Эволюция магматических формаций в истории Земли
Эволюция магматизма является важнейшей закономерностью, проявленной во все периоды геологической истории Земли на уровне как магматических серий, так и однотипных формаций и отдельных магматических пород. Остановимся на кратком анализе обширного фактического материала, накопленного по этим проблемам. В истории Земли принято выделять четыре стадии тектономагматической эволюции: 1) «лунную» (стадию первичной коры) – более 3,8 млрд лет, 2) нуклеарную – 3,8-2,5 млрд лет, 3) кратонную – 2,5-1,5 млрд лет, 4) континентально-океаническую –1,5 млрд лет - доныне [3].
«Л у н н а я» стадия охватывает период от образования Земли в результате аккреции протопланетного вещества до момента прекращения бомбардировки поверхности крупными метеоритами и расшифровывается с трудом. Доказательствами проявления магматизма в эту стадию являются наличие магматических пород среди самых древних образований Земли, интенсивный магматизм Луны, а также вывод о дифференциации к этому времени Земли на ядро, мантию и кору. Принято считать, что первичная земная кора уничтожена поздними геологическими процессами (прежде всего, глобально проявленным метаморфизмом на рубеже 3,8-3,5 млрд лет), однако погребенный в глубинах Земли слой эклогитов, видимо, представляет собой земной эквивалент лунной коры. По валовому составу первичная кора имела существенно базальтовый (андезитобазальтовый) состав, отличаясь от лунной коры большим разнообразием слагающих ее пород и повышенной ролью среди них высокоглиноземистых и кислых разностей. Тип магматизма определяется как примитивный базитовый с отчетливо гомодромной эволюцией – сменой ранних высокомагнезиальных и высокоглиноземистых базальтовых ассоциаций более железистыми, титанистыми и калиевыми. Стадия считается практически безрудной.
Н у к л е а р н а я стадия завершается на рубеже 2,5 млрд лет, когда началось интенсивное образование протоконтинентов. Типичен ареальный площадной характер магматизма и формирование изверженных пород нормальной щелочности – толеитовой и известково-щелочной серий с максимальным развитием коматиитовых формаций. Широко представлены плутонические ультрамафиты и кислые породы гранитогнейсовой («серые гнейсы»), мигматитовой и чарнокитовой групп формаций. Появляется формация гра-нитов-рапакиви, но в целом среди кислых пород преобладает плагиогранитовая формация. Формации нуклеарной стадии связаны с зеленокаменными поясами и щитами древних платформ. В зеленокаменных поясах Северо-Американской и Африканской платформ появляются щелочные граниты с пониженными значениями отношений Rb/Sr, Ba/Sr и без европиевого минимума. Возникают в ходе этой стадии и крупные дифференцированные интрузии базитов (плутон Монче-Чуна-Волчьих тундр, Великая дайка, Стиллуотер и др.). В конце стадии (2,6-2,5 млрд лет) образуются поздние автономные массивы габбро-анортозитовой (анортозит-монцонитовой) формации.
Индикаторными являются формации перидотитовых коматиитов, первые формации анортозитов. Эволюция магматизма имеет гомодромную направленность, выраженную усилением роли кислых членов в возрастных рядах формаций при увеличении в поздних породах содержаний кремнезема, щелочей (особенно калия) и уменьшении – магния, железа, кальция. Породы нуклеарной стадии подверглись мощному, нередко многократному, метаморфизму гранулитовой фации, хотя зафиксирован и амфиболитовый, и зеленосланцевый метаморфизм зеленокаменных поясов.
Нуклеарная стадия сравнительно бедна эндогенными месторождениями, хотя в зеленокаменных поясах они довольно мно-гочисленны. Это небольшие магматогенные титаномагнетитовые месторождения в анортозитах Гренландии, Шотландии, Южной Африки, Индии, сульфидные медно-никелевые месторождения Канады, Зимбабве, Австралии в связи с коматиитовой формацией; древнейшие цинково-медные и медно-полиметаллические колчеданные месторождения пояса Абитиби в Канаде, Биг Стабби в Австралии; золоторудные месторождения в сульфидных залежах Барнет в Канаде, в штокверках и жилах Барбертон в Африке, Колар в Индии и др. К более позднему времени относится образование пегматитовых месторождений лития, бериллия, тантала, олова, мусковита (Канада, Зимбабве, Индия, Мадагаскар), керамических пегматитов Карелии, хромитовых месторождений (Великая дайка), железорудных скарнов Алданского щита.
