CC BY
31
УДК 551.25
ЛИТОГЕНЕЗ КВАРЦЕВЫХ ПЕСЧАНЫХ ПОРОД НИЖНЕГО ДОКЕМБРИЯ
И.М. Симанович
Геологический институт РАН, Москва Поступила в редакции 20.12.12
Нижнедокембрийские (архейские и нижнепротерозойские) кварцевые терригенные породы широко распространены на всех континентах. Геодинамические условия седиментации этих пород, а также их вторичные преобразования существенно отличаются от аналогичных процессов в фанерозое. Главная причина этих различий — иное состояние литосферы и атмосферы на ранних, «горячих» этапах существования Земли. Кварцевые песчаные породы первого цикла в истории Земли формировались как остаточные продукты в результате глубокого кислотного химического выветривания и денудации протократонов (гранит-зеленокаменных областей). Степень денудации областей сноса, по-видимому, была очень глубокой, иначе трудно объяснить происхождение огромного количества кварцевого материала, поступавшего в бассейны осадконакопле-ния. Глубокое кислотное выветривание было обусловлено обилием кислых газов и паров воды в периоды активного функционирования подвижных гранулитовых зон. Интенсивная денудация выветрелых пород источников сноса усиливалась эоловыми процессами, которые нередко носили катастрофический характер.
Ключевые слова: кварцевые терригенные породы, кварциты, ранний докембрий, гранит-зеле-нокаменные области, гранулитовые зоны.
Состав, структуры и генезис кварцевых песчаных пород достаточно детально описаны в монографиях, посвященных петрографии песчаных пород (Петтид-жон и др., 1976; Шванов, 1987), и в работах, в которых рассмотрены типоморфные особенности и некоторые физические свойства обломочного кварца, а также постседиментационные преобразования кварцитовид-ных песчаников, кварцитопесчаников и кварцитов на разных стадиях катагенеза, метагенеза и метаморфизма (Кац, Симанович, 1974; Симанович, 1978).
Кварцевые пески и кварцевые песчаные породы являются самым зрелым семейством песчаных пород. Различаются кварцевые пески и песчаники, состоящие на 90—95% из обломочного кварца, и высококварцевые, содержащие более 95% кластогенного кварца (Шванов, 1987). По поводу вызревания кварцевых песчаных пород существуют различные точки зрения. Так, например, Н.М. Страхов (1963) подчеркивал решающую роль кор выветривания в источниках сноса. Л.Б. Рухин (1953) придавал большое значение вызреванию песчаного материала в процессе транспортировки. Однако главным процессом, приводящим к вызреванию песчаных пород (по крайней мере для фанеро-зоя), принято считать рецикличность переотложения песчаного материала.
Докембрийские кварцитопесчаники и кварциты широко распространены на всех континентах, при этом их состав, как правило, высококварцевый. Они хорошо изучены в архейских и нижнепротерозойских отложениях кратонов (Петтиджон и др., 1976). Литогенез этих пород — геодинамические условия седиментации
и вторичные (катагенетические и метаморфические) преобразования существенно отличаются от аналогичных процессов в фанерозойских отложениях платформ. Главная причина этих различий — иное по сравнению с фанерозоем состояние литосферы и атмосферы на ранних, «горячих» этапах существования Земли.
Поскольку обломочный кварц, слагающий значительные объемы нижнедокембрийских осадочных комплексов, является самым распространенным остаточным продуктом выветривания, уместно рассмотреть следующие вопросы.
1. Условия химического выветривания и, следовательно, состав атмосферы в раннем докембрии.
2. Источники сноса кластогенного кварца и глубина эрозии породных комплексов питающих провинций.
3. Геодинамические условия и временной интервал истории раннего докембрия, когда стало возможным образование кварцевых аренитов. К сожалению, в большинстве случаев вероятностная методика определения генетических типов обломочного кварца по их типоморфным признакам (под микроскопом), разработанная автором статьи (Симанович, 1978), неприменима к метаморфизованному кварцу нижнедокемб-рийских пород, так как первичные типоморфные признаки в нем в той или иной степени уничтожены. Однако некоторые протоплатформенные (нижнепротерозойские) кварцевые песчаные толщи (ВосточноЕвропейская платформа, Алданский щит) не метамор-физованы (степень их преобразования соответствует глубинному катагенезу). Обломочный кварц в этих толщах сохранил первичные типоморфные признаки.
Генетические типы кварца в песчаных породах Московского грабена
Московский грабен представляет собой узкий глубокий прогиб в кристаллическом фундаменте. В восточной части грабена пробурена Павлово-Посадская параметрическая скважина, достигшая глубины 4783 м, но не вошедшая в кристаллический фундамент, который, как предполагается, залегает на глубине около 5000 м (Костюченко, Солодилов, 1997). Докембрий-ские (включая вендские) отложения перекрыты на глубине 1290 м среднедевонскими толщами. Вскрытая мощность докембрийских пород достигает 3,5 км. Кварцевая толща вскрыта в основании разреза скважины в инт. 4783—3550 м и представлена красноцвет-ными хорошо сортированными массивными, реже горизонтально-слоистыми песчаниками.
