Главная – Журналы – Геология и геофизика 2016 номер 1

Рассмотрено время, когда стала развиваться современная тектоника, в которой сочетается тектоника плит и тектоника плюмов. Такая тектоника могла начаться на Земле, когда сформировались все оболочки планеты. Анализ современного геологического материала показывает, что внутреннее железное ядро обособилось к рубежу 2.7 млрд лет. В это же время на континентах фиксируются геологические комплексы, связанные с механизмом тектоники плит. К 2 млрд лет происходит окончательное образование слоя D″, где накапливаются слэбы литосферных плит, которые не сохраняются в зоне границы нижней и верхней мантии, а погружаются до границы ядро-мантия. В слое D″ происходит переход перовскита (основного минерала нижней мантии) в более упакованную минеральную фазу - постперовскит. Около 2 млрд лет в нижней мантии обосабливаются мантийные провинции, являющиеся источником базальтов океанических островов, и современная деплетированная верхняя мантия (астеносфера) - источник базальтов срединно-океанических хребтов. Приблизительно с этого рубежа начинается современный стиль работы «машины» нашей Земли. В эндогенных процессах задействованы все ее оболочки. Астеносфера и литосфера определяют крупные поверхностные структуры: горно-складчатые сооружения, океанические пространства, субдукционные зоны и зоны коллизии. Погружающиеся литосферные плиты, поставляющие холодное вещество в мантию, и поднимающееся мантийное вещество в горячих мантийных провинциях, или как их еще называют мантийные провинции с низкоскоростными сейсмическими волнами, образуют нижнемантийную конвекцию. Вещество плюмов зарождается в слое D″, куда поступают остатки (слэбы) литосферных плит, а также проникающие из внешнего жидкого ядра легкие (летучие) элементы, которые в этом слое окисляются и способствуют зарождению термохимических плюмов, а восстановленное окисное железо погружается в ядро. Таким образом, происходит взаимодействие всех оболочек Земли. Рассмотрена эволюция Сибирского континента за период 700 млн лет, т. е. когда он отделился от суперконтинента Родиния, и, соответственно, как формировались его горно-складчатые сооружения, а также рифтогенные образования и металлогения различных его геологических структур.

Сделан обзор современных представлений о составе и эволюции ядра Земли. На основании сравнения экспериментальных данных о плотности Fe с геофизическими данными показано, что внешнее жидкое ядро имеет однородную структуру и дефицит плотности около 10 %, а внутреннее твердое ядро имеет сильно неоднородную структуру с повышенной анизотропией сейсмических волн и дефицит плотности около 5 %. Оценки температуры на границе ядро-мантия составляют 3800-4200 К, а на границе внутреннего ядра - 5200-5700 К. Главными кандидатами на роль легкого элемента в жидком ядре считаются Si и O. Космохимические оценки показывают, что ядро должно содержать около 2 мас. % S, а экспериментальные данные свидетельствуют, что структура внутреннего ядра согласуется со свойствами Fe-карбидов. Наиболее обоснованной на сегодняшний день является модель ядра Земли с содержаниями (мас. %): Si = 5-6, O = 0.5-1.0, S = 1.8-1.9, C ≈ 2.0, при этом во внутреннем ядре может преобладать карбид Fe ₇C ₃. Исследование короткоживущих изотопных систем показывает, что ядро сформировалось на ранней стадии развития Земли, предположительно не позднее 30-50 млн лет от начала формирования Солнечной системы, t ₀ = 4567.2 ± 0.5 млн лет. Исследование распределения сидерофильных элементов между силикатным расплавом и расплавом Fe позволяет реконструировать процесс формирования ядра в магматическом океане, глубина которого могла достигать 1000-1500 км при температуре 3000-4000 К. В магматическом океане f _O2 менялась от 4-5 до 1-2 лог. ед. ниже буфера IW. Однако данные по Mo, W, S согласуются с добавкой последних 10-15 % хондритового вещества позднее, в результате крупного ударного события. Теплофизическое моделирование энергетики ядра согласуется с общим тепловым потоком от границы ядро-мантия 7-17 ТВт. Отвод избыточного тепла осуществляется через две крупные зоны пониженных скоростей в основании суперплюмов. В геологической истории периодичность активности и географическое положение крупных зон пониженных скоростей могли меняться. Процесс отвода тепла от границы ядро-мантия определяется либо чрезмерным накоплением тепла в ядре, либо инициируется погружением холодных субдукционных плит, но, так или иначе, тесно взаимосвязан с геодинамическими процессами на поверхности. Обмен веществом с мантией был значительным на ранней истории Земли, вплоть до существования базального магматического океана. Однако после остывания мантии он составил не более 1-2 % от массы ядра, что, впрочем, достаточно для подпитки термохимических плюмов летучими компонентами.

