Докембрийские коры континентального выветривания

Самостоятельное изучение образований, связанных с докембрийским выветриванием, является одной из основных задач осадочной геологии докембрия, впервые широко поставленных А.В. Сидоренко. Ее решение в значительной степени облегчит палеогеографические реконструкции некоторых периодов докембрия, а также выяснение специфики древнейшего осадкообразования. He случайно поэтому в Лаборатории геологии древних осадочно-метаморфических толщ Геологического института Академии наук России докембрийские коры континентального выветривания стали объектом специальных исследований.

Сравнительно недавно было распространено убеждение в невозможности восстановления конкретной палеогеографии докембрия даже для его поздних периодов вследствие якобы полной утраты первоначальных признаков пород уже при раннем метаморфизме. Видимо, поэтому считалось, что докембрийские коры выветривания могут быть обнаружены в очень редких случаях. Между тем даже предварительный анализ имеющейся литературы позволяет сделать заключение о чрезвычайно широком размахе процессов физико-химического выветривания, охватывавших обширнейшие территории и неоднократно повторявшихся на протяжении докембрийского времени. А в связи с длительностью континентальных режимов эти процессы часто приводили к возникновению мощных остаточных кор выветривания.

На территории нашей страны можно выделить определенные области развития древнейших площадных кор выветривания: 1) Балтийский щит; 2) Украинский кристаллический массив и собственно Русская платформа; 3) Сибирская платформа.

На Балтийском щите докембрийские коры выветривания известны главным образом в Карелии. В Центральной, Южной и Северной ее частях на различных породах (гранитах, гранитных и полимиктовых конгломератах, аркозах, зеленокаменных сланцах, эффузивах основного состава) геологами обнаружено более 80 обнажений кор выветривания протерозойского возраста. Мощность их колеблется от 0,5 до 10—25 м и в отдельных случаях до 50 м.

В пределах Украинского щита и собственно Русской платформы многочисленными исследователями зафиксированы допротерозойские, протерозойские, дорифейские, рифейские и позднедокембрийские коры выветривания и их следы на гнейсах, плагиогранитах, амфиболитах и железистых кварцитах.

Количество обнаруженных докембрийских кор выветривания на Сибирской платформе пока невелико. Однако возрастной интервал их развития чрезвычайно обширен — от нижнего архея до самых верхов докембрия.

Своеобразие большинства докембрийских кор выветривания заключается в их метаморфизованности. С целью «снятия» метаморфизма с процессов древнейшего выветривания и восстановления их первичного характера, а также реставрации геохимической зональности докембрийской коры выветривания представлялось необходимым исследовать и сопоставить с аналогичными образованиями последующих геологических эпох примерно одновозрастные докембрийские коры выветривания на различных типах пород. В этом отношении наибольший интерес представляет собой территория Карелии, некоторые метаморфические породы которой под протерозойскими осадками рассматриваются рядом геологов как элювиальные и поэтому могут считаться одними из древнейших среди кор выветривания.

В 1963—1964 гг. в Центральной Карелии (район оз. Сегозера) нами были проведены исследования метаморфизованных протерозойских кор выветривания, развитых на гранитах, диабазах, пикритах и полимикто-вых конгломератах. При этом основное внимание уделялось корам выветривания на гранитах, как наиболее сохранившимся и распространенным. Кроме того, исходные граниты выгодно отличаются от прочих пород относительной простотой своего состава.

Образования, идентифицированные многими исследователями в качестве древнейшей коры выветривания гранитов кристаллического фундамента, представляют собой кварц-серицитовую породу, наибольшая мощность горизонта которой достигает 20 м. В самых полных разрезах вблизи от перекрывающих ее кварцевых конгломератов и кварцито-песчаников ятулийского отдела (средний протерозой) она обладает четко выраженной сланцеватой структурой. Вниз по разрезу сланцеватость плавно исчезает; кварц-серицитовый сланец, изменяя минеральный состав, постепенно переходит в материнский гранит, сохраняющий обычно массивную текстуру. Кварц-серицитовые сланцы и покровные ятулийские образования были дислоцированы совместно. Поэтому положение горизонта коры выветривания в натуре следует определять по залеганию перекрывающей ятулийской толщи. Сланцеватость в кварц-серицитовой породе и ятулийских кварцито-песчаниках ориентирована одинаково и, как правило, не совпадает со слоистостью самого ятулия.

В исследовавшихся разрезах граниты, на которых развивалась доятулийская кора выветривания, светло-серого и розовато-серого цвета, неравномернозернистые с характерной гранитной структурой. По минеральному составу они относятся к плагиогранитам, полевой шпат которых представлен альбит-олигоклазом, а темноцветные минералы — биотитом. Из акцессорных присутствуют циркон и апатит. Преобразование главных минералов гранита по профилю коры выветривания (снизу — вверх) происходит следующим образом.

