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.