К р а т о н н а я стадия характеризуется объединением сформированных в предыдущую стадию протоконтинентальных ядер в стабилизированные кратоны с типичными платформенными чехлами и зонами внутрикратонной активизации. Мощность континентальной коры достигает 40 км, а площадь континентов по сравнению с нуклеарной стадией увеличивается более чем в 2 раза. Площадной характер магматизма предыдущей стадии дополняется более локальными проявлениями, контролируемыми вытянутыми структурами. Магматические формации связаны не только с зеленокаменными поясами и кристаллическими щитами, но и со складчатыми поясами и зонами тектономагматической активизации. Главной особенностью кратонной стадии является массовое образование формаций, слагающих сиалическую часть земной коры. К концу стадии формируется до 90 % существующих ныне сиалических пород. Продолжается образование формаций нуклеарной стадии при резком снижении роли коматиитов и отчетливом увеличении удельного веса таких формаций, как гранитогнейсовая, мигматитовая, чарнокитовая, анортозитовая, гранитов-рапакиви, повышении роли калиевых магматитов по сравнению с натриевыми и заметном росте многообразия магматических формаций.
Индикаторной формацией кратонной стадии является анортозит-рапакивигранитная. Впервые появляются траппы базальт-долеритовой формации, в конце стадии – ультраосновные щелочные породы с карбонатитами, кимберлиты, альпинотипные гипербазиты и офиолиты, фтор-литиевые граниты субщелочнолейкогранитовой формации. Значительна роль дифференцированных интрузий перидотит-пироксенит-норитовой формации, среди которых такие широко известные плутоны, как Бушвельд, Седбери и др. Заметное распространение на завершающих этапах приобретают щелочные граниты (кейвский комплекс) и формация щелочных габброидов с ийолитами и фойяитами (Гремяха-Вырмесский массив и др.).
В кратонную стадию сформировались магматогенные месторождения хромитов и платины (Бушвельд), апатит-магнетитовых руд типа Кируна в Швеции; колчеданов Австралии (Брокен-Хилл, Маунт Айза), Швеции (Болиден), Северной Америки, Карелии; мусковитовых и мусковит-редкометальных пегматитов Беломорья и Мамы; гидротермальных месторождений серебра (Кобальт в Канаде) и золота (Хоумстейк в США); скарновых и гидротермальных месторождений олова и вольфрама в Карелии и Финляндии; редкометальных приразломных метасоматитов с ураном, танталом, ниобием, бериллием; сульфидных медно-никелевых руд Седбери. К этой стадии приурочен максимум эндогенного сидерофильного, золотого, уранового, никелевого и медного оруденения.
К о н т и н е н т а л ъ н о - о к е а н и ч е с к а я стадия подразделяется на континентальную (1,5-0,25 млрд лет) и континентально-океаническую (0,25 млрд-0) подстадии. Континентальная – охватывает промежуток времени от начала рифея до начала мезозоя, когда континентальная земная кора достигает наивысшей зрелости и характеризуется формированием складчатых поясов и зон тектономагматической активизации. Происходит наращивание и перераспределение вещества сиалической коры, а плавление мантийного субстрата опускается на все более глубокие уровни, что приводит к прогрессирующей генерации и дифференциации субщелочных и щелочных расплавов от ультраосновных и основных до фонолитовых и трахитовых. Образование глубинных разломов в жесткой литосфере способствует выведению этих магм к поверхности с появлением формаций щелочных, щелочно-базитовых, щелочно-ультрамафитовых пород и кимберлитов.
Наиболее типичной особенностью континентальной подстадии является многообразие связанных с ней магматических формаций, а потому ее можно назвать подстадией дифференцированного магматизма. Широко представлены такие формации как дунит-гарцбургитовая, спилитовая, тоналит-плагиогранитовая, характерные для регионов со зрелой корой формации известково-щелочной серии (базальт-липаритовая, андезитовая, гранитовая, лейкогранит-аляскитовая и др.). Типоморфной формацией подстадии можно считать субщелочнолейкогранитовую фтор-литиевых гранитов. Типично образование различных щелочных формаций, в соответствии с чем резко увеличивается набор и масштаб проявления редкометальной минерализации.