Возраст песчано-кварцевой толщи достоверно неизвестен. По мнению М.Н. Островского (Островский, Солонцов, 1975), ее можно сопоставить с иотнийскими (т.е. шокшинскими) отложениями Прионежья. Степень преобразования пород — глубинный катагенез.
С применением упомянутой вероятностной методики более чем в 50 шлифах было выявлено процентное соотношение генетических типов кварца — метаморфического, «древних» гранитоидов, «молодых» (интрузивных) гранитоидов и жильного (гидротермального) кварца. Суммарное процентное содержание кварца метаморфического и «древних» гранитоидов отражает участие в размыве пород гранитогнейсового докембрийского фундамента. Отношение процентного содержания такого «гранитогнейсового» кварца к прочим генетическим типам выражено неким коэффициентом гранитогнейсовости (Кгг), который позволяет обозначить результат каждого определения одной цифрой. Значения Кгг для кварца песчаных пород всей докембрийской части Московского грабена, привязанные к литологическим колонкам, приведены в статье И.М. Симановича (2000).
Подсчеты генетических типов обломочного кварца для толщи кварцевых песчаников показали, что значения Кгг колеблются от 1,08 до 4,26 при среднем значении 2,35, что свидетельствует об относительно незначительном участии в формировании пород продуктов размыва гранитогнейсового фундамента. Главными источниками кварцевого обломочного материала, вероятно, служили глубоко химически выветрелые породы протократонов (зеленокаменных областей?), насыщенных кварцевыми жилами (Симанович, 2000).
Песчано-кварцевая толща перекрыта средне(?)-верхнерифейскими песчано-алевритово-глинистыми и карбонатными отложениями мощностью около 1780 м. Песчаники структурно и вещественно незрелые (главным образом аркозовые). Среднее значение Кгг для обломочного кварца составляет 5,16. Столь высокие значения Кгг свидетельствуют о практически однородном гранитогнейсовом петрофонде питающих провинций при накоплении этих отложений.
Резкое отличие от аналогичного параметра в нижележащих кварцевых песчаниках связано с кардинальной тектонической перестройкой питающих провинций в связи с заложением авлакогенов в фундаменте Восточно-Европейской платформы (ВЕП). Очевидно, аркозовые толщи накопились значительно позже нижележащих кварцевых аренитов, после продолжительного перерыва, сопровождавшегося размывом последних.
Дорифейские кварцевые песчаные толщи в современной структуре центральной и западной частей ВЕП известны в небольших, но глубоких грабенах и мульдах, расположенных в обрамлении главной верхнери-фейской структуры ВЕП — Волыно-Среднерусской системы прогибов (Симанович, Костылева, 2007): шок-шинские, овручские кварциты и кварцитопесчаники, а также кварцитовидные песчаники Московского грабена. Н.П. Чамов с соавторами (2003) предположили, что до заложения позднерифейской Волыно-Среднерусской системы прогибов в центральной части ВЕП с раннего протерозоя существовала область переутолщенной земной коры, геоморфологически представлявшая протяженное палеоподнятие. По мнению И.М. Симановича и В.В. Костылевой (2007), осадко-накопление происходило в обширных мелководных бассейнах, обрамлявших это палеоподнятие, являвшееся, наиболее вероятно, главным источником кла-стогенного кварцевого материала в течение длительного интервала времени. Только за такой временной интервал возможно предельно глубокое химическое выветривание пород петрофонда и переотложение остаточного продукта выветривания — обломочного кварца в мелководных бассейнах.
Таким образом, шокшинские, овручские кварциты и кварцитопесчаники, а также кварцитовидные песчаники Московского грабена, вероятно, являются реликтами зрелой кварцевой песчаной формации, формирование которой отражает заключительную стадию протоплатформенного этапа становления ВЕП.
Архейские кварцевые терригенные комплексы
Можно предположить, что кварцевые песчаные про-топлатформенные формации, сохранившиеся от размыва лишь в реликтах на ВЕП и, по-видимому, гораздо более широко представленные на Северо-Американ-ском континенте (Петтиджон и др., 1976), являются отложениями первого цикла, сформировавшимися в результате химического выветривания и глубокой денудации гранит-зеленокаменных ядер протоконти-нентов. В архее с определенного этапа развития Земли также формировались кварцевые формации.
Рассмотрим только два примера — иенгрские кварциты Алданского щита и кварцит-конгломератовые толщи бассейна Витватерсранд (Южная Африка).
Иенгрские кварциты. В разрезе архея Алданского щита кварциты входят в состав иенгрской серии. Наиболее насыщена кварцитами верхнеалданская
свита, представленная переслаиванием различных по мощности пластов кварцитов с высокоглиноземистыми (силлиманитовыми) породами, амфибол-диопси-довыми, биотитовыми, биотит-амфиболовыми гнейсами и сланцами, железистыми кварцитами, реже — с чарнокитами. Кварциты — массивные породы средне-крупнозернистого сложения. Иногда отмечается неясно выраженная полосчатость мономинеральных кварцитов, обусловленная чередованием слоев, в которых кварц различается размером зернистости или цветом, а также содержанием пылевидных минеральных включений. Структура кварцитов обычно гранобластовая или генеробластовая (зубчатые, лапчатые сочленения зерен). Чем чище (мономине-ральнее) кварцит, тем крупнее (до 15 мм) размер зерен. Никаких реликтов дометаморфических кластических структур не обнаружено. Отмечаются также прослои и линзы магнетит-гематитовых кварцитов (иногда самостоятельные пласты мощностью до 100 м).
