книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

геохим ическая эволюция земли

§ 1. ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ

Всегда ли все процессы, которые мы только что рассмотрели, имели место? Проистекали ли они с одной и той же скоростью? А, может быть, такие распространенные явления, как садка карбона­ тов в океане либо гранитизация на континентах подменялись ранее каким-либо иным процессом?

Ответ на эти вопросы даст эта, заключительная глава курса геохимии.

Интервал рассматриваемого времени определяется нашими зна­ ниями истории Земли. Древнейшие достаточно точно измеряемые породы датируются 3500 млн. лет, возраст Земли — 4500 млн. лет. Следовательно, можно рассматривать главным образом период по­ следних 3500 млн. лет жизни Земли. О первом миллиарде лет мы мо­ жем судить лишь гипотетически.

Принятая в настоящее время шкала докембрия (табл. 64) дает представление об основных рубежах, которые сегодня могут рас­ сматриваться как несомненные.

Для начального периода жизни Земли характерны сравнительно быстрый разогрев Земли, интенсивная вулканическая деятельность и выброс летучих. Происходило формирование океана по мере того, как конденсированные пары воды концентрировались па земной поверхности. Сиалическая кора только зарождалась, поэтому рельеф Земли мог напоминать лунный. Континентов не существовало. В сос­ таве газов присутствовали СН4, NH3, H 2S, С 02, Н 2, HCl, HF, НВг и др. Таким образом, атмосфера, в которой частично накапливались эти соединения (основная масса растворялась в водах первичного океана), отличалась исключительно восстановительным характером. Масса ее была ничтожно мала по сравнению с современной.

Океан из-за высокой концентрации кислых газов, растворив­ шихся в его массе (такие элементы, как хлор, бром, бор, до сих пор сохраняются в солевом остатке океанической воды в количествах, превышающих возможное их поступление при выветривании гор­ ных пород), должен был оказывать сильное воздействие на вмеща­ ющие породы, выщелачивая из них катионы. Можно сказать, что если анионы в океане возникли за счет дегазации Земли, то катио­ ны появились в ходе дальнейшего выветривания горных пород, происходившего вначале крайне медленно.

Единственным источником свободного кислорода (правда, нич­ тожных его количеств) служили реакции фотодиссоциации моле­ кул Н 20 и СО2 на значительных высотах в атмосфере под влиянием солнечного излучения. Однако этот кислород полностью расходо­ вался на частичное окисление СН4, NH3 и других газов и не мог создать в тот момент ни озонового экрана, ни свободных молекул кислорода. Атмосфера носила восстановительный характер срав­ нительно долго.

Где и когда первичные атмосфера и океан стали приобретать черты, близкие к их современному состоянию? Рассмотрим для этого характер седиментационных процессов в докембрии. Не­ обратимость процессов осадконакопления в ходе геологической истории Земли была хорошо, показана в работах H. М. Страхова.

Земля за время своего существования должна была бы накопить огромную толщу осадков, а это значит, что материал поверхностно­ го слоя планеты неоднократно проходил через весь цикл: денуда­ ция — снос — осадконакопление — метаморфизм — магматизм — денудация, испытывая при этом неоднократную дифференциацию и имея возможность резкого разделения и локальной концентрации не только главных породообразующих, но и редких и рассеянных элементов.

В раннем докембрии состав осадочно-метаморфических комп­ лексов характеризуется преимущественным развитием основных и ультраосновных эффузивов, измененных диабазов, спилитов, в боль­ шинстве случаев превращенных в амфиболиты, переслаиваемых с толщами железистых кварцитов, туфогенных песчаников. Для этого времени наиболее характерно накопление эффузивов и плас­ тических туфогенных пород, постепенно сменяемых хемогенными

осадками в виде сидеритовых и других образований, превращенных в результате последующего метаморфизма в железистые кварциты. Именно этот последний процесс явился главным в последующей истории нижнего протерозоя, когда в результате интенсивного вы­ ветривания и денудации основных эффузивов архея началось фор­ мирование железистых толщ. Одновременно возрастает роль органи­ ческого вещества, представленного в настоящее время графитсодер­ жащими сланцами, появившимися в том же нижнем протерозое.

