Эволюция корообразования на Украинском кристаллическом щите и ее влияние на осадконакопление в докембрии
На территории Украинского щита и его склонах изучены разновозрастные коры выветривания, начиная от раннего протерозоя и до кайнозоя включительно. Сопоставляя минералого-геохимические, геологические и другие особенности остаточных продуктов выветривания для разных по времени и условиям образования кор можно получить качественные, а подчас и количественные их характеристики и оценить специфику гипергенных процессов для каждого периода.
В настоящее время на Украинском щите выделено 16 крупных эпох корообразования, причем только раннепротерозойские коры в различной степени метаморфизованы, а позднепротерозойские (рифейские и вендские), палеозойские и мезозойкайнозойские не метаморфизованы и сохраняют все признаки элювия. Всестороннее изучение процессов гипергенеза на протяжении более чем 2 млрд. лет показывает, что уже с раннего протерозоя и до кайнозоя общая направленность выветривания сохраняется. Это выражается в том, что уже в раннем протерозое при выветривании минералов материнских пород одни элементы выносились и поступали в бассейны седиментации, а другие оставались на месте и образовывали остаточные продукты (элювий). При этом изменялись физические свойства горных пород, увеличивалась их пористость, а состав новообразованных минералов коры отвечал существовавшим в каждое отдельное время условиям гипергенеза.
Из литературных данных известно, что за указанный промежуток времени условия гипергенеза неоднократно изменялись, и это должно было находить отражение как в составе выносимого из выветривавшихся пород материала, так и в остававшихся на месте продуктах гипергенного преобразования пород. Полученные на Украинском щите и в других районах Русской платформы материалы подтверждают это допущение. Более того, они укрепляют предположение И.И. Гинзбурга о том, что «древние коры выветривания и особенно допалеозойские и палеозойские ... образовались в условиях столь не похожих по климату, составу атмосферы и биогенезу на современные или третичные условия, что наши геологические и геохимические представления о них требуют ряда существенных поправок».
На Украинском щите в последнее время изучены многочисленные разрезы разновозрастных кор выветривания на гранитах и других кислых породах. Раннепротерозойская кора на саксаганских гранитах Криворожья, развитая в основании криворожской серии, метаморфизована до фации зеленых сланцев. Детальное изучение ее зональности с использованием экспериментальных данных В.А. Франк-Каменецкого по гидротермальному синтезу глинистых минералов позволяет предполагать, что до метаморфизма ранненротерозойская кора гранитоидов слагалась преимущественно монтмориллонитовыми минералами и кварцем. Судя по количественному соотношению слюдистых минералов и кварца в метаморфизованной коре, количество последнего не уменьшалось, а увеличивалось в верхних зонах профиля выветривания и достигало 50% и более. При рентгеновском анализе отдельных проб из метаморфизованных кор гранитоидов на дифрактограммах, кроме отражений мусковита, биотита, кварца и других минералов, иногда присутствуют слабые отражения с межплоскостными расстояниями 11,5; 12,4; 13,4 и 22,7 А. При насыщении проб этилен-гликолем указанные отражения смещаются соответственно до 14,9; 18,8; 20 и 32 А. Анализировавшиеся пробы отбирались из горных выработок на глубинах 1000—1200 м, что исключает возможность образования смешаннослойных фаз при современном выветривании и позволяет предполагать широкое распространение этих образований в монтмориллонитовых корах гранитоидов до метаморфизма.
