CC BY
21ПРОИСХОЖДЕНИЕ МАГМ ПО СОВРЕМЕННЫМ ДАННЫМ О «ГОРЯЧЕМ» ОБРАЗОВАНИИ ЗЕМЛИ
Владимир Ст епанович
доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института геологии алма за и благородных мет аллов СО РАН..
Происхождение магм издавна привлекает внимание исследователей, поскольку с возникшими из них магматическими породами связаны месторождения многих важнейших полезных ископаемых. Процессы маг-мообразования недоступны для непосредственного наблюдения. Поэтому представления о них всегда были тесно связаны с общим уровнем развития геологических наук и особенно с взглядами на происхождение Земли.
В девятнадцатом столетии господствовали идеи Канта и Лапласа об огненно-жидком образовании нашей планеты. Тогда предполагали, что недра ее расплавлены, и в них вечно существуют магмы. В начале прошлого века геофизическими методами было установлено преимущественно твердофазное состояние вещества земной коры и мантии. Поэтому очень широкое распространение получила гипотеза О.Ю. Шмидта о «холодном» формировании нашей планеты. В со-
В. С. Шкодзинский
ответствии с этой гипотезой утвердилось мнение, что магмы образуются путем отделения выплавок в глубинных породах, подплавленных на 0,1-10,0% в результате радиогенного тепловыделения. Однако в настоящее время этому предположению противоречат многие фактические данные.
Оказалось, например, что вязкость широко распространенных под океанической литосферой подплав-ленных мантийных пород (астеносферы) очень высока: 1018 - 1020 Пас. При такой величине этого параметра капли расплава всплыли бы в мантии за все время существования Земли (4,56 млрд. лет) всего на несколько миллиметров, что не могло привести к магмообразованию.
Разделение расплава и твердой фазы при плавлении мантийных перидотитов (богатых магнием и бедных кремнекислотой пород), по экспериментальным данным, происходит при переходе в расплав более 40% их объ-
На фот о вверху - «Извержение Ньямулагира, одного из двух действующих вулканов на террит ории Демократической Республики Конго, сопровождает ся сходом жидкой базальт овой лавы. Скорость пот ока обычно достигает десятков км/час. Но бывали случаи, когда лава "разгонялась" идо 100 км/час» (Гео. ? 2005. ? № 5. ? С. 94?96).
Прот опланетный диск[www.vokrugsveta.ru].
ема [1]. Однако в природных условиях столь высокая степень плавления перидотитов в мантии не установлена. Кроме того, расплав, образованный таким путем должен быть намного богаче МдО, чем природные магмы.
Изучение подплавленных осадочных пород земной коры ? анатектических мигматитов ? свидетельствует, что расплав в них не отделялся даже при 30-40%-ном его содержании [2]. С позиций гипотезы выплавления не удается убедительно объяснить происхождение богатых кремнекислотой (кислых) магм, континентальной коры, а также закономерности эволюции магматизма на Земле.
В настоящее время появились данные, анализ которых показывает ошибочность представлений о «холодном» формировании Земли. Так, в результате полетов на Луну было установлено наличие на ней состоящей из плагиоклаза анортозитовой коры мощностью до 10о км. Такая кора может образоваться только из слоя расплава толщиной не менее 1000 км. Эти и другие данные свидетельствуют о «горячем» образовании планет земной группы вследствие сильного разогрева их вещества под действием импактного (ударного) тепловыделения при аккреции (объединении исходных частиц), о существовании на ранних этапах эволюции планет глобальных океанов магмы глубиной в сотни и даже тысячи километров. Существует множество доказательств важной роли магнитных сил в образовании железных ядер планет [3, 4, 5].
Расчеты и анализ данных по составу железных метеоритов показали высокую температуру и очень раннее начало аккреции их родительских тел. Это свидетельствует о том, что при образовании Земли сначала сформировалось железное ядро в результате объединения в протопланетном облаке частиц железа, намагниченных при движении в магнитном поле Солнца [2, 3, 5]. Раннее формирование ядра обусловлено тем, что скорость объединения вещества магнитными силами в двадцать тысяч раз больше, чем гравитационными [3]. Быстрое образование ядра определило изначально высокую его температуру (до 4000?С).
