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

ков (восточная часть Алданского щита). В ряде районов Африки и Южной Америки, где отсутствуют следы раннего рифея, хорошо представлены толщи позднего рифея и широко распространен свой­ ственный этому времени магматизм.

Отдельно следует рассмотреть тектонику океанических впадин, которые до недавнего времени трактовались как океанические кратоны, а по последним данным, представляют районы Земли со сравнительно недавними движениями (от 0 до 120 млн. лет), глу­ бокими расколами маломощной океанической коры, вскрывающими мантийные породы.

На протяжении геологической истории Земли по мере излияния базальтов, их поверхностной дифференциации в результате осадко­ образования шло разрастание земной коры (сиалической оболочки). Этот рост происходил за счет коры океанической путем накопле­ ния эффузивно-осадочной толщи вдоль береговой части континента, формирования в подобных районах наиболее мощных геосинклина­ лей. Однако этот вопрос пока остается нерешенным.

При излиянии базальтов, особенно интенсивно происходившем в архее, одновременно поступало до 7% воды, что обусловило при ее удалении на ранних этапах формирование океана. Кроме того, базальты, менее плотные, чем тот субстрат, при селективном плав­ лении которого они возникли, видимо, наращивали объем Земли, так как их излияние, сопровождавшееся на глубине замещением ранее занимаемой ими полости, происходило исключительно за счет увеличения удельного объема этих пород.

Таким образом, рост континентов служил мерилом расширения Земли и сопровождался постепенным замедлением роста океана. Однако, как следует из геологических данных (рис. 100), абсолют­ ного поднятия уровня океана не происходило, поскольку сами океа­ нические впадины в результате расколов, сопровождавшихся их раздвижением, представляли собой постепенно разраставшиеся чаши, края которых со временем захватывались новообразующимися частями континентов.

В этой связи старая концепция А. Вегенера приобрела новое содержание: происходил не дрейф континентов, а постепенное раз­ двигание их по мере увеличения земного радиуса.

§ 4. ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ

Длительные поиски наиболее древних остатков жизни привели к обнаружению ископаемых организмов, сохранившихся в форма­ циях Фиг Три (Южная Африка) возрастом около 3500 млн. лет и Ганфлинт (оз. Верхнее, Канада), датированных 2700 млн. лет.

Достаточно закономерно подобные находки встречаются в тол­ щах нижнего протерозоя, а начиная с рифея выявлено более 25 форм строматолитов, на основании распространенности и эволюции которых в настоящее время принято трехчленное деление рифея.

Следовательно, жизнь на Земле должна была появиться не позже 3500 млн. лет тому назад.

А. П. Виноградов, исследуя углистые хондриты, обнаружил в них сложные радикалы углеводородов, аминовые группы. Он пред­ положил, что такие соединения возникли под воздействием быстрых нейтронов и протонов космического происхождения на отдельные соединения типа СН4, NH3, S, которые могли присутствовать в ме­ теоритах. Эксперименты, проводимые в лабораториях, давали подобные результаты.

Отсюда был сделан вывод, что в ранний период существования Земли, когда газовая оболочка планеты была сравнительно мала, а озоновый экран не существовал, Земля подвергалась достаточно интенсивной «атаке» космического излучения. Изобиловавшие на Земле соединения типа СН4, NH3, Н 2, H 2S, С 02, Н 20 и др., ве­ роятно, могли реагировать на них точно так же, как вещество углистых хондритов, образовав сложные соединения углеводоро­ дов — матрицу, в которой могла возникнуть жизнь.

Дальнейшее развитие жизни вначале происходило в океане. Первоначально анаэробная жизнь постепенно превратилась в аэроб­ ную, одновременно с достижением пункта Юри атмосферой того вре­ мени, отвечавшей 0,001 содержания кислорода от современной его концентрации в атмосфере.

Следующим шагом в эволюции жизни был переход в начале па­ леозоя, отвечавший пункту Пастера, от брожения к энергетически более выгодному дыханию.

Все усложняющиеся формы обмена живого вещества с косным субстратом планеты сопровождались не только эволюцией его видов, но и все возраставшим потреблением различных элементов, по мере того как они становились доступными для организмов.

