ПЕТРОЛОГИЯ, 2010, том 18, № 5, с. 505-511
УДК 550.93:551.71(470.22)
ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ
РАННЕЙ КОРЫ ЗЕМЛИ
© 2010 г. Е. В. Бибикова
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН ул. Косыгина, 19, Москва, 117975, Россия; e-mail: bibikova@geokhi.ru Поступила в редакцию 29.12.2009 г.
Получена после доработки 05.02.2010 г.
Анализ изотопно-геохимических данных, полученных для образований ранней коры Земли, позволяет установить определенные ограничения на время возникновения, масштабы распространения и геохимические особенности первичной коры Земли. Наиболее информативными оказались: изотопно-геохимические и геохимические данные, полученные для древнейших цирконов с возрастом до 4.4 млрд. лет; ко-роткоживущая 146Sm/ 142Nd изотопная система; изотопный состав свинца древнейших пород Гренландии. Наличие положительной аномалии 142Nd в породах Западной Гренландии и отрицательной в амфиболитах древнейшего зеленокаменного пояса Нуввуагитук провинции Супериор (O'Neil et al., 2008) свидетельствуют о ранней дифференциации вещества Земли на обедненную мантию и обогащенную (базальтовую) кору (Caro et al., 2006; Benett et al., 2007a,b; O'Neil et al., 2008). Данные о поведении свинец-свинцовой изотопной системы в древнейших коровых образований Западной Гренландии и Лабрадора свидетельствуют о существовании обогащенной коры, имевшей базальтовый состав и высокую величину ц (238U/204Pb = 10.9) уже 3.9 млрд. лет назад (Kamber et al., 2003). Изотопно-геохимические и геохимические особенности древнейших цирконов в позднеархейских зеленокаменных поясах блока Илгарн (Западная Австралия) предполагают существование земной коры средне-кислого состава и воды на поверхности Земли уже 4.4 млрд. лет назад (Wilde et al., 2001).
Проблема эволюции Земли на самой ранней стадии ее формирования, разделения на оболочки и возникновения протокоры, несмотря на огромный объем накопленных к настоящему времени данных и разнообразие предложенных гипотез, остается остро дискуссионной. В решении этой проблемы ключевую роль играют методы геохимии изотопов, позволяющие реконструировать геохимический облик главных резервуаров, участвовавших в образовании первой коровой оболочки Земли, а также оценить длительность главных процессов корообразо-вания на раннем этапе ее эволюции. Несомненно, также, что геофизические и петрологические модели раннего корообразования Земли должны учитывать ограничения, следующие из комплекса данных по различным изотопным системам в древнейших породах Земли. Прогресс в этой области наук о Земле обеспечен значительными достижениями в развитии изотопных методов исследования как в плане вовлечения новых изотопных систем и в совершенствовании традиционных методов изотопной геологии, так и в повышении чувствительности и точности сопутствующих аналитических процедур.
Для решения вопросов реконструкции основных этапов и процессов формирования оболочек Земли на ранних стадиях ее эволюции используются как традиционные изотопные системы: 238,235и—232ТЬ—
206,207,208pb, 147Sm_143Nd, 87Rb-87Sr, 176Lu-176Hf, 187Re—187Os, так и усиленно изучаемые в последние годы короткоживущие изотопные системы: 146Sm—142Nd, 182Hf-182W 129I-244Pu-129Xe и др. Например, применение 182Hf—182W изотопной системы (период полураспада 182Hf около 9 млн. лет) позволило достаточно точно оценить время формирования металлического ядра Земли и постулировать окончание основных процессов формирования ядра в течение первых 30—50 млн. лет (максимально до 100 млн. лет) после аккумуляции основной массы вещества Земли (Brandon, Walker, 2005; Wood, Halli-day, 2005; Jacobsen, 2005; Kostitsyn, Galimov, 2007). Точные данные по короткоживущей изотопной системе 129I—244Pu—129Xe получены и для времени образования первой восстановленной атмосферы Земли, которое оценивается в =50—100 млн. лет (Oz-ima, Podosek, 1999).
Нами рассмотрены ограничения, которые дают изотопные системы для оценок возраста и геохимических особенностей древнейших пород, относимых к хадейскому эону в истории Земли (4.5 млрд. лет—4.0 млрд. лет назад; Gradstein et al., 2004). Общепризнано, что одним из лучших изотопных геохронометров являются акцессорные цирконы магматических пород, U—Th—Pb изотопная система которых, как правило, определяет время их
кристаллизации. Самыми древними, сохранившимися коровыми образованиями нашей планеты являются детритовые цирконы, обнаруженные в конгломератах и песчаниках зеленокаменных поясов Джек Хиллз и Маунт Нарриер, расположенных в пределах гнейсового комплекса Нарриер блока Ил-гарн (Западная Австралия) (Williams, Myers, 1981). Древнейшие породы этого гнейсового комплекса, представленные анортозитами, габбро и ультрама-фитами, имеют возраст ~3730—3600 млн. лет (Kin-ny et al., 1988). Около 3300 млн. лет назад часть комплекса испытала метаморфизм гранулитовой фации. Предполагаемое время формирования зеленокаменных поясов находится в интервале 3.2— 3.1 млрд. лет (Myers et al., 1990). Возраст 10% цирконов, выделенных из конгломератов и песчаников зеленокаменных поясов Джек Хиллз и Маунт Нарриер, по результатам анализа на ионном микрозонде SHRIMP, оказался выше 4.0 млрд. лет, а для пока единственного зерна циркона из конгломерата Маунт Нарриер получена оценка возраста в 4.4 млрд. лет (Wilde et al., 2001). Имеющиеся геохимические и изотопно-геохимические данные не исключают вероятность образования подобных цирконов в пределах земной коры как гранитного, так и базальтового состава.