По мнению Е.А. Кулиша (1964), в пользу первично-терригенного происхождения иенгрских кварцитов свидетельствуют: 1) приуроченность отдельных кварцитовых пачек и пластовых тел к определенным стратиграфическим горизонтам; 2) одновременное формирование исходного материала кварцитов и других гнейсосланцевых пород, совместное их участие в складкообразовании; 3) согласное залегание тел кварцитов, имеющих форму пластов, с пластами других пород; 4) выдержанность мощности и состава кварцитов по простиранию; 5) часто наблюдаемая связь кварцитов с высокоглиноземистыми породами — типичными первично-осадочными образованиями; 6) фациальные переходы по простиранию, характерные для осадочных пород; 7) послойное распределение минералов-примесей в кварцитах; 8) совпадение полосчатости кварцитов с напластованием пород; 9) окатанность акцессорных минералов циркона, монацита, ксенотима.
Однако ряд приводимых Е.А. Кулишом доводов свидетельствует скорее не за, а против первично-терри-генного происхождения иенгрских кварцитов. Так, например, трудно объяснить тесную ассоциацию кварцитов — предполагаемых остаточных продуктов переотложенных кор выветривания — с гнейсами, содержащими темноцветные минералы, и железистыми кварцитами. Допуская сохранность первичной полосчатости (характерной для кремнистых пород докембрия, в частности для железистых кварцитов), Е.А. Кулиш не объяснил отсутствия текстур, характерных для терригенных осадков, — косой слоистости и волно-прибойных знаков, которые обычно сохраняются при метаморфизме терригенных толщ. Несомненно, описанные толщи сложены парапородами, однако более правдоподобным кажется их первично-кремнистое происхождение.
Кварциты и конгломераты бассейна Витватерсранд. Докембрийский бассейн Витватерсранд (Южная Африка) является важнейшим в мире источником золо-
та. Литература по геологии и генезису золотоносности этого месторождения насчитывает многие сотни наименований (Кренделёв, 1974; Frimmel et al., 2005; Robb, Robb, 1998). Автор настоящей статьи недавно опубликовал работу, посвященную генезису золотоносных конгломератов и кварцитов бассейна Витватерсранд (Симанович, 2009), поэтому необходимые сведения здесь приводятся в краткой форме, а вопросы золотоносности конгломератов не обсуждаются.
Интракратонный бассейн Витватерсранд занимает площадь около 38 850 км2 внутри стабильного кратона Каапвааль. Супергруппа Витватерсранд перекрывается лавами и кластическими осадками супергруппы Вен-терсдорп мощностью до 3660 м (возраст 2,7 млрд лет), а также доломитами, лавами и кластическими осадками супергруппы Трансвааль (2,6 млрд лет) мощностью около 4000 м. По последним данным (Frimmel et al., 2005), кварциты и конгломераты бассейна Витватерсранд сформировались в интервале 3,0—2,7 млрд лет, следовательно, установлен позднеархейский возраст отложений.
Наиболее древними породами кратона Каапвааль является фрагмент комплекса тоналитовых гнейсов (3,64 млрд лет), включенный в основные и ультраосновные породы зеленокаменного пояса; соответствующий магматизм проявился в интервале 3,49— 3,42 млрд лет. Над основными эффузивами верхняя часть разреза зеленокаменного пояса представлена кластическими породами. Тектоническая активизация (~3,1 млрд лет) сопровождалась широко распространенной золотоносной кварцевой минерализацией вдоль сколовых трещин. На гранит-зеленокаменном фундаменте залегает толща (2250 м) бимодальных эффузивов (группа Доминион) с маломощной терри-генной толщей в основании. Предполагают, что эта толща возникла в результате рифтогенеза в интервале 3086±3 и 3074±6 млн лет (Frimmel et al., 2005).
Развитие осадконакопления в бассейне Витватерсранд происходило примерно 100 млн лет спустя. Вит-ватерсрандские толщи (общая мощность ~7600 м) слагают мульдообразную структуру, осложненную многочисленными нарушениями, осложняющими складчатые структуры. Падение пород по краям мульды крутое, но к ее центру выполаживается до почти горизонтального.
Южноафриканские геологи выделяют в качестве стратиграфической основы группы Западный Ранд и Сентрал Ранд (Frimmel et al., 2005), которые подразделяются на ряд подгрупп и формаций (подробные сведения содержатся в статье автора (Симанович, 2009)).