Вдревних сине-зеленых водорослях роль катализатора в реак­ циях фотосинтеза играло железо; с конца рифея эти функции приня­ ла на себя медь, а в бурых водорослях, перекочевавших в среднем палеозое на сушу, уже важную роль играл цинк!

Внастоящий момент на нашей планете 1013 т живого вещества; 99% этого количества связано с водорослями и растениями.

Ежегодно этой массой живого вещества концентрируются сле­ дующие количества различных элементов: около 1011 т углерода,

ІО8 т марганца, железа, меди, цинка и ІО8 т никеля и молибдена. С появлением первых животных в кембрии начался дальнейший этап усложнения жизни. За истекшие 570 млн. лет произошли ог­ ромные изменения в жизни нашей планеты, очень чутко реагиро­ вавшей на многообразные изменения, главным образом геохими­

ческого плана.

На рис. 100 показаны колебания уровня океана на континентах и его общая тенденция к осушению (воздыманию континентов), не­ смотря на общее увеличение объема океана.

Три крупные регрессии океана в конце силура, перми и мела, сопровождавшиеся незадолго до этого затоплением континентов, вызвали серьезные изменения в составе биосферы. Так, с концом силура исчезла большая часть трилобитов, граптолитов, цистоидей.

В конце перми окончательно вымерли трилобиты, амфибии. Зато появились гигантские рептилии, белемниты. Возникновение ги­ гантских ящуров с мощными скелетами и панцырями ряд исследо­ вателей связывали с обилием небольших соленоводных бассейнов осушившегося континента и достаточного количества доступного карбоната кальция, который мог быть легко усвоен организмами.

И, наконец, в конце мела произошло особо катастрофическое событие, приведшее к быстрому и полному вымиранию аммонитов и белемнитов, исчезновению брахиопод и значительной части репти­ лий. Зато в это же время появляются млекопитающие и покрыто­ семенные растения.

Во всем этом многообразии жизни, нарастающем тем сильнее, чем ближе она к современному моменту, один фактор играл главенст­ вующую роль — участие в этом процессе континентов, со всем мно­ жеством слагающих их элементов и их соединений.

До тех пор, пока континенты были незначительны и жизнь развивалась главным образом в океане, солевой состав которого отличался постоянством в различных его частях и сравнительно мало менялся во времени, эволюция сине-зеленых водорослей шла исключительно медленно. Однако, начиная с кембрия и особенно с палеогена, по мере того как обширные континенты были осуше­ ны и их территории с резко варьирующими условиями существо­ вания (химический состав почв и климат) стали ареной жизни, возникли новые ветви эволюции, завершившиеся появлением чело­ века.

Перенесение массы жизни из океана во внутренние моря имело большое значение. Остатки животных и растительных организмов, огромные скопления углей, углистых сланцев, нефтей и просто осадочных пород, содержавших незначительные скопления орга­ нических веществ, стали важным фактором рудообразования. Их роль концентратора рудных компонентов, улавливателя потока руд­ ных составляющих на пути миграции денудируемых частей кон­ тинентов в океан оказывается огромной. Возникает новая форма концентрации рудных компонентов, ничтожная по абсолютным содержаниям, но огромная по запасам.

§ 5. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ПРОЦЕССОВ РУДООБРАЗОВАНИЯ

Сопоставление рудных месторождений разного возраста при­ водит нас к выводу о неравномерности распределения рудных эн­ догенных залежей во времени и, более того, к преимущественным эпохам месторождений того или иного элемента.

Эти особенности рудообразования тесно связаны с общими за­ конами эволюции процессов седиментации и вулканизма, поэтому рассмотрим отдельно основные металлы, создававшие свои кон­ центрации в докембрии и фанерозое, часто различного типа в соот­ ветствии с меняющимися условиями их появления.