Присутствие значительного количества кварцитов, кварц-био- титовых и амфибол-биотитовых сланцев, сменяемых в регионах, подвергшихся более интенсивному последующему метаморфизму гра- нат-гшроксеновымп и гранат-кордиеритовыми гнейсами, указывает на присущую нижнему протерозою особенность — появление толщ, по химическому составу весьма близких к гранитам. Это обстоя­ тельство, вероятно, явилось причиной того, что в течение последую­ щей геологической эпохи доминируют главным образом интрузии гранитного состава, охватывающие огромные территории нижне­ протерозойских геосинклиналей.

В процессе осадкообразования в рифее заметно увеличивается значение хемогенных и главным образом биогенных факторов седи­ ментации. На основании нескольких опорных разрезов докембрия (рис. 98) отчетливо видно преобладающее значение карбонатных и песчано-глинистых пород в рифейских толщах. Заметно возрастает компонент Сорг. Лишь в нижнем рифее еще отмечается присутствие железистых кварцитов, исчезающих из геологической истории в последующие эпохи.

Участие эффузивно-туфогенных пород в рифейских формациях снижается до минимума, обычного для посткембрийского времени, поскольку масштабы эффузивной деятельности резко сокращаются и отмечаются лишь в начальные и заключительные стадии развития геосинклиналей.

Столь разительный перелом в характере осадкообразования

вначале рифея по сравнению с более ранним временем обусловлен

впервую очередь тем, что к этому моменту на возникших докембрийских континентах образовался мощный плащ нижнепротеро­ зойских осадков, в значительной степени гранитизированных.

Денудация, размыв и переотложение этих толщ способствовали дальнейшей дифференциации вещества, а также приводили к все большему обогащению осадков кремнезем-глиноземистым и кар­ бонатным материалом. Вторым не менее важным фактором оказы­ валась возрастающая роль процессов жизнедеятельности различ­ ных организмов. Если в архее отмечается лишь появление в камен­ ной летописи простейших организмов, то к началу рифея фикси­ руется реальная область биосферы, в пределах которой осадконакопление во многом связано с жизнедеятельностью простейших организмов. Какова же судьба океана и атмосферы в то время?

Начальный период в жизни Земли, в течение которого проис­ ходила конденсация газов и паров на ее поверхность и формиро-

ванне океана, продолжался, как справедливо заметил H. М. Стра­ хов, не более 500 млн. лет. Маловероятно, что в архее произошли существенные изменения объема океана.

Явно замедленный темп выветривания пород основного состава в самом раннем докембрии, присутствие в составе детрита базаль­ ных толщ нижнего протерозоя окатанной гальки сульфидов и уранитов — минералов, весьма нестойких в окислительной среде, —

Рис. 98. Эволюция состава осадочных пород в докемб­ рии:

все это свидетельствует о том, что своеобразие первичной атмосферы сохранялось по крайней мере 1000—1500 млн. лет спустя после образования Земли и сказалось даже на солевом остатке океаниче­ ских вод, в которых отсутствовали сульфаты. Впервые сульфаты появляются в геологической истории, по данным А. Энгеля, в гренвильских формациях в виде первичных скоплений гипса и ангидрита. Это послужило указанием на то, что кислород в атмосфере, до этого момента отсутствовавший, теперь уже появился во вполне реальных количествах.

Развитие железистых пород в начале нижнего протерозоя, которому предшествовало возникновение массовых кор выветри­

вания, открыло начало новой эпохи седиментации в докембрии. Эта смена характера осадкообразования, отмечаемая в различных частях планеты одновременно, могла быть вызвана лишь какимилибо глобальными событиями, изменениями условий седимента­ ции на всех континентах. К такого рода явлениям может быть отне­ сено радикальное изменение состава атмосферы.

