10.03.2021

Изотопные методы и проблемы осадочно-метаморфической геологии докембрия


В настоящее время одной из кардинальных проблем геологической науки является проблема всестороннего изучения докембрия.

Особое значение приобретает изотопное направление в изучении осадочно-метаморфической геологии докембрия. Многочисленными исследованиями последних лет убедительно показано, что стабильные изотопы как геохимические индикаторы характеризуют только закономерные, как правило, многоактные, циклические процессы, поэтому изотопная летопись отражает главным образом принципиальные особенности геологических процессов. Необходимо подчеркнуть, что основную роль в разделении стабильных изотопов играют экзогенные и биохимические процессы (физико-химические и биологические факторы фракционирования изотопов наиболее действенны в термодинамических условиях зоны гипергенеза), поэтому изотопные методы имеют исключительно важное значение для успешного решения проблем осадочно-метаморфической геологии докембрия.

Широкое использование стабильных изотопов легких элементов (О18/О16, С13/С12, S34/S32, D/H и др.) для изучения осадочно-метаморфических комплексов докембрия может оказать большую помощь в решении важных для развития современной геологии вопросов возникновения, состава и эволюции первичной атмосферы и гидросферы, природы исходного вещества для первичных осадков, эволюции осадочных процессов, метаморфогенного породо- и рудообразования, металлогении щитов и т. д.

К проблемам осадочно-метаморфической геологии докембрия, в решении которых изотопным методам принадлежит ведущая роль, можно отнести целый ряд проблем, настолько взаимосвязанных, что их изучение должно проводиться в значительной мере комплексно.

1. Важное общегеологическое значение имеет проблема изотопной эволюции первичного вещества Земли, непосредственно связанная с происхождением наружных ее оболочек.

Выяснение характера изотопной эволюции первичной гидросферы и атмосферы в процессе их взаимодействия с первичным земным веществом и первичными осадочными породами позволит более правильно судить не только о механизме их образования и их первичном составе, но и о времени возникновения и эволюции осадочных процессов на Земле.

Применение изотопных методов позволило внести существенный вклад в развитие и укрепление представлений о ведущей роли осадочных процессов в докембрии, подтвердив существование основных факторов гипергенеза и установление геохимических циклов ряда легких элементов со времени раннего докембрия.

Особое внимание обращает на себя возникшая в последние годы весьма сложная проблема согласования возраста осадочного процесса (3,5—4,0 млрд. лет) с возрастом Земли (4,5—5,0 млрд. лет). Именно благодаря успехам литологии, изотопной геологии и геохронологии докембрия интервал между астрономическим и геологическим этапами истории Земли сократился настолько, что перед целым рядом гипотез о механизме образования сиалической коры, гидросферы и атмосферы возникли серьезные трудности. Дело в том, что известные расчетные данные о термической истории Земли показывают, что выплавление сиалической коры из мантии и ее дегазация с образованием гидросферы и атмосферы могли начаться не ранее 1—2 млрд. лет после консолидации Земли из метеоритного вещества.

Мы считаем, что наиболее полно современные данные по литологии и геохронологии докембрия соответствуют представлениям, вытекающим из космогонической теории О.Ю. Шмидта, о том, что на заключительных этапах формирования Земли уже существовала первичная гидросфера и атмосфера. Один из возможных механизмов их образования был предложен К.П. Флоренским, согласно которому эта первичная гидросфера могла вызвать осадочную дифференциацию значительных масс земного вещества, существенно превышающих общую массу земной коры.

Первичность осадочных процессов по отношению к магматическим является важнейшим для геологии следствием космогонической теории О.Ю. Шмидта. Развитие этих представлений, по нашему мнению, будет способствовать созданию более правильной геологической модели Земли.

Для успешного решения этой проблемы необходимы детальные изотопные исследования осадочно-метаморфических толщ докембрия, так как именно они составляют значительную часть земной коры. И все же уже сейчас можно сказать, что известные закономерности распределения и особенности поведения стабильных изотопов легких элементов в земной коре более всего соответствуют представлениям о полициклической осадочно-метаморфической дифференциации первичного земного вещества, которая определяла изотопную дифференциацию Земли.

