, возникшие в результате компрессионного затвердевания расплавов
Vestnck of Geoscenges, July, 2020, No. 7
Рис. 3. Эволюция магматизма в истории Земли. Магмы: A — автономных анортозитов; Al — щелочно-ультраосновных пород и карбонатитов; B — базитов; D — сформировавшие кислую кристаллическую кору; G — гранитоидов; H — горячих точек; MORB — базальтов СОХ; K — коматиитов; Ki — кимберлитов; P — габбро-перидотитов; R — рапакиви и других субщелочных; T — траппов, иногда с самородным железом. Генетические типы магм: 1 — расплавы магматического океана; 2 — плюмово-
декомпрессионные; 3 — фрикционно-декомпрессионные
Fig. 3. Scheme of origin of main geodynamic setting and magmas as a result of crystallization of global magma ocean and of mantle convection. Magmas: А — of autonoumus anorthosites; Al — of alkaline ultrabasic rocks with carbonatites; B — of basites; G — of acid rocks; D — of early Precambrian crystalline crust; H — of "hot points"; MORB — of middle oceanic ridges; K — komatiites; Ki — kimberlites; R — of rapakivi and subalkaline rocks; Т — of traps sometimes with native iron. Genesis of magmas: 1 — melts of magma ocean; 2 —
plume-decompression; 3 — friction-decompression
синаккреционного магматического океана. Их де-компрессионное переплавление привело к быстрому формированию огромных объемов декомпрессионно-плюмовых преимущественно толеитовых магм трап-повых провинций и океанических областей. В последних часть основных магм возникала путем декомпрес-сионного переплавления базитовых тел, присутствовавших среди ультраосновных мантийных кумулатов суперплюмов.
Огромные стрессовые напряжения в океанической литосфере (до 200—400 МПа в районе Японской островной дуги [7]), неразрывная связь магматизма с тектоническими движениями, повышенное начальное отношение изотопов стронция и поясовое распространение магматических пород в субдукционных и коллизионных областях свидетельствуют о возникновении их магм путем фрикционного и последующего декомпрессионного переплавления при подъеме дифференциатов магматического океана. Как показали расчеты, таким путем должны были формироваться огромные объемы магматических пород в этих областях. Вариации этих дифференциатов от основных до кислых объясняют обычно полиформацион-ный состав магматизма этих областей.
Желваки самородного железа в базитах —
ксенолиты земного ядра
А. Э. Нордшельд впервые обнаружил тела самородного железа в базитах о. Диско (Гренландия). Позже такие тела были установлены в базитах Германии и Сибирской платформы [8]. Обращает на себя внимание их огромная масса — до десятков тонн. Выяснение их генезиса имеет значение для решения
генетических проблем петрологии. Обычно возникновение желваков связывают с процессами восстановления железа базитов под влиянием ассимиляции углеродсодержащих осадочных пород или в результате воздействия гипотетических потоков водорода в мантии [8]. Однако в местах развития углеродистых толщ отсутствуют тела самородного железа в бази-тах, а мантийные породы образовались при величине фугитивности кислорода на четыре порядка выше, чем в металлическом железе [24]. Поэтому водород в них окислился бы и превратился в воду. Кроме того, в сжатой и высокотемпературной мантии нет открытых трещин и пор, необходимых для движения флюидов. Полученные данные о происхождении мантии и основных магм полностью объясняют генезис желваков железа.
Очевидно, что в начале аккреции мантии возникавшие при падении крупных планетезималей им-пактные углубления на дне магматического океана могли достигать поверхности железного ядра и заполнявшие их основные расплавы включали его ксенолиты. Всплывание и декомпрессионное переплавление таких основных тел приводило к образованию железосодержащих магм. Их декомпрессионное затвердевание на приповерхностных стадиях подъема в результате выкипания сильного плавня, воды [14], препятствовало гравитационному осаждению железных тел и обусловило их частое размещение в верхних частях основных интрузий.
