Происхождение плюмового магматизма (модель горячей гетерогенной аккреции земли)

Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН, г. Якутск,

e-mail: shkodzinskiy@diamond.ysn.ru

В настоящее время общепризнанна ведущая роль мантийных плюмов в формировании магматических и рудных провинций. Однако причина подъема плюмов и механизм образования в них магм во многом остаются неясными. В соответствии с господствующей в геологии гипотезой холодной гомогенной аккреции обычно предполагается, что при формировании Земли силикаты и железо выпадали одновременно. В дальнейшем они разделились в земных недрах под влиянием большой разницы в удельном весе и образовали силикатную мантию и железное ядро. Но в этом случае непонятна причина возникновения мантийной конвекции, так как силикатное вещество и железо первоначально были смешаны и поэтому имели одинаковую температуру. После их гравитационного разделения возникшее железное ядро должно было бы постепенно становиться холоднее мантии, так как содержание радиоактивных элементов в нем, судя по составу железных метеоритов, в сотни-тысячи раз меньше, чем в силикатной мантии. Поэтому оно практически не разогревалось в результате распада этих элементов и не могло подогревать мантию. Следовательно, интенсивная тепловая конвекция в ней не могла бы возникнуть.

В соответствии с гипотезой холодной аккреции предполагается, что первичное пиролитовое по составу силикатное вещество Земли никогда не находилось в состоянии расплава и поэтому не подвергалось процессам магматического фракционирования. В этом случае для возникновения магм необходимо предполагать отделение выплавок в слабо подплавленных пиролитах. Однако вязкость мантии исключительно велика – порядка 10²⁰-10²⁴ пуаз. В этих условиях за всю историю Земли выплавки способны всплыть на первые миллиметры и их перемещение не может привести к магмообразованию [Шкодзинский, 2003]. Это подтверждается автохтонностью анатектического жильного материала в мигматитах даже при содержании его 30-40% [Шкодзинский, 1985] и разделением подплавленного перидотита на расплав и твердые фазы в экспериментах лишь при содержании расплава более 40 % после разрушения в нем кристаллического каркаса [Arndt, 1977]. При образовании магм в процессе частичного плавления сначала формировались бы богатые расплавофильными компонентами выплавки, затем все более бедные ими, то есть возникала бы антидромная последовательность магматизма. Однако в природе всегда резко преобладает гомодромная последовательность.

При образовании магм путем частичного плавления трудно объяснить пространственную дискретность распространения магматизма. Обычно предполагается, что образование каждого крупного магматического района связано с существованием самостоятельного относительно небольшого плюма (миниплюма), поднимающегося от границы с ядром. Однако данные сейсмической томографии не подтверждают их присутствие даже в океанических областях активного современного магматизма [Su et al., 1994]. Они показывают лишь существование обширных (тысячи километров) областей всплывающего разогретого вещества (мегаплюмов), вызывающих перемещения литосферных плит и высокую современную тектоническую активность Земли. Кроме того, для всплывания узких струй мантийного вещества необходима очень высокая его температура, что не согласуется с отсутствием аномально высокотемпературных магматических пород над предполагаемыми участками их подъема.

В связи с нерешенностью многих вопросов происхождения мантийной конвекции и обусловленного ею магматизма некоторые исследователи стали отрицать существование мантийных плюмов и за рубежом происходит дискуссия на тему «Существуют ли мантийные плюмы?» [Иванов, 2006]. Однако концепция мантийных плюмов настолько хорошо согласуется с региональными геологическими данными, что следует искать другую причину возникших затруднений. И эта причина давно очевидна. Ею является ошибочность гипотезы холодной гомогенной аккреции Земли, на основе которой до сих пор решаются генетические проблемы петрологии.

К

Е

По современным изотопным Hf–W данным [Kleine et al., 2009] родоначальное для метеоритов тело расплавленного железа сформировалось примерно 4567 млн лет назад. Солнце имеет возраст 4567.5 млн лет [Галимов, 2011], то есть аккреция железа произошла всего лишь через полмиллиона лет после возникновения Солнца. Это полностью подтверждает раннюю аккрецию железа в протопланентном диске под влиянием магнитных сил и противоречит предполагаемому в гипотезе холодной аккреции позднему образованию земного ядра в результате гравитационной дифференциации земных недр.

На основании таких данных ряд исследователей [Войткевич, 1983; Шкодзинский, 2003 и др.] пришли к заключению, что железные ядра планет земной группы сформировались раньше силикатных мантий и, следовательно, аккреция была гетерогенной. К такому же выводу на основании космохимических данных пришло большинство участников конференции по происхождению земного ядра в Германии в 1994 г.

Возникавший в результате выделения энергии соударений импактный разогрев при формировании ядра путем объединения крупных тел железа был на несколько порядков больше, чем при последующей медленной аккреции сантиметровых–метровых силикатных частиц и формировании мантии, так как при слипании крупных тел резко уменьшалась доля импактного тепловыделения, расходовавшаяся на излучение. Поэтому земное ядро изначально было намного горячее мантии. Это полностью подтверждается существованием по геофизическим данным скачка температуры в 700-3000К [Bucowinskii, 1999] при переходе от мантии к ядру. Очевидно, что намного более высокая температура земного ядра по сравнению с мантией полностью объясняет существование в ней интенсивной термальной конвекции.