Безусловным следствием подобной дифференциации является известный факт значительного обогащения внешних оболочек Земли тяжелыми изотопами кислорода, углерода, серы и, вероятно, других элементов. Однако было бы преждевременно отождествлять изотопный состав изученных к настоящему времени самых верхних горизонтов земной коры с изотопным составом всей земной коры, а тем более делать на этом основании определенные выводы относительно того или иного механизма образования геосфер.

Следует отметить, что региональный метаморфизм как глобальный процесс в значительной мере определяет стационарный характер дисперсии в изотопном составе наружных и внутренних зон земной коры. Это связано с особенностями поведения указанных элементов при метаморфизме. Восстановленные формы углерода (различные графитоиды) и серы (сульфиды) в общем случае более устойчивы при метаморфизме, чем карбонаты и сульфаты. Поэтому в метаморфических комплексах в результате широко развитых процессов декарбонатизации и десульфатизации отношения Скарб:Сорг и Sсульфат:Sсульфид меняется в пользу Copг и 5сульфид. Именно эти процессы возвращают тяжелые изотопы С13 и S34 в зону гипергенеза, обусловливая изотопно-легкий состав углерода и серы метаморфической оболочки Земли.

Проведенные нами расчеты с учетом значительного количества изотопно-легкого углерода докембрийских осадочно-метаморфических толщ показали, что изотопный состав углерода земной коры (bСcp13 = -1,8%) сравнительно близок к метеоритному (bCср13 = -2,2%). Дальнейшие исследования позволят уточнить эту величину. Опираясь на изотопный материальный баланс для серы и принимая во внимание высказанные соображения, можно с большой долей вероятности считать, что известный дефицит серы в земной коре связан с нахождением значительных количеств изотопно-легкой сульфидной серы в докембрийских щитах, возможно, в виде осадочно-метаморфогенных рудных месторождений. Отсюда вырисовываются значительные перспективы потенциальной рудоносности метаморфических комплексов докембрия.

Что же касается изотопов кислорода, то определяющим фактором распределения их в земной коре является термодинамическое изотопное равновесие между литосферой и гидросферой, установившееся в глубоком докембрии. Распределение изотопов кислорода в литосфере характеризуется максимальным содержанием O18 в осадочных породах bО18=15-38 промилле), средним — в метаморфических породах (bO18 = 10-19 промилле) и минимальным — в изверженных породах (bO18= 15-10 промилле) и определяется градиентом температуры и количественными соотношениями литосферы и гидросферы, участвующих в изотопно-кислородном обмене.

Необходимо отметить, что закономерное уменьшение содержания О18 в регионально метаморфизованных осадочных породах с увеличением степени метаморфизма и вполне закономерный ряд минералов по степени концентрации О18, установленный для соответствующего температурного интервала регионального метаморфизма и довольно хорошо выдерживающийся по величине средних значений bO18 для метаморфических пород различных регионов мира и разного возраста, свидетельствуют о том, что региональный метаморфизм протекает в равновесных условиях и что основные факторы метаморфизма были одними и теми же, причем, что самое главное, водная фаза, принимавшая участие в этом процессе, была изотопно одинаковой.

Указанные закономерности поведения изотопов кислорода имеют основополагающее значение для понимания условий образования регионально метаморфизованных пород, и, вообще, метаморфической оболочки Земли, свидетельствуя о едином механизме метаморфических преобразований осадочной оболочки Земли и о едином (изотопно постоянном) водном флюиде, участвующем в этом глобальном процессе в течение всей обозримой геологической истории Земли.