Наиболее древняя неметаморфизованная кора гранитоидов известна на склонах щита в Подолии и на Волыни. В обнажении по р. Лядовой (Подолия) изучен разрез рифейской коры гранитов (чарнокитов), которая не испытала заметных эпигенетических изменений. В первой зоне коры здесь наблюдалась дезинтеграция пород с замещением полевых шпатов и слюд монтмориллонитом. Во второй зоне состав пород кварц-монтмориллонитовый, а в третьей — кварц-каолинитовый со значительной примесью смешаннослойных образований монтмориллонит-каолинитового типа (первый рефлекс 7,25—7,48 А). Аналогичный (с монтмориллонитовой зоной) профиль выветривания возникал на гранитоидах также во время вендских и раннепалеозойских эпох корообразования. В позднепалеозойских (верхний девон и моложе) и мезозойских корах гранитоидов в профиле выветривания монтмориллонит и сходные с ним минералы уже не возникали. При разложении полевых шпатов еще в зоне дезинтеграции происходило образование каолинита, в связи с чем на гранитах формировались мощные зоны первичных каолинов, а состав продуктов выветривания был кварц-каолинитовым.
Приведенные данные, подтверждающиеся десятками конкретных геологических разрезов, показывают, что, начиная с раннего протерозоя и до мезозой-кайнозоя включительно, в гипергенном преобразовании гранитоидов произошли существенные изменения. В раннем протерозое полевые шпаты и другие алюмосиликаты разлагались с образованием наиболее высококремнистых глинистых минералов (смектиТы) и, кроме того, в разрезах коры происходило некоторое увеличение количества кварца. В рифей-вендских и раннепалеозойских корах увеличение количества кварца уже не происходило, однако разложение полевых шпатов шло через промежуточную (монтмориллонитовую) стадию, а каолинизация элювия была выражена очень слабо.
Начиная с верхнего девона, в корах гранитоидов происходила интенсивная каолинизация алюмосиликатов, обусловленная значительным выносом кремнекислоты разлагавшихся минералов. Указанные особенности эволюции минералообразования в разновозрастных корах гранитоидов хорошо подтверждаются данными о миграции главных породообразующих элементов (см. таблицу). Средневзвешенные коэффициенты концентрации окислов, рассчитанные по средним данным на всю мощность коры, показывают, что с раннего протерозоя и до мезозоя усиливалась миграция SiO2 за пределы коры и уменьшался вынос глинозема. В раннепротерозойской коре вынос Al2O3 за пределы элювия достигал в третьей зоне 55—60%, и в расчете на всю мощность профиля выветривания составлял около 25% (коэффициент концентрации 0,76). Вынос кремнекислоты был значительно более слабым. В верхней зоне коры он не превышал 34% (коэффициент концентрации 0,66), а в расчете на всю мощность профиля — составлял лишь несколько процентов (коэффициент концентрации 0,98). В более молодых рифейских и мезозойских корах Al2O3 оставался почти стабильным, а миграция SiO2 значительно возрастала.
Еще более отчетливо указанные выше особенности проявляются при сравнении разновозрастных кор выветривания на бескварцевых (основных) породах. В раннепротерозойской метаморфизованной коре амфиболитов Криворожья установлено, что при переходе от не затронутых выветриванием пород к первой зоне коры и на всем протяжении последней наблюдается все более интенсивное замещение роговой обманки актинолитом. Зерна плагиоклазов в этой зоне постепенно замещаются мелкозернистым кварцем и плохо окристаллизованной серицитоподобной массой. Кварц выделяется по краям зерен плагиоклазов и вдоль трещинок спайности, а серицитоподобная масса заполняет промежутки между ними. Основываясь на представлениях об изо-химичности метаморфизма, отмеченное выше интенсивное замещение роговой обманки актинолитом и выделение кварца на месте разлагавшихся плагиоклазов можно объяснить только тем, что из раннепротерозойских кор интенсивно выносился Al2O3, a SiO2 обладал значительно меньшей подвижностью и мог относительно накапливаться в древнейшем элювии.
В характеризуемых амфиболитах Криворожья кварца практически нет. Он встречается изредка лишь в миндалинах. В породах метаморфизованной коры уже в средней и верхней части первой зоны количество кварца достигает 15—20%, а во второй и в третьей зонах коры остается на уровне 20—25%. Появление значительного количества кварца в древнейшем элювии бескварцевых пород отмечалось также А.С. Корякиным в метаморфизованных корах Карелии и в аналогичных образованиях KMA Канадского и Южно-Африканского щитов.
