22.03.2021

Петрохимия и диагностика первичной природы метаморфизованных пород докембрия


Нередко проявленная фрагментарность распространения и утрата ряда первичных признаков строения делают необходимым при исследовании метаморфизованных осадочных и вулканогенно-осадочных образований докембрия детальное изучение их химизма. При этом решается несколько основных задач: расшифровка первичной природы пород, реконструкция условий седиментогенеза и вулканизма, выявление формационных и металлогенических особенностей ассоциаций и комплексов пород, использование петрохимических данных для целей корреляции и периодизации докембрия. Теоретической основой такого подхода является сформулированный А.В. Сидоренко принцип сходства экзогенных процессов породообразования в докембрии и фанерозое. Немаловажное значение имеет обоснованная многими исследованиями сохранность основных черт химизма пород при региональном метаморфизме.

При реконструкции первичной природы метаморфизованных осадочных и вулканических пород с помощью петрохимических методов существенное значение имеет общая систематика (см. ниже) их неметаморфизованных аналогов, которая в общем виде должна учитывать сложные связи химизма пород, признаков их строения и механизмов формирования. Такая систематика должна охватывать и экзогенные и эндогенные образования, что обеспечивает возможность сопоставления их химизма на разных уровнях и в итоге анализ общих закономерностей состава совокупностей горных пород, отвечающих крупным этапам развития геологических систем в целях изучения общих закономерностей экзогенных и эндогенных режимов развития земной коры, как того требует современный подход к обобщению данных по геологии докембрия.

В настоящее время общая систематика горных пород применительно к задачам реконструкции первичной природы метаморфитов разработана лишь частично. Так, для первично-осадочных алюмосиликатных обломочных и глинистых пород могут быть использованы некоторые приемы распознавания первичной природы, основанные на систематических особенностях химизма их неметаморфизованных аналогов. Один из приемов — использование диаграмм, учитывающих важнейшие параметры состава, связанные с классификационной принадлежностью пород и особенностями процессов их формирования. В качестве примера может быть приведена одна из диаграмм для глинистых и близких к ним алюмосиликатных осадочных пород (рис. 1). Для распознавания используются общие параметры состава, данные по эталонным группам и типичные или усредненные стандартные составы, представительные для отдельных классов, групп или подгрупп неметаморфизованных пород. В общем варианте диаграммы приводится сопоставление состава осадочных пород и магматитов.

Общая систематика горных пород


1. Главные совокупности — по среде формирования и источнику энергии главного этапа: экзогенные (осадочные и др.) и эндогенные (магматические и др.).

2. Типы — по главным признакам состава: силикатные и алюмосиликатные, карбонатные, фосфатные, железистые, окисные и др.

3. Подтипы — по механизму транспорта, отложения материала и строения: кластогенные и хемогенные осадки, вулканические и интрузивные магматиты и др.

4. Ряды — по основному источнику материала: терригенно-осадочный и вулканогенно-осадочный ряды экзогенных пород, магматиты мантийного, корового ряда и др.

5. Классы — по содержанию ведущих химических компонентов: аркозы среди зернистых осадков, андезиты среди вулканитов и др.

6. Группы — по содержанию существенных химических компонентов: плагиоаркозы глинистые; субщелочные андезиты и др.

7. Подгруппы — по деталям химизма: соотношению щелочей, железистости и др.

8. Виды — по тонким особенностям химизма, минерального состава, строения.

9. Разновидности — по второстепенным чертам состава и строения.

Использование охарактеризованных методических приемов позволило в пределах восточной части Балтийского щита изучить особенности состава и закономерные связи метаосадочных образований ряда крупных докембрийских комплексов — Печенгской, Имандра-Варзугской, Колмозеро-Вороньинской зон, — и наметить общие закономерности эволюции метапелитов докембрия региона, существенные для корреляции разрезов и периодизации геологических событий докембрия. В частности, было показано, что состав метапелитов свидетельствует о многократном проявлении интенсивного выветривания в докембрии, что подтверждает выводы А.В. Сидоренко. Кроме того, по составам метапелитов были выделены четыре этапа докембрийской истории региона: предархейский (с отсутствием метапелитов), архейский (со сложным спектром метапелитов), раннепротерозойский или раннекарельский (с типоморфным проявлением метапелитов первично-каолинитового типа) и, наконец, карельско-рифейский или средне-позднепротерозойский (с господством метапелитов первично-гидрослюдистого калиевого типа).