Метаосадочные породы группы Западный Ранд с угловым несогласием залегают на вулканических породах группы Доминион. Максимальная мощность комплекса достигает 5150 м, максимальный возраст группы (по обломочному циркону) 2985±14 млн лет, минимальный — 2914±14 млн лет (Frimmel et al., 2005). Три субгруппы — Хоспитал-Хилл, Говермент и Джеппестаун — различаются по соотношению слан-
цев и песчаных пород. В пределах субгруппы Хоспи-тал-Хилл это соотношение уменьшается вверх по разрезу, при этом песчаные породы представлены кварцевыми аренитами. Разрез субгруппы Говермент имеет циклический характер — чередование сланцев, кварцитов и конгломератов. Субгруппа Джеппестаун также построена циклично, но в разрезе преобладают песчаные породы. Отмечаются прослои конгломератов. В середине разреза субгруппы развиты эффузивы формации Кроун.
Осадочные комплексы, слагающие группу Сен-трал Ранд, несогласно залегают на породах группы Западный Ранд и имеют максимальную мощность 2880 м. Так же как и в разрезе группы Западный Ранд, различается ряд циклов, каждый из которых начинается грубозернистыми кварцевыми метаосадочными песчаными породами, однако кварциты и конгломераты преобладают, а сланцы присутствуют в подчиненном количестве. Минимальный (2714±8 млн лет) и максимальный (2902±13 млн лет) возраст пород группы Сентрал Ранд определен по обломочному
Рис. 1. Размещение рудных полей Южной Африки (Кренделев,
1974):
1—11 — кратоны: I — Родезийский, II — Каапваальский; 1 — золоторудные поля в породах основания; 2 — районы распространения оруденения в конгломератах Витватерсранда, Доминион-Рифа и серии Блэк-Риф; 3 — важнейшие рудные рифы; 4 — рудные конгломераты серии Блэк-Риф; 5 — мобильные зоны гранулито-вого метаморфизма; 6 — куполообразные эродированные структуры Каапваальского кратона; 7 — осевая зона главного поднятия Каапваальского кратона; 8 — генеральное направление сноса галечного материала докембрийских рифов
циркону (Frimmel et al., 2005). Выделяются две субгруппы — Йоханнесбург (~ 1100 м) и Турффонтейн (~1100 м). Разрезы этих двух субгрупп представлены кварцитами с прослоями золотоносных конгломератов. В составе субгруппы Йоханнесбург большой интерес представляет формация Мейн, сложенная кварцитами и двумя пачками конгломератов. Отмечается постоянство состава и достаточная выдержанность горизонтов кварцитов и конгломератов (Петтиджон и др., 1976; Frimmel et al., 2005; Robb, Robb, 1998). Для базальных горизонтов этой формации характерны эрозионные врезы палеорусел, заполненных конгломератами.
Отложение верхнеархейских толщ супергруппы Витватерсранд происходило в пределах кратона Ка-апвааль, окруженного со всех сторон гранулитовыми подвижными поясами (рис. 1). В пределах долгожи-вущих гранулитовых поясов подъем расплавленных магм, сопровождавшийся выбросом в атмосферу огромного количества воды и кислых газов, происходил неоднократно: процесс то затухал, то возобновлялся снова (Шкодзинский, 2003).
По крайней мере, половина мощного, почти восьмикилометрового разреза бассейна Витватерсранд представлена преимущественно мономинеральными метаморфизованными кварцевыми, частично олиго-миктовыми песчаными породами и конгломератами (рис. 2), несомненно являющимися остаточными продуктами интенсивного химического выветривания пород — источников сноса. Кислотное выветривание может быть объяснено только выбросом в атмосферу воды и кислых газов в периоды активизации гранулитовых подвижных зон.
Каким же образом в условиях интенсивного кислотного выветривания была накоплена огромная масса устойчивого к выветриванию кварцевого тер-ригенного материала и какова была степень денудации предполагаемых источников сноса? Нам уже приходилось ставить и решать подобный вопрос на примере шокшинских кварцитопесчаников (Карелия). По нашим данным, объем переработанных выветриванием и эоловой денудацией архейских горных пород в источниках сноса превосходил, по крайней мере, в 3—5 раз объем накопившихся отложений шокшинской свиты (Симанович, Костылёва, 2007). Учитывая, что зеленокаменные пояса, предположительно являвшиеся источниками сноса терригенного материала, заполнившего Витватерсрандский бассейн, сложены преимущественно породами основного ряда, можно предположить, что степень денудации этих областей была еще более высокой. Поступивший в бассейн седиментации обломочный кварц, по-видимому, имел различный первичный генезис — гидротермальный, из гранитов, а также из силикокластов верхних горизонтов зеленокаменных областей. Прямое определение источников сноса обломочного кварца в терригенных толщах Витватерсрандского бассейна путем сравнения его с кварцем вероятных
Рис. 2. Состав и постседиментационные преобразования кварцевых терригенных пород Витватерсранда: а — мелкая галька в матриксе, представленном бластически перекристаллизованным кварцитом, хорошо виден рекристаллизационный бластез периферических участков кварцевой гальки, николи скрещены; б — рекристаллизационный бластез периферических участков кварцевой гальки, николи скрещены; в — неполнобластическая структура кварцитовой основной массы, различимы искаженные контуры обломочных кварцевых зерен, николи скрещены; г — участок кварцита с практически полнобластической структурой, кварц мета-
морфизован, николи скрещены
источников сноса невозможно, так как он метамор-физован и его первичные типоморфные признаки не сохранились (Симанович, 2009).
