Эволюция изотопного состава свинца горных пород в связи с дифференциацией вещества земной коры в ходе осадконакопления

В восстановлении первичной природы метаморфических пород докембрия важную роль играют изотопно-геохимические исследования и, в частности, исследования по геохимии изотопов свинца. Ниже авторы на основании имеющихся данных о содержании свинца, урана и тория и распределении изотопов свинца в породах различных докембрийских щитов на территории бывш. СССР попытались проследить закономерность эволюции изотопного состава свинца пород и слагающих их минералов и выявить ее причины.

В связи с тем, что объектом исследования служили достаточно древние (2 млрд. лет и более) породы, во всех случаях измеренный изотопный состав свинца был пересчитан, исходя из возраста пород и содержаний урана, тория и свинца, таким образом, чтобы получить характеристику изотопного состава свинца породы в момент ее образования. Считается твердо установленным, что в породах гранитоидного состава основная масса свинца сосредоточена в калиевых полевых шпатах, что делает эти минералы наиболее благоприятным объектом исследования при изучении первичного распределения изотопов свинца в породах. Исходя из этого во всех случаях, где это было возможно, исследования проводились на мономинеральных фракциях калиевых полевых шпатов. В остальных случаях измерения проводились по валовым пробам пород.

На рис. 32, заимствованном из работы А.И. Тугаринова, Л.К. Гавриловой, В.П. Бедринова, показано изменение изотопного состава свинца гранитоидных пород Украинского, Балтийского и Алданского докембрийских щитов во времени. Различия в характере эволюции изотопного состава свинца горных пород возникают где-то в интервале времени между 3000 и 2000 млн. лет, т. е. если исходить из существующих представлений о геохронологическом расчленении докембрия, на рубеже между археем и протерозоем.

Известно, что нижний протерозой характеризуется широким развитием процессов осадконакопления, что объясняется возникновением и устойчивым существованием огромных массивов суши, за счет выветривания которых и происходило накопление колоссальных по мощности толщ осадков. Следует предположить, что выветривание и образование осадков сопровождалось мощными процессами осадочной дифференциации вещества, приводившими к локальному обогащению отдельных толщ теми или иными компонентами. Особенно показательным с этой точки зрения представляется перераспределение урана, поскольку благодаря радиоактивному распаду уран оставляет следы своего существования — радиогенные изотопы свинца Pb206 и Pb207, — изучая распределение которых можно достаточно уверенно говорить о былой ураноносности исследуемых толщ.

Исходя из этого авторами был исследован изотопный состав свинца и определены содержания свинца, урана и тория в различных породах центральной части Украинского кристаллического щита. Результаты исследований приведены в табл. 48 и на рис. 33.

Изученные породы четко разделяются на несколько групп. Первую группу, характеризующуюся наиболее низкими величинами отношений РЬ206/рь204 и РЬ207/РЬ204 (точки 1—6), составляют свинцы полевых шпатов из древних мигматитов и плагиогранитов. Можно отметить, что несмотря на значительный разброс этих точек, все они тяготеют к области существования древних свинцов, располагаясь в то же время неподалеку от средней линии эволюции изотопного состава свинца земной. коры.

Вторую группу точек (7—13) образуют свинцы полевых шпатов гранитоидных пород, прорывающих гнейсы и мигматиты докриворожского фундамента. Эти точки довольно кучно располагаются вокруг точки пересечения изохроны, отвечающей 2000 млн. лет, с кривой эволюции изотопного состава свинца, характеризующейся несколько повышенным отношением урана к свинцу (u0 = 10). Таким образом, полученные данные определенно говорят о том, что для Украинского щита 2000 млн. лет назад было характерным несколько повышенное, по сравнению со средним для земной коры, отношение урана к свинцу.

Третью группу точек (14—22) составляют свинцы полевых шпатов крупных гранитоидных массивов Центральной Украины и мелких тел аплитоидных и пегматоидных гранитов, прорывающих криворожскую серию в районе Северного Криворожья. На рис. 33 видно, что свинец полевых шпатов аплитоидных и пегматоидных гранитов характеризуется четко выраженной аномальностью, а именно, — повышенным содержанием радиогенных изотопов Pb206 и Pb207. Все эти точки с небольшим разбросом ложатся на прямую (I), уравнение которой, рассчитанное методом наименьших квадратов, имеет вид y=0,244х+11,38. Тангенс угла наклона этой прямой, отвечающий отношению Рb207/Рb206 в радиогенной составляющей аномального свинца, равен 0,244. Коль скоро мы принимаем (и это подтверждается существующими геохронологическими определениями), что возраст этих пород равен приблизительно 2000 млн. лет, можно с уверенностью говорить о том, что радиогенная добавка в аномальном свинце была привнесена в исследованные породы в момент их образования из урансодержащих пород, имеющих возраст около 2000 млн. лет. Такой возраст имеют среди рассматриваемых пород криворожской серии породы верхней свиты (К3). Таким образом, можно придти к выводу, что на изотопный состав свинца гранитоидных пород, прорывающих криворожскую серию, существенное влияние оказал радиогенный свинец, образовавшийся в породах верхней свиты за счет распада присутствующего в них урана и вынесенный из них в процессе образования гранитоидных пород.

Четвертую группу составляют свинцы собственно метаморфических пород криворожской серии (точки 23—30). Для них также характерен аномальный изотопный состав. Рассматриваемые точки с некоторым разбросом располагаются вдоль прямой (II), уравнение которой имеет вид y = 0,086x+13,91. Наклон этой прямой таков, что он не может быть объяснен привносом радиогенного свинца в рассматриваемые породы 2000 млн. лет назад. Единственным объяснением наблюдающегося распределения этих точек является признание того факта, что аномальный состав свинца этих пород обусловлен первично неоднородным распределением в них урана и свинца, связанным с разделением этих элементов в ходе накопления осадков.

Еще более яркий пример, свидетельствующий о существенном влиянии процессов осадочной дифференциации вещества на эволюцию изотопного состава свинца горных пород, был получен нами при исследовании графитсодержащих гнейсов Побужья. При постановке этих исследований авторы исходили из известного факта накопления урана в осадках, содержащих повышенные количества органического вещества. Метаморфизм таких пород и превращение их в графитовые гнейсы должны были привести к почти полному выносу из них урана, в то время как свинец из-за меньшей геохимической подвижности в верхних частях земной коры, мог оставаться в метаморфических породах, будучи захваченным отдельными минералами, слагающими графитовые гнейсы. Именно это и было обнаружено нами при изучении графитсодержащих гнейсов Побужья. Результаты этих исследований показывают, что свинец как валовых проб, так и отдельных минералов, характеризуется аномальным изотопным составом (табл. 49). Совершенно естественно, что наибольшей аномальностью характеризуется свинец сульфидов, пирита и пирротина, явившихся наиболее благоприятными «ловушками» для него, тогда как плагиоклазы характеризуются значительно менее четко выраженной аномальностью. Графит в этом ряду занимает промежуточное положение.

Таким образом, изложенные данные, по-видимому, вполне определенно говорят о том, что эволюция изотопного состава свинца докембрийских горных пород протекала в тесной связи с процессами их геохимической эволюции, причем наиболее важную роль при этом играли процессы дифференциации вещества в ходе образования и накопления осадков.