Происхождение мантии по современным данным о горячем образовании Земли

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2010, №3

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 552.1

Происхождение мантии по современным данным о горячем образовании Земли

B.C. Шкодзинский

Выполненный анализ показал, что широко распространенные представления об изменениях состава мантийных пород в результате метасоматических процессов и отделения выплавок находятся в противоречии с имеющимися эмпирическими данными. Показано, что по современным представлениям о горячем образовании Земли мантия образовалась в результате процессов фракционирования глобального океана магмы. Изменение состава остаточных расплавов при фракционировании объясняет присутствие в мантии пород с различным содержанием расплавофиль-ных компонентов. Большинство магм континентальных областей сформировалось из остаточных расплавов магматического океана.

Ключевые слова: мантия, магмы, магматический океан, магматическое фракционирование.

It was established that number date contradict to hypothesis of mantle rocks changes as a result of metasomatism and of melt separation. According to modern date mantle rocks were formed as a result of global magma ocean fractionation. These processes dependent on different rock composition in the mantle. Majority of continental magmas were formed as a result of residual melt ascending.

Key words: mantle, magmas, magma ocean, magma fractionation.

В мантии сформировалось большинство континентальных и океанических магм, с которыми связаны многие крупные месторождения важнейших полезных ископаемых - алмаза, редкоземельных элементов, цветных и благородных металлов. Для выяснения их генезиса и закономерностей распространения и решения большинства вопросов петрологии магматических пород основополагающее значение имеет установление происхождения мантии. Однако ее генезис обычно не рассматривается даже в работах, посвященных изучению мантийных процессов. Это связано с отсутствием до сих пор убедительного объяснения многих особенностей мантийных пород. Так, в свете господствующей в геологии гипотезы холодной аккреции Земли мантия сначала была холодной. Но в этом случае трудно понять, почему минеральные параге-незисы в мантийных ксенолитах являются высокотемпературными и почему в них постоянно присутствуют признаки постепенного снижения температуры мантии (распад высокотемпературных твердых растворов, замещение высокотемпературных минералов низкотемпературными).

ИГАБМ СО РАН, shkodzinskiy@diamond.ysn.ru.

По гипотезе холодной аккреции в мантии не происходили процессы глобального магматического фракционирования. Поэтому предполагается, что все вариации состава ее пород обусловлены протеканием поздних процессов метасоматоза, которые привели к обогащению ее пород некогерентными химическими компонентами и отделением выплавок при магмообразовании, обусловившим обеднение их этими компонентами. Однако в мантии вследствие очень больших величин температуры и давления не могут существовать открытые трещины и поры, необходимые для движения жидкостей. Содержание летучих компонентов в подавляющем большинстве мантийных пород крайне мало - сотые - десятые доли процента. Поэтому в мантии нет источников летучих компонентов, необходимых для интенсивного протекания метасоматических процессов. Крайне низкие скорости диффузии химических компонентов в твердых средах [1] противоречат широко распространенным предположениям о смешении вещества различных по составу мантийных резервуаров при магмообразовании [2].

Исключительно высокая вязкость мантии (10181024 пуаз) не позволяет предполагать существование процессов всплывания капель расплава и флюида при формировании магм. Как показали

расчеты [3], при такой высокой вязкости капли расплава за всю историю Земли (4,56 млрд. лет) способны всплыть только на первые миллиметры. Поэтому подобные процессы не могут привести к магмообразованию. Это согласуется с ав-тохтонностью анатектического жильного материала в мигматитах даже при содержании 30-40 %, а также с экспериментальными данными [4], свидетельствующими о начале разделении расплава и твердых фаз при плавлении перидотита лишь более чем на 40%, после разрушения в нем кристаллического каркаса. Таким образом, основанная на гипотезе холодной аккреции Земли система предположений о природе мантийных процессов находится в грубом противоречии с большим количеством данных, что тормозит решение многих петрологических проблем.

Полученные в последние десятилетия доказательства горячей аккреции планет земной группы и существовании на них глобальных океанов магмы [5, 6] принципиально по-новому решают главные проблемы петрологии мантии и объясняют все ранее непонятные явления. Выполненный анализ [3] показал, что при аккреции Земли сначала сформировалось высокотемпературное железное ядро в результате очень быстрого слипания намагниченных железных частиц. Выпадавший затем силикатный материал плавился в результате преимущественно импактного тепловыделения и формировал глобальный магматический океан. По мере роста Земли его придонная часть кристаллизовалась и фракционировала под влиянием увеличения давления новообразованных верхних частей. Кумулаты и захороненные среди них расплавы после полного компрессионного затвердевания сформировали соответственно ультраосновные породы и эклогиты, что объясняет генезис этих наиболее распространенных в мантии пород. Остаточные расплавы всплывали, обогащали магматический океан расплавофильными компонентами

от нижних его частей к верхним и возникновение в нем расслоенности по составу.