Статья направлена на решение проблемы формирования и реконструкции пространственного положения в неопротерозое тектонической структуры Енисейского кряжа - ключевого элемента западной окраины Сибирского кратона и Центрально-Азиатского складчатого пояса. Основное внимание обращено на внутреннюю структуру, состав и ограничения крупнейшего в заангарской части Енисейского кряжа Центрально-Ангарского террейна. Приводится схема дизъюнктивных деформаций региона и показан отличный от соседних характер разломной тектоники Центрально-Ангарского террейна. Детально изучены гранитоиды Ерудинского массива тейского комплекса, которые раскрывают аккреционно-коллизионные магматические события, проявленные в этом террейне, еще до его столкновения с Сибирью. Приводятся новые геохимические данные для гранитов и результаты U-Th-Pb изотопных исследований цирконов, полученных с помощью ионных микроанализаторов SHRIMP-II. Для гранитов выполнен комплекс петромагнитных и палеомагнитных исследований. Установлено, что рассчитанный для них палеомагнитный полюс значимо отличается от соответствующего неопротерозойского интервала траектории кажущегося движения (ТКДП) Сибири, а различие в палеошироте между Центрально-Ангарским террейном и Сибирским кратоном при формировании гранитов тейского комплекса составляло не менее 8.6° или не менее тысячи километров. Рассмотрены возможные варианты положения террейна относительно Сибирского кратона. Полученные результаты доказывают, что магматические события, проявленные 880-860 млн лет назад в пределах Центрально-Ангарского террейна, не связаны с западной окраиной Сибирского кратона, а значит не могут свидетельствовать о формировании здесь орогенного пояса гренвильского возраста, как считают некоторые авторы.

На основе геодинамических реконструкций с использованием новых материалов по вещественному составу, возрасту и палеомагнетизму островодужных комплексов юго-западного складчатого обрамления Сибирской платформы, включая восток Алтае-Саянской области, Забайкалье и Северную Монголию, рассмотрена эволюция субдукционного магматизма на неопротерозойском и венд-раннепалеозойском этапах развития Сибирской континентальной окраины Палеоазиатского океана. Проведено сравнение вещественного состава субдукционного магматизма современных и древних энсиматических и энсиалических островных дуг. Рассмотрены и проанализированы возможные геодинамические сценарии развития субдукционного магматизма в неопротерозойских и венд-раннепалеозойских островных дугах зоны взаимодействия Сибирского континента и Палеоазиатского океана, учитывающие специфику состава корового и мантийного магматизма, в том числе влияние мантийных плюмов.

Представлена трехмерная модель скоростей Р и S сейсмических волн над погружающимся под Камчатку слэбом, полученная в результате томографической инверсии по временам прихода сейсмических волн от глубоких землетрясений в зоне субдукции. Различные тесты, выполненные в рамках исследования, показали границы пространственного разрешения модели и позволили убедиться в надежности основных структур, используемых при интерпретации. В верхних 20 км томографическая модель показывает резкие низкоскоростные аномалии, которые совпадают с распределением голоценовых вулканов Ключевской группы и Кизимена. В сейсмогенной зоне над слэбом на глубинах от 80 до 150 км мы наблюдаем крупную аномалию пониженных скоростей Р - и S -волн, которая, по-видимому, связана с наличием достаточно мощной океанической коры, погружающейся вместе с субдуцирующим слэбом. Также эта аномалия может отражать процессы фазовых переходов и частичного плавления вдоль верхней границы слэба. На сейсмических разрезах в мантийном клине выделяются вертикальные и наклонные низкоскоростные структуры, связывающие аномалию над слэбом с вулканическими группами, что, вероятно, отражает пути миграции флюидов и расплавов. В случае влк. Кизимен наблюдается один вертикальный канал, соединяющий вулкан с областью трансформаций на слэбе на глубине 100 км. Под Ключевской группой в мантийном клине наблюдается множество линейных аномалий с различными наклонами, что может указывать на то, что вулканы там питаются из различных сегментов слэба. Возможно, именно это определяет разнообразие составов и режимов извержений вулканов Ключевской группы.

