Закономерности Формирования Континентальной Коры

Source: http://www.evolbiol.ru/sorohtin10.pdf

Из теории тектоники литосферных плит следует, что континентальная кора сейчас формируется только над зонами поддвига литосферных плит за счет дегидратации и частичного переплавления в зонах субдукции океанической коры и перекрывающих ее осадков. Однако по зонам субдукции могут погружаться в мантию только те плиты, средняя плотность которых с учетом меньшей плотности коры (2,9 г/см3) по сравнению с литосферой (3,3 г/см3) выше плотности горячей мантии (3,2 г/см3). В настоящее время такому условию удовлетворяют плиты, мощность которых (вместе с океанической корой Н=6,5 км), превышает приблизительно 26 км. В прошлые геологические эпохи значение такой критической мощности океанических плит могло быть иным.

Континентальные плиты, несмотря на свою большую мощность в 200–250 км, вообще никогда не
погружаются в мантию, так как благодаря малой плотности пород континентальной коры всегда сохраняется для них положительная плавучесть, достигающая 0,02–0,03 г/см3.

Используя известную зависимость толщины океанических плит от их возраста Н=кt (где Н выражено в км, t – в млн лет, а к=6,5–7,5), можно определить, что мощностям плит более 26–30 км соответствуют возрасты более 16–21 Му. Средняя продолжительность жизни современных океанических плит, судя по данным палеомагнитной геохронологии, равна 120 Му, поэтому при существующих в настоящее время условиях такие плиты, древнее 16–20 Ма, не только могут, но и действительно погружаются в мантию.

Как показывают расчеты эволюции мощности океанических плит, условие возможности их погружения в мантию выполнялись в течение всего протерозоя и фанерозоя. Это позволяет предполагать, что начиная с раннего протерозоя (позже 2200 Ма) все океанические литосферные плиты после их образования в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов через интервал времени, бoльшие 16 Му, обязательно погружались в мантию по существовавшим тогда зонам поддвига плит и следовательно, тектоническое развитие Земли в течение протерозоя и фанерозоя происходило по законам тектоники литосферных плит и принципиально не отличалось от тектонического режима современности.

В противоположность этому для большей части архея средняя продолжительность жизни литосферных плит была меньше 16 Му, а возможная критическая мощность плит значительно превышала их реальную толщину. Поэтому тонкие архейские литосферные пластины базальтового состава в раннем и позднем архее обладали меньшей плотностью, чем плотность мантии и не могли тонуть в мантии. Отсюда вытекает вывод о том, что в течение большей части архея не существовало привычных нам зон субдукции, а вместо них в областях сжатия литосферной оболочки (т.е. над нисходящими конвективными течениями мантийного вещества) возникали зоны торошения и скучивания тонких океанических литосферных пластин.

Под влиянием сил сжатия, вызываемых конвективными течениями мантийного вещества, суммарная мощность скучиваемых литосферных пластин возрастала, а корни таких структур “скучивания” все-таки погружались в горячую мантию на глубину до 50–80 км. В архее верхняя мантия была существенно перегретой, и ее температура на 400–500оС превышала современную. В результате погруженные в перегретую мантию корни скученных торошением тонких океанических пластин повторно расплавлялись и при этом плавление водосодержащих базальтов бывшей океанической коры и последующая дифференциация расплавов приводили к формированию более легких тоналитовых, трондьемитовых и плагиогранитных расплавов. Эти сравнительно легкие расплавы всплывали вверх в виде диапиров и куполов, прорывая собой снизу всю толщу скученных океанических пластин, формируя знаменитые гранит-зеленокаменные пояса архея – древнейшие участки континентальной коры.

Теоретическое обоснование образования архейских материков путем скучивания и частичного плавления тонкой, толщиной в несколько километров океанической литосферы подтверждено полевыми исследованиями Каапвальского архейского кратона (Wit, Roering, Hart et al., 1992). Высокие тепловые потоки в архее приводили к тому, что нижняя часть континентальной коры древних щитов оказывалась частично расплавленной (мигматизированной), поэтому в нижней коре того времени существовала коровая астеносфера. В таком анатектическом слое стали развиваться конвективные процессы, сопровождавшиеся образованием эвтектических расплавов гранитоидного состава и переносом их вместе с летучими, щелочными и литофильными элементами в верхнюю кору. Этими процессами следует объяснять происхождение и широкое распространение гранитоидных интрузий, внедрившихся в архее в верхнюю кору, а также происхождение гранулитов нижней коры (Н.Сорохтин, 1996).

Из-за высоких тепловых потоков в архее под континентальной корой массивов не могла формироваться мощная и плотная литосфера ультраосновного состава, и относительно легкая континентальная кора “плавала” непосредственно на горячей мантии. Из-за этого уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над уровнем океана на 4–6 км. Этим объясняется и высокий уровень эрозии практически всех без исключения архейских щитов.