В начале образования мантии, вследствие минимального среднего размера падавших силикатных частиц и небольшой скорости аккреции, температура и давление на дне океана были небольшими (менее 0,5 - 1,01 Па). Это привело к формированию низкобарических толеитовых и кислых остаточных расплавов. Более тяжелые основные (до пикритовых) расплавы располагались в придонной части океана и частично захоронялись среди кумулатов с формированием эклогитов. Толеи-товый состав большинства этих пород объясняет исключительно широкое распространение на Земле толеитовых базитов и их дифференциатов.

Вследствие значительного увеличения плотности сверху вниз (от 2,2 до 2,8 г/см3) в расслоенном магматическом океане со средней глубиной около 240 км при остывании после прекращения аккреции не возникали обширные, от подошвы до кровли, конвективные потоки, поэтому он очень медленно остывал, кристаллизовался и фракционировал сверху вниз преимущественно в результате кондуктивных теплопотерь. Выполненные расчеты показали, что массовые процессы кристаллизации и фракционирования магматического океана закончились в конце протерозоя [3]. Судя по резкому возрастанию в течение последних сотен миллионов лет интенсивности наиболее низкотемпературного и глубинного карбонатитового и ким-берлитового магматизма и содержания в карбо-натитах наиболее низкотемпературных расплаво-фильных химических компонентов, тела последних остаточных расплавов магматического океана до сих пор продолжают кристаллизоваться и дифференцироваться в основании континентальной литосферы. Это связано с тем, что температура в подошве континентальной литосферы (700 - 800°С при 4-5 ГПа) все еще выше, чем температура солидуса богатых водой кимберлитовых и карбо-натитовых расплавов (550 - 650°С).

Таким образом, существуют две разновидности мантии. Ранняя мантия сформировалась из магматического океана в процессе аккреции и располагается глубже постаккреционной мантии. Последняя в настоящее время слагает континентальную литосферу. Синаккреционная мантия начинается от ядра и продолжается до континентальной и океанической литосферы. В ней происходят процессы конвекции в результате подогрева ее изначально горячим ядром.

Вследствие возрастания температуры земной поверхности в процессе аккреции глубина магматического океана постепенно увеличивалась от первых до примерно 240 км. Поэтому вещество синаккреценного океана фракционировало в среднем при меньшем давлении, чем постаккреционного. Пониженное давление приводило к более широкой устойчивости и к большим масштабам отсадки оливина при фракционировании синаккре-ционного магматического океана. Оливин намного беднее кремнекислотой, чем пироксены и гранат. Поэтому его отсадка приводила к более интенсивному накоплению кремнекислоты в остаточном расплаве, чем при отсадке других минералов. Это должно было обусловить большее содержание кремнекислоты во многих породах си-наккреционной мантии по сравнению с постаккреционной.

Действительно, изучение опубликованных данных по составу около двухсот мантийных ксенолитов в океанических базальтах, характеризую-

О ГОРЯЧЕМ ОБРАЗОВАНИИ ЗЕМЛИ

Рис. 1. Соотношение содержания MgO и БЮ, в ксенолитах дунитов (Д), пироксенитов (П), эклогитов (Э) и фло-гопитсодержащих пород (М) из континентальной мантийной литосферы (КМ) и из мантии океанических областей (ОМ). Между линиями П и Д поле лерцолитов. Составы: КА - карбонатитов, КИ - кимберлитов, Л -лампроитов, СХ - базальтов срединно-океанических хребтов, ОЛ - базитов океанических островов. По данным [7 - 9]

щих океаническую мантию, и в кимберлитах, отражающих состав континентальной литосферы, показало, что породы мантии под океанами отчетливо богаче кремнекислотой, чем под континентами (рис. 1,2). Эта разница особенно велика между производными океанической мантии, базальтами срединно-океанических хребтов и дифферен-циатами континентальной мантийной литосферы - кимберлитами и карбонатитами. При образовании магм последних в процессе фракционирования перидотитового слоя постаккреционного магматического океана при повышенной доле угле-

кислоты (более 60%) в летучей составляющей содержание кремнекислоты в остаточном расплаве резко уменьшалось [3]. Поэтому разница между количеством этого химического компонента в карбонатитах и базальтах достигает 40% (рис. 1).

