Модель формирования ранней коры востока Азии

МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ РАННЕЙ КОРЫ ВОСТОКА АЗИИ

Предложена новая модель формирования ранней сиалической коры востока Азии. Основу этой модели составляют материалы, полученные при изучении метабазит-эндербитовой стратифицированной формации, слагающей основание Восточно-Сибирского кратона. Показано, что процессу формирования исходного разреза формации, содержащего вулканиты известково-щелочной и коматиит-толеитовой серий, наиболее соответствует модель связанная с поднимающимся мантийным диапиром. Под влиянием тепла и флюидного ореола этого диапира происходит метаморфизм и частичное плавление основания первичной базальтовой коры, за счет этого образуются расплавы андезитового и дацитового составов. На основе этой модели и имеющихся изотопных геохронологических данных показана последовательность формирования ранней сиалической коры Восточно-Сибирского кратона способом латерального разрастания вулканогенных ареалов от ядра, возраст которого 3,3-3,4 миллиарда лет.

The purpose of the study is to develop a new model of formation of an early sialic crust of eastern Asia. The model is based primarily on the data obtained through investigation of metabasite-enderbitic stratified formation, composing the basis of the East-Siberian Craton. We showed that the development of the initial section of the formation, containing volcanites of calc-alkali and komatiite-tholeiitic series agrees well with the model of rising mantle diapir. According to the model, metamorphism and partial melting of the basement of the primary basalt crust occur under the effect of heat and fluidal aureole of this diapir, followed by the formation of melts of andesitic and dacitic structures. Using this model and the available isotope geochronological data we have demonstrated the development of the early sialic crust of the East-Siberian Craton by lateral growth of volcanic areals from a nucleus, age of which is 3,3-3,4 billion years.

Исследованиями последних десятилетий установлено, что первично-магматические раннекоровые образования составляют значительную часть пород метаморфических комплексов гранит-зеленокаменных и гранулит-гнейсовых областей древних щитов. Среди них преобладают плагиогнейсы тоналитового, трондьемитового и гранодиоритового состава. В гранит-зеленокаменных областях они обычно выделяются в качестве комплекса биотитовых, биотит-амфиболовых и амфиболовых плагиогнейсов и гнейсов (серые гнейсы). В гранулит-гнейсовых областях аналогом серых гнейсов является комплекс эндербитов. Описанный впервые на Антарктическом щите в районе Земли Эндерби С. Тилли [36], этот характерный комплекс эндербитов впоследствии был установлен на древних щитах всех континентов, где слагает основание их кристаллического фундамента. В пределах Восточно-Сибирского кратона комплекс эндербитов широко распространен на Анабарском щите, где выделен под названием метабазит-эндербитоидной ассоциации [17]. На Алданском щите комплекс эндербитов в значительной мере перекрыт более молодыми образованиями и переработан процессами разновозрастного метаморфизма и гранитоидного магматизма. Отдельные области распространения эндербитов известны в западной, восточной и южной частях Алданского щита, где они выделялись различными исследователями в качестве свит (толщ) [16, 22], формаций [11, 14], либо относятся к нестратифицируемым инфракрустальным образованиям гранитоидного состава [6].

По существующим представлениям [1, 20], первичная земная кора, выплавленная из мантии после аккреции Земли, была представлена коматиит-толеитовыми вулканитами. На последующем этапе развития Земли последовало переплавление этой гипербазит-базитовой оболочки с формированием протоконтинентальной “серогнейсовой” коры.

Раннекоровые гранулитовые комплексы основания выведены на поверхность в наиболее эродированных частях древних щитов - гранулит-гнейсовых областях. Многие исследователи считают, что гранит-зеленокаменные области представляют верхние части гранулитовых комплексов, не уничтоженные эрозией. Эта точка зрения была подтверждена в Южной Индии, где детально изучена область перехода от гранит-зеленокаменной области к гранулитовой [9, 21, 31, 34]. Подобные взаимоотношения между гранулит-гнейсовыми областями и гранит-зеленокаменными, по мнению автора настоящей работы, существуют и на Алданском щите. Здесь установлен постепенный переход от гранулитовой фации через амфиболитовую в западной части Алданского щита к амфиболитовой фации Олекминской гранит-зеленокаменной области. При этом отмечается, что степень эродированности Алданского щита возрастает от западной части к восточной [24]. Исходные вулканогенные образования Олекминской серии, метаморфизованные в амфиболитовой фации, служат фундаментом для зеленокаменных поясов позднего архея - Олондинского, Тунгурчинского и др. Глубинные уровни метаморфических образований Олекминской гранит-зеленокаменной области выведены на поверхность в ее пределах в Оломокитском тектоническом блоке и представлены эндербитами.

