Термохимические глубинные мантийные плюмы источник рудного богатства планеты
В земной коре встречаются богатейшие залежи цветных и благородных металлов. Каково их происхождение? Новосибирские геологи выработали концепцию «термохимического плюма» – глубинного лифта, доставляющего ценный груз от ядра планеты к поверхности. На основе опытных данных и моделирования построена схема формирования рудных месторождений, которая, вероятно, облегчит их поиск и разработку
В конце прошлого века в геологии совершилось несколько революций во взглядах на причины глобальных геологических процессов, ответственных за эволюцию оболочек Земли. Во-первых, была создана теория литосферных плит, в рамках которой разработаны модели зон спрединга, где происходит рождение океанической коры, и зон субдукций, где кора погружается в мантию и рождается новая континентальная кора. Основные положения этой теории вошли в школьные учебники. Во-вторых, получила широкое развитие теория мантийных плюмов – подъема тепла и вещества из глубинных зон Земли в виде локальных струй.
Считается, что мантийные плюмы независимы от тектоники плит. В качестве примера можно привести Гавайский и Императорский подводные вулканические хребты, которые представляют собой след на Тихоокеанской океанической плите, движущейся над плюмом –Гавайской горячей точкой. Однако в книге академика В. Е. Хаина (2003) показано, что в истории нашей планеты есть эпохи, в которые преобладала тектоника плит, тогда как в другие более широко была проявлена тектоника плюмов.
Сейчас развивается новая парадигма геологии – глубинная геодинамика, оценивающая природу глобальных процессов с учетом взаимодействия разноглубинных, вплоть до ядра, оболочек Земли (Добрецов, 2011). Такой подход стал возможным благодаря сейсмической томографии, позволяющей выявлять неоднородности в мантии за счет различий в скорости прохождения сейсмических волн сквозь разные среды (Zhao, 2010; Кулаков и др., 2011). Достигнуты успехи в экспериментальной петрологии высоких и сверхвысоких давлений, позволившие обосновать фазовый состав нижней мантии и границы «ядро – нижняя мантия» (Core-Mantle Boundary, CMB). При этом показано, что в периоды усиления плюмовой активности погружение океанических плит возможно вплоть до этой границы, что вызывает образование на ней слоя пониженной вязкости (слой D``).
Данные сейсмотомографии и петрологии показывают, что в слое D`` на границе CMB фиксируются две крупные неоднородности, которые ответственны за формирование плюмов и суперплюмов. Это Восточно-Африканское и Тихоокеанское горячие поля, которые на основании эмпирических данных впервые были выделены академиком М. И. Кузьминым и Л. П. Зоненшайном (Кузьмин, Ярмолюк, 2011).
Работы последних 10–15 лет показали широкое участие разномасштабных плюмов в различных тектонических процессах, объясняющих образование суперплюмов. Их проявления привели к выделению и изучению магматизма крупных изверженных провинций (Large Igneous Province, LIP), выяснению роли в их формировании мантийных струй (плюмов), мантийно-корового взаимодействия и металлогении.
Анализ геологических процессов, связанных с проявлением мантийных плюмов, позволяет выявить специфическое оруденение в ареалах их развития и объяснить условия зарождения и развития мантийных и мантийно-коровых рудообразующих систем, функционирование которых нередко приводит к формированию крупных и уникальных рудных месторождений. Такой анализ проведен на примере Евразийского континента, где в позднем палеозое и раннем мезозое развивались процессы, связанные с проявлением разновозрастных мантийных плюмов: Центрально-Европейского (320–300 млн лет), Таримского (290–270 млн лет), Сибирского (260–230 млн лет) и Эмейшанского (260–240 млн лет), что привело к образованию LIP со специфической металлогенией.