Связь bO18 со степенью метаморфизма есть следствие изотопно-обменного взаимодействия поверхностных (метеорных или морских) вод с метаморфизующимися породами в условиях градиента температуры, причем необходимым условием этого процесса, восстанавливающим сложное динамическое равновесие в системе «океан — осадок», является многократная циркуляция огромных масс поверхностных изотопно-легких вод, так как только это может обеспечить прогрессивное уменьшение bO18 метаморфических пород.

Роль ювенильных растворов в этом процессе ничтожна. Так называемые «магматические» значения bO18 гидротермальных вод являются мнимыми по отношению к действительному магматизму, на самом деле они отражают реальную картину активного участия поверхностных вод в региональном метаморфизме и являются следствием интегрального эффекта при изотопно-кислородном обмене в условиях термического градиента земной коры.

Выполненные нами изотопно-кислородные балансовые расчеты для литосферы и гидросферы показали, что средний изотопный состав кислорода гранитного слоя земной коры характеризуется величиной bO18 = 8,0% промилле. Подобный изотопный состав кислорода действительно свойствен гранитам. Если учесть, что граниты, весьма вероятно, являются глубокометаморфизованными некогда осадочными породами, то среднее значение bO18 для континентальной коры может свидетельствовать о том, что большая часть пород, слагающих континентальную кору, прошла через осадочную дифференциацию в термодинамических условиях земной поверхности, а затем претерпела метаморфизм в более глубоких зонах Земли с участием метеорных, а возможно, и океанических вод глубинной циркуляции.

Основные особенности геохимии изотопов кислорода приводят к чрезвычайно важному для геологии выводу, что именно поверхностные воды являются обязательным и важным фактором метаморфизма, гранитизации и рудообразования.

2. Проблема различения седиментогенных и магматогенных (орто-и пара-) метаморфических пород — одна из ключевых в литологии и осадочно-метаморфической геологии докембрия.

В решении этой проблемы важная роль принадлежит методам изотопной диагностики первичной природы глубокометаморфизованных пород. Разработка изотопных критериев орто- и параамфиболитов как весьма распространенных глубокометаморфизованных пород докембрия предполагает решение ряда вопросов как изотопного плана, связанных с выяснением характера и установлением масштабов влияния метаморфизма на исходный состав осадочных и магматических пород, так и общегеологического, связанных с изучением особенностей миграции вещества при региональном метаморфизме (поведение воды, углекислоты, щелочных, рудных элементов) и состоянием вещества пород на стадии ультраметаморфизма и гранитизации.

На первых этапах исследований этого направления решена задача изотопной диагностики орто- и параамфиболитов и начаты исследования по разработке изотопных критериев первичной природы эклогитов, гранулитов и других глубокометаморфизованных пород основного состава.

Следующим важным этапом изучения рассматриваемой проблемы является изотопное изучение конвергентных пород кислого состава, таких как гнейсы, граниты, щелочные метасоматиты. Особое внимание следует обратить на необходимость комплексных изотопных исследований древних соленосных пород, с которыми может быть связано образование карбонатитов, нефелиновых сиенитов и других щелочных пород.

Весьма перспективно экспериментальное моделирование на изотопном уровне процессов метаморфизма осадочных и магматических пород, что должно дать ценную информацию о происхождении глубокометаморфизованных пород, об их исходной природе, а также об условиях и механизме их метаморфических преобразований. Необходима также тесная взаимосвязь изотопных и литологических исследований осадочно-метаморфических пород докембрия. Чем точнее будет определяться литологическими методами первично-осадочный облик метаморфической породы, тем точнее будут исходные данные для установления характера и степени фракционирования изотопов в процессе регионального метаморфизма, что поможет рассчитать для любой седиментогенной породы ее первоначальный изотопный состав.

3. Проблема биогенного углеродистого вещества в древнейших метаморфических толщах Земли важна не только для осадочной геологии докембрия, но и для естествознания вообще. Немаловажное значение имеет и изотопный аспект этой проблемы. Значение этой проблемы обусловлено, в первую очередь, той большой ролью, которую играют живые организмы, а также биогенное органическое вещество в геологических и геохимических процессах формирования земной коры. Биогенная природа графитоидов докембрия получила надежное подтверждение благодаря применению изотопно-углеродного метода, поскольку геохимическая история углерода в значительной мере отражается в его изотопном составе.

