CC BY
9В. С. Шкодзинский DOI: 10.24412/1728-516Х-2021-2-8-12
Владимир Степанович Шкодзинский,
доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН, г. Якутск
Происхождение геосфер
Глобальные геологические процессы сформировали геосферы, полезные ископаемые и современный рельеф, вызывают землетрясения, извержения вулканов и другие катастрофические явления. Выяснение природы подобных процессов необходимо для разрешения многих научных и практических задач. При этом важно знать происхождение Земли. На ранней стадии развития геологической науки была принята максимально упрощённая гипотеза холодной гомогенной аккреции нашей планеты, предложенная отечественным учёным О. Ю. Шмидтом. Согласно ей, Земля образовалась путём объединения одновременно выпадавших относительно холодных железных и силикатных частиц протопланетного облака. Их разделение в земных недрах по плотности привело к формированию геосфер, а в результате отделения расплавов
в частично подплавленных породах возникли магмы.
Однако эта гипотеза не была подтверждена геологическими данными. Более того, к настоящему времени получено большое количество сведений, противоречащих ей. Известно, что падающие метеориты плавятся и частично испаряются. Расчёты показали, что импактное тепловыделение при аккреции составляло 9000 кал/г. Оно способно было разогреть вещество Земли на 34 000 °С [1]. Горячая аккреция подтверждается существованием трендов магматического фракционирования в мантийных ксенолитах (рис. 1, линия MgO,) и в древнейших кристаллических комплексах [2], полным соответствием среднего изотопного возраста (линии По и ВА) и температуры кристаллизации (линия Т) их различных пород последовательности образования при фракционировании, проекцией наиболее ранних
На фото вверху - извержение вулканов - проявление гигантской внутренней энергии Земли (fishki.net)
Рис. 1. Средние изотопные возрасты различных мантийных пород из ксенолитов в кимберлитах (линия По), включений в алмазах (линия ВА), средняя температура образования при 5 ГПа (линия Т) и среднее содержание МдО в породах (линия МдО). Составы включений в алмазах и пород: Г - гарцбургитовый, П - перидотитовый нерасчленённый, Л - лерцолитовый, Э - эклогитовый, В - верлитовый и вебстеритовый, Ф - флогопитсодержащие породы, Ка - карбонатиты, Ки - кимберлиты. Числа у точек - количество использованных определений [2]
геотермических градиентов в область очень высокой температуры (до 1000 °С) на земной поверхности и другими данными.
Резкая химическая неравновесность мантийных пород с металлическим железом [2], в двадцать тысяч раз большая фугитивность1 в них кислорода [3] и другие данные указывают на то, что силикатные и железные частицы не были перемешаны в земных недрах и, следовательно, выпадали раздельно, то есть аккреция была гетерогенной. Таким образом, исходные положения современной геологической науки оказались в полном противоречии с эмпирическими данными. По этой причине её главные генетические положения не имеют доказательств, и она является набором предположений, которые не способствуют и даже мешают решению практических задач. Например, по существующим представлениям, алмазоносные кимберлитовые магмы
формировались в результате отделения выплавок в потоках (плюмах) всплывающего разогретого мантийного вещества. Эти потоки максимально распространены под океаническими областями, поэтому в них должны быть наиболее широко распространены месторождения алмазов. Однако ещё никому не удалось найти в океанах кимберлиты и связанные с ними алмазы.
Если следовать гипотезе о горячей гетерогенной аккреции Земли, генетические проблемы имеют принципиально другое решение, полностью согласующееся со всеми данными. При такой аккреции ядро образовалось раньше мантии в результате быстрого объединения железных частиц под влиянием магнитных сил, мощность которых была в миллиарды раз больше, чем гравитационных. Наглядно это иллюстрирует быстрое слипание намагниченных железных предметов, которые никогда не объединяются только под влиянием сил взаимного гравитационного притяжения. Солнце в это время находилось на эволюционной стадии Тау Тельца и имело магнитное поле, по мощности в тысячи раз превышающее современное. Оно сильно намагнитило железные частицы протопланетного облака после остывания его до температуры Кюри (770 °С).
Залегающая на железном ядре мантия возникла путём выпадения на него силикатных частиц. Их мощное импактное плавление обусловило на самой ранней стадии аккреции образование глобального магматического океана. Придонная часть океана кристаллизовалась под влиянием роста давления образующихся верхних частей. Кумулаты (осаждавшиеся кристаллы) формировали мантию, а остаточные расплавы - магматический океан (рис. 2).