Для рассмотренных целей, как показали исследования, эффективно использование не только петрогенных, но и малых элементов. В числе последних важное значение имеет хром, никель, кобальт, барий и стронций.

Изучение метаморфизованных карбонатных осадочных пород показало, что для систематики и распознавания их первичной природы немалое значение имеет состав их некарбонатной части. Обобщение материалов по составу карбонатных пород докембрия восточной части Балтийского щита, предпринятое с участием В.В. Любцова и В.А. Мележика, позволило наметить закономерности изменения карбонатных метаосадочных пород во времени (рис. 2). При этом выявилась общая тенденция уменьшения магнезиальности карбонатных пород в целом и увеличения роли известняков к концу крупных этапов развития, например среднепротерозойского (средне-позднекарельского). Кроме того, показано влияние синхронного пикрит-базальтового вулканизма на локальное проявление специфических доломитов с повышенным содержанием хрома и других рудогенных элементов. Было установлено важное значение перехода от собственно ятулийского к заонежско-суйсарскому уровню среднего протерозоя региона как палео-климатического рубежа, разделяющего расположенные ниже ассоциации пестроцветных терригенных и доломитовых пород с признаками периодической аридизации обстановок и расположенные выше типично гумидные ассоциации существенно известковых карбонатных пород с сульфидно-углеродистыми терригенными и хемогенно-терригенными отложениями. Углеродистые толщи заонежско-суйсарского уровня верхнего Карелия (включающие шунгит-карбонатно-сланцевый верхний ятулий Карелии, а также верхи ильмозерской свиты, роуксинскую толщу, пильгуярвинскую свиту, южнопеченгскую и томинскую серии на Кольском полуострове), по схеме В.А. Тенякова и Св.А. Сидоренко, относятся к третьему, главнейшему этапу развития углеродсодержащих формаций докембрия и к этапу проявления эукариот. Это обстоятельство делает намеченный литолого-геохимическими исследованиями рубеж весьма важным для дальнейших исследований в связи с его корреляционным значением для докембрия в целом.

Петрогеохимическая систематика магматитов (рис. 3) с использованием общих параметров состава, помимо расшифровки первичной природы метавулканитов, необходима для более полной характеристики палеотектонических и формационных особенностей вулканогенно-осадочных ассоциаций.

Изучение химизма метавулканитов докембрия Кольского региона показало в целом гомодромный характер архейско-раннепротерозойского вулканизма, присутствие кислых метавулканитов, увеличение в целом роли пикритовых метавулканитов вверх по разрезу и отсутствие основных и пикритовых метавулканитов щелочного уклона. Среднепротерозойский (средне-позднекарельский) уровень замечателен антидромными тенденциями, возрастающей ролью пикритов повышенной основности, появлением и широким развитием субщелочных базитов и пикритов вверх по разрезу среднепротерозойских комплексов Печенгско-Варзугского пояса. Закономерности изменения состава метаосадочных и метавулканогенных пород во времени свидетельствуют в пользу существования этапов высшего ранга в докембрийской истории формирования земной коры — доархейского, архейско-раннепротерозойского (включая ранний карелий) и средне-позднепротерозойского, различающихся по формационным чертам и тектоническим обстановкам образования вулканогенно-осадочных толщ.

Литолого-геохимическое изучение вулканогенно-осадочных толщ значительно способствует определению металлогенических перспектив метаморфических комплексов. Во-первых, систематическое геохимическое опробование само по себе выявляет ранее неизвестные повышенные концентрации рудогенных и редких элементов. Во-вторых, знание первичной природы пород и их петрогеохимических характеристик уточняет оценку их формационной принадлежности и тем самым делает возможным применение методов металлогенического анализа, используемых для фанерозоя.