Эоловые процессы в условиях пустынного ландшафта, по-видимому, играли значительную роль в денудации предполагаемых источников сноса — гра-нит-зеленокаменных областей. Скорость вращения Земли в позднем архее была в несколько раз выше по сравнению с современной, что порождало чрезвычайно активную циклоническую деятельность. Кроме того, во время активизации процессов в гранулито-вых подвижных поясах перепад температур в атмосфере над поясами и над относительно охлажденными стабильными кратонами мог достигать нескольких сотен градусов (Шкодзинский, 2003). Это неизбежно приводило к формированию гигантских по объему и мощности атмосферных вихрей, которые переносили не только глинисто-алевритовый и песчаный материал, но и обломки гидротермального кварца. Поступательное движение нагруженных обломочным материалом вихрей над активизировавшимися гранулитовыми поясами прекращалось, обломочный материал попадал в восходящие атмосферные потоки и разгружался по мере затухания активности в гранулитовых поясах. В периоды относительного охлаждения земной поверхности происходила конденсация влаги, которой была насыщена атмосфера, что вызывало проливные дожди и наводнения. В результате этих наводнений
разгруженный обломочный материал по упомянутым выше веерно-дельтовым системам переносился в бассейн седиментации, где уже происходила обычная осадочная дифференциация (русловые фации заполнялись галечным материалом, в песчаных породах формировались косая слоистость и волноприбойные знаки, дистальные фации были представлены глинисто-алевритовыми отложениями).
Отчетливо проявленная цикличность, особенно в отложениях группы Западный Ранд, может быть объяснена тем, что на протяжении около 300 млн лет интенсивность процессов в пределах гранулитовых подвижных зон колебалась в очень широких пределах, вплоть до полного затухания в определенные периоды времени. Преобладание глинисто-алевритовых фаций в низах разреза группы Западный Ранд, возможно, обусловлено относительно слабой ветровой деятельностью в соответствующие периоды времени, которая на фоне интенсивного кислотного выветривания пород источников сноса приводила к дефляционной денудации (пыльные бури) и переносу тонкозернистого материала в бассейн седиментации.
Обсуждение результатов
Рассмотренные в предыдущих разделах примеры раннедокембрийских (средний и поздний архей, ранний протерозой) бассейнов, выполненных кварцевыми
терригенными породами, позволяют сделать предварительные, во многом гипотетические выводы о времени, геологических условиях, факторах и процессах их формирования.
Различные точки зрения на процессы, которые привели к формированию земной коры, детально рассмотрены и проанализированы в недавно опубликованной монографии В.Е. Хаина и Э.Н. Халилова (2009).
Протоконтинентальная земная кора (серые гнейсы) отличалась от пород современных кратонов меньшим содержанием кремнезема и щелочей, особенно оксида калия. В настоящее время этот комплекс в участках континентов, где он сохранился от переработки последующими процессами, весьма однообразный по составу слагающих его пород, принято называть тоналит-тродьемит-гранодиоритовой ассоциацией (ТТГ). Согласно Решению III Всероссийского совещания «Общие вопросы расчленения докембрия» (2001), ТТГ помещен в основание стратиграфической колонки докембрия (катаархей). Для «серых гнейсов» ТТГ характерны относительно невысокая, амфиболитовая фация метаморфизма и почти полное отсутствие па-рапород (Шкодзинский, 2003).
Ранее считалось, что Земля после завершения аккреции была относительно холодной. Согласно представлениям А.П. Виноградова (1964), О.Г. Сорохтина (1974) и др., гидросфера, атмосфера и базальтовая оболочка Земли образовались одновременно в результате зонного выплавления и дегазации верхней мантии. Однако существуют и иные точки зрения. В монографиях В.Е. Хаина и М.Г. Ломизе (2005), а также В.Е. Хаина и Э.Н. Халилова (2009) отмечено, что разогрев Земли на ранних стадиях ее развития под влиянием бомбардировки планетезималями и особенно при косом столкновении Земли с крупным телом размером примерно с Марс (гипотеза происхождения Луны) мог вызвать плавление не только ядра, но и более поверхностных частей планеты, вплоть до возникновения магматического океана.
Первичная кора Земли, по мнению большинства ученых, была основного состава. Предполагается возможность выплавления из верхней мантии первичной коры Земли, которая, скорее всего, имела коматиит-базальтовый состав (Хаин, Халилов, 2009). Парадокс состоит в том, что эта первичная кора основного состава нигде не сохранилась. По мнению О.А. Богатикова с соавторами (1989), для образования на следующем этапе истории Земли протоконтинентальной серогней-совой коры необходимо было переплавление огромного объема базальтового материала. Конкретные гипотетические модели переработки базальтовой коры в ТТГ-комплекс (серые гнейсы) подробно рассмотрены в монографии В.Е. Хаина и Э.Н. Халилова (2009).