Под рифейскими, вендскими и раннепалеозойскими отложениями на Украинском щите и его склонах полные профили кор выветривания на амфиболитах и других бескварцевых породах до настоящего времени не встречены. По данным А.С. Махнача и Н.Н. Левых, на территории Белоруссии дорифейские и довендские коры амфиболитов, габбро и пироксенитов распространены относительно широко, имеют мощность до 30 м и изучены достаточно полно. Анализ опубликованных материалов позволяет отметить, что в позднепротерозойских корах на этих породах при разложении полевых шпатов выделение кварца уже не происходило. Они почти всегда замещались монтмориллонитами с примесью гидрослюд и небольшим количеством каолинита. Сравнение содержания абсолютных масс элементов (в г/см3) в свежих породах и наиболее выветрелых разностях показывает, что во всех изученных указанными авторами разрезах глинозем не оставался стабильным. Его вынос достигает 15—20% от валового содержания и в некоторых разрезах был более интенсивным, чем вынос кремнекислоты. С этим, по-видимому, и связано широкое развитие монтмориллонитов не только в корах амфиболитов, но также в рифейском и вендском элювии гранитов, гнейсов и других пород.
Для позднепалеозойских (послеверхнедевонских) и более молодых кор основных и других пород отсутствуют данные, которые указывали бы на возможность миграции глинозема при выветривании. Сравнение коэффициентов концентрации окислов показывает (см. таблицу), что вынос кремнезема из пород коры был весьма интенсивным, а миграция глинозема вообще не происходила. В этих условиях в нижних зонах коры формировались малокремнистые и высокоглиноземные глинистые минералы (каолинит и др.), которые в верхних зонах профиля могли превращаться в минералы свободного глинозема.
Приведенные и многочисленные другие данные позволили установить, что в эволюции процессов выветривания отчетливо прослеживаются три этапа: раннепротерозойский, позднепротерозойский — раннепалеозойский и позднепалеозойский — кайнозойский. Они в общих чертах совпадают с основными периодами эволюции состава атмосферы, климатических условий и органического мира и являются своеобразным отражением развития земной коры.
Первый этап выветривания характеризуется преобладанием в атмосфере углекислоты, азотистых соединений, паров воды с примесью хлористых, сернистых и других газов. Кислорода было очень мало или он отсутствовал вообще. Органическая жизнь могла существовать только в водоемах и не могла прямо влиять на процессы выветривания. Климат был теплым и влажным без заметно выраженной зональности и сезонных колебаний. Водные растворы имели, вероятно, очень низкие значения pH, при которых Al2O3 обладал относительно высокой миграционной способностью, а растворимость SiO2 была низкой, вследствие чего вынос его за пределы коры был незначительным. Малое количество кислорода в атмосфере (или его отсутствие) не обеспечивало полного окисления закисного железа, которое выносилось из коры разных пород в бассейны седиментации и было главным источником металла для образования железисто-кремнистых формаций докембрия.
К началу второго этапа (поздний протерозой) в составе атмосферы преобладал азот. Сернистые, хлористые и другие соединения в ней уже отсутствовали, а количество кислорода заметно возросло. К этому времени уже начала проявляться климатическая зональность, температура поверхности Земли была близка к современной и подвергалась сезонным колебаниям. На суше могли развиваться примитивные организмы. В новых условиях гипергенеза интенсивный вынос Al2O3 и Fe при формирования элювия прекратился, хотя в ряде разрезов позднепротерозойских и раннепалеозойских кор еще отмечается перераспределение их по профилю и частичный вынос. В связи с увеличением миграционной способности SiO2 остаточного накопления его в коре уже не происходило, однако гипергенное преобразование полевых шпатов и других алюмосиликатов шло через промежуточную стадию смектитов. Каолинитовая зона даже на кислых породах в корах второго этапа была развита ограниченно, а зона свободных окислов с минералами свободного глинозема вообще не могла формироваться.