В изучавшихся нами литолого-геохимическими методами районах раскрытию металлогенических перспектив способствовало появление новых данных по уровням, интенсивности и типам выветривания и по степени осадочной дифференциации вещества, по распространению сульфидно-углеродистых отложений, по появлению специфических металлоносных фаций метаосадков. Немалое значение имело выявление признаков влияния вулканизма на седиментогенез и рост щелочности вулканитов во времени и пространстве. Наконец, по совокупности всех признаков, включая и явления метаморфогенного преобразования пород с накоплением рудного вещества, была произведена сравнительная оценка общей продуктивности металлогенических эпох. Для докембрия Карело-Кольского региона наиболее важной эпохой следует признать поздне-среднепротерозойскую (позднекарельскую). Уступающие названной, но все же важные эпохи — раннеархейская (железорудная) и раннепротерозойская (кейвская, или предкарельская).

О диагностике метаморфизованных кор выветривания (на примере Карелии)


Успешное изучение древних метаморфизованных кор выветривания должно привести к реконструкции климатических условий и палеогеографической обстановки некоторых периодов докембрия. Оно позволит судить о составе древнейшей атмосферы Земли, облегчит выяснение специфики древнейшего осадкообразования, поможет правильному решению практических вопросов, связанных с обнаружением и освоением в докембрийских провинциях крупных запасов железных, урановых, медно-никелевых, серебряно-кобальтовых руд и особо чистых кварцитов. Однако многие аспекты проблемы докембрийского выветривания находятся все еще на уровне постановки вопроса, и среди них задача диагностики метаморфизованных кор выветривания в докембрии остается пока наиболее важной.

Главная задача исследований состоит в следующем. Необходимо попытаться отделить метаморфические изменения в коре от процессов разложения исходного субстрата при древнейшем выветривании с тем, чтобы восстановить характер этих процессов и, проанализировав особенности метаморфизованного профиля выветривания, реставрировать его первичную геохимическую зональность и осуществить возможные палеогеографические построения.

Опыт изучения некоторых метаморфических пород протерозоя в Центральной Карелии показывает, что часть их по совокупности различных признаков может быть отнесена к первично-элювиальным образованиям. Чтобы исключить элемент случайности при минералого-геохимической реставрации дометаморфических профилей и иметь возможность объективно судить о характере древнейшего выветривания, изучались исходные для сланцев («подозреваемых» в принадлежности к первичному элювию) породы намеpенно контрастного состава: кислые (граниты, конгломераты с преимущественно гранитной галькой) и основные — ультраосновные (диабазы, пикриты). По результатам исследований выявляется несколько первично-элювиальных признаков этих метаморфических образований.

1. Кварц-серицитовый и серицит-хлоритовый горизонты постоянно приурочены к контакту гранитов, диабазов, конгломератов и перекрывающих их метаосадков ятулия, что опровергает выдвигаемые иногда утверждения, будто бы кварц-серикитовые и серицит-хлоритовые сланцы представляют зоны смятия различных пород. Кроме того, положение этих сланцев в разрезе напоминает их последовательность в истинном профиле коры выветривания: субстрат—горизонт собственно коры — переотложенные ее продукты. Большое число выходов упомянутых сланцев в Карелии и сопредельных областях также скорее говорит о бывшем площадном, чем о локальном тектоническом, характере их распространения.

2. Наблюдаемые в изучавшихся разрезах гранитные брекчии по своему строению, характеру смещения гранитных отторженцев и изменению их формы, структурно-минеральном превращении в обломках и цементирующей массе обладают типичными чертами делювиально-аллювиальных брекчий. Элювиальная природа изучавшихся брекчий подтверждается неровной ложбинообразной поверхностью нижележащих гранитов.

3. Об элювиальном характере доятулийских профилей свидетельствует прогрессирующее разрушение пегматитовых, аплитовых и кварцевых прожилков в пределах гранито-брекчии и кварц-серицитового слоя, тогда как в исходном граните они оказываются совершенно ненарушенными. Этим же интересен процесс постепенного исчезновения гранитной гальки по мере развития на конгломератах слоя кварц-серицитовых сланцев.