В настоящей статье рассматриваются лишь некоторые главные вопросы из всего комплекса проблем, связанных с формированием суперплюмов и, соответственно, LIP и освещенных в научной литературе (Добрецов, 2008):
• механизм зарождения плюмов, тепловая и термохимическая модели;
• сейсмотомография и изотопно-геохимические доказательства зарождения плюмов на границе «ядро – нижняя мантия»;
• взаимодействие плюма с астеносферой и литосферой;
• последовательность и длительность формирования магматических и рудных ассоциаций;
• металлогеническая специализация глубинных плюмов и связь с ними уникальных месторождений полезных ископаемых.
Плюм с добавкой
В ранних экспериментах (Whitehead, Luther, 1975; Olson, Singer, 1985) плюмы моделировались инъекцией малоплотных и маловязких флюидов в более плотные жидкости, и была предложена модель структуры плюма head-and-tail (грибообразная голова и тонкая ножка (Campbell, Griffiths, 1990)), которая демонстрируется в Музее естественной истории в Лондоне. Однако эта модель обнаружила много противоречий с реально наблюдаемыми фактами.
Более корректной является модель термохимического плюма, основанная и на физическом эксперименте, и на численном моделировании, подтвержденная геологическими данными (Добрецов и др., 2003, 2005, 2006).
Согласно этой модели, термохимические плюмы представляют собой своеобразную «газовую горелку». Снижение температуры плавления на границе CMB достигается за счет химической добавки «летучего» компонента. Можно предполагать, что в понижающей температуру плавления добавке главными будут водородные и углеродные соединения, выделяющиеся из металлического ядра (гидриды щелочных металлов, карбиды и элементарный водород). При их окислении железосодержащими окислами нижней мантии образущиеся газообразные оксиды CO2 и H2O формируют (вместе с водородом и продуктами реакции – CH4 и др.) восходящий поток, а восстановленное до металлического состояния железо стекает в жидкое ядро.
Расчеты показывают, что для начала процесса достаточно около 3 % CO2 и (или) H2O. Для глубинных плюмов можно предполагать преобладание CO2. Это подтверждается широким участием карбонатитов и кимберлитов как на ранних, так и на заключительных этапах развития LIP. По-видимому, наиболее глубинными являются калиевые карбонатитовые расплавы, которые обладают минимальной вязкостью и высокой растворимостью оксидно-силикатных компонентов.
Для Гавайского плюма получены детальные сейсмотомографические изображения, показывающие, что он формируется в слое D`` и поднимается в мантии практически вертикально (Zhao, 2004). Структура Гавайского плюма согласуется с теоретическими расчетами.
К геохимическим признакам глубинности плюмов относится изотопия гелия. В породах океанических плюмов (например, Гавайского и Исландского) обнаруживается большая доля изотопа 3He, который является продуктом водородного термоядерного синтеза. Отношение 3He/4He в этих породах в десятки раз выше, нежели в базальтах срединно-океанических хребтов, генерирующихся из верхней мантии в ходе тепловой конвекции (Толстихин, 2002). Очевидно, «избыточное» количество 3He поступает в плюмовый канал из слоя D`` или из внешнего ядра.
Другими геохимическими индикаторами того, что плюмы осуществляют перенос вещества из самых глубин Земли, являются высокие концентрации металлов платиновой группы и изотопия осмия. В гавайских лавах, пикритах и коматиитах о-ва Горгона и пикритах Сибирских траппов установлены высокие отношения 186Os/188Os и 187Os/188Os, которые трактуются как смешение материала нижней мантии и внешнего ядра (от 1 до 45 %).
С LIP связано формирование крупных месторождений элементов платиновой группы (ЭПГ *), главным образом платины Pt и палладия Pd . Высокие концентрации таких элементов выявлены в базальтах Норильского района и в Маймеча-Котуйской провинции на севере Сибирской платформы, где известны и крупнейшие платиновые месторождения.