Обобщены результаты трекового датирования апатитов и проведена их корреляция со стратиграфическими, геоэлектрическими, тектоническими и геоморфологическими данными. Показано, что средняя региональная скорость денудации пород юго-восточной части Горного Алтая отражается в трех термотектонических событиях: 1) позднемеловая-раннепалеогеновая тектоническая активизация со скоростью денудации около 200 м/млн лет, которая связана с Монголо-Охотской орогенией; 2) среднепалеогеновая-ранненеогеновая стабилизация с формированием поверхности выравнивания; 3) неоген-четвертичная тектоническая активизация «ступенчатого» характера со скоростью денудации до 270 м/млн лет, отражающая результат дальнего воздействия Индо-Евразийской коллизии. На основе анализа цифровой и теневой моделей рельефа и данных трекового датирования апатитов представлены результаты изучения эволюции тектонических процессов и рельефа исследуемого региона за последние 100 млн лет.

На основании литературных данных и оригинальных исследований проведен анализ имеющихся свидетельств вклада субдукционного компонента в процессы образования алмазов. Исследование ксенолитов алмазоносных эклогитов, в том числе с применением метода рентгеновской томографии, свидетельствует о наложенном характере большинства алмазов. Процессы алмазообразования сопровождаются значительной модификацией эклогитового субстрата. Изотопно-геохимические данные показывают, что в качестве протолитов эклогитов выступали породы океанической земной коры. Гранаты и клинопироксены из ксенолитов вебстеритов имеют изотопный состав кислорода, близкий к среднемантийному значению (5.3-5.6 ‰). Минералы эклогитов демонстрируют значительные вариации изотопного состава кислорода (δ ¹⁸О от 5.3 до 12.4 ‰). Показано резкое преобладание алмазов эклогитового парагенезиса в россыпях северо-востока Якутской алмазоносной провинции. У россыпных алмазов, относящихся к эклогитовому парагенезису, величина δ ¹³C варьирует от -27.2 до -3 ‰ ( n = 28). В то же время у алмазов ультраосновного парагенезиса этот диапазон значительно меньше от -7.1 до -0.5 ‰. Все алмазы V разновидности характеризуются облегченным изотопным составом углерода (от -24.1 до -17.4 ‰). У целого ряда кристаллов с контрастным изотопным составом углерода изотопный состав каймы стремится к среднемантийному значению. Это дает основание предполагать, что при росте алмазов эклогитового парагенезиса сначала мог быть вовлечен углерод из субдуцированной континентальной коры, а на заключительном этапе мантийный углерод.

Выделены четыре типа проявления бонинитов в офиолитовых комплексах: 1) бониниты, пространственно ассоциирующие с офиолитами, но слагающие или присутствующие в отдельных от офиолитов тектонических единицах; 2) бониниты, находящиеся непосредственно в офиолитовом разрезе в качестве наиболее поздних образований (поздние секущие дайки, верхние лавы), завершающих процесс офиолитогенеза или проявленных позже формирования офиолитов; 3) бониниты с островодужными толеитами и андезибазальтами слагают собственно офиолитовый разрез, сменяясь во времени базальтами MOR или BAВ типов; 4) бониниты в ассоциации с островодужными толеитами и андезибазальтами слагают всю базитовую часть офиолитового разреза. Наиболее детально рассмотрен четвертый тип проявления бонинитов на примере офиолитов Юго-Восточного Саяна, отражающий наиболее яркое несоответствие классической модели формирования офиолитов (спрединг в срединно-океанических хребтах) отчетливо островодужной специфике офиолитовых базитов. Характер проявления бонинитов в офиолитовых комплексах предполагает несколько вариантов эволюции внутриокеанических систем, включающих выплавление и внедрение бонинитовых расплавов в преддуговых, интрадуговых и задуговых обстановках. В существующих в настоящий момент моделях есть ряд противоречий, возможно, обусловленных тем, что нет единого механизма их образования, а обозначенные выше типы бонинитов будут отвечать разным моделям.