4. Минеральные и текстурно-структурные преобразования материнского гранита в доятулийских разрезах происходят по той же схеме, как и в постпротерозойских корах. Например, процесс серицитизации плагиоклаза в метаморфических профилях сходен с процессом замещения полевых шпатов мусковитом, серицитом, гидрослюдой и каолинитом в неизмененных корах выветривания гранитоидов. Преобразование биотита в хлорит, замещаемый, в свою очередь, карбонатом, эпилотом, сфеном, серицитом, мусковитом и кварцем (часто с сагенитом и гидроокислами железа), происходит в метаморфических профилях в той же последовательности, что и в молодых корах. Наблюдаемый в доятулийских разрезах процесс коррозии и постепенного распада кварцевых зерен исходного гранита в серицитовой массе тождествен явлениям разъедания кварца глинистыми минералами в постпротерозойских корах.

Постепенный переход гранитов и гранитных конгломератов в кварц-серицитовые, а диабазов и пикритов в серицит-хлоритовые и тальк-карбонат-хлоритовые сланцы сопровождается изменением исходной массивной текстуры сначала в сланцеватую, а затем в типично сланцевую. При этом реликты кварцевых зерен (профили на гранитах и конгломератах) оказываются развернутыми по сланцеватости, а кварцевые миндалины (профиль на диабазах) — сплющенными.

Сейчас сланцеватая текстура кварц-серицитовой породы и линейная ориентировка в ней реликтов кварца (как и сланцевый облик серицит-хлоритовой породы), — очевидно, результат уплотнения доятулийского (и ятулийского) пластичного глинистого вещества при последующем региональном метаморфизме. Постепенный переход на сравнительно небольшом по мощности (15—20 м) интервале массивного гранита (или диабаза) в кварц-серицитовый (или серицит-хлоритовый) сланец говорит о пластичности неметаморфизованного аналога этих сланцев. О том же свидетельствуют наблюдаемые в кварц-серицитовой породе своеобразные текстуры сдавливания, смятия или, наоборот, размазывания ее.

5. В доятулийских разрезах циркон, являясь устойчивым при выветривании и метаморфизме минералом, сохраняет присущую ему призматическую форму от материнских гранитов до непосредственного контакта кварц-серицитовых сланцев с перекрывающими их кварцитами; общее количество ZrO2 при этом возрастает.

6. В кварц-серицитовой породе электронно-микроскопическими исследованиями обнаружены реликты кристаллов каолинита в массе гидрослюды. Рентгеноструктурный анализ подтверждает присутствие каолинита. Существование в Финляндии залежей каолина, непосредственно перекрываемых ятулийскими кварцитами, — прямой аргумент в пользу первично-элювиального происхождения изучавшихся образований.

7. Направленность и распределение породообразующих химических компонентов по исследованным метаморфизованным профилям кислого и основного ряда соответствуют характеру профиля выветривания (рис. 4, 5). В кварц-серицитовой и серицит-хлоритовой породе по сравнению с исходными гранитами, конгломератами и диабазами наблюдается уменьшение содержаний Na2O1 SiO2, FeO, MnO, иногда CaO и увеличение Al2O3, ТiO2, ZrO2, Ga, Fe2Oa, P2O5, H2O и отчасти свободного углерода. Количество K2O, иногда CaO и MgO вверх по профилям возрастает, а не уменьшается. Повышенное содержание MgO и CaO — результат некоторой карбонатности изучавшихся разрезов. Проявление карбонатности (как и скопления вторичного мелкомозаичного и гребенчатого кварца) можно отчасти рассматривать как следствие некоторой засушливости доятулийского климата. Возможность подобного минералообразования для молодых кор выветривания, формирующихся при дефиците влажности, доказана многими исследователями. Гидроокислы железа в кварц-серицитовой и серицит-хлоритовой породе, линзы доломитов и кремней в кровле кварц-серицитового горизонта, трещины усыхания в прослоях кварц-карбонат-слюдистых сланцев среди перекрывающих кварцитов могут служить дополнительным подтверждением периодического понижения влажности в ятулийское время.