Обстановки:
_ Возраст, мпрд л._ _
И- ИМРШ'СЕ'Ш'Ж'
Рис. 2. Схема образования различных геодинамических обстановок и магм:
1 - кислых, 2 - основных, 3 - анортозитовых, 4 - щёлочно-основных, 5 - щёлочно-ультраосновных карбонатитсодержащих, 6 - кимберлитовых, 7 - океанических и траппов, иногда содержащих ксенолиты ядра
1 Фугитивность (летучесть) - в физической химии параметр вещества, характеризующий его способность переходить из жидкого состояния в газообразное.
Небольшая глубина раннего магматического океана и пониженное значение силы тяжести на ещё небольшой по размеру Земле обусловили образование большого количества низкобарических остаточных расплавов: от кислых, богатых кремнекислотой, до бедных ею, основных. Это является причиной широкого распространения пород такого состава.
Всплывание и кристаллизация кислых расплавов привели к образованию коры континентов. Увеличение интенсивности аккреции и температуры океана обусловили эволюцию состава остаточных расплавов до ультраосновного, возникновение в океане соответствующих слоёв и обратного геотермического градиента в мантии. Вследствие такого градиента на ранней Земле отсутствовали конвекция в мантии и современные геодинамические обстановки. Последующие остывание и затвердевание глубинных слоёв океана привели к образованию мощной (до 300 км) литосферы континентов.
Природа раннедокембрийских кристаллических комплексов
Слагающие кору континентов раннедокембрий-ские (возрастом более 2,5 млрд лет) кристаллические комплексы обнажаются на древних щитах (Алданском, Анабарском, Украинском и др.). Обычно предполагается, что они образовались в результате метаморфизма (изменения под влиянием высокой температуры) оса-дочно-вулканогенных толщ, аналогичных современным. Однако при таком генезисе совершенно непонятны огромная продолжительность их образования (до 2 млрд лет), одинаковая во всём мире, очень высокая (800-850 °С) температура кристаллизации, отсутствие постепенных переходов в низкотемпературные толщи и множество других особенностей. По этой причине эти кристаллические комплексы иногда называли окаменевшей бессмыслицей.
Горячая аккреция Земли объясняет все эти особенности. При такой аккреции комплексы возникли путём погружения затвердевших и потому уплотнившихся приповерхностных частей магматического океана вместе с накопившимися на них осадочными породами, и всплывания на их месте подстилавших магм, обычно более основного состава. Это объясняет чередование в кристаллических комплексах магматических пород различной основности и гнейсов осадочного генезиса, отсутствие их постепенных переходов в низкотемпературные толщи, выдержанную во всём мире высокую магматическую температуру кристаллизации, присутствие только регрессивной (с понижением температуры) последовательности минералообразования, отсутствие признаков существования мощных (до десятков километров) перекрывающих толщ, с теплоизолирующим влиянием которых иногда связывают высокую температуру их минералообразования. Выщелачивание затвердевавших пород кислотными эманациями магматического океана является причиной преобладания среди пород осадочного происхождения кварцитов и высокоглиноземистых гнейсов. Огромный объём и значительная продолжительность остывания магматического океана обусловили большую
мощность этих комплексов (до десятков километров) и длительность их образования.
Всплывание полузакристаллизованных глубинных магм является причиной присутствия в них высокобарических (до 10-15 кб) минеральных парагенезисов. Идентичность гистограмм распределения температуры в безгиперстеновых и гиперстенсодержащих гнейсах [2] свидетельствует о том, что последние образовались не в наиболее высокотемпературной гранулитовой фации метаморфизма, как обычно принимается, а возникли из бедных водой магм. Это подтверждается переслаиванием безгиперстеновых и гиперстеновых гнейсов в одних и тех же обнажениях и отсутствием случаев развития гиперстена в несодержавших его породах.
Вследствие кристаллизации магматического океана сверху вниз, изотопный возраст пород в раннедокембрийских кристаллических комплексах также уменьшается сверху вниз. Это противоречит принятому в геологии принципу Стенона о более древнем возрасте нижележащих толщ и является одной из причин отсутствия убедительной схемы стратиграфии (последовательности образования) пород в этих комплексах. Отделение рудоносных эманаций из магматического океана привело к образованию большого количества месторождений. Огромный объём магматического океана (глубиной до 250 км) обусловил иногда уникально большие их запасы. Например, из месторождения Витватерсранд в Южной Африке добыто уже около 40 % всего извлечённого в мире золота. На месторождениях железистых кварцитов суммарная мощность рудных пластов иногда превышает километр. При горячей аккреции Земли наиболее крупные месторождения формировались на участках максимальной толщины верхнего кислого слоя магматического океана, поскольку в нём накопилось наибольшее количество летучих веществ, выносивших рудные компоненты. Это подтверждается большой мощностью кислого слоя под месторождением Витватерсранд.
