Генезис железисто-кремнисто-сланцевой формации

В проблеме генезиса железистых кварцитов данной формации рассмотрены два ее аспекта — тектоническая природа бассейнов седиментации и характер источника железа.

В работах по KMA вопросу о тектонической природе бассейнов седиментации железисто-кремнистых толщ уделено много внимания. Анализ распространения залежей железистых кварцитов свидетельствует о том, что бассейны седиментации представляли собой относительно узкие, вытянутые на северо-запад троги шириной до 50—70 км и протяженностью до 700—1000 км. На территории КМА, как показывает анализ измерения разрезов толщи железистых кварцитов, выделяются пять таких трогов (Орловско-Оскольский, Брянско-Белгородский, Корочанско-Большетроицкий, Рыльско-Борисовский и Крупец-Кременчугский), разобщенных гранито-гнейсовыми поднятиями типа срединных Кордильер. Относительно тектонической природы бассейнов седиментации железисто-кремнисто-сланцевой формации существуют разноречивые представления. В соответствии с традиционной точкой зрения бассейны формирования железисто-кремнисто-сланцевой формации имели характер грабенов (рифтов), ограниченных глубинными разломами. Современная модель таких докембрийских структур по этим представлениям — грабен Красного моря. В последние годы эти бассейны стали отождествлять с протоавлакогенами, но заложение этих структур связывают также с глубинными разломами, ограничивающими блоки опускания. Анализ распространения вулканогенных пород михайловской серии, которой фиксируется инициальный этап формирования бассейнов седиментации, показывает, что основная область развития вулканитов этой серии — осевые части синклинорных структур. В бортовых частях последних они имеют ограниченное распространение преимущественно в виде локальных участков.

Важно отметить, что в разрезе протерозойских отложений района KMA конгломераты и вообще грубообломочные терригенные породы, являющиеся характерными для грабеновых выполнений, имеют ограниченное распространение и незначительную мощность. Это указывает на то, что докембрийские бассейны седиментации осадков железисто-кремнистой формации имели шовный характер. Они приурочивались к глубинным разломам, по которым на поверхность поступал мантийный материал, и представляли собой трогообразные прогибы с максимальным погружением земной коры в пределах разлома. Троги обладали довольно крутыми бортами. Отдельные прогибы имели асимметричный характер, в частности Орловско-Оскольский, у которого восточный борт был отлогим, а западный довольно крутым, что нашло отражение в местном фациальном профиле железисто-кремнистой формации (в области западного борта структуры существенно редуцированы гематитовая и окаймляющая ее с запада силикат-магнетитовая фации). По-видимому, нельзя отрицать существования и прогибов типа грабенов, которые, однако, на территории KMA не были определяющими. Касаясь тектонической природы прогибов, следует отметить, что они закладывались на первичной кратонизированной сиалической коре в связи с ее деструкцией. О заложении прогиба на протократоне свидетельствует тот факт, что в вулканогенном комплексе (михайловская серия), отвечающем начальному этапу (деструктивной фазе) развития прогиба, принимают участие кислые магматиты типа кварцевых порфиров и кератофиров.

Палеогеографические аспекты проблемы генезиса железистых кварцитов исследователями KMA решаются неоднозначно. Наибольшие разногласия относятся к вопросу о типе и характере бассейнов седиментации. Согласно одним, последние представляют собой бассейны озерного типа. В представлении других они имели геосинклинальный глубоководный характер, причем на КМА, как это следует из анализа изменения мощностей железисто-кремнистой формации по региональным синклинальным структурам протогеосинклиналь была представлена системой обособленных трогообразных прогибов, вытянутых в северо-западном направлении. Эти прогибы в отдельных местах соединялись между собой диагонально расположенными прогибами. Taкой поперечный прогиб намечается в области распространения Бобрышевских, Прохоровских, Марьинских и Истобнянских аномалий. В целом эту систему прогибов, состоящую из серии разных размеров депрессий и разделяющих их поднятий типа срединных массивов, по-видимому, можно параллелизовать с парагеосинклиналями неогея.