Петрохимия и диагностика первичной природы метаморфизованных пород докембрия

8. Ассоциация метаморфических минералов в доятулийских и ятулийских профилях (хлорит, серицит, мусковит, эпидот, сфен, новообразованный кварц) соответствует зеленосланцевому метаморфизму. По своей очевидности, серицит и хлорит представляют продукт метаморфизма каолинита и монтмориллонита, возникших при древнейшем выветривании кислых и основных пород. Калий, обеспечивший в процессе метаморфизма преобразование доятулийского каолинита в серицит, мог накапливаться двояко. Частично он, по-видимому, адсорбировался появляющимся каолинитом еще при формировании доятулийского профиля выветривания. Кроме того, каолинит насыщался калием уже после захоронения коры под осадками ятулия, улавливая его из поверхностных и грунтовых вод, обладавших, наверное, повышенной щелочностью вследствие некоторой засушливости ятулийского климата.

9. В процессе среднепротерозойской складчатости возникшие в доятулии на гранитах и конгломератах (а в ятулии на диабазах) коры выветривания были метаморфизованы. Первичные гидрослюды и каолинит при этом преобразовывались в диоктаэдрическую гидрослюду мусковитного типа (полиморфная модификация 2М1), а гидробиотит и монтмориллонит — в хлорит. Высвободившийся при выветривании силикатов аморфный кремнезем был раскристаллизован, глинистый слой рассланцован (при этом реликты зерен первичного кварца в глинистой массе переориентировались по сланцеватости). Метаморфизм осуществлялся изохимически.

Таким образом, кварц-серицитовые сланцы на архейско-раннепротерозойских гранитах и сумийско-сариолийских конгломератах в основании ятулийской толщи Карелии (как и серицит-хлоритовые сланцы на диабазах ятулия) представляют остатки древнейших площадных кор выветривания, сформировавшихся в климатических условиях перехода от гумидной зоны к аридной, сильно эродированных и позднее метаморфизованных в фации зеленых сланцев. Сравнение протерозойских кор выветривания Карелии с корами постпротерозойского времени свидетельствует о геологическом, текстурном и геохимическом их сходстве. Общее сходство распределения главных химических компонентов в метаморфизованных и постдокембрийских неметаморфизованных профилях выветривания подтверждает изохимический характер регионального метаморфизма. Отчетливое увеличение вверх по доятулийским профилям величины Fe2O3/FeO с одновременным уменьшением отношения SiO2/Al2O3 указывает на присутствие в атмосфере протерозоя значительного количества свободного кислорода — активнейшего агента химического выветривания. Поскольку в протерозое продукты выветривания исходных пород оставались такими же, как и в более поздние периоды, есть основания полагать, что физико-химическая основа выветривания в течение протерозоя — кайнозоя принципиально не изменялась.

Признавая за древнейшими корами выветривания исключительное значение в познании ранней истории Земли, академик А.В. Сидоренко дальнейшее их изучение определяет таким образом: «Поскольку, несмотря на установленный факт широкого и закономерного размещения кор выветривания в докембрии различных регионов, наши сведения о них (особенно об архейских корах выветривания) пока еще отрывочны и неполны, важнейшей задачей будущих исследований остается дальнейшее выявление всех возможных докембрийских кор выветривания, их детальное описание и комплексное изучение. Только путем накопления большого числа фактов и их тщательной оценки можно прийти к воссозданию стройной картины распространения древнейших процессов выветривания, познанию особенностей и закономерностей состава кор и продуктов их перемыва (осадочных пород), определению связи этих образований с морфоструктурами и континентальными перерывами».

Корундиты Алданского щита — метаморфизованные нижнеархейские бокситы


Для корундитов нижнеархейского алданского комплекса до проведения детальных исследований одними исследователями предполагалась первично-осадочная, другими — метаосадочная природа. В процессе изучения геологического положения, ассоциаций сопряженных пород и вещественного состава корундитов было установлено следующее.

1. Залежи корундитов приурочены к определенному стратиграфическому горизонту архейских парапород. Характерно, что особенности геологической и климатической обстановки этого периода были благоприятны для образования, переноса и переотложения латеритового материала и для формирования залежей бокситов.