Наиболее глубинные эндербитовые комплексы выходят на поверхность в южной части Алданского щита в Сутамском, Зверевском, Курультинском и Джугджурском блоках. Исследованиями, проведенными автором было установлено, что основной объем пород гранулитового комплекса Сутамского блока составляют эндербиты с подчиненной ролью метабазитов (метабазит-эндербитовая формация). На основе закономерностей распределения петрогенных элементов и элементов-примесей показано, что протолитами метабазит-эндербитовой формации являются вулканиты известково-щелочной серии базальт-андезит-дацит-риодацитовой ассоциации, в которой преобладают андезиты и дациты.

Подчиненную роль в составе формации играют породы исходной толеитовой и коматиитовой серий (коматиит-толеитовая ассоциация) (см. статью Г.М. Вовна и М.А. Мишкина в настоящем сборнике). Изучение литературных материалов показало, что литолого-петрографический состав выделенной формации представляет собой устойчивую ассоциацию пород, повторяющуюся в архейских стратифицированных эндербитовых комплексах различных щитов, где слагают их основание.

Показанная связь вулканитов известково-щелочной, толеитовой и коматиитовой серий в составе единой формации позволяет подойти к вопросу о выборе модели формирования ранней сиалической коры.

Совместное нахождение ультраосновных и базальтовых вулканитов толеит-коматиитовой серии в едином разрезе со средними и кислыми вулканитами известково-щелочной серии позволяет полагать, что наиболее приемлемой петрогенетической моделью формирования их расплавов является варьирующее частичное плавление мантийного вещества поднимающегося мантийного диапира при меняющихся Р-Т параметрах. Высокие температуры выплавляющихся при этом магм и наличие весьма энергоемкого газово-флюидного восстановленного ореола [10] являются причиной метаморфизма основания первичной коры базальтового состава и последующего ее частичного расплавления с образованием андезитовых и дацитовых магм.

Математические модели динамических процессов в восходящей мантийной струе были предложены ранее в ряде работ [5, 15, 25]. Определения термодинамических условий формирования магм и их составов в поднимающихся плюмах, основаны на экспериментальных данных [26, 27, 33 и др.].

Возможность образования расплавов андезитового и дацитового составов при частичном плавлении метабазитов (амфиболиты или гранатовые амфиболиты) подтверждена многочисленными экспериментами [4, 35]. Происходившее непрерывное накопление тепловой энергии в архейской мантии инициировало появление более молодых периферийных диапиров, что в свою очередь обусловило проявление известково-щелочной вулканической деятельности на земной поверхности в зонах, наращивавших более ранний вулканогенный ареал по латерали.

Судя по данным изотопной геохронологии, начало становления ранней коры на существующих континентах датируется различными возрастными рубежами [1]. Наиболее ранние из них относятся ко времени около 4 млрд. лет, что подтверждается, например, изотопными датировками “серогнейсовых” пород провинции Слейв Канадского щита [28]. Если опираться на имеющиеся в настоящее время наиболее надежные датировки, то можно полагать, что на востоке будущего Евразийского континента этот процесс начался значительно позднее - в пределах Восточно-Сибирского кратона - 3,3-3,4 млрд. лет назад - U-Pb метод SHRIMP [32], Северо-Китайского - 3,5 млрд. лет назад - Sm-Nd метод [37].

Рассмотрим имеющиеся данные по изотопной геохронологии в рамках принятой модели формирования ранней сиалической коры для раннекоровых “серогнейсовых” образований гранулитовой и амфиболитовой фаций Восточно-Сибирского кратона. Наиболее древние достоверные изотопные датировки аналогов пород метабазит-эндербитовой формации на Алданском щите в настоящее время известны в его северо-западной части, в верховьях р. Алдан (в районе Грековского порога). Возраст протолита этих гнейсов, определенных по цирконам на ионном микрозонде (метод SHRIMP) Натманом [32] составляет 3,335 ? 0,003 млрд. лет.

Возраст протолита метабазит-эндербитовой формации Анабарского щита, установленный по цирконам (метод SHRIMP) Е.В. Бибиковой [18] составляет 3,32 ? 0,1 млрд. лет.