Существует также альтернативная гипотеза ранне-архейского «магматического океана», разработанная В.С. Шкодзинским (2003). Согласно представлениям
этого автора, расслоенный «магматический океан» имел глубину около 240 км и состав его изменялся от кислого в верхней части через средний и основной до пикритового и перидотитового в нижней. В первые 0,56 млрд лет земная поверхность была полностью покрыта расплавом. В период примерно с 4 млрд лет происходили кристаллизация и фракционирование кислого слоя «магматического океана» с образованием серых гнейсов и древнейших гранитоидов из остаточных расплавов.
Под влиянием очень горячего железного ядра нижние части мантии постепенно разогревались и приобретали способность к всплыванию. Начало массового образования коматиитов и базитов зеленокаменных поясов 3,5—3,7 млрд лет назад свидетельствует о появлении в это время первых конвективных потоков из нижней мантии. На участках их подъема происходили подогрев и растекание нижних и верхних частей «магматического океана», растяжение полузатвердевшей серогнейсовой протокоры и излияние мантийных мафических магм с образованием зеленокаменных поясов. Растяжение пластичной серогнейсовой коры над областями нижнемантийных плюмов приводило к подъему незатвердевших частей слоя кислого расплава в образующиеся зеленокаменные пояса и возникновению в пределах этих зон кислых вулканитов.
Главными структурными элементами земной коры в архее и частично в раннем протерозое были гранит-зеленокаменные области (ГЗО) и гранулитогнейсовые пояса (Хаин, Ломизе, 2005). ГЗО образуют огромные блоки и составляют сотни километров в поперечнике. В пределах этих блоков присутствуют зеленокамен-ные пояса (ЗКП), сложенные слабо зеленокаменно измененными основными вулканитами, отчасти осадочными породами. Их протяженность оставляет многие сотни, иногда до тысячи километров. ГЗО и ЗКП распространены на всех континентах, но особенно известны в Канаде, Южной Африке, Австралии и Индии. Мощность вулканогенно-осадочного выполнения ЗКП достигает 10—15 км. Разрез ЗКП имеет трехчленное строение. Нижняя часть представлена толеитами и коматиитами, в подчиненном количестве — джеспилитами и силицитами. Средняя часть разреза сложена вулканитами и пирокластитами среднего и кислого состава. С несогласием на вулканитах залегают силикокластиты молассового облика. Ко времени этого несогласия приурочено внедрение межпластовых и диапировых гранитоидных плутонов. Основная масса ЗКП образовалась между 3,5 и 2,5 млрд лет, причем за это время сменилось несколько их поколений. ЗКП закладывались в условиях раздвига еще частично пластичной «серогнейсовой» коры.
Гранулитогнейсовые пояса — второй главный тип раннедокембрийских структур, разделяющих и окаймляющих ГЗО (рис. 1). Они появляются в конце архея и широко развиты в протерозое. Характерны высокий
(гранулитовая и амфиболитовая фации) многократно проявленный метаморфизм, сложная и также многократная складчатость, пологое надвигание на смежные ГЗО.
По представлениям В.С. Шкодзинского (2003), длительный прогрев высокотемпературными мафическими магмами нижних частей кислого расплава приводил к его всплыванию, что сопровождалось разрывами затвердевших участков зеленокаменно-серогнейсовой коры и формированием долгоживущих гранулитовых зон. В этих зонах высокотемпературные магмы выходили на земную поверхность и после затвердевания образовывали гранулитовые комплексы. В гранули-товых подвижных поясах широко распространены парапороды (высокоглиноземистые гнейсы, кварциты и мраморы), отсутствующие в серых гнейсах.
Атмосфера и гидросфера в рамках обсуждаемой гипотезы являются вторичными и образовались в результате дегазации магм, поднимавшихся из недр Земли. Пары воды начали удерживаться Землей после падения температуры ее поверхности ниже 1305 К, а азота — ниже 1015 К. Атмосфера и гидросфера были созданы почти исключительно процессами дегазации магматического океана, так как магматический океан затвердевал сверху вниз, летучие из его глубинных частей почти не достигали земной поверхности. Основная часть летучих отделилась при кристаллизации кислого расплава в связи с формированием гра-нулитовых подвижных зон. Главный объем атмосферы и гидросферы был образован в первые примерно 2 млрд лет, когда завершились процессы кристаллизации верхней части магматического океана. Расплавы магматического океана кроме воды содержали и выделяли значительное количество CO2, H2S, HCl, HF и некоторых других кислотных соединений. Процессы раннего осадкообразования определялись эволюцией гидросферы. В наиболее ранний этап температура всей земной поверхности была еще очень высокой, вода находилась в парообразном состоянии. После возникновения серогнейсовых протократонов над наиболее остывшими их частями газово-паровая оболочка должна была значительно охлаждаться и частично конденсироваться в результате теплового излучения верхних ее частей в космическое пространство. Это приводило к выпадению проливных кислотных дождей и к началу кислотного выщелачивания приповерхностных частей протократонов, которое вызывало очень глубокое разложение пород в ранних корах выветривания (Савко, Додатко, 1991; Шкодзинский, 2003) и интенсивный вынос из них многих компонентов.
