10.03.2021

Первые осадочные образования и направленности геохимических процессов в геологической истории


Изучение осадкообразования в ранние эпохи существования Земли имеет большое научное и практическое значение. Это связано прежде всего с тем, что многие полезные ископаемые находятся среди древнейших осадочно-метаморфических толщ. А.В. Сидоренко неоднократно обращал внимание на необходимость всестороннего изучения древних толщ и указывал на важность проблем осадочной геологии докембрия. Особенно загадочными представляются первые осадочные образования Земли, возникшие в результате разложения базальтового слоя. В настоящее время мы имеем возможность рассматривать их благодаря достижениям отечественной геологии и геохимии.

А.П. Виноградовым разработана и экспериментально доказана теория образования оболочек Земли в результате выплавления и дегазации вещества мантии, а также сформулированы основные положения химической эволюции Земли. А.В. Сидоренко разработан единый историко-геологический метод для изучения древнейших толщ и восстановления условий осадкообразования и магматизма. Этот метод с успехом применим к докембрию. В то же время у нас нет другого метода к подходу и изучению наиболее древних осадочных образований, впервые возникших в условиях планеты. Однако при использовании его нужно учитывать эволюцию среды и направленность геологических и геохимических процессов. Достижения в радиологическом изучении докембрийских образований позволяют датировать древнейшие породы на всех континентах, коррелировать разрезы и устанавливать основные этапы геологического развития регионов. И, наконец, это представления об огромной роли органического вещества (биосферы) в формировании осадочной оболочки Земли, начиная с самых древних геологических периодов. Основные закономерности развития земной коры и геологических процессов были рассмотрены А.П. Виноградовым, В.В. Белоусовым, В.С. Домаревым, Е.М. Лазько, А.В. Пейве, А.Б. Роновым, А.А Сауковым, В.М. Синицыным, Н.М. Страховым, А.И. Тугариновым, В.Е. Хаиным и автором.

В результате процессов выплавления вещества мантии образовались дуниты и базальты (земная кора), а в результате дегазации наиболее легкоплавкой фракции — гидросфера и атмосфера. Только после того, как возникла какая-то часть водной и газовой оболочек Земли, стали возможны процессы, ведущие к дифференциации вещества осадочным путем, т. е. процессы, благодаря которым создавались первые осадки.

Можно рассматривать начальные процессы выветривания и осадкообразования, исходя из существования: а) первичного базальта, химический состав которого можно условно принять как средний состав для оливиновых и безоливиновых базальтов; б) атмосферы, содержащей много CO2, пары воды, азот, соединения серы и т. п.; в) гидросферы с растворенными в ней газами; г) влажного тропического климата, а также д) интенсивной вулканической деятельности и е) практически единого эффузивно-осадочного типа литогенеза.

Для разложения базальта на составные части: глинистые продукты (монтмориллониты, каолинит, гидрослюда), карбонатные породы, гидроокислы железа и марганца, соли, свободную кремнекислоту (кварц, песчаники, кварциты) и в меньшей степени другие компоненты должно быть заимствовано около 25% вещества из атмосферы и гидросферы, в том числе: около 7% H2O, около 13% CO2 и около 3,5% HCl или NH4Cl.

Современное и древнее латеритное выветривание базальтов изучалось многими исследователями: Г.И. Бушинским, И.И. Гинзбургом и др., Н.А. Лисицыной, Б.М. Михайловым и др. Эти исследования позволяют рассматривать процесс латеритизации базальтов как разложение алюмосиликатов, вынос К, Na, Ca, Mg и значительной части SiO2, а также накопление окислов Al, Fe+3, Ti и других элементов — гидролизатов. Четкое выделение стадий в этом процессе затруднительно. Условно можно назвать две стадии: в первую выносится значительная часть щелочей, Ca, Mg и несколько меньше одной трети SiO2 (стадия образования каолинита); вторая стадия (полное выветривание) характеризуется полным разложением породы и удалением щелочей, Ca, Mg и SiO2.

Каждая тонна базальта в результате первой стадии выветривания дает около 250 кг продуктов, выносимых растворами в море (Na, К, Mg, Ca, Fe+2) и примерно 750 кг остаточных продуктов (Al, Fe+3, Si и др.). При полном выветривании и превращении породы в рыхлый латерит примерно 350 кг продуктов выветривания выносится в море, около 250 кг образуется остаточных продуктов, кроме того, возникает около 400 кг SiO2, частично остающейся на континенте в остаточных продуктах и частично выносимой в море.

В результате выветривания из первичного базальта могут предположительно сформироваться следующие породы.