В Северном Вьетнаме в связи с Эмейшаньским плюмом описаны проявления коматиитового магматизма с возрастом 260 млн лет. Обычно коматииты со специфической закалочной структурой спинифекс (по названию австралийской травы типа осоки) характерны для древних эпох (архейской и проторозойской) и свидетельствуют о перегретости расплавов при высокой степени плавления мантии. Изотопно-геохимические исследования этих пород показали, что для них характерны высокие содержания иридия и осмия (до 10 мг/т) и нефракционированные отношения 188Os/187Os, что подтверждает их нижнемантийную природу. Получить высокие содержания платины и палладия при высоких степенях плавления и недифференцированную изотопию осмия невозможно без привноса глубинного вещества.
LIP – эти долгие 30 млн лет
Для объяснения большого объема базальтов на огромных площадях (траппов), что является характерной особенностью LIP, была создана модель термохимического плюма с учетом рассмотрения прорыва плюма через холодную литосферу. Плюм при подходе к тугоплавкому основанию литосферы не может ее проплавить и начинает растекаться вдоль основания литосферы, при этом формируется «медленный» вторичный плюм, что вызывает трещинные центры излияния щелочных базальтов.
Такая ситуация может возникать на границе не только астеносферы и литосферы, но и в основании слоя C (между нижней и верхней мантией). Последний вариант предполагается японским геологом Ш. Маруямой для Тихоокеанского горячего поля.
Благодаря тому, что магматические процессы начинаются в центре плюма, именно здесь достигается максимальная степень плавления с образованием высокомагнезиальных расплавов, тогда как по периферии плюма магматизм запаздывает на 10–15 млн лет, и эти области характеризуются щелочными базальтами и кислыми лавами.
Эти особенности хорошо проявляются на примере Сибирской LIP. В центральной области Сибирского суперплюма установлены наиболее высокотемпературные пикритовые расплавы – маймечиты Маймеча-Котуйской области, температура которых в мантии достигала 1650 °C, а при излиянии на поверхность –1570 °С (Соболев и др., 2009). Это на 300 °С выше температуры конвектирующей верхней мантии.
На основе теоретических разработок модели эволюции термохимического плюма и полученных в настоящее время эмпирических данных предполагается 4-этапная последовательность образования магматических ассоциаций, с которыми сопряжены разнотипные рудные формации:
• воздымание земной коры при подходе плюма из глубины к границе литосферы и формирование рифтовых систем со щелочным и карбонатитовым магматизмом;
• главный (трапповый) этап LIP – растекание плюма вдоль границы литосферы, которое сопровождается излиянием траппов и формированием структур с бимодальным магматизмом по периферии;
• прогрев коры, который сопровождается активным мантийно-коровым взаимодействием, формированием габбро-гранитных серий и гранитоидных батолитов;
• регрессивный этап остывания плюма, характеризующийся формированием гранитоидов, содержащих редкие металлы, и поясов из даек специфического (калиево-лампрофирового) состава.
На примере исследованных LIP установлено, что их продолжительность достигает 30 млн лет, а не 1 млн, как считалось ранее, при этом разные этапы разделены интервалами в 10 млн лет. Из модели также вытекает и зональность ареалов, с увеличением степени корово-мантийного взаимодействия к их периферии.
Ядерные металлы
Главный объем рудных месторождений благородных, цветных и редких металлов формируется в двух обстановках: в зонах субдукции и крупных изверженных провинциях, связанных с мантийными плюмами. Исключением являются только черные курильщики (гидротермальные источники) в срединно-океанических хребтах, в которых формируются залежи свинца и цинка. Однако гигантские месторождения (Бушвельд, Норильск, Мурунтау) тесно связаны с крупными изверженными провинциями, при этом устанавливается закономерное их размещение как в пространстве, так и во времени.
Так, в контурах LIP, связанных с Сибирским и Таримским плюмами, локализован широкий комплекс эндогенного оруденения. При этом возникновение рудно-магматических систем и месторождений металлов от кобальта и никеля до золота и ртути во времени коррелирует с проявлениями плюмового магматизма (Pirajno, 2004; Борисенко и др., 2006; Добрецов и др., 2010).