Генезис и эволюция магматических пород
В гипотезе холодной гомогенной аккреции Земли образование магм объясняют отделением расплавов в частично расплавленных породах. Степень плавления предполагается небольшой (менее 15-20 %), так как при большой степени, выплавки отличаются по составу от природных магм. Однако вязкость слабоподплавлен-ных пород равна 1021-1022 пуаз (рис. 3). При такой весьма значительной вязкости выплавки способны всплыть всего на первые миллиметры [2] за весь период истории Земли (4,6 млрд лет), что не могло привести к магмооб-разованию. Это подтверждается отсутствием их перемещений в природном примере массового частичного плавления - мигматитах. В них выплавки не отделялись из гнейсов, подплавленных даже на 40 %.
При горячей аккреции Земли осаждение более плотных, чем расплав, кристаллов и минералов приводило к накоплению в нём кремнекислоты, щелочей и других расплавофильных компонентов. Магмы имеют в секстиллионы раз меньшую вязкость (обычно первые пуазы), чем слабоподплавленные породы. По
Рис. 3. Вязкость гранитных магм (ц, пуаз):
1 - стёкла, 2, 3 - рассчитанная по формулам Эйнштейна-Роскоу при неодинаковых и одинаковых размерах твёрдых шаров, 4 - астеносферы, 5 - земной коры, 6 - принятая.
L, % - содержание расплава
этой причине в них происходили массовые процессы дифференциации вещества путём осаждения кристаллизовавшихся минералов с формированием различных по составу остаточных расплавов. Всплывание их из различных слоёв магматического океана обусловило эволюцию магматизма древних платформ от кислого к щёлочно-основному, щёлочно-ультраосновному карбонатитсодержащему и кимберлитовому составу (см. рис. 2). Это объясняет происхождение, состав и последовательность образования магматических комплексов на древних платформах.
Всплывание больших объёмов остаточных расплавов основного слоя обусловило возникновение иногда гигантских месторождений платины, никеля и кобальта. Дифференциация пикритового слоя привела к образованию карбонатитовых остаточных расплавов. Значительная толщина этого слоя (около 80 км) и высокая степень его кристаллизации (больше чем на 99,9 %) обусловили гигантское накопление в карбонатитовых расплавах разнообразных расплавофильных рассеянных элементов - тантала, ниобия, скандия и др., содержащихся в других магматических породах в исчезающе малых количествах. По экспериментальным данным, при давлении более 25 кб (на глубине более 80 км) кар-бонатитовые остаточные расплавы становятся полностью смесимыми с силикатными, поэтому в придонном перидотитовом слое магматического океана возникали кимберлитовые остаточные расплавы. Их всплывание и выжимание привели к формированию кимберлитов.
Вследствие остывания и кристаллизации магматического океана сверху вниз средний возраст кимберлитов (236 млн лет) является значительно более молодым, чем карбонатитов (688 млн лет) и других магматических пород на древних платформах [2]. Алмаз в остаточных расплавах перидотитового слоя начал кристаллизоваться на ранних стадиях его фракционирования (около 3,5 млрд лет назад) вследствие накопления углерода, поскольку он почти не входил в состав кристаллизовавшихся минералов. Низкое содержание свободного углерода обусловило относительно небольшое количество алмазов (обычно меньше грамма на тонну) в кимберлитах.
Очень низкая вязкость перидотитовых расплавов (первые пуазы) обусловила большую скорость диффузии в них углерода. Поэтому он успевал достигать торцов слоёв роста кристаллов алмаза и присоединялся к ним, поскольку здесь обнажалось больше свободных ковалентных связей углерода, чем на гранях. В результате путём послойного тангенциального роста формировались идеальные острорёберные октаэдры алмаза с зеркально гладкими гранями. При фракционировании содержание кремния, алюминия и других многовалентных элементов в остаточных расплавах возрастало. Это приводило к увеличению их вязкости в тысячи раз, уменьшению скорости диффузии углерода и возрастанию степени пересыщения им расплава. Вследствие возникновения многих центров кристаллизации, на гранях уменьшалась площадь образующихся слоёв роста и формировались выпуклые полицентрические, блочные, слоистые и округло-ступенчатые октаэдры. В дальнейшем на месте рёбер и вершин возникали грани соответственно ромбододекаэдра и куба и формировались кристаллы такой морфологии. Тангенциальный послойный рост сменялся на радиальный, и на гранях формировались многочисленные скульптуры.
Выделение под влиянием сильного снижения давления на малоглубинных стадиях подъёма летучих компонентов из магм, приводило к затвердеванию верхних частей магматических колонн и их взрыву под влиянием высокого давления газов, законсервированного затвердеванием. Вследствие большого объёма взрывающегося вещества сила кимберлитовых эксплозий в тысячи раз превосходила силу атомных взрывов [2]. Это привело к формированию протяжённых кимберлитовых трубок, разнообразных брекчий и отсутствию излившихся на земную поверхность кимберлитовых лав.