Породы, образованные за счет химического разложения и накопленные на континентах:

а) латериты, бокситы и железистые породы. Их немного, теоретически не более 20%, при полном разрушении базальта — обычно не более 7%. При метаморфизме за их счет образованы корундовые, высокоглиноземистые диаспоровые, магнетитовые и др. породы. Поскольку эти начальные породы возникли одними из первых, в чистом виде они до нас практически не дошли вследствие неоднократного участия в больших геохимических циклах;

б) высокоглиноземистые породы. Теоретическое количество их могло составлять 25—70%, вероятнее — 50—60%. При метаморфизме за их счет образованы силлиманитовые, дистеновые и другие гнейсы и кристаллические сланцы, широко распространенные среди осадочных толщ архея разных регионов;

в) кремнистые породы. Количество их может быть очень велико, теоретически до 40%, но практически в начале катархея, вероятно, в пределах около 20%. В процессе геологического развития количество их непрерывно растет, а состав становится разнообразным. При метаморфизме они дают различные кварциты, силициты и кварцевые жилы;

г) условно — чарнокиты и анортозиты, но образование которых возможно только после участия продуктов выветривания в геохимических циклах.

Породы, образованные за счет растворения и выпадения из морской воды:

а) доломиты и известняки;

б) железистые и марганцевые осадочные породы;

в) соли.

На долю этих пород теоретически приходится при полном разложении базальта до 35%, но обычно меньше — 10—15%. При метаморфизме они дают доломитовые мраморы, железистые кварциты и другие породы. Поскольку соли не сохраняются при метаморфизме и «дымят», они, вероятно, играли исключительно важную роль в процессе переноса веществ и вызывали калиевый и натриевый метасоматоз в породах. Таков условный перечень первых осадочных образований, возникших при разрушении первичного базальта, и тех пород, которые затем из них сформировались.

Необходимо подчеркнуть, что аркозов, типичных глин, глинистых сланцев, гранитов и гранитоидов, сиенитов, щелочных пород и карбонатитов еще не было. He было и месторождений W, Mo, Sn, Cu, Hg и многих других, по существу, нет гидротермальных месторождений, связанных с сульфидами, нет и многих других генетических типов месторождений цветных и редких металлов, известных сейчас (например, скарновых).

Подсчеты, выполненные Н.В. Фроловой, убедительно показали, что разнообразные первично осадочные породы архея юго-восточной Сибири могли образоваться при разложении базальтовых пород. К аналогичным выводам о близости химического состава седиментогенных пород докембрия Канады к составу базальта пришел Ю. Гилл.

Следует предполагать, что в течение геологического времени базальты, продукты их выветривания и осадочной дифференциации подвергаются разнообразным метаморфическим и метасоматическим изменениям и благодаря ультраметаморфизму могут переходить в расплавленное состояние, образуя различные по составу вторичные магмы и затем магматические породы. Последние снова проходят стадию выветривания и разделения в процессах гипергенеза, дают еще более разнообразные по химическому составу продукты и снова могут подвергаться ультраметаморфизму (рис. 31).

Геохимические циклы протекают различно в платформенных и геосинклинальных условиях, что и предопределяет разнообразие и пестроту составов магматических и осадочных образований. Скопления полезных ископаемых в большинстве случаев представляют собой крайние случаи дифференциации вещества. Сам геохимический цикл может быть определен как среднее время, за которое магматические породы, выделившись из расплава, существуют, подвергаются выветриванию и осадочной дифференциации, продукты которой благодаря ультраметаморфизму снова переходят в расплав или подвергаются метасоматической переработке с образованием новых пород и новых минеральных тел.
Первые осадочные образования и направленности геохимических процессов в геологической истории

Продолжительность геохимических циклов различна. Так, для Русской платформы и Фенноскандии продолжительность цикла более 0,6 млрд. лет, за то же время на Урале завершилось несколько геохимических циклов, отвечающих во времени байкальской, каледонской и герцинской эпохам складчатости, а в Альпах, на Кавказе и в Андах был еще более молодой геохимический цикл, соответствующий альпийской эпохе. Весьма показательно, что именно в тех областях, где было больше геохимических циклов, мы видим большее разнообразие пород (магматических, осадочных, метаморфических) и минеральных месторождений и большую сложность строения земной коры. При этом интересно, что многие элементы (например, ртуть) могут образовывать скопления только в тех участках земной коры, которые неоднократно участвовали в геохимических циклах, т. е. в наиболее дифференцированных.

Итак, в процессе эволюции вещества земной коры с течением времени появляются все более разнообразные и все более чистые химические соединения. Последнее подтверждается геохимическими исследованиями по изоморфизму элементов. Известно, что наиболее чистые в отношении изоморфных примесей соединения характерны для зоны гипергенеза. И наоборот, минералы ранней магматической стадии характеризуются широкими изоморфными замещениями элементов. В.И. Вернадский еще в 1909 г. обнаружил уменьшение изоморфной смесимости элементов в минералах при переходе от магматических продуктов к гипергенным.

Можно считать, что в настоящий момент мы имеем наибольшую дифференциацию вещества земной коры по химическому составу, чем когда-либо ранее. В этом заключается главное положение о направленности и необратимости геохимических процессов в эволюции вещества планеты.

Примеров для подтверждения сказанного можно привести много. Во-первых, это появление в геологической истории Земли все большего числа минеральных видов, ранее неизвестных. Так, сульфаты, за единственным исключением, неизвестны в докембрии. Такие классы минералов как ванадаты, вольфраматы, молибдаты, бораты, нитраты известны только с палеозоя.

