Гранит из Каменных палаток. Геобетон. Часть 2.
Продолжение. Часть 1.
В настоящее время большинство петрографов считают гранитную магму независимой от базальтовой, полагая, что она образуется в результате частичного (селективного) плавления материала литосферы по эвтектической схеме. При таком процессе при нагревании до 600-650?С любая горная порода, содержащая кварц и полевые шпаты, будет частично плавиться с образованием расплава гранитного состава [1]. Однако базальты не содержат кварца, поэтому получить непосредственно из них путем селективного плавления гранитный расплав невозможно.
Многие полагают, что селективному плавлению базитов предшествуют их метаморфическая перекристаллизация с последующей переработкой (гранитизацией) продуктов этого метаморфизма (метабазитов) под воздействием восходящих флюидных потоков глубинного происхождения [2]. В ходе гранитизации в метаморфизованных и перекристаллизованных базальтах развиваются кварц, калиевый полевой шпат, кислый плагиоклаз.
Метабазальты преобразуются в гнейсы и даже гранитогнейсы, а уже при селективном плавлении этих пород формируется гранитная магма. Не исключая возможности проявления подобных процессов на Земле, нужно отметить, что нет никаких видимых препятствий для их реализации и на других планетах (на Марсе, Венере). Однако в их литосфере нет гранитного слоя, аналогичного земному. Видимо, одного воздействия глубинных флюидов недостаточно, чтобы преобразовать базальтовое вещество в гранитное, чтобы за счет материала первичной базальтовой протокоры получить существенные объемы гранитов.
Ситуация, однако, принципиально меняется, если базальт подвергается глубокому химическому выветриванию с последующим разделением компонентов в экзогенных условиях - осадочной дифференциацией. Эти экзогенные процессы обеспечивают гораздо более эффективное отделение кремнезема (SiO2), главного компонента гранитов, от базитовых компонентов - Mg, Ca, Fe.
При химическом выветривании минералы базальта - силикаты магния, железа и кальция (оливин, пироксен, основной плагиоклаз) разлагаются. В конечном счете после серии последовательных преобразований слагающие их элементы переходят в той или иной форме в водный раствор. Если из магматического расплава, кристаллизующегося при температуре около 1000?C, все эти компоненты выделяются практически одновременно, формируя названные выше минералы, то выпадение их из водных растворов (в приповерхностных условиях при значительно меньшей температуре) подчиняется иным законам и правилам.
Кальций и магний реагируют с растворенным в воде углекислым газом и образуют карбонаты - кальцит и доломит, являющиеся главными минералами широко распространенных карбонатных осадочных пород: известняков, доломитов, писчего мела.
Железо, соединяясь с кислородом и водой, дает гидрооксиды - гетит и гидрогетит (бурый железняк), но может образовывать и карбонаты - как чисто железистые (сидерит), так и магний-кальций-железистые (анкерит).
Кремнезем дает хемогенные и биохемогенные кремнистые осадки - кремнистые илы, кремнистые сланцы.
Алюминий связывается в гидрооксидах (диаспор, гидраргиллит) либо в слоистых алюмосиликатах (каолинит, гидрослюды), являющихся главными компонентами глин.
Таким образом, в приповерхностных условиях пути бывших компонентов базальта расходятся, из некогда единого вещества образуются породы разного состава. Если в типичных базальтах содержание SiO2 незначительно колеблется около 50%, то в формирующихся за счет выветривания базальтов осадочных породах, оно может варьировать от нуля (известняки, доломиты) почти до 100% (кремнистые осадки). Магматическая дифференциация такого эффективного разделения не дает.
Таким образом, за счет базальтовой протокоры могли сформироваться первые в истории Земли осадочные отложения, метаморфизм которых порождал первые гнейсы, подготавливая таким образом материал протокоры к последующей гранитизации (рис. 1). Эта концепция также была впервые выдвинута В.И. Вернадским. Ее основы изложены в посмертно опубликованной главной книге этого величайшего ученого "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения" [3]. Приведем лишь две (поистине ключевые для рассматриваемой проблемы) цитаты из нее: "Гранитная оболочка является конечной фазой изменения процессом гранитизации метаморфической оболочки, может быть иногда прямо осадочной". И еще более лаконичное и конкретное высказывание: "Не будь на Земле осадочных процессов, не было бы и гранитов".
Очень много для обоснования этой гипотезы было сделано Н.В. Фроловой, труды которой в настоящее время незаслуженно забыты. Н.В. Фролова писала, что сейчас на базальтах в зоне тропического климата развиваются мощные латеритные коры выветривания. В раннем докембрии атмосфера Земли была горячей и высококислотной (теперь мы определили бы ее как атмосферу "венерианского типа"). В таких условиях химическое выветривание повсюду должно было идти даже интенсивнее, чем в современных тропиках. Химическое разложение силикатов приводило к высвобождению и выносу из подвергавшихся выветриванию пород протокоры огромных объемов кремнезема, а также магния, кальция, железа. При впадении рек в моря (среду с иными значениями pH, Eh, иной соленостью) происходило разделение выносимых продуктов выветривания. В непосредственной близости к континентам осаждался гель кремнезема, сорбировавший щелочи и глинозем, преобразовывавшийся при диагенезе в хемогенные кремнистые осадки и глины. Эти осадки при метаморфизме стали кварцитогнейсами и гнейсами, гранитизация и частичное плавление которых породили первые в истории Земли гранитоиды [4].