Золото образует наиболее древние залежи из всех известных месторождений полезных ископаемых. Самые крупные из них — Йеллоунайф (Канада), Колар (Индия), Гранж-Майн (Бразилия). Эти месторождения, связанные с зеленокаменными толщами архея, являются результатом интенсивного изменения основных пород, от­ личавшихся повышенным содержанием золота. В Йеллоунайфе это древние базальты и спилиты (2600 млн. лет), подвергшиеся интен­ сивной эпидотизации. В Коларе (3100 млн. лет) это три мощные зоны кварц-сульфидного состава, заключенные среди амфиболитов и пироксенитов вмещающей толщи. Если две зоны представлены квар­ цем, несущим золотое оруденение, то третья зона представляет собой пирит-пирротиновую залежь с чешуйками графита, как и две дру­ гие, протянувшуюся на 3 км вниз по падению. Мощность зон состав­ ляла первые метры. Присутствие золота в этом месторождении также связано с выносом его из пород основного состава, что, повидимому, указывает на исходно сидерофильный характер золота.

Такое поведение золота не случайно. Сидерофильный характер золота подчеркивается его высоким содержанием в железных метеоритах (в никелистом железе — 4-10~4%, в троилите — 0,5-10_4%). По сравнению с содержанием в гранитах (3• ІО-7%) ультраосновные породы, особенно древние, отличаются большими концентрациями золота — до 1Ы (К7% (оливиновые габбро Скаергарда). Поэтому приуроченность золотых рудных залежей к ос­ новным породам архея не следует считать неожиданностью.

В более юные эпохи, когда появились массовые остаточные место­ рождения золота в виде россыпей, эндогенные рудопроявления все больше стали ассоциироваться с гранитами, поскольку возникав­ шие исключительно за счет расплавления земной коры магмы в не­

Железо уже неоднократно рассматривалось как элемент, тесно связанный с судьбой океана, в котором оно долгое время играло роль солевого остатка в виде Fe (НС03)2. После усиления роли кисло­ рода в атмосфере и окисления железа до трехвалентного состояния оно выпало в осадок, создав колоссальные залежи в нижнем проте­ розое (Кривой Рог и Курская магнитная аномалия в СССР, оз. Верх­ нее в Канаде, Минае Жераис в Бразилии и т. д.). Одновременно с железом в этот период выпадало большое количество Si02, по­ скольку до того, как возникли радиолярии, губки и другие орга­ низмы, потреблявшие кремнезем, его количества в морской воде были значительно большими и садка кремнезема носила такой же хемогенный характер, как и железа.

В дальнейшем появление железорудных скарнов происходило при явном влиянии вмещающих пород, содержавших сидеритовые либо шамозитовые пласты. Однако былого размера рудные залежи в последующие эпохи не достигали.

Месторождения урана можно разделить на две группы: осадоч­ ные (в широком смысле слова) и гидротермальные. Месторождения

урапоносных конгломератов, представляющих собой осадки про­ лювиальных равнин, которые обогащены органическим веществом, отличались многократным переотложенпем материала в последую­ щие периоды, поэтому содержат уран в составе сульфидного це­ мента в виде включений настурана.

В месторождениях Витватерсранда (Африка) урановое оруде­ нение было ассоциировано с золотом и платиноидами, выступавши­ ми в виде эпигенетической минерализации. Серьезным затруднением для распознавания истинной природы рудных минералов служили явления последующего метаморфизма и регенерации руд, поскольку месторождение Витватерсранд, возникшее около 2700 млн. лет на­ зад, подвергалось влиянию бушвельдского магматизма около 2000 млн. лет назад, а среди конгломератов содержались детритовые минералы: циркон, монацит, датированные 3100 млн. лет — временем становления пород основания, за счет которого возникла сама рудовмещающая толща. Одним из непременных условий обра­ зования месторождений подобного типа было существование мощ­ ной коры аридного выветривания, предшествовавшей формированию залежей.

Наконец, в районе Сингхбхума (Индия) уран оказался рассеян­ ным в тесном срастании с магнетитом среди пород железорудной серии, возраст которой ориентировочно относится к нижнему про­ терозою, хотя непосредственно изучение самих минералов дает воз­ раст 2000—1700 млн. лет.