Протяженность протопарагеосинклинали достигала 1000—1200 км, при ширине не менее 200 км, а составляющих прогибов — от 20—40 до 60—70 км. Крайний западный трог (Крупецкий), в отличие от остальных, имеет меридиональное простирание и, по-видимому, соединялся с Кременчукско-Криворожским трогом, свидетельствуя о связи Курско-Белгородской парагеосинклинали с Криворожской.

Бассейны осадконакопления длительное время обладали терригенно-хемогенной седиментацией флишоидного типа с доминированием осадков алевритовой и пелитовой размерностей, образующих в большей части разреза тонкое переслаивание. Алеврит-пелитовый характер осадков при ограниченном распространении псаммитов свидетельствует об относительной глубоководности отложений, отвечающих, по-видимому, батиали (500—3000 м). В значительной глубине бассейнов, очевидно, следует видеть и причину полного отсутствия или ограниченного развития в разрезе рассматриваемых отложений карбонатных (известняковых) фаций.

Бассейны седиментации характеризовались неспокойной тектонической обстановкой с проявлением (особенно на стадии формирования железисто-кремнистых толщ) подводных грязевых потоков и оползневых явлений, что подтверждается наличием в железистых кварцитах хотя и маломощных, но довольно распространенных олисто-стромов и разнообразной по морфологии микроскладчатости. Характерно, что эти явления приурочены к определенным фациальным зонам существенно гематитовым и щелочноамфибол-магнетитовым кварцитам. Отмеченные особенности строения железисто-кремнистых толщ указывают и на характер ложа бассейна седиментации. Он, в частности, характеризовался крутыми склонами, достаточными для возникновения мутьевых потоков и оползневых явлений, ответственных за проявление в железистых кварцитах мелких олистостромов и чрезвычайно сложной микроскладчатости.

Следует отметить, что гидродинамические условия в бассейнах в периоды образования железисто-кремнистых отложений, отвечающих железисто-кварцитовыми толщами, слагающими разные стратиграфические уровни, не были одинаковыми.

Описанная выше модель бассейнов дана применительно к основным толщам железистых кварцитов (для первых двух подсвит их: нижне- и верхнекурской). При формировании яковлевского и белгородского горизонтов бассейны были более мелководными, поскольку такие глубоководные фации, как гематитовые, в разрезах толщ железистых кварцитов названных горизонтов отсутствуют. Кроме того, в этих породах значительным развитием пользуются карбонаты железа и куммингтонит. На характер отложений, составляющих протерозойский рудоносный комплекс (включая алевролит-филлитовые сланцевые толщи, вмещающие железистые кварциты), оказал влияние и рельеф земной поверхности возле бассейна седиментации, которая представляла собой платообразные пространства с интенсивно развитой специфической корой выветривания, определившей необычный характер осадконакопления.

Своеобразным был и температурный режим бассейнов. В связи с этим представляют интерес исследования, согласно которым среднегодовая температура на поверхности Земли около 3 млрд. лет назад составляла около 70 °С, т. е. была более высокой, чем в любом современном экваториальном районе Земли. Уже в раннем протерозое создалась латеральная зональность градиента теплопроводности, чем был обусловлен неодинаковый нагрев разных структурных элементов протогеосинклинальной системы. Наиболее интенсивным он был в пределах срединных массивов и их склонов и минимальным — в проксимальных частях прогибов, что и обусловило наибольшую интенсивность процессов метаморфизма пород железисто-кремнистой формации в периферических частях зон их распространения, т. е. там, где они залегали в области срединных массивов. Температура воды в бассейнах верхнего архея — нижнего протерозоя, очевидно, была тоже достаточно высокой, по крайней мере на периферических участках (по-видимому, не ниже 50—70 °С); только в наиболее глубоких частях бассейнов она была более низкой.