В дальнейшем под действием гравитационных сил на ядро выпадал силикатный материала. Он был представлен веществом протопланетного диска (пылевидными частицами и продуктами их объединения ? планете-зималями). При падении силикатный материал разогре-
дались, образуя осевшими кристаллами) (рис.1
вался в результате импактного тепловыделения и плавился, образуя слой силикатного расплава, мощность которого постепенно увеличивалась. С течением времени повышалась также его температура вследствие укрупнения выпадавших планетезималей и уменьшения удельных теплопотерь на излучение. Так формировался глобальный магматический океан.
По мере увеличения давления новообразованных верхних частей в придонном слое магматического океана происходила магматическая дифференциация (кристаллизация и гравитационная отсадка образующихся кристаллов). Сначала кристаллизовались наиболее высокотемпературные минералы. Имея больший по сравнению с расплавом удельный вес, они постепенно осаж-кумулаты (породы, образованные Они формировали ман-
тию. Менее плотные остаточные расплавы постепенно обогащались литофильными компонентами (БЮ2, КО, А12О3), характерными для континентальной земной коры, и всплывали. При достижении земной поверхности остаточные расплавы теряли часть содержащихся в них летучих компонентов (НО, СО, С1 и др.). Это явилось причиной обеднения ими пород мантии и возникновения на Земле атмосферы и гидросферы.
Небольшая часть остаточных расплавов сохранялась в промежутках между кристаллами и при уплотнении последних под действием растущего давления частично отжималась и формировала в мантии эклогиты (богатые кальцием и железом основные породы), более легкоплавкие по сравнению с кумулатами. Исходные расплавы эклогитов образовались вследствие фракционирования при небольшом давлении в раннем магматическом океане, имеющем еще незначительную глубину. Это обусловило повышенное содержание в них кремне-кислоты и железа. Сформированные из таких расплавов породы широко распространены и получили название толеитов.
Расчеты показали, что с увеличением размера Земли вследствие возрастания интенсивности процессов аккреции и, следовательно, глубины магматического океана, изменялся состав образующихся остаточных расплавов [2, 5]. Они перемещались на глубину, соответствующую их плотности, обусловливая расслоение магматического океана [2]. Состав его изменялся от пе-ридотитового в нижней части до кислого в верхней (см. рис. 1). Это определило основные особенности процессов образования и состава геосфер, а также эволюции Земли.
После завершения аккреции магматический океан имел глубину около 240 км, и в нем происходили процессы затвердевания. Если в период аккреции главной причиной кристаллизации магматического океана был рост давления новообразованных верхних частей, то после ее завершения такой причиной стало остывание. Разница плотности верхнего кислого и нижнего перидотитового слоев магматического океана была значительной (от 2,3
100 -
го
X
ю
200 -
300 -
Кислый Основной
Пикритовый
ши
\
о.
________
Перидотитовый
\
Кумулаты
-г
3 2 Возраст, млрд. лет
1 О I 2 I 1 I 3 V I 4 о 5
6
Рис. 1. Схема кристаллизации постаккреционного расслоенного магматического океана и эволюции
магматизма на континентах. Состав магм и их интрузий: 1 - кислый; 2 - субщелочной; 3 - анорт озит овый; 4 - щелочно-ультра-основной; 5 -лампроит овый; 6 - кимберлит овый.
до 2,8 г/см3). Поэтому охлаждавшиеся и становящиеся несколько плотнее кислые расплавы верхнего слоя океана не могли превзойти по плотности расплавы его нижних горизонтов. Вследствие этого обширных конвективных потоков не возникало. Остывшие расплавы опускались лишь до подошвы относительно однородного по составу слоя, и конвекция была локальной. Это сильно замедляло охлаждение магматического океана, и происходило оно преимущественно путем кондуктивных теплопотерь [2, 5].