Иначе говоря, осадочные месторождения урана в нижнем про­ терозое являются единственной формой его концентрации. Более или менее существенные гидротермальные урановые месторождения аналогичного возраста неизвестны. Более того, первые достаточно крупные урановые месторождения постмагматического типа появи­ лись лишь 1900 млн. лет назад. Начиная с этого времени наиболее значимые урановые месторождения оказываются приуроченными к тектоно-магматическим эпохам, отличающимся максимальной активностью в определенных континентах, там, где они проявились особенно интенсивно. Так, например, для Канады характерны ме­ сторождения, датированные 1800 млн. лет (Атабаска), 1400 млн. лет (Медвежье озеро), для Австралии — 1700 млн. лет (Радиум-Хилл, Иса-Майн), для Северо-Американской платформы — 1100 млн. лет

Иоахимсталь и др.).

Кроме того, в более древних месторождениях осадочного типа всегда появляется минерализация, связанная с влиянием последую­ щих процессов переотложения, порожденных более поздним маг­ матизмом в этом же регионе. Так, в Витватерсранде и Блайнд-Риве- ре это эпоха около 2000 млн. лет, в Сингхбхуме — 1600 млн. лет. Ряд явно гидротермально-метасоматических месторождений урана также несет на себе следы влияния более древних продуктивных формаций урана, за счет которых они, по-видимому, возникли. Эти

продуктивные толщи подвергаются интенсивному воздействию растворов в момент формирования руд более юного возраста. Ярким примером таких залежей являются метасоматические тела место­ рождения Шинколобве (Центральная Африка) в магнезит-доломи- товых породах, возникшие под тектоническими зонами, выполнен­ ными брекчиями, сравнительно плохо дренируемыми. Представлен­ ные урановой смолкой, молибденитом, сульфидами никеля и кобаль­ та, эти тела размещались в верхнем структурном этаже над залегав­ шим ниже продуктивным медно-урановым поясом южного Роана.

Началом последовательного возникновения урановых месторож­ дений в истории Земли было образование гигантских осадочных месторождений в первой половине нижнего протерозоя, а спустя 500 млн. лет после этого — постмагматических месторождений. Это подтверждается дифференцированным распределением урана и свинца в земной коре еще в нижнем протерозое и появлением первых аномальных свинцов, явившихся прямым указанием на начало кон­ центрации урана в земной коре. Количественный рост аномальных свинцов в фанерозое лишь подтверждает наступившую в наши дни резкую дифференциацию в распределении свинца, урана и тория в породах земной коры.

Исследование всех известных свинцовых месторождений, осно­ ванное на анализе изотопного состава свинца, слагающего их руды, показало достаточно четко, что крупнейшие месторождения свинца начали возникать около 1700 млн. лет назад, при этом почти одно­ временно в разных частях земного шара. Так, например, месторож­ дение Сулливан в Канаде возникло около 1600 млн. лет назад, место­ рождение Завар в Индии — около 1500 млн. лет, месторождение Брокен-Хилл в Австралии — около 1700 млн. лет назад.

На рис. 101, построенном в координатах Pb2QG/Pb204— Pb207/Pb204, нанесены кривая эволюции обыкновенного свинца и изохро­ ны. Диаграмма показывает, что первые наиболее древние прояв­ ления свинца известны в Южной Африке и датируются в 3,5 млрд, лет. Две другие группы незначительных по масштабу рудопроявлений свинца датированы 2900 и 2400 млн. лет. Рудопроявления этого возраста встречаются практически во всех континентах мира. Наиболее многочисленная четвертая группа рудных месторождений свинца с максимальными запасами имеет возраст 2000—1500 млн. лет, что соответствует максимуму формирования свинцовых место­ рождений, уже не повторявшемуся в истории докембрия. Немного­ численные свинцовые месторождения Горевской группы (Енисей­ ский кряж) имеют возраст 900 млн. лет и большое число место­ рождений Центральной Африки (Катанга) — 600 млн. лет.

Невольно возникает вопрос: чем можно объяснить отсутствие крупных залежей в архее и нижнем протерозое и появление их в на­ чале рифея?