После начала образования гранулитовых подвижных зон газово-паровая оболочка, остывавшая над серогнейсовыми и зеленокаменными протократона-ми, должна была сильно нагреваться над выходами гранулитовых магм. Большая разница в температуре
газово-паровой оболочки над кратонами и над выходами гранулитовых магм (вероятно, первые сотни градусов) приводила к ее интенсивной циркуляции с перемещением от центра кратонов к гранулитовым зонам. Плотность нижней части газово-паровой оболочки (0,1 г/см3) была примерно в тысячу раз выше, чем у современной атмосферы. Поэтому ее ураганное перемещение должно было сопровождаться интенсивнейшим переносом остаточного обломочного материала из кор выветривания, сформировавшихся на ортогнейсах и зеленокаменных поясах протократонов. Этот материал, главным образом кварц, осаждался в зонах выхода гранулитовых магм, поскольку в последних быстрые горизонтальные перемещения газо-во-паровой оболочки сменялись медленными, восходящими.
Описываемый процесс, несомненно, был дискретным, и в течение многих миллионов лет активные фазы выхода гранулитовых магм на поверхность про-токоры неоднократно сменялись периодами относительного покоя и падения температуры газово-паровой оболочки над гранулитовыми подвижными зонами. Восходящие потоки над этими зонами прекращались, и огромное количество терригенного материала, перемещенного гигантскими циклоническими вихрями с кор выветривания на серых гнейсах и зеленокамен-ных поясах и зависшего над гранулитовой зоной в виде облака, медленно оседало. Кварциты формировались из кластогенных зерен, в основном кварца, а также, вероятно, полевых шпатов, акцессорных минералов и др. Тонкодисперсная составляющая облака, состоявшая из глинистых минералов, латеритов, гидроли-затов, также постепенно осаждалась, перекрывая большие площади, по сравнению с материалом песчаной размерности. Этим, по-видимому, можно объяснить наблюдаемые фациальные переходы кварцитов в высокоглиноземистые кварциты, сланцы и гнейсы.
Переносившийся в жестких эоловых условиях обломочный кварц, вероятно, был хорошо окатан, однако никаких структурных реликтов его первично-обломочного происхождения не сохранилось. Прогрессивный метаморфизм высокотемпературной амфиболи-товой и гранулитовой фаций полностью уничтожил проявления постседиментационных преобразований предшествовавших стадий. Следует поставить под сомнение возможность обычного для протерозойских и фанерозойских терригенных толщ постседиментаци-онного литогенеза (включающего диагенез, катагенез и метагенез) в связи с особым, высокотемпературным режимом раннеархейских постседиментационных процессов. Вероятно, газово-паровые эманации, содержащие кислые газы и, что особенно важно, плавиковую кислоту, частично растворяли обломочный кварц и способствовали перераспределению кремне-кислоты и формированию мозаичной структуры кварцитов. Под влиянием высоких температур грани-
цы кварцевых индивидов этой мозаики (имеющие дислокационную природу) становились подвижными, в результате чего кварцевые индивиды принимали наиболее энергетически выгодную форму, т.е. происходил бластез. Для наиболее чистых разностей кварцитов характерен собирательный бластез, размеры кварцевых зерен в таких породах самые крупные (подобное описание механизма бластеза в кварцевых песчаных породах приведено в монографии (Сима-нович, 1978). Как уже было отмечено в разделе, посвященном конгломератам Витватерсранда, эоловый перенос как мелкообломочного, так и грубообломоч-ного кварцевого материала происходил в жестких условиях громадных атмосферных вихревых потоков, что и обусловило обилие прослоев конгломератов в почти восьмикилометровом разрезе бассейна. А так как формирование этой терригенной толщи происходило на протяжении около 300 млн лет, мы вправе предположить многократную активизацию гранулито-вых зон, которая, вероятно, определила ритм накопления терригенной толщи Витватерсрандского осадочного бассейна.
Выводы
1. Кварцевые терригенные, в том числе песчаные, породы первого цикла в истории Земли формировались как остаточный продукт за счет глубокого кислотного химического выветривания и денудации протократо-нов, представленных гранит-зеленокаменными областями.
2. Степень денудации областей сноса, сложенных в значительной степени основными и ультраосновными породами, а также гранитоидами и силикокласти-тами, с обилием кварцевых жил, по-видимому, была очень глубокой, иначе трудно объяснить происхождение огромного количества кварцевого терригенного материала, поступавшего в бассейны осадконакопления.
3. Глубокое кислотное выветривание областей источников сноса было обусловлено обилием кислых газов и паров воды в периоды активного функционирования гранулитовых зон, разделявших гранит-зеле-нокаменные протократоны.
4. Интенсивная денудация выветрелых пород источников сноса в значительной мере усиливалась эоловыми процессами, которые нередко имели катастрофический характер.
ЛИТЕРАТУРА
Богатиков ОА., Гоньшакова В.И., Симон А.К., Фрих-Хар Д.И. Ранние этапы эволюции магматизма планет земной группы // Геология и геофизика. 1989. № 7. С. 28—35.