В первые 450 млн. лет вследствие еще высокой температуры в магматическом океане процессов кристаллизации расплава почти не происходило, что объясняет отсутствие в земной коре пород древнее 4 млрд. лет и следов завершившей аккрецию интенсивной метеоритной бомбардировки планеты [2]. Кристаллизация верхнего кислого слоя происходила с образованием различных гранитов и ортогнейсов (богатых кремнекислотой пород соответственно с неориентированным и ориентированным расположением кристаллов минералов) (см. рис. 1). Эти процессы объясняют казавшееся непонятным происхождение мощной (30 -40 км) кислой кристаллической коры, которая в настоящее время залегает на континентах.
Убедительно объяснить происхождение кислой коры с позиций господствующей в настоящее время гипотезы выплавления невозможно, так как многочисленные экспериментальные данные показывают, что в мантии вследствие высокого давления не могут фор-
мироваться кислые расплавы при частичном плавлении ее ультраосновных пород. Процессы кристаллизации кислого слоя объясняют массовое образование гранитоидов на континентах 3,0 - 1,8 млрд. лет назад.
Обособление остаточных расплавов в кристаллизовавшихся ортогнейсах приводило к повсеместному развитию в них автохтонного (неперемещенно-го) гранитного материала, что объясняет происхождение «региональной гранитизации» этих пород без предположения о существовании нереальных процессов привноса кремнекислоты и щелочей из мантии и ядра. Это решает проблему «гранитизации докембрия», более столетия являвшуюся предметом острой дискуссии.
При формировании гранитоидов широкое распространение имели процессы декомпрессионно-фрикционного переплавления полузатвердевших частей кислого слоя магматического океана. Как показал анализ рассчитанных автором данной статьи Р-Т диаграмм фазовой эволюции кислых магм с учетом действия всех основных факторов (декомпрессии, фрикционного тепловыделения, теплоотдачи во вмещающие породы и теплозатрат на плавление, отделение и расширение флюидной фазы), всплывание и выжимание этих полузатвердевших частей приводило к их переплавлению и преобразованию в магмы в результате снижении давления (декомпрессии) и выделения тепла трения вязкого течения (фрикционного тепловыделения) [2].
В залегающем глубже, бедном кремнекислотой, но богатом кальцием и железом, основном слое магматического океана дифференциация вещества происходила в условиях более высокого давления (см. рис. 1). Экспериментальные данные показывают, что такие процессы сопровождаются накоплением в остаточных рас-
После извержения вулкана Килауэа. Гавайи [www.brountrout.com. ?2001].
о
О I
4
1
0
1
плавах щелочей. Это объясняет появление 2,6 млрд. лет назад значительного количества магматических пород с повышенным содержанием щелочей (сиенитов, монцонитов, рапакиви и др.) [6]. При кристаллизации основного слоя выделявшийся известково-натровый алюмосиликат - плагиоклаз - чаще всего всплывал вследствие небольшого удельного веса. Выжимание под действием тектонических напряжений еще не затвердевшей «каши» кристаллов этого минерала в земную кору объясняет образование только 2,8 -1,0 млрд. лет назад автономных (не совмещенных с другими магматическими породами) анортозитов, сложенных в основном плагиоклазом.
Бедный кремнекислотой пик-рит овый слой, залегающий под основным, кристаллизовался с образованием наиболее богатых магнием и щелочами щелочно-ультраосновных остаточных расплавов и магматических пород (см. рис. 1). Это явилось причиной относительно позднего (2,3 млрд. лет назад) появления таких пород в истории Земли [6]. Еще позже (примерно 2 млрд. лет назад) в основании пикритового слоя начали формироваться и внедряться в земную кору лампроитовые магмы, богатые щелочами и титаном и содержащие иногда алмаз.