Таким образом, архейская континентальная кора формировалась благодаря действию двух основных тектонических процессов: образованию на первом этапе тонких базальтовых пластин океанической коры и их торошению со вторичным переплавлением на втором этапе. Этим двум тектоническим стадиям формирования континентальной коры соответствуют и два различных процесса петрогенезиса, выделенных В.М. Моралевым и М.З. Глуховским (1985) по эмпирическим данным при изучении строения и состава пород Алданского щита. Первый – формирование первичной базитовой коры за счет частичного плавления и дифференциации мантийного вещества, второй – частичное (15–20%) плавление материала нижней части базитовой коры при 7–8 кбар, т.е. на глубине около 25–30 км, с выделением кремнезема и щелочей в количествах, достаточных для образования первых в истории Земли высокотемпературных низкокалиевых эндербитов, т.е. пород тоналит-трондьемитовой серии. Близким петрогенезисом обладают и некоторые типы древних анортозитов, образовавшихся уже на третьей стадии за счет дифференциации вторичных расплавов.

Тектоника архея – тектоника тонких базальтовых пластин. Лишь в середине архея, во время резкого снижения тектонической активности Земли около 3200Ма, сложились условия для заложения зон поддвига плит. Таким образом, начиная с раннего протерозоя, тектономагматические процессы в архее развивались по другим механизмам, по-видимому близким к тем, что сейчас происходят на Венере. Судя по радиолокационным изображениям ее поверхности, там четко выделяются рифтовые зоны и подобия срединно-океанических хребтов, но нет структур типа земных зон поддвига плит. Вместо них наблюдаются зоны сжатия и скучивания корового материала с характерными структурами мелких чешуй (тессер) или протяженных гряд, как бы обтекающих крупные и холмистые континентальные плато. Характерным образованием на поверхности Венеры является область сочленения плато Лакшми с горами Максвелла. Граница между этими разными структурами фиксируется резким переходом от равнины плато, возвышающегося на 4–5 км над средним уровнем планеты, к крутому склону гор Максвелла, достигающих высоты 10–11 км и облегающих плато с востока и северо-востока. При этом в пределах гор Максвелла в рельефе хребтов склоны, обращенные к массиву Лакшми, часто оказываются более крутыми, чем противоположные им склоны.

Близкие модели архея описаны у Гликсона, 1982; Конди, 1983; Тейлора, Мак-Леннана, 1988. Эта
модель объясняет бимодальность магматических пород архейской коры с доминированием в ней основных (толеитовые базальты) и кислых (гранитоиды тоналитового состава) пород с резко подчиненным значением средних вулканитов (андезитов). Модель также объясняет происхождение мигматитов – серых гнейсов, механизмы наращивания континентальной коры гранитоидным материалом снизу, заметную разность возрастов между базальтоидами и сравнительно более молодыми гранитоидами в гранит-зеленокаменных поясах архея. Объясняется происхождение гранулитовых массивов, формировавшихся на глубинах 30 км, но затем всплывших к поверхности в виде гигантских куполов или надвигания нижних этажей коры по разломам на земную поверхность, а также широкое развитие в архее мигматитов и т.д.

Особо интересно происхождение позднеархейских калиевых гранитоидов, потеснивших характерные для раннего докембрия натриевые гранодиориты и гранитоиды тоналит-трондьемитового состава. О мантийном происхождении основной массы этих гранитоидов свидетельствуют низкие первичные отношения 87Sr/86Sr = 0,702–0,703, лишь немного превышающие мантийный уровень того времени 0,701–0,7015. Само же это превышение можно объяснить частичным вовлечением в процессы их выплавления более древних коровых пород (включая Na-гранитоиды раннего архея) с добавлением осадочного материала (Тейлор, Мак-Леннан, 1988). О мантийном происхождении позднеархейских гранитов Канады также говорят и результаты анализа присущих им отношений Sm/Nd. Существенное обогащение позднеархейских гранитоидов калием помимо контаминации коровым материалом объясняется только выплавлением соответствующих сиалических магм из водонасыщенных базальтов на больших глубинах, возможно превышающих уровень перехода базальта в эклогит или в области высоких давлений гранулитовой фации. Но для развития таких магматических процессов необходимы специфические тектонические условия и именно в позднем архее в связи с изменением режимов дифференциации земного вещества наблюдался сильный всплеск конвективной и тектонической
активности Земли. Одновременно с этим, около 2700-2800 Ма происходил и максимальный перегрев верхней мантии с подъемом температуры до 1800–1850оС. Кроме того, благодаря постепенному накоплению воды в гидросфере, в течение почти всего позднего архея поверхность океана полностью перекрывала уровень гребней срединно-океанических хребтов и расположенных на них рифтовых зон, что привело к возрастанию водонасыщенности базальтов позднеархейской океанической коры. Фактически гидратация океанических базальтов тогда стала предельной.

next