Изменение летучести кислорода в мантийных и коровых системах в интервале хадей-фанерозой Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.1:551.73

ИЗМЕНЕНИЕ ЛЕТУЧЕСТИ КИСЛОРОДА В МАНТИЙНЫХ И КОРОВЫХ СИСТЕМАХ В ИНТЕРВАЛЕ ХАДЕЙ-ФАНЕРОЗОЙ

Ю.А. Балашов

Г еологический институт КНЦ РАН

Аннотация

Вариации летучести кислорода в вертикальном разрезе литосферы разделяют ее на нижнюю, с восстановительным режимом кислорода, и верхнюю окисленную зону, включающую мантийные и коровые компоненты. Но по уровню окисленности они различаются в геохронологическом плане на древнейшую в интервале хадей-протерозой и более молодую -фанерозойскую, в пределах которой отмечается резкое преобладание избытка кислорода, что имеет прямое отношение к эволюции биосферы в геологическом времени.

Ключевые слова:

литосфера, породы коры и мантии, редкоземельные элементы - отношение Се+4/Се+З в цирконах - как индикатор режима летучести кислорода в верхних оболочках Земли.

Проблема сопоставления распределения кислорода в породах и минералах коры и мантийной части литосферы возникла совсем недавно с появлением данных по измерению редкоземельных элементов - вариаций отношения четырех- и трехвалентного церия (Се+4/Се+3) в цирконах как геохимического буфера («СеВ») [1, 2] для коры и мантии. Этот буфер был впервые скорректирован с петрологическим буфером FMQ [3], что позволило сопоставлять результаты по шкалам обоих буферов [1, 4]. В этой связи полезно напомнить, что согласно данным по корреляции [4] между буферами существуют соотношения, указанные в табл. 1. Они удобны для непосредственного использования аналитических данных по отношению Се+4/Се+3 в цирконах мантии и коры без пересчета.

Таблица 1

Корреляция параметров геохимического (СеВ) и петрологического (FMQ) буферов для летучести кислорода (Д^/02) в мантийных цирконах литосферы

Се+4/Се+З Lg: (Се+4/+3) Lg: (FMQ) Регион, порода// циркон № пробы

34.1 1.52 +4 Китай, перидотит ксен. Y974-25

16.1 1.2 +3 Якутия, хромитов. ксен. Опек^2В

9.9 1.0 +2 Австралия, лампроит А^-2

5.71 0.78 +1 Якутия, кимберлит Ап 152-А

3.9 0.6 0.0 Украина, долерит 023/86-26

2.47 0.4 -1 Якутия, тр. Мир, кимберлит Міг-соге-1

1.83 0.27 -2 Ю. Афр., Ноенипут, кимберлит М32-3

1.1 0.0 -3 Ю.Африка, Монастери, кимб. М2-05-1

0.49 -0.75 -4 Ю.Африка, Лемфане, кимберл. М27-3

0.14 -1.25 -5 Ю.Африка, Као 1, кимберлит М42(2)2

0.01 -1.95 -6 Ю.Африка, Дайка 170, кимберлит М28(8)1

Ниже сопоставлены сведения по отношению Се+4/Се+З в цирконах верхней части вертикального разреза литосферы с цирконами из пород коры в разверстке по всему геохронологическому диапазону от хадея до фанерозоя (рис. 1).