Континенталъно-океаническая подстадия ознаменована распадом Гондваны, образованием современных континентов, Атлантического и Индийского океанов и отличается отчетливо дифференцированным характером магматизма, проявляющимся в континентальных и океанических обстановках. Во-первых, на состав магматических формаций оказывает влияние масштаб взаимодействия мантийных выплавок с континентальной корой, во-вторых, петрогеохимические особенности изверженных пород определяются составом мантии в зонах магмогенерации и условиями ее плавления. В океанических сегментах литосферы Земли преобладают формации толеитовой серии, распространены известково-щелочные островодужные формации и щелочно-базальтовые формации океанических островов. От ранних фаз магматизма к поздним в океанических сегментах наблюдается нарастание дифференцированности и щелочности базальтовых серий при снижении их кремнекислотности. На континентах развиты формации: базальт-андезитовая, плагиогранитовая, базальт-липаритовая, андезитовая, гранитовая, лейкогранит-аляскитовая, субщелочнолейкогранитовая, щелочно-ультрамафитовая, кимберлитовая и др. По количеству формаций, разнообразию их пород континентально-океаническая подстадия превосходит предшествующие. Эволюция магматизма мезокайнозойских подвижных поясов имеет обычно гомодромный характер. В стабилизированных областях при ареальном базальтовом магматизме и образовании базальт-долеритовых трапповых формаций наблюдается как гомодромный (Африканская, Индийская платформы), так и антидромный тренд эволюции (Сибирская платформа); в рифтах с прогрессивным раскрытием этих структур уменьшается роль щелочных и кислых формаций и нарастает роль базальтовых.
По представлениям акад. В. И.Смирнова, континентально-океаническая стадия включает гренвильский (1500-1000 млн лет), байкальский (1000-600 млн лет), каледонский (600-400 млн лет), герцинский (400-250 млн лет), киммерийский (250-100 млн лет) и альпийский (моложе 100 млн лет) металлогенические этапы. Во время гренвильского этапа образовались колчеданные и колчеданно-полиметаллические месторождения (Сулливан в Канаде), золоторудные месторождения Южной Африки, урановые Большого Медвежьего озера в Канаде, серебро-кобальтовые Онтарио, медные и полиметаллические Восточной Сибири, скарновые железорудные месторождения Норвегии, редкоземельные карбонатиты Маунтин-Пасс в США и др.
Во время байкальского этапа формировались магматические титаномагнетитовые месторождения Норвегии, Канады, Урала (Кусинское), колчеданные Северной Америки и Сибири (Холоднинское, Горевское), редкометальные пегматиты и грейзены Египта, Уганды, Индии, Австралии. В каледонский этап магматогенные месторождения титаномагнетитов и хромитов проявлены слабо, но известны железорудные скарновые и широко развиты колчеданные (Фосен в Норвегии, Рио Тинто в Испании, Озерное в Прибайкалье и др.). Второстепенное значение имеют редкометальные граниты Алтае-Саянской области, медно-порфировые (Казахстан), золоторудные и полиметаллические (Англия) месторождения, а также карбонатитовые и пегматитовые (Норвегия, Канада).
Герцинский этап известен хромитовыми и титаномагнетитовыми магматогенными (Урал), медно-колчеданными и полиметаллическими (Урал, Рудный Алтай) месторождениями, многочисленными и разнообразными месторождениями олова, вольфрама, молибдена, меди, золота, редких элементов, оптического флюорита и пьезокварца в пегматитах, редкометальных гранитах, грейзенах, скарнах и других метасоматитах лейкогранит-аляскитовой, субщелочнолейкогранитовой, щелочногранитовой и других щелочных формаций, месторождениями медно-никелевых руд с платиноидами, алмазов и др.
В киммерийский металлогенический период преобладают месторождения цветных, редких, благородных и радиоактивных металлов Забайкалья, Якутии, Чукотки, Приморья и др., в том числе гигантские редкоземельные месторождения в Китае (Баян-Обо) и Монголии.