Особый интерес представляет время проявления карбонатитового и кимберлитового магматизма, так как расплавы такого состава формировались на заключительном этапе фракционирования перидотит ового слоя (см. рис. 1). Прекращение этого магматизма означало бы полное завершение процессов фракционирования магматического океана. Однако на самом деле произошло резкое возрастание интенсивности карбонатитового и кимберлитового магматизма в течение последних 500 млн. лет и накопление в карбонатитах расплаво-фильных химических компонентов. Это свидетельствует о том, что процессы фракционирования остатков магматического океана в основании континентальной литосферы (относительно холодной жесткой верхней оболочки) продолжаются и в настоящее время. Температура здесь все еще превосходит ее значение, необходимое для полного затвердевания карбонатито-вых и кимберлитовых расплавов. В связи с постоянным присутствием этих остаточных расплавов для формирования карбонатитов и кимберлитов необходимы лишь мощные тектонические процессы деформации континентальной литосферы, приводящие к появлению в ней зон растяжения и к выжиманию по ним наиболее пластичных нижних ее частей. Кимберлиты являются главным источником алмазов, что обусловлено зарождением их магм в наиболее глубинном слое магматического океана. Главная масса этих пород сформировалась наиболее поздно в истории Земли (500 - 10 млн. лет назад),
Излияние базальт овой лавы при извержении вулкана Ол-Дойньо-Ленгаи. Вост очно-Африканская зона разломов. Танзания [National Geographic. - Май 2006. - С.18-19].
что связано с длительным остыванием самых нижних частей магматического океана.
■ Таким образом, все особенности магматизма континентальных областей Земли полностью объясняются на основе модели кристаллизации и фракционирования постаккреционного магматического океана.
Большая часть поверхности Земли ? это области, занятые мировым океаном. Природу магматизма в них невозможно понять без учета мантийной конвекции. Формирование такой конвекции обусловлено более высокой температурой ядра по сравнению с мантией, что подтверждается существованием на их границе скачка температуры в 1000 - 2000?С, установленного по геофизическим данным [7].
Постоянный подогрев мантии ядром приводит к тому, что горячее и потому менее плотное ее вещество всплывает, порождая огромные восходящие потоки мантийного вещества, направленные к поверхности Земли. Начало массового формирования основных магматических пород 3,7 ? 3,5 млрд. лет назад свидетельствует о возникновении в это время первых конвективных потоков вещества из нижней мантии.
Формирующиеся в мантии крупные скопления горячего материала, в отличие от мелких капель расплава, всплывают относительно быстро (со скоростью до метров в год) и, имея колоссальную динамическую массу, преобразуют верхние сферы Земли. Они раскалывают континенты и раздвигают их части, приводят к перемещению литосферных плит, образованию и закрытию океанов, к формированию океанической коры, отличной по составу от континентальной, к возникновению землетрясений, горных хребтов, впадин и вулканов.
В поднимающихся конвективных потоках горячего мантийного вещества происходит колоссальное снижение давления. Это приводит к массовому плавлению
наиболее легкоплавких основных пород этого материала ? эклогитов. Возникающая в верхней мантии в результате плавления эклогитов астеносфера в океанах начинается на сравнительно небольшой глубине (5 - 50 км) (рис. 2). Тела расплавов в ней (магматические очаги) вследствие высокой подвижности и пониженной плотности легко выжимаются и всплывают в верхние части литосферы при тектонических деформациях последней. Это объясняет наиболее массовое распространение основных магматических пород в океанических областях и в районах континентов, под которыми происходил подъем мантийного материала.
Декомпрессионное плавление экло-гитов в поднимающихся потоках горячего мантийного вещества происходит быстро, в отличие от обычно предполагаемого обособления выплавок в породах. Это объясняет образование из основных магм за короткое, по геологическим масштабам, время гигантского объема траппов (мощных покровов основных пород) в зонах континентального и океанического рифтогенеза, предопределившего начало раскола литосферных плит [5]. С излиянием примерно за 1 млн. пет большой массы (около 2,5 млн. км3) сибирских траппов связана крупная экологическая катастрофа, вызванная выделившимися при этом сернистыми газами. Вследствие отравления ими около 250 млн. лет назад вымерло более 90% видов животных и растений на Земле.
По современным данным, образование начинается в местах длительного подъема
Вулкан Этна [astronet.ru].
Рис. 2. Схема образования магм и эволюции магматизма в океанических областях: 1 - очаги т олеит овых магм в аст еносфере; 2- недифференцированные магмы срединно-океанических , I хребт ов; 3 ?дифференцированные т олеит овые магмы океанических островов; 4 - щелочно-основные магмы абиссальных океанических равнин и внешних магматических поясов зон субдукции; 5-дацит-андезит-базальт овые магмы внутренних субдукционных вулканических поясов; 6 - направление движения вещества в мантии.
