УДК 551.24:551.74
СУБДУКЦИОННАЯ ГЕОДИНАМИКА В АРХЕЕ И ФОРМИРОВАНИЕ АЛМАЗОНОСНЫХ ЛИТОСФЕРНЫХ КИЛЕЙ И РАННЕЙ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ КОРЫ КРАТОНОВ
© 2012 г. А. А. Щипанский
Геологический институт РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., д. 7 Поступила в редакцию 23.05.2011 г.
Выдающимся феноменом раннедокембрийской геологии Земли являются алмазоносные мантийные кили, подстилающие архейские кратоны. Повсеместно устойчивый парагенезис ранней архейской континентальной коры ТТГ состава и ее субконтинентальной литосферной мантии ясно обозначает единство их тектогенеза, не повторявшегося в последующие геологические эпохи. Одним из наименее исследованных вопросов в происхождении этого феномена являются эклогитовые ксенолиты, которые постоянно присутствуют среди мантийных ксенолитов, вынесенных на поверхность кимберлитовыми трубками, и обнаруживают многочисленные свидетельства их субдукционного генезиса. Отсутствие их коровых эквивалентов архейского возраста неизбежно ставило вопросы о коровом источнике и связи с процессами формирования ранней континентальной коры. В настоящей статье впервые проводится сравнительный анализ составов архейских коровых эклогитов, недавно обнаруженных в Беломорском поясе Балтийского щита и мантийных ксенолитовых эклоги-тов в контексте проблем формирования архейской субконтинентальной литосферной мантии (СКЛМ) и ранней континентальной коры. Показано, что по минеральному и химическому составу коровые эклогиты Беломорского пояса идентичны ксенолитовым, в том и числе и алмазоносным, эклогитам группы В. Реконструкция их протолитов обнаруживает отчетливые параллели с составами первичных расплавов позднеархейской океанической коры, которая формировалась при потенциальных температурах верхней мантии, превышающих современную температуру на 150—250 К. Реконструкция траекторий погружения архейской океанической коры обнаруживает, что она, вероятно, субдуцировала в более горячую верхнюю мантию, чем это происходит в современных обста-новках конвергенции. Это позволяет предложить геодинамическую модель сопряженного формирования архейской алмазоносной СКЛМ и ранней континентальной коры, которое представляется закономерным явлением, связанным со спецификой геодинамики того времени, определяемой более высоким тепловым потоком Земли.
ВВЕДЕНИЕ
В архее образование ранней континентальной коры сопровождалось масштабным дебетированием верхней мантии и, как следствие, формированием утолщенной СКЛМ. Такое утолщение (провес подошвы) получило наименование лито-сферного киля (корня), мощность которого под архейскими кратонами превышает 200 км. В постархейских кратонах мощности литосферы меньше (<200 км), а в пост-раннедокембрийских кратонах она, как правило, не превышает 140 км [31].
Давно установлено, что алмазоносные ким-берлитовые трубки приурочены преимущественно к архейским кратонам [41]. Эта взаимосвязь в последствие получила название "правило Клиффорда", согласно которому алмазы должны были формироваться в архее. Глубокий киль, свойственный архейским кратонам, захватывает поле стабильности алмазов, и это объясняет правило Клиффорда [55]. Кроме того, петрологическими исследованиями было установлено, что архейская СКЛМ отчетливо отличается от пост-архей-
ской: она более деплетирована, как правило, стратифицирована и часто содержит субкальциевые гарцбургиты, которые практически не известны в молодых примерах СКЛМ [46].
Несмотря на многочисленные и разносторонние исследования этого феномена, его объяснение до сих пор остается противоречивым. Консенсус здесь может быть сведен к признанию того, что ясные различия в строении и мощности СКЛМ разного возраста отражают эволюционные изменения температурных параметров мантии Земли, характера ее конвекции, а, следовательно, и различий геодинамических процессов архейского и пост-архейского корообразования. Последнее наиболее выражено в том, что ранняя континентальная кора Земли главным образом состоит из тоналит-трондьемит-гранодиорито-вой (ТТГ) серии — гранитоидной формации, которая в пост-архейской истории не составляла заметного явления. Повсеместно устойчивый парагенезис архейской континентальной коры и ее
алмазоносного литосферного киля ясно обозначает единство их развития (напр., [46, 77, 90, 93]).
В литературе существует несколько моделей формирования архейской СКЛМ, которые, как и модели формирования ранней континентальной коры, можно в самом общем виде разделить на две группы. Первая отрицает заметную роль суб-дукции в механизмах формирования как ранней континентальной коры, так и ее литосферной мантии (напр., [33, 45]). Вторая предполагает существование параллелей архейской геодинамики с механизмом тектоники плит (напр., [40, 86, 90, 93]).