Начало третьего этапа в эволюции корообразования совпадает с важнейшим периодом в развитии внешних оболочек Земли. Известно, что в этот период растительность начала интенсивно осваивать сушу, количество углекислоты в атмосфере значительно уменьшилось, содержание кислорода достигло почти современного уровня, произошла очередная перестройка климатической зональности. Новые условия гипергенеза обусловили появление принципиальных различий в корах выветривания. Если в среднедевонских корах гранитоидов (достарооскольская эпоха) еще формировалась монтмориллонитовая зона, то уже в дофранской коре (верхний девон) на гранитоидах возникают мощные толщи первичных каолинов, а в коре бескварцевых высокоглиноземистых пород впервые появляется зона свободных окислов с минералами глинозема, а позже и с промышленными скоплениями остаточных бокситов (Тиман, KMA и др.). На третьем этапе эволюции гипергенеза Al2O3 и Fe за пределы элювия практически не выносились, а кремнекислота разлагавшихся алюмосиликатов могла выноситься почти полностью и обусловливала возможность формирования зоны свободных окислов. В этих условиях значительно сокращались пути гипергенного минералопреобразования в элювии и возрастало разнообразие полезных ископаемых, возникавших при выветривании.
Влияние процессов выветривания на осадконакопление вообще, и в докембрии в частности, сказывалось двояко. При образовании элювия подвижные продукты выветривания поступали в бассейны седиментации и были одним из основных источников материала для хемогенно-осадочного породо- и рудообразования. Остаточные продукты выветривания накапливались на суше, формировали кору (элювий), которая могла легко размываться и служить источником обломочного и глинистого материала при осадконакоплении. Оценивая роль процессов выветривания для каждого из трех этапов эволюции гипергенеза, необходимо отметить, что для первого этапа наиболее существенное влияние оказывали подвижные продукты выветривания. Поступая с растворами в бассейны седиментации, они приносили материал для образования железистокремнистых, сланцевых и других толщ.
Роль остаточных продуктов выветривания для раннего протерозоя изучена еще недостаточно. Известно только, что в основании криворожской серии развит горизонт белых кварцитов с нормальной мощностью до 100—150 м, которые могли образоваться за счет кварца из размывавшихся древнейших кор на гранитах и других породах. В основании аркозовой (скелеватской) свиты и в других местах установлено присутствие 10—20-метровых прослоев осадочно-обломочного материала, не отличающегося по минеральному и химическому составу от непереотложенных продуктов выветривания. По имеющимся данным, этот материал поступал в осадочные толщи из размывающихся кор выветривания. Особенно показательным в этом отношении был голубой кварц из кислых эффузивов, присутствие которого установлено в толще аркозовых песчаников и в других породах криворожской серии.
Широкое развитие монтмориллонитов в позднепротерозойских — раннепалеозойских корах (II этап) обусловили, скорее всего, существенное преобладание в осадочных породах этого времени гидрослюдисто-смектитовых глин. Известно, что монтмориллонит при эпигенезе в присутствии калия легко подвергается гидрослюдизации, чем и объясняется широкое распространение гидрослюд в глинистых и песчаноглинистых отложениях позднего протерозоя и раннего палеозоя. Также широко в них распространены смешаннослойные образования, переходные между смектитами и слюдами. В рифейских, вендских и раннепалеозойских отложениях количество каолинита всегда незначительно, а крупные скопления чистого минерала практически не известны. Скопления каолинита в осадочных породах появляются лишь в последевонских отложениях и особенно широко распространены в мезозойском осадочном чехле Украинского щита и в обрамляющих щит впадинах. Они часто образуют крупные месторождения вторичных каолинов, для которых иногда удается установить непосредственную связь с источниками сноса — остаточными корами третьего этапа.