Раздвижение континентальной литосферы под влиянием подъёма мантийных плюмов при формировании океанических областей обусловило отсутствие в этих областях кимберлитов, карбонатитов и кислых магматических пород. Всеземное распространение магматического океана является причиной присутствия кимберлитов на всех изученных древних платформах. Очень большая степень кристаллизации перидотитового слоя (более чем на 99,9 %) обусловила обычно очень небольшой объём кимберлитовых тел (десятые, сотые доли км3).
Образование кимберлитовых расплавов отражает время практически полного затвердевания магматического океана и появления возможности подъёма к
земной поверхности основных магм, располагавшихся под ним. Они формировались в результате декомпрес-сионного плавления при всплывании основных пород, возникших путём заполнения придонными расплавами синаккреционного магматического океана импактных углублений, возникавших на его дне при падении крупных тел. Эти основные магмы сформировали огромные объёмы (до миллионов км3) траппов (см. рис. 2). Такое происхождение объясняет близость возраста траппов и кимберлитов. В наиболее ранних телах основных пород в мантии иногда присутствовали обломки земного ядра. Это обусловило находки в траппах крупных (до десятков тонн) тел никелистого железа.
Резкое возрастание интенсивности геологических процессов примерно миллиард лет назад свидетельствует о начале в мантии конвекции, изначально ставшей результатом её прогрева на тысячи градусов более горячим ядром. Ядра других планет земной группы не смогли прогреть их мантии вследствие значительно меньшего размера. Это объясняет, казалось бы, удивительное отсутствие на них чётких признаков проявления плитной тектоники и современного вулканизма. Под влиянием растекавшегося вещества всплывавших горячих струй, на Земле происходило раздвижение литосферы континентов и образование океанических и субдукционных областей. В последних происходит погружение океанической коры. Интенсивный магматизм этих областей обусловлен фрикционным, а в дальнейшем - декомпрессионным плавлением при подъёме дифференциатов магматического океана в континентальной литосфере и веществе плюмов. Это подтверждается близостью состава возникающих магм с диф-ференциатами магматического океана, неразрывной связью процессов магмобразования с тектоническими движениями, часто очень высокими (до 0,730) начальными отношениями изотопов стронция в субдукционных магматических породах, указывающими на длительное существование исходных субстратов магм. Большую эффективность фрикционного плавления демонстрирует интенсивный современный вулканизм на небольшом спутнике Юпитера (Ио). На нём деформации недр под влиянием переменного гравитационного притяжения то приближающихся, то удаляющихся других спутников
Юпитера привели к извержению около четырёхсот вулканов и появлению озёр лавы размером до 200 км.
Подъём глубинного вещества сопровождается западным дрейфом континентов под влиянием силы Ко-риолиса. Это объясняет развитие зон субдукции преимущественно на западном побережье Тихого океана и частичное надвигание американского континента на его срединно-океанический хребет. При фрикционном происхождении магматизм на западном побережье Тихого океана должен быть более масштабным, чем на восточном, особенно в экваториальной области, где влияние силы Кориолиса наиболее мощное. Это полностью подтвердилось результатами изучения распространённости крупных действующих вулканов [4]. На западном побережье Тихого океана находится 133 вулкана, в экваториальной области их количество на единицу длины побережья в 2,5 раза больше, чем в высоких широтах, а восточном побережье находятся только 42 вулкана.
Таким образом, полученные доказательства горячей гетерогенной аккреции Земли объясняют все особенности происхождения, эволюции и рудоносности различных её пород. Это свидетельствует о перспективности использования полученных результатов для решения задач геологии. Они подтверждают полузабытые представления классиков геологии Н. Л. Боуэна, П. Эскола, А. Н. Заварицкого и других о ведущей роли магматического фракционирования в формировании многообразия пород Земли.
Список литературы
1. Рингвуд, А. Е. Происхождение Земли и Луны / А. Е. Рингвуд. - М. : Недра, 1982. - 294 с.
2. Шкодзинский, В. С. Глобальная петрология по современным данным о горячей гетерогенной аккреции Земли / В. С. Шкодзинский. - Якутск : Изд. дом СВФУ, 2018. - 244 с.
3. O'Neil, H. S. Oxygen fugacity and siderophile elements in the Eart's mantle: implications for the origin of the Earth // Meteoritics. - 1990.- V. 25. - P. 395.
4. Уокер, Д. Вулканы /Д. Уокер. - Тула : Фламинго, 1996. - 32 с.
ятт №утъ1хш1сяш
Тот, кто приступает к изучению наук, должен быть молодым и скромным, иметь хорошее здоровье, быть нравственным и воспитанным, принципиальным, далёким от хитрости и обмана и воздерживаться от дурных поступков.
Аль-Фараби
Для того, кто не знает, в какую гавань плыть, попутного ветра не бывает.
Сенека
