Введение к работе
Актуальность проблемы. Реконструкция динамики архейской литосферы, определявшей особенности геологического эволюции и строения Земли на ее ранних стадиях, является одной из наиболее сложных и многогранных проблем современного познания Земли. С ее решением непосредственно связаны такие глобальные вопросы геологии как:
планетарная аккреция;
0 дифференциация земного вещества на ядро, мантию и кору;
0 время появления и эволюция атмосферы, гидросферы и биосферы. Постаккреционная геологическая история Земли представлена архейскими (>2.5 млрд.лет) комплексами пород, развитыми в эпиархейских кратонах древних материков, формирование литосферы которых происходило преимущественно в двух главных типах тектонических областей - гранит-зеленокаменных (ГЗО) и гранулито-гнейсовых (ГГО). Наибольшая информация о первом миллиарде лет существования континентальной коры может быть получена при исследовании тектонических обстановок формирования и развития архейских зеленокаменных поясов (ЗКП), поскольку они характеризуются относительно низкой степенью вторичных изменений, сочетанием в пространстве и во времени большого объема мантийных производных и корового магматизма, наиболее древних строматолитов, железистых кварцитов, марганцеворудных формаций. Для реконструкции строения верхней мантии, изучения ее состава и оценки термодішамігческих режимов литосферы в раннем докембрии особое место занимают коматииты. Широкое развитие этих образований в архейских зеленокаменных поясах, а перидотитовых комагиитов только в них, а также открытие коматиитов на Луне и Марсе (Mustard, 1993), свидетельствуют об исключительной важности их изучения как для понимания изотопно-геохимической и тепловой эволюции мантии на ранних стадиях развития Земли, так и для целей сравнительной планетологии и космохимии.
Изучение архейских гранит-зеленокаменных областей позволяет решать такие глобальные проблемы эволюции раннедокембрийской литосферы как:
скорость теплогенерации и геотермические градиенты в архее; физические параметры и состав литосферных плит докембрийских протоматериков;
изотопно-геохимический состав и эволюция верхней мантии; динамика развития астеносферно-литосферной системы;
В теоретическом плане изучение гранит-зеленокаменных областей имеет важное значение при оценке возможностей применения гипотезы тектоники литосферных плит для объяснения динамики развития литосферы на ранних стадиях эволюции Земли. Не менее важен и практический аспект изучения собственно зеленокаменных поясов, поскольку с ними связан ряд крупных и уникальных месторождений Ли, Ni, Pt,Uiiflp.
В силу многограшюсти проблемы эволюции архейской литосферы автор при выборе объектов для решения наиболее важных ее аспектов ограїшчился рассмотрением одного ?!3 главных элементов структуры эпиархейских кратонов - гранит-зеленокаменных областей, планетарное развитие которых, хорошая сохранность
параметров первичного состава и строения и другие особенности позволяют решить многие кардинальные вопросы ранних стадий развития Земли.
Пели и задачи. Основной целью исследований являлось расширение совремешшіх представлений об общих закономерностях эволюции архейской литосферы, анализ особенностей строения грашгг-зеленокаменных областей, характеристика изотопно-геохимического состава коматиитов и их мантийных источников, реконструкция динамики взаимодействия архейской литосферы и астеносферной мантии, как основного источника вещества зеленокаменных поясов, а также главной геодинамической причины их зарождения и развития.
Для достижения поставленной цели были использованы следующие пути решения ряда последовательных и взаимосвязанных задач:
систематизация и анализ фактических данных по геологическому строению, эволюции магматизма, метаморфизма и осадконакопления, длительности и времени завершения "мобильного" развития зеленокаменных поясов различных раннедокембрийских регионов мира.; проведение их типизации и выявление общих причин зарождения и тенденций развития;
сравнительный анализ строения и развития гранит-зеленокаменных областей Балтийского и Южно-Индийского щитов, как типовых полигонов, с целью расширения существующих представлений о различиях эволюции литосферных блоков Лавразийского и Гондванского материков в архее;
петрологическое и изотопно-геохимическое изучение мантийного магматизма и связанного с ними сульфидного рудогенеза зеленокаменных поясов и определение закономерностей эволюции их машишых источников для реконструкции латеральной и вертикальной неоднородности верхней мантии и геодинамических механизмов взаимодействия астеносферно-литосфсрной системы Балтийского щита в позднем архее (3.1-2.5 млрд.лет).
Фактический материал. В основу работы положены результаты исследований автора по планам НИР ИГТД РАН, проектов Международного научного фонда (ISF) № R-1J0O0 и Российского фонда фундаментальных исследований (№ 98-06-65596 «Состав и эволюция верхней мантии Балтийского щита в архее (3.0 - 2.5 млрд. лет) по данным изотопно-геохимического и петрологического изучения коматиитов», проекту В-1.4 «Сравнительная планетология» Межправительственной программы научно-технического сотрудничества между СССР и Индией и ряду проектов международного сотрудничества в период с 1975 по 1999 гг.. Фактический материал был собран в этот же период в результате полевых исследований на Кольском полуострове, Карелии и Вост. Финляндии, а также во время трех полевых сезонов в Южной Индии. Кроме того, автор использовал в работе материалы и коллекции к.г.-м.н С.А.Светова, к.г.-м.н А.И.Световой, К.Г.-М.Н Н.А.Арестовой и В.А.Матреничева по ряду зеленокаменных структур Карелии.