Железные метеориты являются обломками ядер мелких планет [6]. Вследствие гетерогенной аккреции внешние части земного ядра и образовавшиеся из них тела железа должны содержать в среднем больше низкотемпературных конденсатов протопланет-
Рис. 4. Зависимость величины отношений наиболее распространенных содержаний сидерофильных элементов в метеоритном и земном железе (m/z) от температуры конденсации этих элементов (Т, К) в протопланетном диске. Пунктир — средняя линия корреляции [19]
Fig. 4. Dependence of value of content ratios of siderophile elements in meteoritic to the Earth's iron (m/z) from condensation temperature of these elements in protoplanet disc (T, K). Dotted line — medium line of correlation [19]
ного диска и меньше высокотемпературных по сравнению с метеоритами. Положительный наклон линии корреляции температуры конденсации и отношения содержаний компонентов в метеоритном и земном железе на рис. 4 подтверждает обогащенность тел земного железа низкотемпературными конденсатами и принадлежность их к ксенолитам внешней части ядра. Такой генезис объясняет химическую неравновесность этих тел с вмещающими базитами и формирование на их контакте реакционных минералов — высокожелезистых оливинов, когенит-магнетитовых и когенит-сульфидных оторочек. Образование вмещающих базитов из ранних силикатных конденсатов протопланетного диска является причиной бедности их калием, водой и другими литофильными компонентами. Очевидно, что в случае обычно предполагаемого образования основных магм путем обособления выплавок в верхней мантии в них не могут находиться ксенолиты ядра. Поэтому их присутствие является дополнительным доказательством формирования магм из дифференциатов магматического океана.
Заключение
Таким образом, накопленные к настоящему времени геологические и планетологические данные отрицают господствовавшую в геологии гипотезу холодной гомогенной аккреции Земли и вытекающие из нее генетические следствия и указывают на горячую гетерогенную аккрецию нашей планеты. Генетические следствия этой гипотезы принципиально по-новому решают дискуссионные проблемы петрологии и согласуются с имеющимися данными. Учет этой новой парадигмы необходим для дальнейшего развития петрологической науки.
Литература
1. Березкин В. ИСмелов А. П, Зедгенизов А. В. и др. Геологическое строение центральной части Алдано-Станового щита и химические составы пород раннего до-
кембрия (Южная Якутия). Новосибирск: Изд. СО РАН, 2015. 459 с.
2. Гранулитовые комплексы в геологическом развитии докембрия и фанерозоя // Материалы II Рос. конф. по проблемам геологии и геодинамики докембрия. СПб., 2007. 407 с.
3. Грин Д. Х. Состав базальтовых магм как критерий их возникновения при вулканизме / Ред. Э. Буллард, Дж. Канн, Д. Метьюз // Петрология изверженных и метаморфических пород дна океана. М.: Мир, 1973. С. 242—261.
4. Грин Д. Х., Рингвуд А. Е. Происхождение известко-во-щелочных магматических пород / Ред. И. Д. Рябчиков // Петрология верхней мантии. М.: Мир, 1968. С. 118—131.
5. Добрецов Н. Л. Основы тектоники и геодинамики. Новосибирск: Изд. НГУ, 2011. 492 с.
6. Додд Р. Т. Метеориты — петрология и геохимия. М.: Мир, 1986. 382 с.
7. Короновский Н. В. Напряженное состояние земной коры // Соросовский образовательный журнал. 1987. № 1. С. 50-56.
8. Томшин М. Д, Салихов Р. Ф., Матушкин А. И., Маковчук И. В., Копылова А. Г., Васильева А. Е. Самородное железо в долеритах Айхальского сила (первая находка в Якутии) // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2019. Т. 24. № 3. С. 50-63.
9. Пучков В. И. Великая дискуссия о плюмах: кто прав? // Геотектоника. 2009. № 1. С. 3—32.
10. Рингвуд А. Е. Происхождение Земли и Луны. М.: Недра, 1982. 294 с.