Относительно высокая температура земной поверхности и гидросферы исключила возможность транспортировки железа из области питания в виде взвеси гидроокислов железа и предопределила миграцию его в форме легкорастворимого соединения, каковым, наиболее вероятно, был бикарбонат железа. Садка железа шла в виде магнетита и гематита, а также силикатов и алюмосиликатов. При этом магнетит осаждался в более высокотемпературных зонах, тяготеющих к внешним частям бассейна седиментации, а гематит — во внутренних, с более низкой температурой воды и более высоким кислородным потенциалом. Именно температурным режимом протерозойских бассейнов седиментации можно объяснить инверсию фациального профиля железонакопления в сравнении с железистым фациальным профилем, присущим фанерозойским отложениям.

Учитывая структурно-фациальность в развитии силикатов железа и сопряженность одних из них (куммингтонита, биотита) только с магнетитом, а других (щелочных амфиболов рибекит-родуситового ряда и эгирина) с гематитом и магнетитом, можно прийти к заключению о седиментогенном генезисе первичного вещества, послужившего исходным материалом для силикатов железа. При этом осадки, из которых кристаллизовались биотит и куммингтонит, отлагались на периферических участках бассейнов, а щелочные силикаты и алюмосиликаты образовывались в более глубинных частях фациального профиля.

Широкое, глобальное распространение железисто-кремнистых образований в нижнесреднепротерозойских отложениях и уникальный масштаб концентрации железа в отложениях протерозоя, не имеющих себе аналогов в фанерозое, дают достаточное основание эту часть протерозоя выделить под наименованием «феррозоя».

Примечательно, что разрез железисто-кремнисто-сланцевых и железисто-кремнистокарбонатных формаций нижнего-среднего протерозоя различных регионов земного шара (Канада, Индия, Бразилия, Австралия) характеризуется сходным строением: в характере и наборе пород железисто-кварцитовых горизонтов, подсвит или свит, в зависимости от принятой номенклатуры стратиграфических подразделений. По данным Р.Г. Шмидта в районе оз. Верхнего в разрезе докембрийских отложений выделяется до четырех горизонтов железистых кварцитов (разрезы Куюна, Годжебик).

Сходство удаленных разрезов, доходящее порой до полного тождества, и близкое количество в них горизонтов железистых кварцитов указывают на глобальный и субсинхронный для обширных регионов характер процессов мобилизации железа, имевших исключительные масштабы, не проявлявшиеся ни раньше, ни позже в геологической истории Земли.

Нам представляется, что эти факты лучше всего согласуются с геологической моделью, предполагающей гипергенный характер процессов мобилизации железа, связанных с существованием в раннем-среднем протерозое особых климатических условий, существенно отличающихся от климатов фанерозоя. Некоторые исследователи связывают крупные масштабы мобилизации железа с тропическим характером климата. Нам представляется естественнее предположение о том, что ранее- и среднепротерозойский климат по термическому режиму в определенной степени напоминал венерианский, поэтому его, по-видимому, правильнее определять как супертропический. Об этом свидетельствуют характерные для этого периода геологической истории Земли восстановительные свойства атмосферы, которая по составу напоминала венерианскую (H2, CH4, NH3, CO2 и H2O) и, будучи существенно углекислой, обусловливала «парниковый эффект». Поэтому процессы гипергенеза носили интенсивный и резко восстановительный характер. Этот наш тезис о восстановительном характере гипергенеза в протерозое подтверждается преимущественным развитием зелено- и сероцветных осадочных пород в протерозойских комплексах.

На первый взгляд развиваемые представления могут показаться парадоксальными и не согласующимися с тем, что в архее термический режим на поверхности Земли был более высоким и в этом случае процессы мобилизации железа во внешней геосфере должны быть еще более интенсивными, чем в протерозое. Однако столь грандиозных концентраций железа, как в нижнем протерозое, в архее не наблюдается. Причина этому, очевидно, та, что согласно имеющимся моделям раннего докембрия в этот период континенты не имели «широкого распространения», и это время было временем господства панталласии.