Новые материалы по геологии, минералогии и геохимии кристаллических пород палеозойских офиолитовых ассоциаций Сихотэ-Алиня (южная часть Дальнего Востока России) позволяют реконструировать тектоническую обстановку их формирования. Среди кристаллических пород офиолитов присутствуют две породные ассоциации - перидотит-троктолитовая и перидотит-габброноритовая. Их основное отличие заключается в строении кумулятивной части разреза. В перидотит-троктолитовой ассоциации основание кумулятивной части разреза сложено преимущественно оливин-плагиоклазовыми породами (троктолитами, оливиновыми габбро), а в перидотит-габброноритовой - существенно пироксеновыми (пироксенитами, верлитами). Установлено, что в офиолитах присутствуют породы, кристаллизовавшиеся при разных давлениях: троктолиты - меньше 5 кбар, исходя из устойчивости парагенезиса оливина и плагиоклаза, герцинитовые габбронориты - 5-12 кбар и гранатовые габбро - более 12 кбар. При этом геохимически кристаллические породы образуют единую серию, характеризующуюся накоплением литофильных и легких редкоземельных элементов в более дифференцированных разновидностях. Спектры распределения редкоземельных элементов хорошо коррелируются с минеральным составом пород. Предполагается, что офиолиты Сихотэ-Алиня формировались в основании океанического плато, рост которого был обусловлен внедрением мантийного плюма.

Приведены новые геохимические, изотопно-геохимические и изотопно-геохронологические данные для раннекембрийских магматических пород северо-востока Сибирского кратона (Хараулахский антиклинорий, граница Сибирской платформы и Западно-Верхоянского сектора Верхоянского складчато-надвигового пояса), объединенных в раннекембрийский бимодальный комплекс. Комплекс представлен трахириолитами, слагающими гальки в конгломератах вблизи основания кембрия, перекрывающими их трахибазальтами, а также силлами и дайками основного состава, прорывающими отложения неопротерозоя. По петрохимическим характеристикам кислые породы принадлежат к высокощелочным риолитам и соответствуют гранитам A -типа. Высокие содержания Ta, Nb, Hf, Tb, Zr указывают на вероятное присутствие обогащенного мантийного материала в магматических источниках этих пород. Базиты представлены высокотитанистыми трахибазальтами и трахидолеритами с близкими геохимическими характеристиками, соответствующими щелочным базальтам или базальтам OIB-типа. Высокие отношения (Tb/Yb) _PM свидетельствуют, что базиты выплавлялись из гранатсодержащей перидотитовой мантии на глубинах > 90 км при низкой степени плавления. В то же время изотопный состав риолитов, трахибазальтов и трахидолеритов характеризуется высокими положительными значениями ε _Nd ( T ) = 4.2-4.7, 7.5-8.9 и 7.2-8.2 соответственно, предполагающими деплетированный источник и отсутствие коровой контаминации. Повышенное отношение (Nb/Yb) _PM потенциально указывает на смешение между магмами, образованными как из обогащенного, так и деплетированного мантийного источника. Мафические магмы могли иметь гетерогенный источник или они взаимодействовали с деплетированной мантией еще до их внедрения. Как кислые, так и основные породы относятся к внутриплитным образованиям. Установленные U-Pb методом по цирконам конкордантные возрасты 525.6 ± 3.9 и 537.0 ± 4.2 млн лет указывают на раннекембрийское время кристаллизации риолитов. Датировка 546.0 ± 7.7 млн лет с учетом ошибки указывает на их поздневендско-раннекембрийский возраст. Таким образом, на северо-востоке Сибирской платформы на рубеже венда-раннего кембрия происходили процессы континентального рифтогенеза, сопровождавшиеся бимодальным магматизмом с антидромной последовательностью. Согласно некоторым палеотектоническим реконструкциям, в позднем неопротерозое (в позднем рифее-позднем венде) эта часть Сибирского кратона могла соединяться с восточной окраиной Лаврентии и начавшийся на рубеже венда-кембрия континентальный рифтогенез привел к их разделению. Полученные изотопно-геохронологические данные позволяют предположить, что изученный бимодальный комплекс начал образовываться на рубеже венда и кембрия и завершился не раньше окончания терренувской эпохи (томмотского времени), т. е. формировался в процессе рифтогенеза на протяжении около 20 млн лет.

