Первично осадочные толщи докембрия как источник флюидов и вещества рудных метасоматитов

Вода активно участвует в гипергенном минералообразовании и осадконакоплении, при этом большие массы ее связываются в новообразованиях в конституционной и кристаллизационной формах, захватываются гелями труднорастворимых соединений Si, Al, Fe и др., остаются в поровых пространствах осадочных толщ. Вместе с осадочными толщами эта вода уходит в недра земной коры.

Общая масса воды, заключенной в коре — в порах пород и химически связанной в минералах — оценивается в 7*10в17 т, что отвечает половине вод Мирового океана, и почти вся она прошла через осадки за 3,5 млрд. лет геологической истории Земли.

Главным аккумулятором воды являются первично осадочные толщи. Ho хотя осадконакопление началось уже в архее, первоначально него роль была незначительной, тем более, что в результате интенсивного метаморфизма древнейшие осадки быстро превращались в кристаллические сланцы и гнейсы. Достаточно устойчивый осадочный слой начал формироваться только с раннего протерозоя (2,8—2,6*10в9 лет), когда площадной региональный метаморфизм уступил место поясному вследствие усилившейся дифференциации сиалической земной коры и образованию протоплатформ и протогеосинклиналей. С развитием геосинклинального процесса наметилась также эволюция типов осадконакопления. Одни осадки, типичные для раннедокембрийских систем, исчезли, для других изменилась фациальная обстановка. Это можно отчетливо проследить на изменении характера высокожелезистых осадков или типа карбонатных пород, а также по увеличению роли псаммитовых осадков по отношению к глинистым.

Главная масса всех подземных вод, участвующих в эндогенных процессах, приходится на первично седиментационные поровые воды. В длительно и устойчиво погружавшихся седиментационных бассейнах обогащенные водой осадочные породы, погребаемые более молодыми осадками, уходили на значительную глубину. Если исходить только из суммарной мощности пород по разрезу, то в Криворожье, например, базальные конгломераты и песчаники нижней свиты опустились не менее, чем на 8—10 км. Глубина погружения седиментационных вод на примере более молодых областей длительного прогибания достигает 10—12 км.

Воду, содержащуюся в поровых пространствах осадочных пород, следует рассматривать как остаток той водной среды, в которой происходило осадконакопление. Материал осадочных пород поставляется в результате экзогенной переработки вещества в ландшафтной сфере, которая, наряду с астеносферой, является геологически активным уровнем Земли, формирующим кору. Если астеносфера питает верхние горизонты коры вулканическим материалом, то ландшафтная сфера преобразует его в осадочные породы. При этом происходит физическая, геохимическая и биохимическая аккумуляция солнечной энергии, что ведет к увеличению запасов потенциальной энергии фоссилизированных осадочных толщ. О значительности их говорят расчеты тепла, выделяющегося при образовании комплексных соединений из разделенных в коре выветривания окислов и щелочных металлов. Таким образом, в процессе осадконакопления происходит захоронение обогащенных водой осадков, получивших в ландшафтной сфере запас «минерализованной» солнечной энергии. При дальнейшем метаморфизме пород в таких толщах содержащаяся в первичных осадках вода активно участвует в эндогенных процессах, а приобретенная энергия служит дополнительным источником тепла, который обычно не учитывается.

Разработка гипотезы метеорно-ювенильного генезиса растворов при щелочном метасоматозе показала, что локальный прогрев вдоль зон глубоких нарушений за счет повышения теплового потока мог приводить к возникновению на сравнительно небольших (порядка 4—10 км) уровнях условий, в которых глубоко проникающие и погребенные (седиментационные) воды приобретали характер терм.

Воды поверхностного происхождения содержатся в значительном количестве только на высоких уровнях земной коры — в неметаморфизованных осадках. С глубиной под действием быстро нарастающего давления и температуры они отделяются от осадков, порождая потоки водных флюидов, восходящие по зонам трещиноватости и разуплотнения. Поровые воды отжимаются на стадии литификации пород, но гид-ратные полностью остаются и участвуют затем в процессах метаморфизма. В породах амфиболитовой фации все еще сохраняется до 3% H2O, которая почти вся высвобождается при переходе к гранулитовой фации (0,5% H2O).

Породы низких и средних ступеней метаморфизма могут, по-видимому, поставлять также воду интрузивным образованиям при внедрении их в такие сравнительно слабо метаморфизованные толщи. Это подтверждается многочисленными геологическими наблюдениями. Действительно, интрузивные породы докембрия, в частности аллохтонные граниты среди пород амфиболитовой фации, как правило, не обнаруживают следов активного метасоматического воздействия или проявлений постмагматического метасоматоза. Более молодые интрузии, прорывающие относительно слабо метаморфизованные и поэтому богатые водой осадочные породы, нередко окружены развитыми ореолами метасоматического воздействия, они дают многочисленные пегматитовые отщепления, подвергаются грейзенизации и постмагматической альбитизации (автометасоматоз). Еще более показательно сравнение протерозойских и палеозойских щелочных и нефелиновых сиенитов.