Указанные древнейшие датировки, по мнению автора настоящей работы, свидетельствуют о том, что известково-щелочной магматизм, заложивший сиалическую основу фундамента Восточно-Сибирского кратона, начал проявляться одновременно (или почти одновременно) в пределах двух (или более) ареалов, примерно соответствующих расположению Анабарского и Алданского щитов, над центрами мантийных долгоживущих плюмов, под воздействием тепла которых началось частичное плавление первичной гипербазит-базитовой оболочки, нижняя часть которой была метаморфизована в температурных условиях амфиболитовой фации, что соответствует упоминавшейся выше модели формирования ранних магматических расплавов андезитового и дацитового составов. Поверхностным выражением мантийных процессов этого этапа развития Земли было возникновение архипелагов вулканических островов, близких по времени своего образования. Эти архипелаги вулканических островов служили источником сноса осадков в окружающие их, вероятно, мелководные моря.

Первоначальные ареалы проявлений известково-щелочного магматизма (3,3 - 3,4 млрд. лет назад), сформировавшие первичные сиалические массы ядра Восточносибирского кратона, в дальнейшие 100-200 млн лет разрастались, в виде широких поясов вулканических островов, охватывая окружавшую его океаническую гипербазит-базитовую кору. Об этом свидетельствуют имеющиеся изотопные датировки протолитов биотит-амфиболовых гнейсов тоналитового состава в Олекминской гранит-зеленокаменной области - 3,212 млрд. лет (метод SHRIMP [32]).

На юге Алданского щита имеющиеся изотопные датировки для эндербитов Сутамского блока, установленные Sm-Nd и U-Pb методами - 3,067 ? 1,3 млрд. лет [23] и 3131 ? 74 млн лет [23], соответственно, характеризуют, по нашему мнению, возраст их протолита. Близкий возраст - 3,13 ? 0,18 млрд. лет был получен Sm-Nd методом для пород Курультинского блока [30]. На основании этих данных предполагается, что протолиты изученной нами метабазит-эндербитовой формации Сутамского блока и ее аналоги в Курультинском, Зверевском, Джугджурском блоках на юге Алданского щита характеризуют дальнейшую вулканоплутоническую активность конца раннего архея, наращивавшую сиалическую кору юга Восточно-Сибирского кратона.

Ранняя сиалическая кора этого возраста распространялась и на северо-восток от Алданского щита, где выходы ее известны в Охотском и Омолонском массивах, что доказывается возрастом эндербитов последнего, составляющим 3,172 ? 0,015 млрд. лет [2]. В позднем архее корообразовательные процессы сместились к северу и к югу от Алданского щита. Об этом свидетельствуют данные по ксенолитам из кимберлитовых трубок Мирнинского, Алакит-Мархинского, Далдынского, Верхнемунского полей, располагающихся между Алданским и Анабарским щитами. Среди этих ксенолитов установлены эндербиты, двупироксеновые сланцы, амфиболиты [19]. Возраст их протолитов, скорее всего, позднеархейский, о чем свидетельствуют их Sm-Nd модельные датировки - 2,9-3,3 млрд. лет [13]. Южнее Алданского щита, в пределах Становой складчатой области, установлены тоналитовые гнейсы, возраст протолита которых составляет 2,78 млрд. лет (метод SHRIMP [32]). Глубинные аналоги этих гнейсов - эндербиты, представлены в блоках гранулитовых пород, встречающихся в пределах Становой складчатой области. В одном из таких блоков - Ларбинском, изотопная датировка эндербитов составляет 2,67 ? 0,06 млрд. лет (U-Pb метод), отражающая время гранулитового метаморфизма [24].

В это же время происходит наращивание ранней коры и на юго-западной окраине Восточно-Сибирского кратона, что подтверждается возрастом протолитов эндербитов канской серии Ангаро-Канского выступа, составляющий 2,73 ? 0,18 млрд. лет [3].