В самой нижней части метаморфизованной коры, где основные компоненты материнской породы еще не подверглись ощутимым изменениям, биотит начинает замещаться хлоритом, в котором нередко попутно возникает отчетливая решетка сагенита. В процессе хлоритизации биотита часть железа в виде непрозрачных образований выделяется по трещинам спайности или с краев чешуек. Несколько выше по разрезу хлоритовые чешуйки довольно быстро светлеют, и по ним развиваются карбонат, эпидот, титанит. Примерно в средней части профиля листочки хлорита полностью обесцвечиваются, замещаясь, кроме перечисленных минералов, мусковитом и кварцем; место, которое они когда-то занимали в породе, только иногда можно определить по уцелевшей сагенитовой решетке. Фрагменты хлоритовых пластинок изредка обнаруживаются в зоне кварц-серицитового сланца.

Интересно проследить в древнейшей коре трансформацию полевого шпата и кварца. Под микроскопом четко выявляется, что плагиоклаз в относительно свежем не подвергавшемся доятулийскому выветриванию граните сохраняет присущий ему облик. Ho уже на первой стадии разложения исходной породы зерна плагиоклаза с краев и по двойниковым границам постепенно замещаются тонкочешуйчатым серицитом и слегка карбонатом (в интерпретации к доятулию — по всей вероятности, гидрослюдами, карбонатами и частично каолинитом).

При переходе от низов коры выветривания к ее верхним частям серицитизация и карбонатизация таблиц плагиоклаза в общем увеличивается. Примерно в средней зоне профиля материнский субстрат еще сохраняет массивную текстуру, хотя вместо целых таблиц плагиоклаза сохраняются только скелетообразные их реликты. В самых верхних частях профиля плагиоклаз целиком замещается тонкочешуйчатой серицитовой — карбонатно-серицитовой массой. От исходного гранита остаются лишь кварцевые зерна в карбонатно-серицитовом цементе (применительно к доятулийскому времени — в глинистой массе, состоящей, по-видимому, в основном из каолинита в смеси со щелочно-земельными минералами). Кварц-серицитовая порода приобретает отчетливую сланцеватую структуру (рис. 1,2).

В рассматриваемой коре выветривания кварц является только относительным устойчивым минералом. По нашему мнению, здесь довольно ясно вырисовывается процесс растворения, корродирования кварцевых зерен материнского гранита первичными глинистыми минералами. Так, в свежем граните, где плагиоклаз еще не затронут серицитовой сыпью, кварц тоже сохраняет свои контуры. Однако по мере развития первородного глинистого вещества кварц начинает разъедаться, поначалу с периферии зерен, потом коррозия проникает в их центральные части, вызывая распад зерен на более мелкие обломки (см. рис. 2). Этот процесс, как и серицитизация, прогрессирует по профилю снизу — вверх. Аналогичные наблюдения по разъеданию кварца глинистыми минералами в корах выветривания различного возраста ранее были опубликованы В. Н. Разумовой, Н.А. Лисицыной, Л.И. Карякиным, А.П. Никитиной, И.И. Гинзбургом и др. Причем А.П. Никитина отмечает, что растворение кварца типично в основном для кор выветривания каолинитового типа.

В зоне кварц-серицитового сланца кварцевые зерна распределяются послойно, что, по-видимому, следует рассматривать как результат перемещения корродированных обломков кварца в ходе более позднего регионально-метаморфического осланцевания глинистого вещества доятулийской коры выветривания.

Наряду с первичным гранитным кварцем, в разрезах характеризуемой коры выветривания наблюдаются агрегаты вторичного мелкозернистого кварца с мозаичной структурой, локализующегося главным образом вокруг основных кварцевых зерен. Нередко первичные зерна кварца (вернее их обломки) обрастают тонкой зубчатой каемкой ресилификационного кварца.

Новообразования кварц, по всей вероятности, обязаны своим появлением метаморфической перекристаллизации кремнезема, высвобождавшегося при разложении полевых шпатов и в какой-то степени при выщелачивании кварцевых зерен материнского гранита.

По классификации Эскола — Тернера, метаморфогенные минералы (хлорит, кварц, серицит) в характеризуемой коре выветривания отвечают фации зеленых сланцев. По Tepнеру, глинистое вещество на первых ступенях регионального метаморфизма, адсорбируя щелочи, преобразуется в серицит и хлорит. Исследованиями А.Г. Бетехтина установлено, что каолинит при температуре 300° С и действии щелочных и щелочноземельных элементов преобразуется в серицитовую слюду. Изменение каолинитовой доятулийской коры выветривания в кварц-серицитовую породу происходило, видимо, в сходной геохимической обстановке.