Дискретность мантийного и корового магматизма и связанного с ним оруденения согласуется с этапами, вытекающими из модели взаимодействия термохимического плюма с литосферой. Анализ возрастных и латеральных связей магматизма и оруденения конкретных LIP позволил авторам построить идеализированную схему последовательности и размещения оруденения в ареалах крупных изверженных провинций.
Наиболее тесные пространственно-временные и генетические связи плюмового магматизма выявляются для медно-никелево-платинового оруденения. Достаточно назвать уникальные норильские Cu-Ni-ЭПГ-месторождения, которые выводят Россию на второе место в мире по запасам и уровню добычи этих металлов. Их формирование отвечает трапповому этапу LIP. Такой же характер локализации крупных и уникальных рудных месторождений устанавливается и в других аналогичных магматических провинциях мира: Маскокс в Канаде, Скаергард (Au-Pd) в Гренландии и т. д. В менее эродированных областях с трапповым магматизмом связаны низкотемпературные гидротермальные никель-кобальт-серебро-арсенидные месторождения и медистые песчаники.
Золото-арсенидные месторождения в периферийных областях LIP могут быть связаны c главным этапом формирования изверженной провинции. В такой геологической позиции локализованы крупные и гигантские раннепермские золоторудные месторождения Тянь-Шаня, Восточного Казахстана и Китайского Алтая, относящиеся к Таримской LIP. Однако чаще такие «периферийные» месторождения формируются на следующем этапе – при активном корово-мантийном взаимодействии.
Заключительный этап эволюции LIP характеризуется развитием магматизма пестрого состава, включающего ареалы дайковых комплексов щелочных пород и базитов, интрузии габбро-гранитного состава и редкометалльных гранитов. С ними связаны соответствующие типы низкотемпературного гидротермального оруденения: Sb-Hg, Mo-W и др.
Схожая этапность развития магматических процессов и рудообразования обнаружена и в других разновозрастных крупных изверженных провинциях Земли. Полученные данные свидетельствуют о том, что проявление всего специфического комплекса магматогенного и гидротермального оруденения является характерной чертой металлогении LIP. Это означает, что специфические типы оруденения могут использоваться в качестве металлогенических индикаторов мантийных плюмов.
Таким образом, на основе анализа данных для Сибирской, Таримской, Эмейшаньской, Центрально-Европейской крупных изверженных провинций установлено, что термохимическая модель глубинного мантийного плюма хорошо объясняет не только особенности мантийного магматизма, но и специфику металлогении.
Выявленные особенности локализации разных типов оруденения в ареалах этих провинций, его возрастные и генетические связи с определенными типами магматизма, своеобразие геологических обстановок формирования оруденения являются основой для разработки комплекса критериев прогноза и оценки перспектив выявления новых промышленных объектов в их границах. А приведенные в статье примеры еще раз иллюстрируют, как работает мантия Земли и ее пограничный слой с ядром.
* ЭПГ – элементы платиновой группы: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt
Литература
Борисенко А. С. и др. Пермотриасовое оруденение Азии и его связь с проявлением плюмового магматизма // Геол. и геофиз. 2006. Т. 47. № 1. С. 166–182.
Добрецов Н. Л. Основы тектоники и геодинамики: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2011.
Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН; филиал «Гео», 2001. 409 с.
Соболев А. В. и др. Механизм образования сибирских меймечитов и природа их связи с траппами и кимберлитами // Геология и геофизика. 2009. т. 50. № 12. с. 1293–1335.
Хаин В. Е. Основные проблемы современной геологии. М., 2003.
Coffin M. F., Eldholm O. Large Igneous Provinces – Crustal Structure, Dimensions, and External Consequences // Rev. Geophys. 1994. V. 32. N. 1. P. 1–36.
Pirajno F. Ore deposits and mantle plumes. Kluwer, Academic Publishers, 2004.
Zhao D. Global tomographic images of mantle plumes and subducting slabs: insight into deep earth dynamics // Phys. Earth Planet. Interiors. 2004. V. 146. P. 3–34.