Для маломагнезиальных пород континентальной литосферной мантии характерно пониженное на 2 - 8% содержание ТЮ2 (рис. 2) по сравнению с океанической мантией. Это обусловлено более высокой в среднем величиной давления при образовании континентальной мантии, что было причиной широкого развития в ней баррофильного относительно малотитанистого граната. Частичное замещением им ильменита привело к вытеснению ТЮ, в остаточный расплав. С повышенным вхождением А1203 и СаО в гранат, видимо, связано пониженное количество этих компонентов в остаточных расплавах и в бедных магнием породах континентальной литосферной мантии. Высокое содержание натрия и низкое калия в осаждавшихся

ной соответственно меньшего количества Иао0 и большего К,О в остаточных расплавах и в маломагнезиальных породах континентальной мантии

Из модели горячей аккреции Земли следует, что на всех главных этапах геологической эволюции в ее недрах существовали крупные (до многих миллионов кубических километров) тела расплавов магматического океана. Они легко выжимались и всплывали по зонам растяжения, возникавшим при тектонических деформациях земной коры и мантии, и формировали магмы. Поэтому для образования последних нет необходимости предполагать нереальные с кинетической точки зрения процессы отделения выплавок из слабо подплавленных глубинных пород.

Рис. 2. Соотношения содержания MgO со средним количеством ТЮ,, А1,0,. СаО, Ыа,0 и К,О в ксенолитах континентальной (К) и океанической (О) мантии по данным [7 - 9]. Числа у линий - количество использованных определений

При формировании магм из расплавов магматического океана и присутствии до сих пор в подошве континентальной литосферы кимберлито-вых по составу остаточных расплавов во всех областях древних платформ должны были внедряться кимберлитовые магмы. Отсутствие пока в некоторых областях находок кимберлитов, видимо, связано с их слабой геологической изученностью. Этот вывод согласуется с массовыми находками в последние годы новых кимберлитовых тел в большинстве районов Африканской и Американских платформ при детальных геологических исследованиях. Наиболее глубинные и поэтому высокоалмазоносные кимберлиты должны присутствовать в участках с самой низкотемпературной и мощной континентальной литосферой.

Состав формировавших мантию кумулатов и остаточных расплавов изменялся во времени в результате процессов магматического фракционирования. Ими, а не нереальными процессами метасоматоза и отделения выплавок, обусловлены вариации состава мантийных пород и эволюция минералообразования в них.

В соответствии с последовательностью фракционирования мафических магм [7], при кристаллизации нижнего наиболее мафического слоя постаккреционного магматического океана первыми формировались дунитовые, гарцбургитовые и лерцолитовые куму латы. Это согласуется с наиболее древним средним изотопным возрастом гац-бургитовых и лерцолитовых ксенолитов в кимберлитах - соответственно 2,325 (среднее из 27 определений) и 1,777 (63 определения) млрд. лет. Затем возникали верлитовые и различные флогопит-содержащие кумулаты - соответственно 0,713 (13 определений) и 0,642 (52 определения) млрд. лет. Эти значения возраста получены в результате обобщения данных, приведенных в многочисленных материалах VIII и IX Международных кимберлитовых конференций [8,9].

Каждая разновидность кумулатов формировалась в значительном интервале времени из расплавов, заметно различавшихся по составу и температуре. Самые ранние высокотемпературные кумулаты были бедны расплавофильными компонентами. Последние находились в остаточных расплавах и после осаждения из них высокотемпературных минералов переставали с ними химически взаимодействовать. Такие ранние кумулаты могут иметь высокие отношения 87Sr к 86Sr,

рубидия, поскольку этот химический компонент позже был удален из системы в результате гравитационного отделения твердых фаз от расплава. Эти бедные расплавофильными компонентами кумулаты обычно рассматриваются как породы,

деплетированные некогерентными химическими компонентами. С позиций рассматриваемой модели магматического фракционирования их следует относить к ранним кумулатам, изначально содержащим небольшое количество расплаво-фильных компонентов, поскольку никаких поздних процессов их обеднения не существовало. Некогерентные компоненты целесообразно называть расплавофильными, так как это название точнее отражает их поведение при процессах образования пород в мантии.

Разновидности кумулатов, возникшие при по-

турных остаточных расплавов, более богаты расплавофильными компонентами, чем ранние. Повышенное содержание этих компонентов также является первичным и не связано с гипотетическими процессами метасоматического обогащения ими. Однако небольшая часть минералов в этих породах могла возникать в результате реакции ранних минералов с остаточным расплавом. Система расплав + твердые фазы при этих реакциях оставалась полностью закрытой, поэтому возникшие реакционные минералы не являются метасо-матическими с традиционной точки зрения, связывающей метасоматоз с привносом химических компонентов. Такой механизм формирования мантийных пород с различным содержанием распла-вофильных химических компонентов хорошо согласуется с более поздним возрастом богатых пород. Ярким примером их являются флогопитсо-держащие кумулаты со средним изотопным возрастом 0,642 млрд. лет.

Таким образом, современные данные о горячем образовании Земли свидетельствуют о необходимости пересмотра традиционных представлений о процессах образования мантийных пород и магм. Они значительно расширяют перспективы обнаружения алмазоносных кимберлитов во всех районах древних платформ с мощной низкотемпературной литосферой.