Экспериментальное моделирование редокс-взаимодействия в системах Fe ₃C-Fe ₂O ₃ и Fe ₃C-Fe ₂O ₃-MgO-SiO ₂, направленное на оценку условий стабильности карбида железа в окислительных обстановках и определение возможности образования элементарного углерода в результате взаимодействия карбида железа и оксидов, проведено на многопуансонном аппарате высокого давления «разрезная сфера» при 6.3 ГПа в интервале 900-1600 °C, длительностью 18-20 ч. Установлено, что при взаимодействии карбид-оксид в системе Fe ₃С-Fe ₂O ₃ происходит кристаллизация графита в ассоциации с Fe ³⁺-содержащим вюститом. Основным механизмом образования графита из углерода карбида является окисление когенита по реакциям Fe ₃C + 3Fe ₂O ₃ → 9FeO + C ⁰ и FeO + Fe ₃C → (Fe ²⁺,Fe ³⁺)O + C ⁰. При температурах выше солидуса (≥ 1400 °C) при окислении металл-углеродного расплава вюститом реализуется редокс-механизм кристаллизации графита и алмаза с образованием ассоциации Fe ³⁺-содержащий вюстит + графит/алмаз. Взаимодействие в системе Fe ₃С-Fe ₂O ₃-MgO-SiO ₂ приводит к образованию ассоциации Fe ³⁺-содержащего магнезиовюстита, оливина и графита. При Т ≥ 1500 °C происходит генерация двух контрастных по ƒ _O2 расплавов - металл-углеродного и силикатно-оксидного, окислительно-восстановительное взаимодействие которых приводит к кристаллизации графита и росту алмаза. Установлено, что в окислительных условиях карбид железа в присутствии оксидов Fe, Si и Mg неустойчив, даже при относительно низких температурах. Взаимодействие карбида железа с оксидами при мантийных P , T -параметрах является углеродпродуцирующим процессом, при этом основными механизмами образования графита из углерода карбида являются редокс-реакции когенита (или металл-углеродного расплава) с Fe ₂O ₃ и FeO, а также взаимодействие металл-углеродного и силикатно-оксидного расплавов. Полученные результаты позволяют рассматривать когенит в качестве потенциального источника углерода в процессах образования графита (алмаза) в условиях литосферной мантии, а взаимодействие карбида железа с оксидами Fe, Si и Mg, в ходе которого реализуется экстракция углерода, как один из возможных процессов глобального углеродного цикла.

U-Pb изотопное датирование цирконов с помощью лазерной абляции и магнитно-секторной масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (LA-SF-ICP-MS) представляется доступным и простым в пробоподготовке локальным методом. В ГИН СО РАН метод реализован на базе одноколлекторного магнитно-секторного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой Element XR (Thermo Scientific) и установки для лазерной абляции UP-213 (New Wave Research). На примере измерения эталонных цирконов показано, что погрешность определения возраста составляет менее 2 %. Результаты U-Pb изотопного LA-SF-ICP-MS датирования цирконов из позднепалеозойских гранитоидов Западного Забайкалья подтверждают возрастное перекрытие времени формирования баргузинского (330-290 млн лет), чивыркуйского (305-285 млн лет) и зазинского (305-285 млн лет) интрузивных комплексов.