В основу петролого-геохимческих исследований положена компьютерная база данных по составу архейских коматиитов Балтийского щита, включающая опубликованные и оригинальные анализы пород (более 300), и компьютерная программа количественных геохимических расчетов процессов глубинного петрогенезиса.
Петролого-гсомімические и изотопно-геохимические исследования ІІІІТОра методіічески базируются на комплексном использовании данных по геохимии редких (XRF-метод) и редкоземельных элементов (ІСР MS и INAA методы) в сочетании с изотопным составом Nd, Sr и О (MS Finnigan МАТ-261, MS VG-262). Достоверность этих данных определяется результатами измерения стандартов, соответствую щими уровню лучших зарубежш>гх лабораторий.
Изотопно-геохмические и геохронологические исследования проведены в лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ИГГД РАН (Р.Ш.Крымский), Университете Гранады, Испания (Ф.Беа, П.Монтеро) и Национальном Геофизическом исследовательском институте, г. Хайдерабад, Индия (Б.Рао).
Новизна и научная значимость. Анализ фактического материала по геологическому строению и литолого-формационному составу гранит-зеленокаменных областей различных регионов мира позволил установить существование в архее принципиально различных эндогенных режимов и геодинамических обстановок зарождения и развития зеленокаменных поясов. Детальное исследование особенностей эволюции Лавразийских и Гондваиских континентов на примере ГЗО Балтийского и Южно-Индийского щитов позволило доказать, что одной из главных причин различия геодинамических режимов развития литосферы этих регионов являлось существование уже в архее коры континентального типа различной мощности и «зрелости»(с различными физическими параметрами).
Впервые в результате комплексного петрологического и изотопно-геохимического изучения практически всех известных на Балтийском щите проявлений коматиі ітового магматизма, в том числе и установленных автором для Кольского геоблока Балтийского щита, разработаны количественные модели петрогенезиса коматиитов и эволюции изотопного состава их мантийных источников в применении к такой крупной геотектонической единице как эпнархейский кратон.
Сформулированы петрологические и изотопно-геохимические критерии сингенетической сульфидно-никелевой рудоносности ультраосновных и высокомагнезиальных мантийных расплавов.
На основании установленной вертикальной и латеральной гетерогенности геохимического и изотопного состава верхней мантии Балтийского щита в архее, свидетельствующей об отсутствии конвективного перемешивания и гомогенизации мантийного вещества в пределах астеносферы, предложена плюм-тектоннческая модель взаимодействия астеносферы и литосферы в качестве универсального механизма, обуславливающего геодинамическое развитие гранит-зеленокаменных областей эпиархенских кратонов.
Практическое значение работы и реализация результатов. Разработанная тішизация архейских зеленокаменных поясов и геодииамических обстанопок их формирования может быть использована при составлении легенд к геологическим и тектоническим картам и применена в межрегиональных и межконтинентальных корреляциях раннедокембрийских комплексов. Новые изотопно-геохронолоп іческие данные для вулканогенных комплексов лопийских зеленокаменных поясов Балл шского щита и результаты их интерпретации имеют важное значение для совершенствования
общей и региональной хроно-стратиграфических шкал докембрия и при обосновании легенд соответствующих листов геологических карт "ГДП-200" и серийных легенд к Госгеолкарте-1000/3. Предложенная петрологическая модель экстракции рудных компонентов из верхней мантии при генерации ультраосновных и высокомагаезиальных расплавов, является теоретической основой для наиболее общих поисковых критериев оценки перспектив потенциального сингенетического сульфидного медно-никелевого оруденения раннедокембрийских вулкано-плутонических комплексов.
Результаты исследований, изложенные в данной работе, публикациях и научных отчетах по заданиям ГКНТ и проектам РФФИ, используются при планировании и проведении геолого-съемочных работ для составления геологических карт Карело-Кольского региона различного масштаба, а также при разработке соответствующих легенд и их геохронологическом обосновании.
Апробация полученных результатов Основные положения диссертации изложены и обсуждены на: Всесоюзном совещании "Эволюция докембрийской литосферы", Ленинград, 1991; Всесоюзном совещании "Геодинамика и глубинное строение советской части Балтийского щита", Апатиты, 1992; Международном симпозиуме, посвященном 150-летию А.А.Иностранцева, С.-Петербург, 1994; Международных симпозиумах по Проектам 275 МПГК "Глубинная геология Балтийского щита (Апатиты, 1989; Оулу, Финляндия, 1991; Петрозаводск, 1992; Турку, Фннляндия,1993) и 371 "COPENA" (Ноттингем, 1994), «Евроітроба-СВЕКАЛАПКО» (С.-Петербург, 1999), Международном геологическом конгрессе (Киото, Япония, 1992); Международном конгрессе Европейского союза геологических наук (Страсбург, Франция, 1993, 1995. 1997, 1999); VIII Международной Конференции по геохронологии, космохронологии и изотопной геологии (Беркли, США, 1994); 9 и 10 Международных совещаниях Ассоциации геологических обществ Европы (С.Петербург, 1995; Карловы Вары, 1997). Автором также представлены доклады по ряду разделов диссертации на семинарах Национального геофизического исследовательского института пХайдерабад (Индия) и Геологического общества Индии в 1990,1991 и 1994 гг.
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в одной авторской и 6 коллективных монографиях, а также в 52 статьях и кратких сообщениях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4 частей и 11 разделов, изложенных на 316 страницах, иллюстрирована 102 рисунками и 22 таблицами. Список литературы содержит 298 ссылок.