Расплавы, судя по составу пород, формировались практически в одинаковых условиях глубинности и, следовательно, должны были содержать примерно одниковое количество H2O. Между тем, докембрийские интрузивные породы, принадлежащие к той же фации глубинности, гораздо «суше» своих палеозойских аналогов.

Таким образом, метаморфизуемые осадочные толщи сами по себе содержат воду в количестве, достаточном для метасоматического их преобразования или формирования термальных растворов под воздействием внедрявшихся магматических пород, или для локального прогрева вдоль зон нарушений в случае, если они предварительно претерпели слабый либо умеренный метаморфизм.

Значительно сложнее представляется вопрос об источнике растворов при образовании кремне-щелочных метасоматитов в зонах региональных разломов, когда окружающие породы мегаморфизованы достаточно сильно и, следовательно, обезвожены настолько, что вряд ли могли отделять воду в объеме, достаточном для наблюдаемого и поддающегося учету перемещения вещества. Как показано в ряде работ, применительно к этим условиям отдельные интрузивные тела не могут рассматриваться в качестве источника метасоматизирующих реагентов; метаморфогенная природа растворов — в классическом выражении этой гипотезы — также встречает ряд возражений. На примере щелочного натрового метасоматоза показано, что наиболее благоприятными для этого процесса условиями являются: T = 300-550° С; P = 500-1500 атм; фильтрующиеся слабощелочные растворы с рН=7, содержащие Na, анионы НСО3', СО3'', С' и, очевидно, F'; превышение потенциала Na над потенциалом К.

Общее давление (Р = 500-1500 атм), благоприятное для течения процесса и ряд особенностей минералообразования дают представление о глубине, на которой развивается метасоматоз — в интервале от 1,0—1,5 км (Р=500 атм) до 3—4 км (Р=1500 атм). Это очень небольшая глубина, вполне сравнимая с глубинами, на которых происходит активное минералообразование в зоне современного вулканизма и в областях распространения современных термальных вод. В то же время температуры, при которых происходит метасоматическое минералообразование (300—550° С), значительно выше, чем можно ожидать на этих глубинах, исходя из нормального геотермического градиента. Поэтому необходимо допустить, что метасоматические реагенты (флюид H2O), являясь переносчиками тепла, вызывали локальное повышение температуры в пределах зоны преобразования и в непосредственном ее окружении.

Локальный прогрев под воздействием повышенного теплового потока вдоль зон глубоких нарушений, очевидно, мог приводить к тому, что на сравнительно неглубоком уровне (порядка 4—10 км) в земной коре создавались условия, в которых метеорные воды, проникающие на глубину до 10 км по зонам нарушений, сами приобретали характер терм. Определение количества воды метеорного происхождения в современных термальных источниках по изотопным отношениям кислорода и отношению тритий/дейтерий действительно показало, что на ее долю приходится 90% и более. И хотя сопоставить термы современных областей с докембрийскими можно, по-видимому, только в известном приближении, вполне вероятно, что термальные растворы в докембрии включали глубоко проникающие метеорные воды. Другим важным источником воды подобных терм могла служить гидратная вода, отделявшаяся при метаморфизме перекрывающих кристаллическое основание осадочных пород.

Вопрос об источнике тепла природных терм является одним из наиболее трудных в любой гипотезе. Однако сопоставление количества гепла (энергии) магматических и вулканических процессов с энергией тепловых потоков показывает, что в общем балансе последняя играет более важную роль. Кроме того, горные породы, как отмечает Эдлис, в глубинных гидротермальных системах сами могут обусловливать состав и содержание растворенных компонентов терм, а количество тепла, выделяемое при экзотермическом изменении пород, сопоставимо с теплом, выделяемым (теоретически) остывающими интрузиями. Однако этот фактор обычно не принимается во внимание.

Таким образом, при формировании метасоматитов вдоль зон нарушений в достаточно сильно метаморфизованных породах существенная роль принадлежит глубоко погружающимся метеорным водам.

Возможно еще одно объяснение источника большого объема воды при метаморфическом и «эндогенном» метасоматическом минералообразовании, если подходить к решению данного вопроса с учетом представлений о глобальной тектонике, согласно которым континентальные плиты земной коры надвигаются на участки океанического шельфа. Предполагается, что подобный тектонический механизм справедлив и для прежних геологических эпох, в том числе и для докембрия с момента заложения протогеосинклинальных систем. В случае надвигов плиты кристаллических пород могли перекрывать мощные толщи не-мегаморфизованных осадков и позднее подвергаться новому метаморфизму уже по всему разрезу. При таком наложенном метаморфизме вода, выделяющаяся из обогащенных ею пород в нижней части разреза, должна поступать в бедные ею породы верхней части разреза как «эндогенная» или «ювенильная». По-видимому, подобная трактовка, пока еще сугубо предположительная, заслуживает внимания, тем более, что при этом: а) отпадает необходимость объяснять механизм проникновения метеорных вод на глубину порядка 10 км, что в ряде случаев представляется весьма затруднительным; б) появляется возможность не привлекать «сквозьмагматические» растворы, природа которых по меньшей мере проблематична, при расшифровке процессов гранитизации; в) объясняется появление некоторых элементов, которые нередко выступают в метасоматических рудах как «эндогенные», хотя обычно концентрируются в осадочных породах, такие, например, как бор.