Согласно нашей схеме в архее впервые в слабой степени проя­ вились различия в составе осадочных формаций. Этот процесс разделения осадков на разновидности, представленные мономине-

ральными компонентами, начал интенсивно нарастать в начале нижнего докембрия. Впервые в истории Земли появляются обога­ щенные битумами сланцы и доломиты, отличающиеся повышенным содержанием свинца, цинка и других компонентов. Следовательно, середина нижнего протерозоя — время заложения осадочных про­ дуктивных формаций многих металлов и, в первую очередь, свинца.

Однако речь шла о времени возникновения метасоматических залежей типа Сулливана (Канада) либо Брокен-Хилла (Австралия). Что же между ними общего?

Сулливан представляет собой метасоматическую залежь в конг­ ломератах, ограниченную снизу интенсивно турмалинизированными сланцами и содержащую в нижней части залежи линзы пирротиновых и пиритовых руд. Висячий бок залежи сложен кварцитами, отличающимися альбитизацией. Месторождение прорвано дайками габброидов; с ними ранее связывался генезис месторождения, воз­ раст которого оценивался как лярамийский. Рудная залежь пред­ ставлена галенитом, сфалеритом, пирротином и пиритом. Основная залежь достигает размаха по вертикали до 300 м. По простиранию основные метасоматические залежи переходят в несколько продук­ тивных горизонтов незначительной мощности, совпадающих с зале­ ганием самой вмещающей толщи. Весьма интересно, что по изото­ пному составу свинца месторождение синхронно рудовмещающей свите Парсел, датируемой 1600 млн. лет, содержащей еще несколько рудопроявлений свинца того же возраста. Формирование метасо­ матической залежи, по-видимому, относится к более позднему вре­ мени. Иначе говоря, накопление свинца в этом регионе происходило одновременно с осадочной толщей около 1600 млн. лет назад.

Месторождение Брокен-Хилл отличается несколько более слож­ ным генезисом. На месторождении известны рудные тела, возник­ шие одновременно с вмещающей толщей, отличающиеся нормальным изотопным составом свинца и претерпевшие складчатые деформации. Но наряду с ними известны жилы Такаринга, возникшие в более высоком ярусе месторождения, отличающиеся аномальным свин­ цом. Анализ показал, что этот свинец был контаминирован свинцом пород во время его отложения около 1000 млн. лет назад.

Месторождение Завар (Индия ) отличается теми же особенностя­ ми, что и Сулливан, хотя вмещающей толщей служит карбонатная формация Аравалли. Все рудопроявления в районе месторождения, представленные метасоматическими залежами в известняках, отли­ чаются сходным изотопным составом, указывая на время образова­ ния исходного свинца в 1500 млн. лет, т. е. весьма близко к пред­ полагаемому времени накопления вмещающей их толщи.

На основе приведенных данных можно сделать следующие вы­ воды.

Свинец крупных месторождений накапливался одновременно с осадками. Образование месторождений в подобных продуктивных горизонтах могло происходить в любое более позднее время под влиянием интрузий.

Появление крупных месторождений подобного типа связано с общим моментом осадочной дифференциации земной коры и да­ тируется началом рифея.

Более мелкие месторождения самого различного генезиса фор­ мировались, начиная с 5,5 млрд, лет тому назад. Их локализация приурочена к тектоно-магматическим эпохам, устанавливаемым независимыми методами.

В дальнейшей истории Земли наряду с теми же способами об­ разования месторождений появляются залежи, обусловленные се­ лективным выносом радиоактивного свинца из пород, приводившим к появлению месторождений многофазного сложного изотопного состава свинца.

Медь явилась также весьма характерным элементом рудных месторождений двух типов — осадочного и магматического, — развитых в различные эпохи.

рождения отличаются исключительной выдержанностью по прости­ ранию и низкими содержаниями меди. В пределах Медного пояса залежи представлены линзами и халькопирит-кварцевыми про­ жилками. Линзы вытянуты параллельно древней береговой линии. Все граниты оказываются древнее медьсодержащих пластов. В то же время складчатость явно моложе оруденения. Отмечается обога­ щение оруденения во впадинах. Господствующая теория образования подобных тел указывает на восстановление сульфидов меди из сер­ нокислых растворов в условиях восстановительного прибрежного бассейна, заполненного органическим материалом. В подобном бас­ сейне медь явилась самым первым компонентом, осаждавшимся в виде сульфида.