Вследствие уплотнения продуктов протерозойского выветривания при метаморфизме единица объема метаморфической коры содержит минерального вещества больше, чем молодая кора выветривания, сложенная породами рыхлыми и пористыми. Поэтому различие в содержании основных химических элементов у материнской породы и продуктов ее разложения в палеозойско-кайнозойских корах выветривания должно быть проявлено более резко, нежели у древнейших метаморфизованных кор. И тем не менее метаморфизованность исследовавшейся коры выветривания в целом не искажает картины распределения в ее разрезах основных породообразующих элементов, которая оказывается весьма сходной с геохимическим обликом профилей каолинитовых кор выветривания последокембрийских геологических эпох. Наблюдающиеся же подчас вариации по кривым распределения элементов в наших разрезах (рис. 3, 4, 5) объясняются, во-первых, неравномерностью разложения минерального вещества в корнях коры (по существу, мы имеем дело именно с ними), во-вторых, неоднородностью проявления процессов окремнения и карбонатизации и, в-третьих — неизбежными погрешностями в составлении и анализе проб.

В Химической лаборатории Геологического института Академии наук России был произведен полный силикатный химический анализ 77 проб, отобранных из нескольких разрезов доятулийской гранитной коры выветривания. Судя по данным анализов, большая часть которых помещена в табл. 1, в кварц-серицитовом горизонте коры по сравнению с исходными гранитами натрий (частично кальций), кремний и закисное железо уменьшают свое содержание, а алюминий и окисное железо — даже для совсем незначительных по мощности кор. Так, например, содержание кремния, закисного железа и натрия совершенно отчетливо уменьшается по профилю выветривания снизу — вверх в обнажениях Гоген-сари, Мурдо-сари, Кюльмяс-ручей. В тех же разрезах, за исключением Мурдо-сари, увеличивается снизу — вверх количество алюминия, окисного железа, воды. Нет надобности специально рассматривать здесь аналогичное (точнее более четкое) поведение химических элементов в разрезах нашей коры выветривания большей мощности (Чапан-сари, Ахвен-ламби, Лехта-сари). Оно, как нам кажется, с достаточной убедительностью иллюстрируется данными табл. 1.

Своеобразно распределяются в метаморфизованном профиле выветривания магний и калий (отчасти кальций), в чем, кстати, состоит одна из главных особенностей доятулийской коры выветривания. Вопреки предположению названные элементы не выносятся, как им следовало бы в обычном профиле, а напротив, увеличиваются в содержании. Это обстоятельство имеет свое объяснение.

Во всех изучавшихся нами разрезах серицитизация полевых шпатов сопровождается в той или иной степени развитием карбонатов. Все профили характеризуются, кроме того, новообразованиями кварца. К тому же, кварц-серицитовый слой коры в ряде случаев (например, обнажения Чапан-сари, Гоген-сари) перекрывается сначала линзовидными прослоями доломитов или кремней, а уже потом — кварцитами ятулия. Карбонатность и окварцованность описываемой коры, по нашему представлению, является своеобразным индикатором определенной аридности климата в доятулийское время. Именно при ограниченной водной циркуляции в древнейшей коре выветривания щелочные земли частично концентрировались в форме карбонатов; тогда же происходило и частичное накопление кремнезема в виде опала и халцедона. Типичность такого минералообразования для засушливой обстановки подтверждается исследованиями Б.Б. Полынова, А.В. Сидоренко, А.И. Перельмана, И.И. Гинзбурга, Н.М. Страхова и многих других исследователей. Что касается линзовидных доломитовых и кремневых тел, наблюдающихся в верхних частях некоторых разрезов данной коры, то они, очевидно, также свидетельствуют о засушливости климатических условий в предъятулийский период, будучи, по всей вероятности, теми карбонатнокремнёвыми корками и покровами, которые образуются в степных и толупустынных районах при периодическом увлажнении и высыхании поверхностного слоя.

Проведенная нами работа, являющаяся началом исследований, позволяет, как нам кажется, с большей определенностью полагать, что кварц-серицитовые сланцы, генетически связанные с архейско-нижнепротерозойскими гранитами в основании ятулийской толщи Карелии представляют собой остаточную каолинитовую кору выветривания, сформировавшуюся в обстановке, близкой к засушливой, и позднее метаморфизованную в фации зеленых сланцев.

Сопоставляя досреднепротерозойскую кору на гранитах с корами выветривания того же типа в последокембрийском времени и отмечая в целом сходство их профилей, можно предположительно считать природу физико-химического выветривания в протерозое и последующие эпохи в принципе мало изменявшейся (несмотря на то, что биогенное разложение пород позже играло в выветривании гораздо большую роль). Возникновение каолинитовой коры выветривания в доятулии, по-видимому, можно связывать с наличием в протерозойской атмосфере значительного количества свободного кислорода.