Процессы позднеархейского сиалического корообразования частично охватывали и территорию выделяемого в настоящее время Центрально-Азиатского складчатого пояса, что доказывается возрастом протолитов метабазит-эндербитовой формации Байдарикского блока Центральной Монголии, который составляет 2,646 ? 0,045 млрд. лет (U-Pb метод). Эти данные подтверждаются и Sm-Nd изотопными измерениями, по которым их модельный возраст определяется интервалом 2,92-3,124 млрд. лет [8]. Однако большая часть ранней сиалической коры Центрально-Азиатского пояса была, вероятно, сформирована в течение протерозоя, о чем свидетельствуют имеющиеся Sm-Nd модельные датировки отдельных групп фанерозойских гранитоидов этого пояса, опубликованные в последнее время. Эти гранитоиды характеризуются отрицательными значениями E_Nd и их модельные возраста составляют интервал 0,85-2,1 млрд. лет, что свидетельствует об их протерозойском коровом сиалическом источнике [7]. На основании этих данных можно полагать, что к концу протерозоя Северо-Китайский и Восточно-Сибирский кратоны были спаяны в единую структуру и составляли основу восточного сегмента Евразийского протоконтинента. В рифее и фанерозое происходило, вероятно, незначительное наращивание сиалической коры этого сегмента за счет океанического дна Пацифики. Об этом свидетельствуют следующие данные. Возраст пород фундамента юго-западной Японии в структурной области Хида составляет 1,96 млрд. лет (U-Pb метод) [38], а в структурном поясе Куросегава, на Тихоокеанском побережье в тектонических блоках наряду с гипербазитами и базитами содержатся диориты, тоналиты, гранодиориты, изотопные датировки которых достигают 0,47 млрд. лет (Rb-Sr метод) [29].

Отсюда следует, что время формирования сиалического фундамента Японских островов было растянуто более чем на 1,5 млрд. лет, что говорит о существенном замедлении процессов сиалического корообразования в рифее и фанерозое в области сочленения протоконтинента и Палеопацифики.

Литература

1. Богатиков О.А., Симон А.К., Пухтель И.С. и др. Ранняя кора Земли: геология, петрология, геохимия // Ранняя кора: ее состав и возраст М.: Наука, 1991. С. 15-26.

1. Бибикова Е.В. Баадсгаард Х. Sm-Nd изотопное датирование древнейших пород Украинского щита и Омолонского массива // Геохимия. 1986. № 5. С. 601-611.

2. Бибикова Е.В., Грачева Т.В., Макаров В.А. и др. Возрастные рубежи в геологической эволюции раннего докембрия Енисейского кряжа // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 1993. Т. 1, № 1. С. 35-40.

3. Вольф М.Б., Уайли П. Дж. Некоторые результаты экспериментального исследования дегидратационного плавления амфиболита при 10 кбар // Геология и геофизика. 1993. № 12. С. 100-115.

4. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Гладков И.Н. Проблемы глубинной геодинамики и моделирование мантийных плюмов // Геология и геофизика. 1993. Т. 34. № 12. С. 5-23.

5. Дук В.Л., Кицул В.И., Петров А.Ф. и др. Ранний докембрий Южной Якутии. М.: Наука, 1986. 280 с.

6. Коваленко В.И., Ярмолюк В.В., Ковач В.П. и др. Источники фанерозойских гранитоидов Центральной Азии: Sm-Nd изотопные данные // Геохимия. 1996. № 8. С. 699-712.

7. Козаков И.К., Котов А.Б., Ковач В.П. и др. Корообразующие процессы в геологическом развитии Байдарикского блока Центральной Монголии: Sm-Nd изотопные данные // Петрология. 1997. Т. 3, № 3 С. 227-235.

8. Конди К., Аллен П. Происхождение архейских чарнокитов южной Индии // Геохимия архея. М.: Мир, 1987. С. 224-249.

9. Летников Ф.А., Меньшагин Ю.В., Литкевич В.В. и др. Сравнительная энергетическая характеристика флюидных и силикатных систем литосферы // Петрология. 1997. Т. 5. С. 667-670.

10. Мишкин М.А. Метаморфические формации и эволюция метаморфизма в зоне перехода от Азиатского континента к Тихому океану. Автореф. дисс. ...докт. геол.- минер. наук. Владивосток: ДВГИ ДВО РАН, ДВГИ ДВО РАН 1985. 50 с.

11. Мишкин М.А., Карпенко С.Ф., Лаврик С.Н. Sm-Nd изотопная систематика метабазитов сутамского гранулитового комплекса (юг Алданского щита) // Стратиграфия. Геологическая корреляция. (1999, в печати).

12. Неймарк Л.А., Немчин А.А., Розен О.М. и др. Sm-Nd изотопные системы в нижнекоровых ксенолитах из кимберлитов Якутии // Докл. АН. 1992. Т. 327, № 3. С. 374-378.

13. Попов Н.В. Смелов А.П. Метаморфические формации Алданского щита // Геология и геофизика. 1996. Т. 37. № 1. С. 148-161.