Магматические рудопроявления меди связаны с интрузиями гипербазитов на северо-востоке Канады, в Чили, Бразилии, Ин­ дии (пояс Кетри), Казахстане (СССР). Подобных месторождений сравнительно немного.

Геохронологические данные определенно свидетельствуют о том, что образование металлогенических провинций начинается с накопления осадочной продуктивной толщи. Вероятно, этим объяс­ няется возникновение металлогенических провинций с повышенной распространенностью каких-либо редких элементов (рениевые, германиевые). Причину их появления следует искать в особых геологических и климатических, а также геохимических условиях осадкообразования в период, предшествовавший эндогенному рудообразованию. В дальнейшем, если возникший продуктивный горизонт в процессе последующей магматической деятельности или метаморфизма станет зоной просачивания эндогенных раство­ ров, он может оказаться причиной возникновения рудных тел.

Краткий обзор металлогении лишний раз показывает важность выявленных черт эволюции земной коры, ибо эта эволюция, в пер­

вую очередь процессов осадкообразования, глубоко затронула ха­ рактер распределения в породах рудных элементов. Распределение рудных элементов, в свою очередь, подверглось сильному влиянию развития жизни на Земле. Биосфера вызвала в ряде случаев полную смену условий концентрации отдельных элементов: так, ванадий, ранее накапливавшийся в магматических телах в составе магнетитов и титаномагнетитов, приобрел новую форму концентрации

вуглях и нефтях; германий, обнаруживаемый в докембрии (нижнем протерозое) в составе железистых кварцитов, где он изоморфно за­ мещал двухвалентное железо, будучи двухвалентным (Fe2+4-Ge2+

вмагнетите), стал в фанерозое сам образовывать крупные место­ рождения в каустобиолитах либо в колчеданных месторождениях явно биогенного генезиса (Тзумеб).

Рудообразование в той степени, в какой было здесь показано, во многом явилось следствием биологической эволюции нашей пла­ неты, в свою очередь во многом определявшейся растущей асим­ метрией в геохимическом распределении и накоплении элементов

вземной коре со временем.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

Кглаве I

Вернадский В. И. Очерки геохимии. М., Изд-во АН СССР, 1954.

К главам 2 и 3

Виноградов А. П. Введение в геохимию океана. М., «Наука», 1968. Войткевич Г. В. Проблемы радиогеологии. М., Госгеолтехиздат, 1961. Лаврухина А. К., Колесов Г. М. Изотопы во Вселенной. М., Атомиздат, 1965. Левин Б. Ю. Происхождение Земли и планет. М., «Наука», 1964.

Мартынов Д. Я. Курс общей астрофизики. М., «Наука», 1965. Френкель Я. И. Строение ядра атома. М., «Наука», 1964.

Чердынцев В. В. О происхождении химических элементов. — Труды I сес­ сии Комиссии по опред. абс. возраста геол. формаций. М., Изд-во АН

СССР, 1954.

К главе 4

Белоусов В. В. Земная кора и верхняя мантия материков. М., «Наука», 1966. Деменицкая Р. М. Кора и мантия Земли. М., «Недра», і967.

Дмитриев Л. В., Барсуков В. Л., Удинцев Г. Б. Рифтовые зоны океана и проблема рудообразования. — «Геохимия», 1970, № 8, с. 935.

Дрейф континентов (горизонтальные движения земной коры). —Сб. статей. Перев. с англ. Под ред. С. К. Ранкорпа. М., «Мир», 1966.

Стишов С. М. О внутреннем строении Земли. — «Геохимия», № 8, 1962, с. 649.

К главе 5

Лебедев В. И., Спицын В. М. Солнечная энергия и проблема образования сиалического слоя земной коры. — Бюлл. МОИП, 1968, 43 (1), с. 32.

Любимова С. А. Термика Земли и Луны. М., «Наука», 1968.

Смыслов А. А. Значение данных о радиоактивности и теплопроводности горных пород при металлогенических исследованиях. — «Изв. АН СССР,

сер. геол.», 1969, № 7, с. 32.