океанов поверхности восходящих мантийных потоков. Здесь фор-к земной мируются срединно-океанические хребты и молодая
океаническая кора. Плиты океанической литосферы, увлекаемые растекающимся под ней горячим веществом, движутся в сторону континентов и в конце концов погружаются под них в зонах субдукции (поддвига) (см. рис. 2). Поэтому дно океанов постепенно обновляется и сложено относительно молодыми породами (не старше первых сотен миллионов лет).
Над центральными частями поднимающихся конвективных струй очаги толеитовых магм в астеносфере не успевали остыть, поэтому были наиболее высокотемпературными и почти не подвергались процессам кристаллизации. Это объясняет массовое развитие не содержащих ранних кристаллов недифференцированных толеитовых лав в срединно-океанических хребтах (см. рис. 2). По мере продвижения астеносферных
потоков и растекания к краевым частям океанов содержащиеся в них очаги толеитовых магм постепенно кристаллизовались вследствие их остывания и роста давления океанической литосферы, постепенно утолщавшейся в результате накопления на ней магматических и осадочных пород.
Гравитационная отсадка кристаллов в залегающих на небольшой глубине (10 - 20 км) очагах магм привела к увеличению содержания кремнекислоты и железа в их остаточных расплавах и объясняет происхождение дифференцированных (с варьирующим составом) толеитовых серий магматических пород, характерных для океанических островов, умеренно удаленных (на сотни километров) от срединно-океанических хребтов. На большем расстоянии от последних очаги магм располагались под толстой океанической литосферой. Поэтому они кристаллизовались при более высоком давлении, что привело к интенсивному накоплению щелочей в остаточных расплавах вследствие кристаллизации и отсадки граната. Он не содержит щелочей и наиболее устойчив при высоком давлении. Это является причиной образования щелочно-основных магматических серий, типичных для абиссальных океанических равнин.
В зонах субдукции, примыкающих к континенту, холодная океаническая литосфера, погружаясь, понижала температуру толеитовых магматических очагов в астеносфере. В результате их частичной малоглубинной кристаллизации и дифференциации формировались дацит-андезит-базальтовые магматические серии внутренних вулканических поясов (см. рис. 2). Эти породы в среднем значительно богаче кремнекислотой и железом, чем магматические породы других океанических областей, что обусловлено более полной кристаллизацией и дифференциацией магматических очагов в астеносфере вследствие интенсивного охлаждения их океанической литосферой. В более глубоких частях астеносферы в результате кристаллизации магматических очагов в условиях высокого давления возникали щелочные остаточные расплавы и формировались щелочные и близкие к ним по составу породы внешних магматических поясов зон субдукции.
При движении плит над особенно крупным магматическим очагом в астеносфере периоди- Ш
чески поднимавшиеся магмы формировали цепь магматических £ т ж тел, возраст которых закономерно изменяется по их простиранию. Такое происхождение имеет магматизм «горяч их точек». Его обычно связывают с подъемом от ядра узких не изменяющих своего положения струй очень горячего вещества. Однако магмы «горячих точек» не имеют признаков высокой температуры, поскольку, в отличие от магм срединно-океанических хребтов, содержат ранние кристаллы (вкрапленники) и иногда формируют относительно низкотемпературные кислые и щелочные породы.
Изложенное выше показывает, что магмы океанических островов, абиссальных равнин и зон субдукции возникали путем дифференциации очагов основных магм в астеносфере. Существование таких процессов подтверждается полученными недавно изотопными данными о формировании геохимической неоднородности исходного вещества магм в океанических областях за счет процессов магматической дифференциации, происходивших примерно за 100 млн. лет до формирования магматических пород [8].