Виноградов А.П. Газовый режим Земли // Химия земной коры. Т. 2. М.: Наука, 1964. С. 5—21.
Кац М.Я., Симанович И.М. Кварц кристаллических горных пород // Тр. ГИН АН СССР. Вып. 259. М.: Наука, 1974. 188 с.
Костюченко С.Л., Солодилов Л.Н. К геологическому строению Московии: глубинная структура и тектоника // Бюл. МОИП. Отд. геол. 1997. Т. 72, вып. 5. С. 6—17.
Кренделев Ф.П. Металлоносные конгломераты мира. Новосибирск: Наука, 1974. 238 с.
Кулиш Е.А. Кварциты архея в южной части Алданского щита. Магадан: Дальневосточный геологический ин-т, 1964. 119 с.
Островский М.И., СолонцовЛ.Ф. Особенности палеострук-туры верхнего докембрия в Рязано-Саратовском прогибе в связи с оценкой их нефтегазоносности // Геол. нефти и газа. 1975. № 1. С. 52—55.
Петтиджон Ф, Поттер П., Сивер Р. Пески и песчаники. М.: Мир, 1976. 535 с.
Решение III Всеросс. совещ. «Общие вопросы расчленения докембрия» // Стратиграфия. Геол. корреляция. 2001. Т. 9, № 3. С. 101—106.
Рухин Л.Б. Основы литологии. Л.: Недра, 1953. 703 с.
Савко А.Д., Додатко А.Д. Коры выветривания в геологической истории Восточно-Европейской платформы. Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1991. 232 с.
Сафонов Ю.Г., Прокофьев В.Ю. Модель конседимента-ционного гидротермального образования золотоносных рифов бассейна Витватерсранд // Геол. руд. месторожд. 2006. Т. 48, № 6. С. 475—511.
Симанович И.М. Кварц песчаных пород // Тр. ГИН АН СССР. Вып. 314. М.: Наука, 1978. 152 с.
Симанович И.М. Минералогия и петрография рифей-ских отложений Московского грабена // Литол. и полез. ископ. 2000. № 5. С. 533—543.
Симанович И.М. О золотоносных докембрийских конгломератах Витватерсранда // Литол. и полез. ископ. 2009. № 5. С. 543—558.
Симанович И.М., Костылева В.В. Доверхнерифейские кварцевые песчаные толщи Восточно-Европейской платформы: генезис и постседиментационные преобразования // Бюл. МОИП. Отд. геол. 2007. Т. 82, вып. 4. С. 28—36.
Сорохтин О.Г. Глобальная эволюция Земли. М.: Наука, 1974. 284 с.
Страхов Н.М. Типы литогенеза и их эволюция в истории Земли. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 535 с.
Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: КДУ, 2005. 560 с.
Хаин В.Е., Халилов Э.Н. Цикличность геодинамических процессов: ее возможная природа. М.: Научный мир, 2009. 520 с.
Чамов Н.П., Костылева В.В., Вейс В.В., Горбачев В.И. Позднерифейское осадконакопление в Среднерусском ав-лакогене // Литол. и полез. ископ. 2003. № 5. С. 539—550.
Шванов В.Н. Петрография осадочных пород. Л.: Недра, 1987. 269 с.
Шкодзинский В.С. Проблемы глобальной петрологии. Якутск: НИПК Сахаполиграфиздат, 2003. 240 с.
Frimmel H.E., Groves D.L., Kirk J. et al. The formation and preservation of the Witwatersrand goldfields, the Word's largest gold province // Soc. Econ. Geol. Economic geology. Anniversary vol. 100. 2005. P. 769—796.
Robb L.J., Robb V.M. Gold in Witwatersrand basin // Mineral Resourses of South Africa: Handbook. Coincil for Geo-science. 1998. Vol. 16. P. 294—349.
LITHOGENESIS OF EARLY PRECAMBRIAN QUARTZ SAND ROCKS
I.M. Simanovich
The Early Precambrian (Archean and Lower Proterozoic) quartz terrigenous rocks are widespread on all continents. Geodynamic conditions of sedimentation, as well as their secondary transformation differ significantly from those Phanerozoic processes. The main reason for these differences — a different state of the lithosphere and atmosphere on the early "hot" stages of the Earth evolution. Quartz sand rocks of the first cycle in the Earth history were formed as residues from the deep acidic chemical weathering and denudation of protocratons (granite-greenstone areas)/ The degree of denudation of the source areas composed largely of basic and ultrabasic rocks was probably a very deep, otherwise it is difficult to explain the origin of the huge amount of quartz material put on the sedimentational basins. Profound acid weathering of the source region of demolition was due to the abundance of acid gases and water vapor during periods of active operation of the mobile granulite zones dividing granite-greenstone regions. Intensive denudation of weathered rocks sources drift intensified eolian processes, often disastrous.
Key words: quartz terrigenous rocks, quartzites, Early Precambrian, granite-greenstone areas, granulite zones.
Сведения об авторе: Симанович Игорь Максимович — вед. науч. сотр. ГИН РАН; e-mail: [email protected]