Альпийский период отличается большим разнообразием эндогенных полезных ископаемых, охватывающих практически все известные их типы. Среди наиболее масштабных: хромитовые месторождения дунит-гарцбургитовой формации (Филиппины), медно-колчеданные (впадина Красного моря, Атлантика, Кипр), сульфидные месторождения типа Куроко дацит-липаритовой и андезитовой формаций (Япония), золото-серебряные андезитовой формации (Япония, Филиппины, Карпаты, Балканы), медно-порфировые месторождения (с молибденом, золотом), связанные с известково-щелочными вулканоплутоническими поясами (Чили, США, Филиппины, Индонезия), редкометальные, урановые и флюоритовые месторождения, ассоциирующие с онгориолитами и субщелочными лейкогранитами (Калифорния, Невада, Колорадо, Юта, Мексика).
Сравнительный анализ магматизма различных стадий развития Земли позволяет сделать следующие выводы:
1. Общая эволюция магматизма в истории Земли направлена в сторону последовательного расширения спектра магматических формаций и составов магматических пород. В процессе эволюции к древнейшим ассоциациям магматических пород – толеитовой и известково-щелочной серий – последовательно подключаются все более многочисленные формации субщелочных и щелочных пород.
2. Площадной и относительно непрерывный во времени магматизм ранних стадий сменяется пульсирующим дискретным магматизмом линейного характера поздних стадий.
3. От ранних стадий к поздним сокращается, вплоть до исчезновения, распространение формаций коматиитов, чарнокитов, анортозитов, гранито-гнейсов и мигматитов.
4. На поздних стадиях уменьшается роль толеитового магматизма за счет увеличения распространенности формаций известково-щелочной серии.
5. Плагиограниты ранних стадий сменяются все более калиевыми гранитами поздних стадий.
6. Формации щелочных пород, фтор-литиевых гранитов и онгонитов получают широкое развитие (а некоторые появляются) только начиная с кратонной стадии.
7. Интенсивность эндогенного рудообразования повышается от практически безрудной лунной стадии через нуклеарную с нарастанием сидерофильного (Fe, Cr, Mn, Ti, V, Pt) оруденения к кратонной стадии с сидерофильной минерализацией и, наконец, к континентально-океанической стадии с литофильно-халькофильным (W, Sn, Mo, Co, Sb, Ag, Hg и др.) оруденением. Эволюция эндогенного оруденения вполне согласуется с эволюцией магматизма в геологической истории. Сидерофильный характер оруденения кратонной стадии связан с широким развитием расслоенных базитовых плутонов и анортозитов, а также дифференцированных базальт-андезит-риолитовых ассоциаций. Литофильно-халькофильный профиль оруденения континентально-океанической стадии коррелируется с широким развитием лейкогранит-аляскитовой, субщелочнолейкогранитовой, щелочных формаций, а также значительным распространением расслоенных базитовых плутонов и базальт-андезит-риолитовых ассоциаций.
В целом ведущей тенденцией эволюции магматизма в истории нашей планеты является смена примитивного коматиит-базитового магматизма глубоко дифференцированным магматизмом с последовательным расширением спектра изверженных пород и возрастанием роли известково-щелочных и щелочных формаций. Подчеркивая закономерно-направленный необратимый характер общей эволюции магматизма Земли в целом, О. А.Богатиков и его соавторы [3] связывают это со снижением энергетического потенциала Земли во времени, прогрессирующим обеднением верхней мантии некогерентными, летучими и радиоактивными элементами, вовлечением в процессы магмообразования континентальной коры, возрастанием ее мощности и гетерогенности, усложнением геоди-
намических условий магмообразования. Сказанное, в свою очередь, находит достаточно достоверное и непротиворечивое объяснение с позиций гипотезы «изначально гидридной Земли».
Направленное изменение составов интрузивных формаций, нозникающих в течение тектономагматического цикла, и их последовательное смещение от эвгеосинклинальных к все более внешним зонам складчатых областей с захватом окраинных частей платформ выглядит закономерно и получает достаточно строгое обоснование при принятии следующих допущений:
• гипотезы изначально гидридной Земли;
• представления о трех уровнях магмогенерации и скачкообразно-эволюционном перемещении очагов с нижнего на верхний уровень, а отмирания в последовательности – средний, верхний и, наконец, нижний уровень;
• допущения о наиболее вероятных механизмах магмообразования – частичного или полного плавления верхней мантии под действием теплового (водородного) потока и тепла вязкого трения на нижнем уровне, контактово-анатектического (в сочетании с синтексисом) на среднем, анатексиса и палингенеза в сочетании с синтексисом с заменой на поздних этапах многократным палингенезом и гибридизацией палингенных коровых магм ювенильными флюидами и глубинными базитовыми расплавами на верхнем уровне.