120

110

100

90

80

70

60

50

40

ЗО

20

10

О

Рис. 1. Отношения Ce+4/Ce+3 в цирконах из мантийной литосферы и коры

Прежде всего, следует обратить внимание на факт почти полного совпадения диапазона вариаций отношения Се+4/Се+3 в цирконах верхней части мантийной литосферы и цирконов из разнообразных типов пород коры (интервал от 34 до 2), включающих хадейские и архейские детритовые цирконы Австралии [5], архейские тоналитовые и гранодиоритовые гнейсы Гренландии [6], архейские щелочные граниты Кольского полуострова и их протерозойские метаморфические разности [2] и часть гранитоидов фанерозоя Австралии и Чили [7-10]. Таким образом, наблюдается аналогия в интенсивности окисленности цирконов на всем интервале времени геологического развития коры и мантии. Очевидно также, что фанерозойские коровые породы включают гораздо более окисленные разности (по крайней мере, для возрастов моложе 500 млн лет) [8-10]. Особенно резкое увеличение отношения Се+4/Се+3 регистрируется в гранитоидах Чили из зон вторичного их преобразования, сопровождавшегося появлением Си-Аи оруденения. Вместе с тем, ограниченность представленного корового материала не исключает вероятности для более глубокого развернутого анализа в будущем. Во всяком случае, следует обратить особое внимание на признаки окислительной среды в глубоком хадее и архее, что имеет прямое отношение к выяснению условий зарождения жизни на Земле, поскольку повышенная летучесть кислорода в детритовых цирконах отражает с большой вероятностью существование кислорода в гидросфере и атмосфере. Здесь уместно напомнить, что изотопный состав кислорода в хадейских и архейских детритовых цирконах варьирует от 15%о до 5.4%о 5180 [5, 11], что указывает на взаимодействие цирконов с водой (гидротермальные процессы?). Знание режимов летучести кислорода, таким образом, приобретает важнейшее значение в связи с необходимостью расшифровки истории биогенной активизации на Земле. В последние годы это нашло отражение в двух схемах циклически-стадийной эволюции биосферы [12-14]. Обе схемы условные, они отражают представления авторов о возможной эволюции «кислородной атмосферы», но не подтверждаются геохронологическими данными, использование которых позволяют описать реальную картину кислородной летучести в хадее (рис. 1). Кроме того, для цирконов верхней части мантийной литосферы отмечается отчетливое формирование в окисленной обстановке. В перидотитах и их породообразующих минералах выявлена повышенная концентрация Н20 и ОН" , которая сохраняется до глубин 150-160 км при FMQ от -1.4 до -0.1 [15], что сопоставимо с уровнем Се+4/Се+3 от 1.9 до 3.7. Громадный запас воды в верхних частях литосферы - источник выноса воды при наращивании массы океанов в геологическом времени -одновременно является условием для процессов окисления самих пород верхней части литосферы при повышенных значениях Р-Т параметров в литосфере. К этому следует добавить, что в современном элементном составе «солнечного ветра» постоянно присутствует большая концентрация кислорода [16], а в глубоком докембрии интенсивность этого потока превышала современный на несколько порядков [17].

Се+4 / Се+3

13

8-12 Ф

• 6-7

I

Л

ЦИРКОНЫ РАЗНЫХ РЕГИОНОВ

1- ДЕТРИТОВЫЕ ЦИРКОНЫ ХАДЕЯ И АРХЕЯ (АВСТРАЛИЯ),

2-3 АРХЕЙСКИЕ ГРАНИТОИДЫ ГРЕНЛАНДИИ

4-5 АРХЕЙСКИЕ ЩЕЛОЧНЫЕ (МАГМ ) И ПРОТЕРОЗОЙСКИЕ (МЕТАМОРФ) ГРАНИТЫ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА 6-7 ГРАНИТОИДЫ В АВСТРАЛИИ

8-12 ЛАРВИКИТЫ ОСЛО, ЩЕЛОЧНЫЕ ПЕГМАТИТЫ НОРВЕГИИ ГРАНИТЫ АВСТРАЛИИ 13 ЦИРКОНЫ ИЗДИОРИТОВ И РУДНЫХ (Си-Аи) ЗОН, ЧИЛИ. Ю АМЕРИКА