Таким образом, аккреция при образовании Земли была горячей и гетерогенной. Первым сформировалось ее горячее железное ядро в результате быстрого слипания железных конденсатов протопланетного диска под влиянием главным образом магнитных сил. Затем под воздействием значительного гравитационного поля ядра притягивались силикатные частицы, которые плавились в результате импактного тепловыделения и сформировали глобальный океан магмы. По мере аккреции его нижние части кристаллизовались под влиянием роста давления новообразованных верхних. Осаждавшиеся кристаллы сформировали ультраосновные кумулаты нижней мантии. Из захороненных среди них расплавов после их компрессионного затвердевания возникли эклогиты. Всплывавшие остаточные расплавы обогащали океан расплавофильными компонентами. После прекращения аккреции из богатой кремнекислотой верхней части океана сформировалось большинство пород континентальной кристаллической коры, а из средней и нижней части – породы верхней мании древних платформ. Из ранних малоглубинных остаточных расплавов возникли характерные для платформ древние гранитоиды, из поздних – карбонатиты и кимберлиты.

При горячем образовании Земли возникшая в процессе синаккреционного фракционирования нижняя и средняя мантия состоит из двух главных типов пород – из различных ультраосновных кумулатов и из эклогитов, образовавшихся в результате компрессионного затвердевания расплавов. Эти расплавы имели в основном толеитовый состав, поскольку давление при придонном фракционировании раннего магматического океана было небольшим (менее 5 кбар) вследствие относительно небольшой его глубины и пониженной еще силы тяжести на растущей Земле. Огромные тела (до многих тысяч км³) толеитовых по составу эклогитов формировались в возникавших импактных углублениях на дне океана при падении особенно крупных планетезималей. Заполнявший их расплав почти мгновенно компрессионно затвердевал, поскольку оказывался при давлении выше солидуса.

При всплывании нижнемантийного вещества, подогретого первично более горячим ядром, в первую очередь должны были плавиться эклогиты под влиянием огромной декомпрессии, а не ультраосновные кумулаты, как обычно предполагается, поскольку температура плавления основных пород на 150-200ºС ниже, чем ультраосновных. Вследствие огромного размера некоторых тел эклогитов в синаккреционной мантии объем сформировавшихся в результате их быстрого декомпрессионного плавления магм мог быть колоссальным. При таком происхождении магм отсутствовали очень длительные процессы обособления и аккумуляции выплавок, которые предполагаются в гипотезе выплавления. Это объясняет очень быстрое образование огромного объема траппов и других основных пород в областях подъема плюмов.

В основном толеитовый состав эклогитов в нижней мантии и их декомпрессионное переплавление при подъеме объясняют исключительно широкое распространение толеитов в самых различных геодинамических обстановках. Они в массовом количестве образуются и в океанах с тонкой литосферой и на древних платформах, где мощность литосферы может достигать нескольких сотен километров и температура на глубине, необходимая для выплавления толеитов (20-40 км), в 2-3 раза ниже начала плавления. Толеитовый состав магм обусловлен низким давлением при формировании вещества эклогитов в период аккреции Земли и не связан с геодинамической обстановкой при внедрении магм. Однако характер последующего фракционирования возникших толеитовых магматических очагов в астеносфере и магматических камер в земной коре определялся глубиной их залегания и давлением в них. Это объясняет широкие вариации состава поздних дифференциатов толеитовых магм – от щелочно-базальтовых глубинных до гранитных малоглубинных.

Длительный подъем расплавов из одних и тех же крупных толеитовых магматических очагов в астеносфере должен был приводить к возникновению магмопотоков. Существованием их, а не миниплюмов, должна быть обусловлена пространственная дискретность магматизма в областях подъема мегаплюмов и закономерное однонаправленное омоложение возраста в цепочках магматических тел, возникавших в плитах, которые перемещались над магмопотоками. Существование таких магмопотоков объясняет главные особенности состава и распространения магматических пород в областях всплывания нижнемантийного вещества. Оно не требует предположения возникновения необъяснимо высокотемпературных миниплюмов, таинственным образом «прожигающих» мантию и земную кору.
Литература

Войткевич Г.В. Происхождение и химическая эволюция Земли. - М.: Наука, 1983. - 168 с.

Галимов Э.М. Образование Луны и Земли из общего суперпланетного газово-пылевого сгущения // Геохимия. 2011. №6. С. 563-580.

Иванов А.В. Обойдет ли Россию «великий спор о плюмах»? // Геология и геофизика. 2006. Т. 47. № 3. С. 417-420.

Шкодзинский В.С. Фазовая эволюция магм и петрогенезис. – М.: Наука, 1985. – 232 с.

Шкодзинский В.С. Проблемы глобальной петрологии. – Якутск: Сахаполиграфиздат, 2003. – 240 с.

Arndt N.T. The separation of magmas from partially molten peridotite // Carnegie Inst. Wash. Yearb. 1977. V. 76. P. 424-428.

Bukowinskii M.S.T. Taking the core temperature // Nature. 1999. № 6752. P. 432-433.

Harris P.G., Tozer D.C. Fractionation of iron in the Solar system // Nature. 1967. V. 215. № 5109. P. 1449-1451.

Kleine T., Touboul M., Bourdon B. et al. Hf-W chronology of the accretion and early evolution of terestrial planets // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2009. V. 73. № 17. P. 5150-5188.