Предшествовавшие осадки также в ряде участков планеты были представлены весьма сходными по составу отложениями — конгло­ мератами и песчаниками с появившимися впервые в геологической истории следами органического вещества — первыми признаками свободного кислорода в атмосфере. По-видимому, именно количест­ венное возрастание свободного кислорода в атмосфере в результате фотосинтеза привело к последующему массовому выпадению гидро­ окислов железа на значительных площадях нижнепротерозойских бассейнов.

Материалы Криворожского бассейна и других железорудных провинций нижнего протерозоя указывают на определенную рит­ мичность, выразившуюся в смене железистых пород слюдяноамфиболовыми сланцами, возможно, указывавшими на колебание атмосферного режима планеты в этот переломный период ее геоло­ гической истории. Смена восстановительных условий окислитель­ ными вызвала резкое падение подвижности железа, массовое выпа­ дение его в виде гидрата окиси, чем и объясняется железорудный характер нижнепротерозойских формаций.

В результате устойчивого появления свободного кислорода в атмосфере резко возросла концентрация углекислоты, вызвав­ шая массовое образование карбонатных толщ в конце нижнего протерозоя. Тесно связанная с этим эволюция хлоридно-солевого остатка океанической воды в хлоридао-карбонатный, по H. М. Стра­ хову, свидетельствовала об уменьшении роли вулканических эксгаляций и о возрастающем значении процессов выветривания.

По-видимому, почти одновременно с железом из океанической воды исчезли значительные массы кремния и бора. Осаждение крем­ ния было связано с появлением первых организмов, использовав­ ших его для строительства своих панцырей и губок. Бор сорбиро­ вался в первых глинистых толщах.

Резкое вытеснение азотом и кислородом углекислоты из атмо­ сферы к концу докембрия, обусловленное развитием жизни, приве­ ло к появлению сульфатов и к заметному снижению в дальнейшем количества карбонатных фаций.

Переход к палеозою совпал с существенным изменением вод океана, превратившихся из хлоридно-карбонатно-сульфатных в рифее в хлоридно-сульфатные, не способствовавшие переносу таких элементов, как железо и марганец.

О характере атмосферы и вод древнего океана можно судить на основании ничтожного фракционирования изотопов серы в на­ чале нижнего протерозоя, определявшемся, вероятно, весьма незна­ чительным содержанием сульфатов в океанической воде. К концу

нижнего протерозоя фракционирование изотопов серы в сульфидах осадков и соответственно в сульфатах океанической воды достигло современного уровня. Иначе говоря, появление свободного кисло­ рода в атмосфере, по-видимому, относится к переломному моменту в жизни Земли — к началу нижнего протерозоя.

§ 2 . ИСТОРИЯ МАГМАТИЗМА

Прослеживая магматические явления от наиболее древнего до­ кембрия до настоящего времени, следует прежде всего обратить внимание на одностороннее направленное угасание ультраосновного глубинного магматизма и эффузивной деятельности со временем и параллельное возникновение и усиление интенсивности процессов гранитизации.

Тектоно-магматические события 3000—2700 млн. лет назад впер­ вые приводят к мощному развитию явлений гранитизации, глав­ ным образом раннедокембрийских осадков, в которых хемогенные и кластические породы уже начали играть заметную роль. На боль­ шинстве континентов в этот период отчетливо намечается разделе­ ние гранитоидов и мигматитов на две близкие по времени, но резко различные по составу группы. Одна из них — плагиограниты, развивающиеся по амфиболитам, измененным диабазам и спилитам. Эти плагиограниты сохраняют ксенолиты разного состава в за­ висимости от ассимилируемых пород. Вторая группа —•мигматиты гранитного состава, обнаруживаемые среди гнейсов биотит-амфи- болового и грапат-биотитового типа. По существу в это время на­ стоящие плутоны гранитоидов еще неизвестны.