Рудные, так называемые гидротермальные месторождения, которые следует рассматривать как крайнюю степень дифференциации вещества земной коры, совершенно отчетливо выявляют тенденцию распространения в последокембрийское время. Так, данные по распределению мировых ресурсов некоторых металлов во времени показывают, что месторождений вольфрама и молибдена в докембрии нет или мало, подавляющая масса месторождений олова имеет мезозойский возраст, меди и ртути — кайнозойский и т. д. Интересна и понятна с эволюционных позиций и такая общая тенденция: чем богаче руда и меньше по запасам месторождение, тем ближе оно по времени образования к нашим дням, т. е. моложе.

Показательна и петрохимическая характеристика магматических пород во времени. Именно в настоящее время мы видим наибольшее разнообразие магматических пород. Мы не знаем древнейших щелочных пород и такого разнообразия гранитоидов в архее, какое имеем, например, в палеозое. И опять-таки наименьшие по размерам и наиболее кислые массивы гранитоидов являются наиболее молодыми. Они же выявляют и наиболее типичный интрузивный характер. Многие кислые и щелочные породы Средиземноморья, Кавказа и других областей появились только в мезозое и кайнозое, когда в результате предшествующих геохимических циклов накопился достаточный материал для формирования соответствующей магмы. Таковы лейцитовые породы, трахиты, дациты и обсидианы.

Основной источник энергии геохимических процессов, ответственный за образование пород земной коры, — Солнце. Солнечная энергия примерно в 5000 раз превышает энергию радиоактивного распада элементов в горных породах земной коры. Она проникает через всю кору, вероятно, до поверхности Мохоровичича, которая, таким образом, может быть охарактеризована и как энергетическая граница, глубже которой трансформированная энергия Солнца не попадает.

Изучая особенности эволюции вещества земной коры, следует также рассмотреть вопрос о влиянии биосферы на этот процесс. В.И. Вернадский в свое время указывал на огромную роль живого вещества в создании химического состава земной коры. Полученные в последние годы А.В. Сидоренко и Св.А. Сидоренко данные о распространенности углерода в докембрии подтверждают большую роль биосферы в образовании вещества земной коры. Если быть последовательным, то надо предполагать, что первичная биосфера синхронна образованию первых осадочных пород, или иначе — возникновение биосферы и первых осадочных образований обязано одним и тем же условиям среды. Одним из доказательств этого служит изотопный состав углерода в древнейших породах, соответствующий углероду биосферы. В связи с этим представляется интересным привести определения изотопного состава углерода графита из мантийных пород — ультрабазитов крупнейшего на Южном Урале Кимперсайского массива. Значения bС13 (определения О.И. Кропотовой) в графитах, встреченных в виде шлировых выделений в пироксените (скв. 63, глубина 128,5 и 158 м), оказались — 2,89 и —2,86%/ Эти значения близки значениям bC13 графита из вмещающих графитистых кварцитов (-2,70 и -2,75%). Таким образом, наиболее вероятно, что графит в пироксенитах обязан своим происхождением ассимилированным ксенолитам вмещающих толщ, т. е. углерод в ультрабазитах заимствован из биосферы. О большой роли биосферы в формировании пород земной коры, на наш взгляд, свидетельствует и связь Cорг с азотом и калием. Установлена четкая зависимость калия, связанного азота и Cорг. Из сопоставления этих элементов в глубокометаморфичеоких породах сделан вывод, что калий в осадочных породах связывается с органическими компонентами и освобождается так же, как и азот, при метаморфизме пород. Это хорошо согласуется с известными высказываниями В. И. Вернадского, что метаморфическая и гранитная оболочка являет собой «былые биосферы».

Итак, в последовательном необратимом развитии вещества Земли, в течение геологического времени можно наметить следующие закономерности.

— Геохимические циклы становятся все более сложными.

— Появляется все больше разнообразных по составу горных пород, т. е. возникает больше различных сочетаний химических элементов.

— Идет прогрессивная дифференциация химических элементов первичного базальта планеты. С течением времени возникают такие скопления элементов, которые раньше не существовали.

— Появляется все большее число минеральных видов; при этом наибольшее количество их приходится на зону гипергенеза.

— Появляются все более химически чистые соединения.

— Изоморфные замещения в минералах все более уменьшаются.

— Появляется все больше различных генетических типов месторождений минерального сырья.

— Обостряются климатические различия.

— Типы литогенеза становятся все более разнообразными и все более усложняются.

— Происходит усложнение строения вещества. Усложнение силикатов идет по схеме: «остров» — «цепочка» — «лист» — «объем», т. е. точка — линия — плоскость — объем (оливин, пироксены, амфиболы, слюды, полевые шпаты, кварц).

— Происходит увеличение накопления SiO2 (песка, кварцитов) и карбонатных пород.

— Появляются все более сложные живые организмы.





Яндекс.Метрика