Самым ярким свидетельством вероятности субдукционных процессов в архее являются экло-гиты, которые в виде мантийных ксенолитов выносятся на поверхность во многих кимберлито-вых трубках. Интересно отметить, что первый алмаз в Южной Африке был обнаружен в конце 19-го века в эклогитовом нодуле. Ссылку на этот любопытный исторический факт, как и детальный обзор развития представлений о природе мантийных эклогитов можно найти в работе [54]. Однако отсутствие коровых эквивалентов мантийных эклогитов оставляло значительные неопределенности в понимании геодинамики формирования архейской алмазоносной СКЛМ. Следовательно, можно было ожидать обнаружение коровых эклогитов архейского возраста, поскольку, невероятным кажется предположение том, что вся архейская океаническая кора тотально была поглощена в зонах субдукции. Недавние открытия архейских коровых эклогитов в Беломорском мобильном поясе Балтийского щита [6, 26, 63, 72] предоставляют возможность для свежего взгляда на происхождение мантийных ксенолитовых эк-логитов, геодинамику формирования архейской СКЛМ и континентальной коры.
Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы на примере архейского ядра Балтийского щита и его СКЛМ показать вероятные геодинамические взаимосвязи формирования ранней континентальной коры кратонов и их мантийных килей. В фокусе статьи лежит сравнительный анализ составов коровых и мантийных эклогитов, которые содержат критически важную информацию не только о процессах архейской субдукции, но и режимах плавления верхней мантии того времени, ответственных за объемы и степени ее деплета-ции, присущих архейской СКЛМ.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АРХЕЙСКОЙ СКЛМ
В настоящей главе в сжатом виде будут рассмотрены главные черты строения архейской СКЛМ, что представляется необходимым для обозначения ограничений в геодинамическом моделировании происхождения этого феномена.
Более подробную информацию можно найти в обзорах [40, 46, 62, 93].
Строение и состав
Несмотря на частные различия в строении субконтинентальной литосферной мантии под архейскими кратонами, везде установлены ее общие специфические характеристики отличные от СКЛМ за пределами архейских кратонов. Эта специфика отражается в параметрах сейсмических скоростей поперечных волн, которые показывают заметно более высокие значения (~4.7 км/сек) в сравнении с мантией океанов (~4.43 км/сек) и фа-нерозойских складчатых областей (~4.5 км/сек). Хотя скоростные характеристики верхней мантии во многом определяются ее термальным состоянием, композиционные вариации, связанные с содержанием Fe, рассматриваются в этом отношении также как очень значимый фактор. Влияние деплетации верхней мантии по железу сопоставимо с уменьшением ее температуры на величину порядка 100°С [40]. Действительно, установлено, что перидотитовые нодули из областей архейской СКЛМ отличаются наивысшей магнезиальностью [46], а, следовательно, депле-тацией по Fe, А1 и Са. Очевидно, что деплетация должна была быть связана с интенсивными процессами частичного плавления архейской мантии, в результате которых удалялся расплав, обогащенный отмеченными выше несовместимыми элементами. Минералогически этот процесс выражался в трансформации гранат- и клинопирок-сен-содержащей лерцолитовой мантии в ортопи-роксен-оливиновую гарцбургитовую мантию, которая при одинаковой температуре будет иметь, примерно, на 2% меньшую плотность, чем родо-начальная, или фертильная, мантия [37, 55]. Это обстоятельство рассматривается в качестве критического фактора, благоприятствующего для поддержания длительной стабильности кратонов.
Термобарометрические исследования перидо-титовых нодулей показывают, что сильная депле-тация архейской СКЛМ ограничена глубиной ~175 км, тогда как сейсмологические наблюдения показывают более глубинную границу киля — 250—300 км (рис. 1). Этот дисбаланс границ, скорее всего, связан с большей чувствительностью сейсмических волн к температурным параметрам, нежели к композиционной стратификации верхней мантии [62]. Однако возможно, что сейсмическая граница архейской СКЛМ отражает первичную мощность субкратонных мантийных килей, которые в последующей истории должны были подвергаться эрозионной рефертилизации со стороны конвектирующей мантийной среды, т.е. астеносферной мантии. Эта наиболее глубинная (~ от 200 до 300 км) часть кратонических килей выделяется в пограничный реологический
Киль кратон 250-300 км
Деплетированная, дегидратированная часть киля (по исследованиям ксенолитов) 175 км
Граница по данным исследований ксенолитов
Более фертильная часть киля (по исследованиям ксенолитов)
75-125 км
Граница по данным сейсмологических исследований
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая основные черты строения мантийного киля архейских кратонов [62]. Граница коры и СКЛМ не показана
слой, температурный контраст между подошвой и кровлей которого составляет ~100-150 К. Данный слой представляет собой своеобразный защитный экран, бронирующий петрологическую СКЛМ от конвективной пертурбации астено-сферной мантией, разрушение которого теоретически требует повышения в нем температуры, как минимум, на 490 К [93].
Еще одной чертой архейской СКЛМ является обогащенность перидотитов Si относительно Mg. Избыток SiO2 выражается в аномально высоком содержании ортопироксена, характерном, например, для перидотитовых ксенолитов из Каап-вальского и Сибирского кратонов. Несмотря на разл
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.