Проведенный нами анализ имеющихся данных по изотопии углерода графитоидов докембрийских метаморфических комплексов различных районов мира (Фенно-Скандия, Австралия, Франция, Южная Африка), включая наши изотопные исследования графитоидов (Кольский полуостров, Карелия, УКШ, КМА, Центральное Приазовье, Алдан, Антарктида), позволили сделать ряд важных выводов:

а) практически все графитоиды метаморфических пород докембрия имеют биогенную природу (bС13ср = -2,80%);

б) возрастной эффект в изотопном составе углерода метаморфических пород не наблюдается (были изучены графитоиды в широком возрастном диапазоне — от архея до верхнего протерозоя и не было обнаружено никакой связи между вариациями bС13 и геологическим возрастом);

в) вариации изотопного состава углерода определяются в основном исходной природой биогенного органического вещества, а также геохимическими условиями седиментации и диагенеза и, как правило, не зависят от вида и степени метаморфизма, и, следовательно, сохраняются со времени седиментации и диагенеза.

Однако в случае графитоносных мраморов и кальцифиров (метаморфические аналоги битуминозных известняков) мы должны предположить изотопно-обменное взаимодействие биогенного органического вещества с вмещающими карбонатами (или метаморфической CO2) в процессе регионального метаморфизма, чтобы объяснить аномально «тяжелый» изотопный состав (bС13 = -0,27 - -1,12%), безусловно, биогенного графита. Изотопно-углеродный обмен в системе «органическое вещество — карбонат» заслуживает экспериментального изучения.

Все это позволяет считать, что реконструкция условий докембрийского осадконакопления, диагенеза и метаморфизма осадочных пород во многом может продвинуться вперед благодаря развитию и совершенствованию изотопно-углеродного метода исследования осадочно-метаморфических комплексов докембрия.

Необходимо систематическое и детальное изотопное изучение как различных форм графитоидного вещества, так и сопутствующих ему карбонатов для установления закономерностей поведения изотопов углерода при региональном метаморфизме биогенного органического вещества и осадочных карбонатов, чтобы использовать изотопию углерода в качестве геохимического индикатора литогенеза и рудообразования в докембрийских щитах.

Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Так, например, установленное нами закономерное увеличение содержания С12 в графитовых месторождениях Центрального Приазовья по сравнению с вмещающими породами (графитоносными сланцами) может помочь, с одной стороны, в выяснении особенностей генезиса графитовых месторождений, а с другой, — в разработке возможных изотопных критериев для поисков месторождений графита в метаморфических комплексах докембрия.

Особо следует подчеркнуть важность изотопных исследований графитоидов для решения проблемы нефте- и газогенерирующей роли древнейших осадочно-метаморфических толщ, связанной с тем, что биогенный докембрийский углерод из метаморфических комплексов может быть источником выделения углеводородов нефтяного ряда и битумов. В этом отношении особое значение приобретает близость изотопного состава углерода докембрийских графитоидов (bСcp13 = -2,80%) и фанерозойской нефти (bС13cр = -2,90%).

Широкое использование изотопии углерода в сочетании с другими изотопными методами будет способствовать дальнейшему развитию литологии и металлогении докембрия, так как позволит судить об интенсивности проявления жизни в докембрии и роли биогенного фактора в докембрийском осадкообразовании, а также о направлении и характере эволюции биогенного органического вещества и связанных с ним рудных элементов при региональном метаморфизме и ультраметаморфизме осадочных пород. Комплексное изотопное изучение графитоносных сланцев и гнейсов докембрия как возможного источника рудного вещества позволит правильно судить об особенностях метаморфогенного рудообразования в докембрии и о действительной роли древних осадочно-метаморфических комплексов в металлогении фанерозоя.