2. В непосредственной близости от корундитов залегают типичные парапороды: силлиманитовые и графитовые сланцы, кварциты, кальцифйры и высокоглиноземистые породы. Они обладают всеми элементами, характерными для бокситоносных провинций фанерозойских отложений, в которых залежи бокситов отделяются от вмещающих пород. Тела корундитов также лежат среди силлиманитовых и других высокоглиноземистых пород, представляющих метаморфизованные аналоги каолиновых образований.

3. Корундитовые залежи имеют форму линз (до 25x70 м), согласно залегающих с вмещающими парапородами, т. е. совпадают по форме и размерам с залежами бокситов.

4. Залежи корундитов имеют зональное строение с увеличением содержания глинозема к центральным частям, что характерно и для залежей бокситов.

5. Петрохимический анализ корундитов и сопряженных с ними высокоглиноземистых диафторитов показывает, что по этим признакам они могут быть сравнимы только с бокситами. Действительно, концентрации Al2O3, TiO2 и Сr2О3 характерны для переотложенных латеритов, причем, учитывая содержание TiO2, Fe2О3, Сr2Оз, CaO, S, MgO и других компонентов, можно предположить, что они относятся к геосинклинальному типу бемитового состава. Вмещающие породы сопоставлены с высокоглиноземистыми породами бокситоносных формаций. Содержание и распределение в них Ca, V, Li, Tr указывают на их переотложенный характер, а Cr, Ni, Co — на их происхождение за счет разложения основных пород.

6. В химическом отношении корундовые породы — наиболее глиноземистые члены закономерного химического ряда глиноземистых пород Алданского щита, что позволяет рассматривать их в этом отношении как метаморфизованные, наиболее глиноземистые члены ряда переотложенных кор выветривания, т. е. как бокситы. Отмечается значительное сходство алданских корундитов с докембрийскими корундитами Индии, Южной Африки и других регионов, для которых установлена их первично-бокситовая природа.

7. Для алданских корундитов характерно полное отсутствие генетических и других прямых связей с разрывными нарушениями, зонами диафтореза и метасоматоза, а также с телами магматических пород.

8. Залежи корундитов испытали на себе явное воздействие последующих процессов диафтореза, связанного с геологическими процессами взаимодействия Алданского щита со Становой складчатой областью.

Таким образом, детальное изучение геологии и вещественного состава корундитов указывает на то, что они представляют метаморфизованные нижнеархейские бокситы.

Метаморфизм осадочных толщ и их метаморфогенное рудное «дыхание»


В последние годы в целой серии наших исследований мы особо рассмотрели и показали роль метаморфизма и возникающих при этом метаморфогенных газово-водных отторжений в мобилизации рудных компонентов и последующей их разгрузке в пределах (или вблизи) метаморфизующихся систем. При этом была установлена исключительная роль углекислоты (CO2), с чем хорошо согласуются известные данные А.И. Тугаринова и В.Б. Наумова по газово-жидким включениям в метаморфических минералах и минералах гидротермальных месторождений. В этой работе показано, что углекислота — чрезвычайно характерный компонент гидротермальных растворов, и сделан вывод о том, что гидротермальные растворы нередко представляют весьма насыщенные углекислотой природные воды.

В самые последние годы выявился и еще один весьма интересный компонент «дыхания» метаморфизующихся осадочных толщ докембрия. Так, наряду с углекислым было установлено и углеводородное «дыхание» метаморфизующихся седиментогенных толщ докембрия. Было высказано предположение о влиянии этого источника твердых, жидких и газообразных углеводородов на накопление нефти и газа в рыхлых породах чехлов континентов, перекрывающих их докембрийские цоколи.

Предварительный анализ дает основания связывать с дегазацией осадочно-метаморфических пород докембрия и некоторые другие газопроявления (Н2, CH4, SO2 и др.).

Иначе говоря, устанавливается новое комплексное научное понятие о «жидко-газово-рудном дыхании» метаморфизующихся осадочных горных пород докембрия и о влиянии этого огромного по масштабам процесса не только на металлогению докембрия, но и на состав и эволюцию гидросферы и атмосферы Земли.





Яндекс.Метрика