11. Салоп Л. Н. Геологическое развитие Земли в докембрии. Л.: Недра, 1982. 334 с.
12. Смелов А. П., Березкин В. И., Тимофеев В. Ф. и др. Геологическое строение западной части Алдано-Станового щита и химические составы пород раннего докембрия (Южная Якутия). Якутск: Изд. ЯНЦ СО РАН, 2009. 168 с.
13. Флоренский К. П., Базилевский А. Т., Бурба Г. А. и др. Сравнительная планетология. М.: Наука, 1981. 326 с.
14. Шкодзинский В. С. Фазовая эволюция магм и петро-генезис. М.: Наука, 1985. 232 с.
15. Шкодзинский В. С. Природа специфики геологических процессов в раннем докембрии // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2017. № 2. С. 12-19.
16. Шкодзинский В. С. Происхождение коры и литосферы древних платформ // Литосфера. 2017. № 11. С. 5—15.
17. Шкодзинский В. С. Генезис магм по современным данным о горячей аккреции Земли // Наука и образование. 2017. № 2. С. 5-10.
18. Шкодзинский В. С., Толстов А. В. Генезис кимбер-литовых магм и алмаза по результатам корреляции его кри-сталломорфологии с составом вмещающих кимберлитов // Записки Российского минералогического общества. 2009. Т. 138. № 3. С. 1-14.
19. Шкодзинский В. С. Глобальная петрология по современным данным о горячей гетерогенной аккреции Земли. Якутск: Изд. СВФУ, 2018. 274 с.
20. Шмидт О. Ю. Происхождение Земли и планет. М.: Изд. АН СССР, 1962. 132 с.
21. Arndt N. T. The separation of magmas from partially molten peridotite // Carnegie Inst. Wash. Yearb. 1977. 76. P. 424-428.
22. Bukowinskii M. S. Taking the core temperature // Nature. 1999. N 6752. P. 432-433.
23. Harris P. G, Tozer D. C. Fractionation of iron in the Solar system // Nature. 1967. V. 215. P. 1449-1451.
Vestaik of Geosciences, July, 2020, No. 7
24. O'Neil H. S. Oxygen fugacity and siderophile elements in the Earth's mantle: implications for the origin of the Earth // Meteoritics. 1990. 25 (4). P. 395.
References
1. Bereskin V. I., Smelov A. P., Zedgenisov A. V. et al. Geologicheskoe stroenie zentralnoi chasti Aldano-Stanovogo shchita i himicheskie sostavyporod rannego dokembria (Geology of central part of Aldan-Stanovoi shield and chemical composition of rocks Early Precambrian). Novosibirsk: Pub. SO RAN, 2019, 459 p.
2. Granulitovye komplexy v geologicheskom rasvitii dokembria i fanerozoya (Granulite complexes in geological evolution of Precambrian and Phanerozoic). Proceedings of conference. St. Petersburg, 2007, 407 p.
3. Green D. X. Sostav bazal'tovih magm kak kriterii uslovii ih vozniknoveniyapri vulkanisme (Composition ofbasaltic magmas as criterion of genesis during volkanisity). Petrology of igneous and metamorphic rocks of oceans. Moscow: Mir, 1973, pp. 242—261.
4. Green D. X., Ringwood A. E. Proishozhdenie isvestkovo-chelochnyh magmaticheskih porod (Genesis of calcareo-alkaline magmatic rocks). Petrology of upper mantle. Moscow: Mir, 1968, pp. 118—131.
5. Dobretsov N. L. Osnovy tectoniki i geodinamiki (Bases of tectonics and geodinamics). Novosibirsk: NGU, 2011, 492 p.
6. Dodd R. T. Meteority — petrologija i geohimija (Meteorites — petrology and geochemistry). Moskow: Mir, 1986, 382 p.
7. Koronovskii N. V. Naprjazhonnoe sostojanie zemnoi ko-ry (Stress in the Earth crust). Sorov educational Journal, 1987, No. 1, pp. 50—51.