Иначе выглядит картина магматизма на рубеже нижнего и сред­ него протерозоя. Как уже было сказано, накопление мощных толщ песчано-глинистого состава в течение нижнего протерозоя во многом способствовало активизации интенсивных процессов гранитиза­ ции, что привело к становлению крупных плутонов, охватывающих порой тысячи квадратных километров. В эту эпоху особенно за­ метна двухъярусность магматических явлений. В нижнем ярусе отчетливо сохраняются следы гранитизации первичных осадков — процесса возникновения гранитных магм главным образом за счет материала осадочных толщ. Среди гранитоидных тел, имеющих по­ лосчатые текстуры, временами сохраняются реликты огнейсованных биотитизированных сланцев с повторяющимися элементами залегания слоистости, указывающими на то, что образование гра­ нитов шло метасоматически непосредственно по этим породам без какого-либо их перемещения.

В верхнем структурном ярусе гранитоиды того же возраста, развитые в ядрах геосинклинальных областей, приобретают черты, свойственные плутонам последующих эпох. С формированием подоб­ ных плутонов почти во всех докембрийских континентах связано появление монацитоносных интрузий, слагающих целые провинции.

Важной особенностью магматизма этого времени является воз­ никновение первых в геологической истории Земли интрузий щелоч­ ного состава. Появление их приурочено к концу магматогенной эпохи на рубеже нижнего и среднего протерозоя (1900 млн. лет назад) и связано с субплатформенными условиями, возникающими в райо­ нах былых складчатых структур. В отдельных докембрийских райо­ нах отмечается пространственная связь подобных интрузий с синх­ ронными с ними ультраосновными и основными породами, что весьма примечательно, поскольку магматизм этой эпохи развивался в ус­ ловиях уже возникших континентов, хотя и малого масштаба. Затем началось селективное выплавление магм на значительных глубинах (более 60 км), которое привело к появлению щелочнооливиновых расплавов. Примечательно, что в геологической истории земной коры щелочные интрузивы появляются вслед за образова­ нием первых карбонатных осадочных формаций в нижнем протеро­ зое. Иногда тесная связь не только щелочных интрузий, но и щелоч­ ных мигматитов (Кишенгарт, Индия) и щелочных региональных метасоматитов (Кривой Рог, Курская магнитная аномалия и др.)

скарбонатными вмещающими породами не вызывает сомнений. Весьма важно, что активизация щелочей при внедрении ультраосновных глубинных магм в ряде докембрийских континентов, при­ водящих к появлению щелочных дериватов, может быть связана

скарбонатными толщами на пути их проникновения в земную кору. Лишь отсутствием этих двух факторов (карбонатных пород и достаточно мощной сиалической коры) можно объяснить, почему в архее при столь активной деятельности ультраосновного магма­ тизма процессы магматической дифференциации ни разу не привели к возникновению щелочных интрузий. Данные табл. 65 показывают, что щелочной магматизм возникает только в среднем протерозое и представляет собой повторяющуюся особенность всех более юных магматических эпох.

История магматизма, смена его характерных особенностей во времени, устанавливаемая впервые по геохронологическим данным, служит подтверждением тесной генетической связи между характе­ ром возникающих интрузивных тел и литологией вмещающих пород,

За счет которых они развиваются. Эволюция литоі'енеза непосред­ ственно влияет на эволюцию магматических процессов, отражая гео­ химический круговорот вещества верхних геосфер в непрерывно меняющейся обстановке. В связи с этим необходимо отметить рас­ четы А. Б. Ронова, который сопоставил данные нескольких тысяч силикатных анализов пород осадочно-метаморфогенного и извер­ женного происхождения. Оказалось, что состав обеих групп пород очень сходен; это выражено в совмещении аналитических данных на одной и той же кривой, характеризующей уменьшение алюмо-

Рис. 99. Изменение алюмо-кремниевого модуля в ряду магматогснных и метаморфических пород (по А. Б. Ронову).

кремниевого модуля от основных пород к кислым (рис. 99). Кривая достаточно точно отвечает наблюдающемуся при осадочных про­ цессах разделению глинозема и кремнезема. На графике хорошо видно, что дифференциация исходного вещества от основного сос­ тава до гранитного первоначально связана с явлениями седимента­ ции, что совершенно не свойственно породам ультраосновного со­ става, для которых даже не известны аналоги среди осадочных либо метаморфических пород.