4. Велико значение изотопных методов для решения проблемы генезиса железистых кварцитов, которая тесно связана с основными чертами докембрийского литогенеза и метаморфизма. Интересно отметить, что еще ранее на важность изотопно-кислородного изучения кварцитов обратил внимание А.В. Сидоренко. Однако если изотопное изучение железистых минералов кварцитов проводится довольно успешно, то изотопное изучение кварцев практически не ведется, тогда как есть все основания считать, что с помощью изотопии кислорода можно различать хемогенный и кластогенный кварц в докембрийских кварцитах.

Необходимо использовать для решения этой проблемы изотопию кремния, которая может быть весьма информативной, так как поведение изотопов кремния (Si30 и Si28) в геологических процессах во многом аналогично поведению изотопов кислорода. Так, осадочный и органогенный кремнезем характеризуется высоким содержанием тяжелого изотопа кремния Si30. Морские кремнистые осадки богаче Si30, чем пресноводные. Несколько пониженное содержание Si30 в кремнистых сланцах по сравнению с кремнистыми осадками указывает на то, что метаморфизм приводит к некоторому уменьшению тяжелого изотопа кремния. Кислые изверженные породы также характеризуются повышенным содержанием Si30, по сравнению с основными и ультраосновными породами.

Ф. Грант рассмотрел возможность использования изотопов кремния в геологических исследованиях и, в частности, показал, что содержание тяжелого изотопа кремния должно увеличиваться в выветривающихся породах и продуктах их переотложения благодаря преимущественному выносу легкого изотопа Si28 и что по изотопному составу кремния минералов можно судить о том, подвергался ли данный минерал процессам седиментации и выветривания. Отсюда можно заключить, что изотопия кремния может оказаться весьма полезной для изучения древних кор выветривания и может стать одним из основных методов изучения континентального литогенеза.

С помощью изотопных методов можно также установить масштабы участия вулканогенных продуктов в образовании железистых кварцитов и вообще в докембрийском литогенезе. Вулканогенный материал должен отличаться по изотопному составу кислорода от осадочного материала. Как показали недавние изотопно-кислородные исследование вулканических стекол из кайнозойских отложений, процесс изменений bO18 вулканогенного материала при его взаимодействии с морской водой происходит довольно медленно. Поэтому, если скорость осадконакопления была достаточно велика, то вулканогенный материал мог сохранить свойственные ему низкие значения SO18. Однако следует иметь в виду, что изотопно-кислородным методом можно установить только степень участия силикатных вулканогенных продуктов в формировании железистых кварцитов. Непосредственно вулканогенную природу основного рудного компонента — железа этим методом установить нельзя, так как железо в вулканических эксгаляциях находится, согласно современным представлениям, в форме хлоридов, а затем уже в бассейне осадконакопления окисляется «гипергенным» кислородом и осаждается в гидроокисной форме.

И все же имеется принципиальная возможность установить происхождение железа, она заключается в том, что изотопы железа могут испытывать значительное фракционирование в гипергенных условиях благодаря существенной разнице масс легкого изотопа Fe54 и тяжелого Fe57, достигающей 6%. Поэтому следует ожидать, что гипергенное железо будет отличаться по своему изотопному составу от вулканогенного (ювенильного) железа, изотопный состав которого должен соответствовать первичному метеоритному веществу Земли.

Единичные определения изотопного состава природного железа были выполнены Дж. Велли и Г. Андерсоном, которые обнаружили значительные вариации (до 8%) в изотопном составе железа минералов различного генезиса. Если эти различия действительно существуют, то они могут быть связаны с возможностью как биологического разделения, так и фракционирования при окислительно-восстановительных процессах. Все это указывает на необходимость вновь привлечь внимание исследователей к проблеме изотопии железа.

Широкие, целенаправленные, тесно взаимосвязанные литолого-изотопные исследования осадочно-метаморфических комплексов позволяют по-новому подойти к решению важнейших проблем литологии, петрологии и металлогении докембрия.





Яндекс.Метрика