8. Tomshin M. D., Salihov R. F., Matushkin A. I., Makovchuk I. V., Kopylova A. G., Vasileva A. E. Samorodnoe gelezo v doleritah Aihalskogo silla (pervaja nahodka v Yakutii). (Native iron in dolerites of Aihal sill (first find in Yakutia)). Prirodnye resursy Arktiki i Subarktiki (Natural resources of the Arctic and Subarctic), 2019, V. 24, No 3, pp. 50—63.
9. Puchkov V. I. "Velikaja diskussia" o plumah: kto prav? ("Great discussion" about plumes: who is right?). Geotektonics, 2009, No. 1, pp. 3—32.
10. Ringwood A. E. Proishozhdinie Zemli ILuny (Genesis of the Earth and Moon). Moscow: Nedra, 1982, 294 p.
11. Salop L. N. Geologicheskoe rasvitie Zemli v dokembrii (Geological evolution of the Earth in Precambrian). Leningrad: Nedra, 1982, 334 p.
12. Smelov A. P., Bereskin V. I., Timofeev V. F. et al. Geologicheskoe stroenie zapadnoi chasti Aldano-Stanovogo shchita i himicheskie sostavy porod rannego dokembria (Geology of west part of Aldan-Stanovoi shield and chemical composition of rocks Early Precambrian). Yakutsk: Pub. JaNZ SO RAN, 2009, 168 p.
13. Florenskiy K. P., Basilevskiy A. T., Burba G. A. et al. Sravnitelnaja planetologija (Comparative planetology). Moscow: Nauka, 1981, 326 p.
14. Shkodzinskiy V. S. Fasovaja evolutsija magm ipetrogen-esis (Phase evolution of magmas and petrogenesis). Moscow: Nauka, 1985, 232 p.
15. Shkodzinskiy V. S. Priroda spezifiki gologicheskih prozess-ov v rannem dokembrii (Genesis of geological prozesses in earle Precambrian). Vestnik Komi IG, 2017, No. 2, pp. 12—19.
16. Shkodzinskiy V. S. Proishogdenie kory I litosfery drevnih platform (Genesis of core and lithosphere of early platform). Lithosphere, 2017, No. 11, pp. 5—15.
17. Shkodzinskiy V. S. Genesis magm po sovremennym dan-nym o gorjachei akkrezii Zemly (Genesis of magmas according with modern data of hot accretion of the Earth). Science and Eduction. 2017, No. 2, pp. 5—10.
18. Shkodzinskiy V. S., Tolstov A. V. Genesis kimberlitovyh magm i almasa po resultatam korrelacii ego kristallomorfologii s sos-tavom vmeshchajuchih kimberrlitov (Genesis of kimberlite magmas and diamond as result of correlation of its crystallography with composition of kimberlites). Zapiski of RMO, 2009, V. 138, No. 3, pp. 1—14.
19. Shkodzinskiy V. S. Globalnaja petrologija po sovremennym dannym o gorjatceigeterogennoi akkrezii Zemli (Global petrology on modern data on hot heterogeneous of the Earth). Yakutsk: Pub. SVFU, 2014, 274 p.
20. Schmidt O. Ju. Proishozhdenie Zemly i planet (Genesis of the Earth and planets). Moskov: Pub. AS USSR, 1962, 132 p.
21. Arndt N. T. The separation of magmas from partially molten peridotite. Carnegie Inst. Wash. Yearb, 1977, 76, pp. 424—428.
22. Bukowinskii M. S. Taking the core temperature. Nature. 1999, No. 6752, pp. 432—433.
23. Harris P. G, Tozer D. C. Fractionation of iron in the Solar system. Nature, 1967, V. 215, pp. 1449—1451.
24. O'Neil H. S. Oxygen fugacity and siderophile elements in the Earth's mantle: implications for the origin of the Earth. Meteoritics, 1990, 25 (4), pp. 395.
Поступила в редакцию / Received 09.01.2020