Последующая история магматизма в рифее и фанерозое харак­ теризуется его постепенным затуханием. Историю магматизма мож­ но разделить на два этапа по отношению к истории Земли — ранний, дорифейский, неоднократно возобновлявшийся, отличающийся срав­ нительно равномерным глобальным распределением, и поздний, на­ чинающийся в рифее с периода относительного покоя, когда в раз­ витии магматизма доминирует асимметричное расположение его очагов в различных континентах и отмечается несовпадение во вре­ мени его максимумов в разных частях поверхности суши.

Первые признаки появления стабильных структур, не испытав­ ших в дальнейшем складчатых деформаций фундамента и геосинклинальных циклов развития, обнаруживаются около 2800— 3000 млн. лет назад. Подобные области, сложенные эффузивными породами, известны на Кольском полуострове, в Канаде, Гвиане, Южной Африке. Разрозненный характер и небольшие размеры этих реликтовых структур, вероятно, еще не создавали условий, при которых они могли бы играть роль стабильных глыб, подобных современным кратонам.

Первичные ядра всех современных континентов возникают не­ посредственно после окончания Родезийской тектоно-магматиче- ской эпохи. Именно в это время впервые четко обособляются глыбы сравнительно большой площади, на которых в дальнейшем больше не фиксируются геосинклинальные области прогибания, характе­ ризующиеся длительными односторонне направленными поднятия­ ми и активной денудацией. Не только одновременность возникно­ вения, но и соизмеримость размеров этих первичных ядер будущих континентов является прекрасным доказательством того, что в пе­ риод раннего геологического развития земная кора, во всяком слу­ чае в пределах будущих платформ, проходила через одни и те же этапы развития.

Дальнейшее разрастание древних платформ происходило после беломорской эпохи тектоно-магматизма. Значение геологических событий этого времени для истории формирования земной коры весьма велико. По существу нам неизвестна другая эпоха, которая по интенсивности проявления, всеобщему региональному характеру могла бы быть сравнима с беломорской.

Этот вывод касается лишь изученной поверхности земной коры. Повсеместность проявлений магматизма и метаморфизма беломор­ ской эпохи подтвердилась многочисленными массовыми измерения­ ми абсолютного возраста горных пород изотопными свинцовым и аргоновым методами. Расхождения возрастных дат, полученных этими методами при измерении возраста метаморфических древних комплексов, всегда указывают на наличие широкой волны всеоб­ щего метаморфизма около 1800—2000 млн. лет назад, о чем сви­ детельствуют даты, полученные аргоновым методом независимо от истинного возраста более древних метаморфических пород.

За тектоно-магматическими событиями грандиозных масштабов в беломорскую эпоху следовал период сравнительно длительного тектонического покоя, закончившийся почти 1100 млн. лет назад. Впервые в рифее — протерозое и особенно отчетливо в последующее время выявляется поясное строение геосинклинальных зон, отли­ чавшихся в нижнем протерозое и ранее огромной площадной рас­ пространенностью.

Тектоническая история земной коры подтверждает высказанную Дж. Вильсоном идею о возникновении платформ в результате раз-

растания их вокруг первичных ядер за счет более молодых гео­ синклиналей. Этот процесс, но уже с меньшей активностью, продол­ жался и в дальнейшем. Однако наряду с более локальным характе­ ром тектоно-магматических явлений в рифее — верхнем протерозое в них начала сказываться и другая особенность — неравномерность развития на разных континентах.

Так, например, вдоль северных окраин Китайского щита (район Пекина), юго-западных окраин Канадского щита (Кер-д’Ален),

впределах Индийского щита (Виндийская система) в рифейском разрезе почти полностью исчезает верхний рифей. Таким образом,

вверхнем рифее геосинклинальное развитие в этих районах пре­ кратилось, что совпадает с отсутствием в тех же районах верхнерифейского магматизма (катангинской эпохи), активно проявив­ шегося в районах с достаточно полным развитием рифейских осад­