Образование метасоматитов требует весьма значительного перемещения ряда компонентов. В их число, с одной стороны, входят элементы, присутствующие в исходных породах, подвергающихся метасоматическим изменениям и входящих в состав главных силикатных и рудных минералов, с другой стороны, те, которые в исходных породах практически отсутствуют или содержатся в кларковых количествах. Силикатные минералы изменяют свои содержания обычно незначительно, испытывая частичное, вероятно — местное перемещение, хотя количество некоторых меняется существенно (натрий и калий — иногда в несколько раз). Рудные компоненты обнаруживают десятикратное, иногда и стократное обогащение.

Многочисленные эксперименты по взаимодействию перегретых водных флюидов с реальными горными породами приводят к выводу, что заимствование большей части петрогенных и малых элементов метасоматитов происходит из пород фильтра при их взаимодействии с фильтрующимися метасоматическими реагентами (термами). Это подтверждается и геологическими наблюдениями. Например, как отмечает Д.П. Сердюченко, бор в значительном количестве появляется в эманациях только тех вулканических аппаратов, которые расположены среди полей преимущественно морских осадочных формаций; если же «вмещающие» породы представлены плутоно-вулканическими типами, бор в эксгаляциях совсем или почти совсем отсутствует. В некоторых гидротермальных месторождениях минералы бора также появляются лишь в присутствии в разрезе осадочных пород определенного литологического состава.

В качестве фильтра — источника рудных и петрогенных элементов обычно выступают первично осадочные в различной степени метаморфизованные породы, которые в силу особенностей осадочной дифференциации еще в процессе осадконакопления приобрели определенную металлогеническую специализацию. Наиболее убедительным доказательством служит совпадение изотопного состава свинца, серы, углерода в рудных метасоматитах и в осадочных горизонтах, залегающих в разрезе метасоматически измененной толщи пород. При низком фоновом содержании конкретного рудного элемента в слоистых осадочных толщах метасоматиты также не обнаруживают резко повышенных его концентраций. Остановимся на нескольких примерах, иллюстрирующих эти положения.

Широко известные месторождения железных руд формации железистых кварцитов не оставляют сомнений в их первично осадочном происхождении. Кроме типично метаморфогенных руд, в таких толщах встречаются залежи богатых амфибол-магнетитовых руд метасоматического происхождения, возникающие в результате осаждения железа, мигрирующего из зон метасоматического окварцевания, или натрового метасоматоза.

Месторождение Баотоу в Центральной Азии с комплексным редкометально-ниобиевым и урановым оруденением представляет собой серию линзовидных железорудных залежей, локализованных на контакте доломитов и сланцев протерозойского возраста. В рудах наряду с магнетитом и гематитом установлена редкоземельная, ниобиевая, фторная, фосфорная, бариевая и урановая минерализация, приуроченная к метасоматическим породам. Первоначально проявление метасоматоза и оруденения связывалось с герцинским магматизмом. Однако изотопными исследованиями доказано, что если интрузии граносиенитов и были ответственны за мобилизацию и перемещение рудоносных флюидов, то источником рудного вещества служила рудовмещающая толща (точнее те ее части, которые были фильтром для растворов) с возрастом не менее 1500 млн. лет. Об этом свидетельствует идентичность изотопного состава свинца галенитов и других минералов метасоматитов с составом свинца протерозойских доломитовых толщ. Появление титана и ниобия в метасоматитах связано с переработкой сланцево-кварцитовых пород верхних свит синия, которые изначально были обогащены кластическими минералами с повышенным содержанием титана и ниобия. Примечательно, что такое оруденение не распространяется стратиграфически выше этих горизонтов и не появляется в контактах граносиенитов.

Примером заимствования рудного вещества из первично осадочной толщи служит также урановое месторождение Пауккаянваара в Финляндии. Урановое оруденение локализуется в метасоматически измененных породах, обычно представленных альбититами или эпидот-хлоритовыми альбитовыми метасоматитами, причем лишь в случае, когда зоны метасоматоза пересекают горизонты с повышенными фоновыми содержаниями урана. Такими образованиями в районе месторождения являются конгломераты и песчаники. Перечень подобных примеров может быть продолжен.

Потенциальная рудоносность отдельных районов и конкретных зон определяется в период осадконакопления (четко выраженная осадочная дифференциация начинает проявляться с раннего протерозоя) и усиливается или ослабляется в результате петрохимической эволюции пород при метаморфизме. Причиной металлогенической специализации метасоматитов является характер потенциально рудоносной первично осадочной толщи, которая выступает в качестве источника рудного вещества, и тип метасоматизирующих реагентов. Источником флюидноводной фазы растворов при образовании большей части метасоматитов обычно служат сами первично осадочные слоистые толщи (в относительно слабо метаморфизованных породах) или глубоко проникающие метеорные воды.