Литература

1. Таблицы физических величин. Справочник/ Аверин В. Г., АронзонБ.А., Бабаев Н. С. и др. -М.: Атомиз-дат, 1976. -1006 с.

2. ФсрГ. Основы изотопной геологии. -М.: Мир, 1989. -590 с.

3. Шкодзинскии В. С. Генезис кимберлитов и алмаза. -Якутск: ОАО «Медиа-холдингЯкутия», 2009. - 352 с.

4. Arndt N. T. The separation of magmas from partially molten peridotite // Carnegie Inst. Wash. Yearb. - 1977.

V 76.-P. 424-428.

5. BeardB.L., Taylor L.A., Scherer E.E., Johnson C.M., Snyder G.A. The Source region and melting mineralogy of high-titanium and low-titanium lunar basalts deduced from Lu-Hf isotope data // Geochim. et Cosmochim Acta. -1998,

V 62.-P. 525-544.

ДИНАМИКАМЕРЗЛОТНО-гаДРОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НАУЧАСТКАХРАСПРОСТРАНЕНИЯКРИОПЭГОВ В Г. ЯКУТСКЕ

6. Hofmeister A.M. Effect of hadean terrestrial magma ocean on crust and mantle evolution // J. Geophys. Res. -1983, V B88. N6. -P. 4963-1983.

7. БогатиковО.А., ВасильевЮ.Р., Дмитриев Ю.И. и др. Магматические горные породы. Ультраосновные породы. - М.: Наука, 1988. - 508 с.

8. 8thKimberlite Conf. Long Abstract. - Victoria, Canada, 2003.

9. 9th Kimberlite Conf. Extended Abstract. - Germany, 2008.

УДК 551.49:556.31

Динамика мерзлотно-гидрогеохимической обстановки на участках распространения криопэгов в г. Якутске

Н.А. Павлова

На основании анализа материалов многолетних мерзлотно-гидрогеохимических исследований (1985-2009 гг.), проведенных Институтом мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО FAH, рассмотрена роль межгодовых колебаний климатических параметров в многолетней динамике уровня и химического состава криопэгов, формирующихся в слое годовых теплооборотов аллювиальных отложений на территории г. Якутска. Оценены скорость и направление миграции криопэгов в пределах границ изучаемых участков.

Ключевые слова: криопэги, режимные исследования, солевой состав, миграция.

This article discusses the effect of interannual variation in climatic parameters on the level and chemistry of cryopegs in perennially frozen alluvium, based on the data from long-term permafrost and groundwater observations conducted in 1985-2009 at Yakutsk. The rate and direction of cryopeg migration at study sites are estimated.

Key words: cryopeg, long-term researches, salt composition, migration.

Введение

На территории г. Якутска одной из причин аварийности зданий и инженерных сооружений явля-

ловленные протаиванием грунтов оснований при техногенном повышении их температуры. Особенно высокой уязвимостью обладают мерзлые грунты с повышенным содержанием солей. Такие грунты в условиях высокотемпературных много-летнемерзлых пород (ММП) неустойчивы, и даже при незначительном повышении температуры могут перейти в пластично-мерзлое состояние. К участкам засоленных пород часто приурочены линзы отрицательно-температурных высокоминерализованных подземных вод (криопэгов), обладающих коррозирующими свойствами.

Исследования закономерностей формирования криопэгов и их динамики в долине Туймаада, в пределах которой расположен г. Якутск, были начаты сотрудниками лаборатории подземных вод Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО

ПАВЛОВА Надежда Анатольевна - к.г.-м.н., зав. лаб. ИМЗ им. П.И. Мельникова СО РАН, (4112) 39-08-12, pavlova@mpi.ysn. ru.

РАН в начале 80-х годов под руководством Н.П. Анисимовой. Научно-экспериментальные полигоны, на которых был выполнен комплекс мерзлотно-гидрогеохимических исследований, расположены как непосредственно в черте г. Якутска, так и на загородной территории.

Состояние проблемы и методика исследований

Аллювиальные отложения, слагающие пойму и две надпойменные террасы долины Туймаада мощностью до 2025 м, до глубины 3-6 м представлены льдистыми супесями, суглинками и мелкозернистыми песками пойменной фации, которые подстилаются разнозернистыми русловыми песками. Мощность слоя сезонного протаивания изменяется от 1,01,5 м в суглинках до 2,03,0 м в песках. Температура пород на подошве слоя годовых теплооборотов (18-20 м) в районе г. Якутска составляет минус 2°С [1]. Верхние слои мерзлых аллювиальных отложений отличаются высокой засоленностью достигающей в песках 0,5%, а в суглинках 5-8%. Этому способствуют испарительное осаждение солей и их криогенная концентрация в поровом растворе пород в условиях слабого водообмена.