Закономерности, устанавливаемые при анализе латеральных и возрастных рядов интрузивных серий определенных циклов, в целом справедливы и при сопоставлении гомологичных формаций древних и молодых циклов, что является следствием эволюции планеты и отражает как изменение петрогеохимических свойств ее оболочек, так и закономерное изменение условий магмогенерации.
Перечислим наиболее общие закономерности развития гомологичных формаций во времени (от древних к молодым циклам):
1) увеличение количества «изоморфных» формаций, особенно ранних членов эволюционного ряда;
2) увеличение «удельного веса» и полноты проявления поздних формаций и некоторое сокращение ранних (для каждого текто-номагматического цикла как бы намечается свой формационный лидер, представленный все более поздним членом эволюционного ряда во все более молодых циклах);
3) уменьшение основности и увеличение кремнекислотности и щелочности (особенно калиевой), рост дисперсии отношения 87Sr/86Sr;
4) сокращение длительности образования формаций и их рядов в молодых циклах;
5) уменьшение глубинности становления массивов, проникновение их на все более высокие горизонты в породы все более низких ступеней метаморфизма;
6) переход от гранитоидных формаций, возникших путем гранитизации, in situ к типичным интрузивным аллохтонным;
7) усложнение морфологии массивов (особенно характера апикальной поверхности) и уменьшение их размеров, увеличение роли интрузий трещинного типа;
8) закономерный переход от преимущественно межгранулярного рассеивания остаточных растворов к процессам ретроградного вскипания;
9) ослабление, вплоть до затухания, собственно магматических рудообразущих процессов и возрастание роли постмагматических;
10) редуцированное проявление высокотемпературного метасоматизма и усиление роли низкотемпературного;
11) последовательная смена «главных» типов месторождений во всех формациях на менее глубинные, более низкотемпературные, образованные все более сложными многокомпонентными рудами более низкокларковых элементов, и все более удаленные от материнских массивов.
Все эти закономерности находят достаточно логичное объяснение на основе гипотезы изначально гидридной Земли. Так, пп. 1-3 являются следствием прогрессирующего во времени процесса «континентализации» коры в пределах геосинклинальных зон, который заключается в увеличении мощности гранитного слоя и в закономерном обогащении его щелочами и литофильными низко-кларковыми элементами, с одновременным усилением контрастности состава коры по латерали и вертикали. Сокращение длительности образования формаций молодых циклов связывают, с одной стороны, с закономерным сокращением продолжительности текто-номагматических циклов, а с другой, с большей контрастностью уплотнения и разуплотнения тектоноферов по мере развития планеты, что вызывает более энергичные течения в астеносфере и соответственно более бурную диссипацию тепла в течение все меньшего интервала времени.
Главной причиной эволюции формаций, по пп. 5-11, видимо, явилось расширение планеты в процессе ее геологического развития. Расширение планеты сопровождается падением силы тяжести и соответственно уменьшением давления в зонах магмагенерации и на уровнях становления. Уменьшение градиента давления во времени может создать иллюзию уменьшения «глубинности» интрузивов и ассоциирующих с ними месторождений к молодым циклам, несмотря на то, что эти образования появлялись на одних и тех же горизонтах. Поскольку горное давление обусловливает закрытие пор и трещин, уменьшение ускорения свободного падения (определяющего горное давление) могло быть причиной увеличения проницаемости коры и в особенности верхних ее горизонтов, вмещающих интрузивные камеры и исполняющих роль надынтрузивной зоны. В этом можно видеть объяснение все возрастающей роли трещинных интрузий, уменьшения замкнутости интрузивных камер, что может быть причиной закономерного перехода от преимущественного межгранулярного рассеивания остаточных растворов к процессам ретроградного вскипания, а также тенденции к возрастанию роли постмагматической рудогенерации и т. д.
Итак, закономерности развития магматических формаций, особенности эволюции их состава и строения во времени, а также повышенное металлогеническое значение зон автономной активизации находят объяснение с позиций гипотезы изначально гидридной Земли и являются отражением необратимого развития всех оболочек планеты, включая ядро.