*

I

+

♦

I

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

1 і

-

/

возраст цирконов из пород коры - млн. лет

---------------------------------------------1

ВЕРХНЯЯ ЧАСТЬ ЛИТОСФЕРЫ: Се+4/Се+3 от 34 до 2,0

ЛИТЕРАТУРА

1. Балашов Ю.А., Мартынов Е.В. Оценка летучести кислорода в литосфере по данным для редкоземельных элементов в цирконах из мантийных пород // Вестник Кольского научного центра РАН. 2012. № 1. С. 101-110. 2. Балашов Ю.А., Скублов С.Г. Контрастность геохимии магматических и вторичных цирконов // Геохимия. 2011. № 6. С. 622-633. 3. Ballhaus C. Redox states of lithospheric and asthenospheric upper mantle // Contrib.Mineral.Petrol. 1993. Vol. 114. P. 331-348. 4. Balashov Yu.A., Martynov E.V. Correlation of oxygen fugacity in the mantle lithosphere between Ce+4/Ce+3 relation of zircons and petrological buffer FMQ // Вестник мГтУ. 2012. Т. 15, № 2. P. 311-329. 5. Peck W.H., Valley J.W., Wilde S.A.,Graham C.M. Oxygen isotope ratios and rare earth elements in 3,3 to 4,4 Ga zircons: Ion microprobe evidence for high 618O continental crust and oceans in the Early Archean // Geochim. Cosmochim. Acta, 2001. Vol. 65, № 22. P. 4215-4229. 6. Whitehouse M.J., Kamber B.S. On the over abundance of light rare earth elements in terrestrial zircons and its Earth's earliest magmatic differentiation // Earth and Planet. Sci. Letters. 2002. Vol. 204. P. 333-346. 7. Belousova E.A., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., Fisher N.I. Igneous zircon: trace element composition as an indicator of source rock type // Contrib. Mineral. Petrol. 2002. Vol. 143. P. 602-622. 8. Belousova E.A., Griffin W.L. and O’Reilly S.Y. Zircon crystal morphology, trace element signatures and Hf isotope composition as a tool for petrogenetic modeling: examples from Eastern Australian granitoids // J. Petrology. 2006. Vol. 47, № 2. P. 329-353. 9. Hoskin P.W.O., Kinny P.D., Wyborn D., Chappell B.W. Identifying accessory mineral saturation during differentiation in Granitoid Magmas: an Integrated Approach // J. Petrology. 2000. Vol. 41, № 9. P. 1365-1396. 10. Ballard J.R., Palin J.M., Campball I.H. Relative oxidadation state of magmas inferred from Ce(IV)/Ce(III) in zircon: application to porphyry cooper deposits of northern Chile // Contrib.Mineral.Petrol. 2002. Vol. 144. P. 347-364. 11. Mojzsis S.J., Harrison T.M., Pidgeon R.T. Oxygen-isotope evidens from ancient zircons for liquid water at the Earth's surface 4,300 Myr ago // Nature. 2001. Vol. 409. P. 178-181. 12. Добрецов Н.Л. и др. Ранние этапы эволюции геосферы и биосферы / Н.Л. Добрецов, Н.А. Колчанов, В.В. Суслов // Материалы совещания «Фундаментальные проблемы геотектоники». 2007. Т. 1. С. 225-226. 13. Добрецов Н.Л. О ранних стадиях зарождения и эволюции жизни // Информационный Вестник ВОГи. С. 2005. Т. 9, № 1. С. 43-54. 14. Sorokhtin O.G., Chilingar G.V., Sorokhtin N.O. Theory of development of the Earth... // Moskou-Izevsk. 2010. P. 1-751. 15. Бабушкина М.С., Никитина Л.П., Гончаров А.Г., Пономарева Н.И. Вода в структуре минералов мантийных перидотитов: связь с термальными и окисоительно-восстановительными условиями в верхней мантии // Записки Российского Минералогического Общества, 2009. Ч. СХХХVШ, №1. С. 3-19. 16. Anders E., Grevesses N. Abandances of the elements: Meteoritic and solar //Geochim. Cosmochim. Acta. 1989. Vol. 53. P. 197-214. 17. Canuto V.M., Levine J.S., Augustsson T.R., Imhoff C.L., Giampapa M.S. The young Sun and the atmosphere and photochemistry of the early Earth // Nature. 1983. Vol. 305. P. 281-286.

Сведения об авторе

Балашов Юрий Андреевич - д.г.-м.н, главный научный сотрудник, профессор; e-mail:

balashov@geoksc. apatity.ru