Наиболее интересны данные об изотопном составе гафния в цирконах. Так, исследование изотопного состава гафния в древнейших кластогенных цирконах из пород Австралии с возрастом более 4.0 млрд. лет позволило получить ценные сведения о характере ранней коры Земли и установить недепле-тированный характер источника этих пород (Amelin et al., 1999; Valley et al., 2006).
Очень интересная информация о генезисе циркона может быть получена при изучении изотопного состава кислорода в этом минерале. Исследования последних лет установили низкий коэффициент диффузии кислорода в цирконах, а локальные исследования продемонстрировали различный изотопный состав кислорода цирконов различного генезиса (Peck et al., 2001). Цирконы, возникшие в ходе кристаллизации магматических расплавов ювенильного происхождения, имеют величину 518О равную +5.5 ± 1%. Большие величины 518О свидетельствуют о процессах контаминации расплава осадочными или метаморфическими породами, имевшими контакт с водой. Изучение изотопного состава кислорода в детритовых цирконах из конгломератов Маунт Нарриер (блок Илгарн) показало, что в них присутствуют цирконы с величиной 518О, превышающей 10% (Mojzsis et al., 2001). Это указывает на существование континентальной коры и свободной воды и, возможно, на существование
океана в момент образования пород возрастом до 4.4 млрд. лет.
Однако более детальное изучение изотопного состава кислорода в участках цирконов, имеющих конкордантные значения возраста более 4.0 млрд. лет (Nemchin et al., 2006), не установило величин 518О, превышающих 6—7%, что не позволяло уверенно говорить о наличие свободной воды в то время. Не однозначны также данные о распределении редкоземельных элементов в древнейших цирконах. Некоторые авторы (Wilde et al., 2001; Valley et al., 2006) полагают, что характер распределения редкоземельных элементов в древнейших цирконах свидетельствует об их кристаллизации из расплава гранитного состава (Coogan, Hinton, 2006). Однако изучение Sm—Nd изотопной системы в цирконах, как правило, свидетельствовало о ее нарушенности при процессах метаморфизма. Из этого следует, что можно ожидать отклонения и в содержании всех прочих редкоземельных элементов. О кристаллизации из расплава гранитного состава, по мнению ряда авторов, говорит и наличие в древнейших цирконах включений кварца и полевых шпатов. В то же время изучение цирконов ударного происхождения в породах основного состава расслоенного массива Садбери (Канада) показало, что в результате ударного воздействия в расплавах, образовавшихся при магматической дифференциации, кристаллизовались цирконы, содержащие включения кварца и полевых шпатов (Darling et al., 2009). Таким образом, для окончательного решения вопроса о происхождении древнейших цирконов в конгломератах блока Илгарн нужны дополнительные исследования.
Основное внимание в настоящей статье уделено рассмотрению поведения изотопных систем в породах в целом. Древнейшим сохранившимся останцем архейской коры на нашей планете является СевероАтлантический кратон, включающий высокомета-морфизованные ортогнейсы Западной Гренландии и Лабрадора и древнейшие супракрустальные породы зеленокаменного пояса Исуа. Детальное изучение прекрасно сохранившихся выходов этих пород проводится начиная с 70-х годов прошлого века (Black et al., 1971). Исследования, проведенные уже в те годы с применением "классических" изотопных систем, позволили оценить возраст гнейсов Амит-сок (3650 ± 100 млн. лет) и продемонстрировали сохранность изотопных систем (Rb—Sr, Sm—Nd, U—Pb и др.), несмотря на наложение более поздних метаморфических процессов (Moorbath et al., 1986). Следует отметить, что при изучении Sm—Nd и Lu—Hf изотопных систем в ортогнейсах (породы в целом) всех древнейших кратонов были получены положительные величины sNd(T) и eHf(T), свидетельствующие о том, что источником родоначальных для их
протолитов расплавов была деплетированная мантия (Caro et al., 2006). При этом было показано, что величины sNd для всего архейского периода лежат в интервале +2.. .+1, а величина sHf примерно в два раза выше из-за разницы в значениях констант распада.
В последние годы в связи с разработкой новых и совершенствованием классических методов изотопных исследований древнейшие ортогнейсы Гренландии и Лабрадора, в также осадочные породы пояса Исуа вновь стали объектами детального изучения. Наиболее информативные данные были получены по свинец-свинцовой изотопной системе и короткоживущей изотопной системе 146Sm—142Nd. Исключительно интересна в этом плане работа Б. Камбера с соавторами (Kambe
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.