Таким образом, молодая Земля была горячей, хотя ее вещество и не было в состоянии плазмы, как предполагалось в ранних гипотезах происхождения нашей планеты. Имеющиеся геофизические данные о преимущественно твердофазном состоянии вещества земных недр относятся к настоящему периоду и не отражают их состояния в прошлом. На всех главных этапах геологической эволюции Земли в ее недрах существовали расплавы магматического океана. Они легко выжимались и всплывали по зонам растяжения, возникавшим при тектонических деформациях литосферы. Поэтому для объяснения процессов формирования магм нет необходимости предполагать существование нереальных процессов отделения выплавок из слабо подплавленных глубинных пород. В отличие от гипотезы «холодной» аккреции нашей планеты, современные представления о существовании на Земле глобального магматического океана полностью объясняют происхождение магм, основные особенности размещения и состава магматических пород и эволюции процессов магматизма.
Сохраняющаяся и в настоящее время очень высокая температура ядра Земли (около 4000°С) обусловливает значительную тектоническую и магматическую активность нашей планеты по сравнению с небольшими планетами земной группы, которые относительно быстро остыли. Поэтому на поздних этапах эволюции магматические процессы на них почти прекратились.
Рис. 3. Вулкан Олимпус. Марс [www.brountrout.com. ?2001].
Проявление вулканизма в прошлом в самых разнообразных формах обнаружено на Луне, Марсе, Венере с помощью межпланетных зондов. Ярким примером является Луна, масса которой в 81 раз меньше земной. Интенсивные процессы магматизма на ней происходили 4,5 - 3,8 млрд. лет назад и завершились примерно 3,1 млрд. лет назад [5]. На поверхность Луны изливалась базальтовая лава, образовавшая лунные «моря» ? темные участки, видимые с Земли даже без телескопа.
На более крупном Марсе (0,107 массы Земли) процесс формирования магматических пород продолжался значительно дольше. Об этом свидетельствуют сохранившиеся на нем потухшие вулканы, являющиеся самыми высокими в Солнечной системе. Наиболее крупный из них - Олимпус. Его высота 25 км, диаметр в основании 624 км (рис. 3). Такие гигантские размеры этого вулкана связаны с небольшим тяготением на Марсе (в 2,6 раза меньше земного). Поэтому процессы гравитационного расползания накапливавшегося изверженного вещества на этой планете были замедлены по сравнению с Землей.
Лит ерат ура
1. Arndt N.T. The separation of magmas from partially molten peridotite //Carnegie Inst. Wash. Yearb. - 1977. -V. 76. - P. 424-428.
2. Шкодзинский В.С. Фазовая эволюция магм и пет -рогенезис. - М.: Наука, 1985. -232 с.
3. Harris P.G., Tozer D.C. Fractionation of iron in the Solar system // Nature. - 1967. - V. 15, № 5109. -P. 1449-1451.
4. Snyder G.A., Borg L.E., Nyquist L.E., Taylor L.A. Chronology and isotopic constrains on Lunar evolution // The origin of the Earth and Moon - Univ. of Ariz. Pres, 2000. -P. 361-395.
5. Шкодзинский В.С. Проблемы глобальной пет ро-логии. - Якут ск: Сахаполиграфиздат, 2003. -240 с.
6. Магматические горные породы. Эволюция магматизма в ист ории Земли // О.А. Богатиков, С.В. Богданова, А.М. Борсук и др. - М.: Наука, 1987. - С. 438.
7. Bukowinskii M.S.T. Taking the core temperature // Nature. -1999. - № 2. - P. 433-433.
8. Костицин Ю.А. Взаимосвязь между химической и изот опной (Sr, Nd, Hf, Pl) гетерогенностью мантии // Геохимия. ?2007. ? № 12. ? С. 1267? 1291.
История геологической науки Якутии: Юбилейный сборник /
Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН / B.C. Шкодзинский (отв. редактор), М.Д. Томшин, Ю.А. ЖДанов, А.П. Смелов, J1.И. Полу-фунтикова (секретарь). -Якутск: Изд-воЯНЦ СО РАН, 2007. -244 с. + вкл.
Перед Институтом геологии алмаза и благородных металлов СО РАН стоят важные задачи: детальное изучение месторождений алмаза, золота, серебра, платины, научный прогноз открытия новых месторождений, разработка современных технологий использования алмаза. Решение этих задач требует широкого применения современных тонких методов анализа горных пород и минералов и компьютерных технологий, опирающихся на глубокие знания региональной геологии и геодинамические модели формирования структур земной коры и верхней мантии Земли.