14. Портнягин А.Л. Магмообразование в восходящих мантийных струях: вопросы дифференциации вещества // Геохимия. 1987. № 7. С. 946-959.

15. Реутов Л.М. Докембрий центрального Алдана. Новосибирск: Наука, 1981. 184 с.

16. Розен О.М., Андреев В.П., Белов А.Н. и др. Архей Анабарского щита и проблемы ранней эволюции Земли. М.: Наука, 1988. 253 с.

17. Розен О.М., Бибикова Е.В., Журавлев Д.З. Ранняя кора Анабарского щита, возраст и модели формирования // Ранняя кора: ее состав и возраст. М.: Наука, 1991. С. 199-224.

18. Специус З.В., Серенко В.П. Состав континентальной верхней мантии и низов коры под Сибирской платформой. М.: Наука, 1990. 272 с.

19. Хаин В.Е. Основные проблемы современной геологии. М.:Наука, 1994. 190 с.

20. Хенсен Э.К., Ньютон Р.К., Джанардхан А.С. Давления, температуры и метаморфические флюиды в зоне непрерывного перехода от амфиболитовой фации к гранулитовой в южной части шт. Карнатака, Индия // Геохимия архея. М.: Мир, 1987. С. 200-223.

21. Черкасов Р.Ф. Архей Алданского щита. М.: Наука, 1979. 160 с.

22. Шемякин В.М., Глебовицкий В.А., Бережная Н.Г. и др. О возрасте древнейших образований Сутамского блока (Алданский гранулитовый ареал) // Докл. РАН. 1998. Т. 360. № 4. С. 526-529.

23. Эволюция раннедокембрийской литосферы Алдано-Олекмо-Станового региона. Л.: Наука, 1987. 309 с.

24. Allegre C.J.Chemical geodinamics // Tectonophysics. 1982. V. 81. P. 109-132.

25. Arndt N.T. Komatiites: a dirty window to the Archean mantle // Terra Cognita. 1986. V. 6. P. 59-66.

26. Bickle M.J., Ford C.E., Nisbet E.G. The petrogenesis of peridotitic komatiites: evidence from high-pressure melting experiments // Earth Planet. Sci. Lett. 1977. V. 37. P. 97-106.

27. Bowring S.A., Williams I.S., Compston W. 3,96 gneisses from the Slave province, northwest Territories, Canada // Geology. 1989. V. 17. № 11. P. 971-975.

28. Geology and mineral resources of Japan. Geological Survey of Japan. Tokyo. 1977. 430 p.

29. Jahn B.M., Bor-ming, Gruau G., Glikson A.V. Komatiites of the Onverwacht Group, S. Africa: REE Geochemistry, Sm/Nd Age and Mantle Evolution // Contrib. Mineral. Petrol. 1982. V. 80. P. 25-40.

30. Janardhan A.S., Newton R.C., Hansen E.C. The transformation of amphibolite facies gneiss to charnokite in southern Karnataka and northern Tamil Nadu, India // Contrib. Mineral. Petrol. 1982. V. 79. P. 130-149.

31. Nutman A.P. Chernyshev I.V., Baadsgaard H. The Aldan Shield of Siberia, USSR: the age of its Archaean components and evidence for widespread reworking in the midProterozoic // Precambr. Res. 1992. V. 54. P. 195-210.

32. Ohtani E., Kawabe J., Moriyama J. et al. Partioning of elements between majorite garnet and melt and implications for petrogenesis of komatiite // Contrib. Mineral. Petrol. 1989. V. 103. P. 263-269.

33. Pichamuthu C.S. Regional metamorphism and charnockitization in Mysore State, India // Ind.Mineral. 1965. V. 6. P. 119-126.

34. Spalber S.D., Rutherford M.J. The origin of rhyolite and plagiogranite in oceanic crust: an experimental study // J. Petrol. 1983. V. 24. P. 1-25.

35. Tilley C.E. Enderbite, a new member of the charnockite series // Geol. Mag. 1936. V. 73. № 865. P. 892-939.

36. Xuan H., Ziwei B., De Paolo D.J. Sm-Nd isotope study of early Archean rocks, Qianan, Hebei Province, China // Geochim. Cosmochim. Acta. 1986. V. 50. P. 625-631.

37. Yamashita K., Yanagi T. U-Pb and Rb-Sr dating of the Oki metamorphic rocks, the Oki Island, southwest Japan // Geochem. J. 1994. V. 28. P. 333-339.