Подчеркнем, что первичные граниты, по Н.В. Фроловой и В.И. Вернадскому, сформировались в конечном счете из базальтов, то есть предложенная ими схема показывает, каким образом из вещества базальтовой протокоры можно получить граниты (рис. 2). В начале 70-х годов к аналогичным выводам пришел В.М. Синицын. В монографии "Сиаль" он писал, что гранитный слой "мог образоваться только на планете с атмосферой и гидросферой, преобразующими энергию солнечных лучей посредством климатических процессов в геологическую работу. Небесные тела, лишенные атмосферы и гидросферы (Луна, Марс), по-видимому, не имеют аналогов земному сиалю" [5, с. 5].
В дальнейшем взгляды В.И. Вернадского на связь процессов гранитообразования с предшествующим литогенезом развивал в своих работах В.Л. Барсуков, их поддерживал А.В. Сидоренко. Из зарубежных исследователей аналогичную концепцию разрабатывал известный шведский петролог и геохимик Т. Барт. Мной и другими исследователями независимо друг от друга были предприняты попытки оценить относительный вклад предшествующих литогенетических процессов в формирование конкретных гранитных серий и ассоциаций различных регионов мира на основе выявления первичной литологической природы пород, послуживыших исходным материалом для этих гранитоидов - гранитообразующих субстратов. Были выработаны критерии, позволившие выделить из всей массы гранитоидов разновидности, сформированные за счет метаморфизованных глинистых отложений (апопелитовые), песчаников грауваккового состава (апограувакковые)и т.д. [6].
В последние 20-25 лет много свидетельств в пользу существования реальной связи между процессами литогенеза и гранитообразования дали геохимические исследования. Определение вариаций содержаний малых элементов и анализ их количественных отношений показали, что большинство изученных гранитов обогащено элементами, свойственными осадочной оболочке, - элементами-индикаторами экзогенных (осадочных) геохимических циклов. Еще нагляднее подтверждает это изотопная геохимия: изотопные отношения Nd, Sr, O, S показывают, что вещество гранитов, как правило, проходило в своей предыстории через химическое выветривание и осадочную дифференциацию.
Обобщение геохимических и изотопно-геохимических данных позволило известным современным геохимикам С. Тейлору и С. Мак-Леннану независимо повторить выводы Вернадского-Синицына и также прийти к заключению, что "континентальная кора гранитного состава имеется только на Земле" и что причиной этого, по-видимому, является "присутствие жидкой воды на поверхности Земли" [7, с. 363]. Подчеркиваем, речь идет не о глубинных водных флюидах, обусловивших гранитизацию и плавление, а именно о поверхностных водах - гидросфере. Еще более четко (почти афористично) выражена эта мысль в названии одной из более ранних статей С. Тейлора: "Нет воды - нет гранитов, нет океанов - нет континентов". Последнее приводит к несколько неожиданным и далеко идущим выводам. Присутствие жидкой воды является едва ли не определяющим условием развития и существования жизни. Изучение современных кор выветривания показывает, что наиболее эффективно их формирование идет при участии живых организмов и (или) продуктов их жизнедеятельности.
Принцип актуализма ("настоящее - ключ к пониманию прошлого") позволяет предположить, что так же должно было быть и в в отдаленные геологические эпохи. Основываясь на этом, В.И. Вернадский еще в начале века писал, что "гранитная оболочка нашей планеты по своему веществу отвечает метаморфизованному, мигматизированному и часто переплавленному веществу... былых биосфер" [3, с. 75]. Эту мысль он повторял неоднократно, в разных работах, в разной форме, утверждая, что без воздействия на кристаллические породы живых организмов не может быть полноценного химического выветривания, а без химического выветривания не образуется материал, способный давать граниты.
Следовательно, по мнению В.И. Вернадского, если нет живых организмов, то не будет и гранитов. Эта идея В.И. Вернадского не нашла отклика у его современников, но в наше время она привлекла внимание многих исследователей. Приведенное высказывание многократно цитировалось в последние 20 лет разными авторами. И все же это положение не стало еще предметом научных исследований. Его нельзя назвать пока даже гипотезой - это не более чем идея. Поэтому сейчас для нас важнее другое, более общее и более обоснованное положение: нет процессов осадкообразования - нет гранитов. Принятие этой концепции характеризует гранитогенез как результат длительной и многоэтапной эволюции верхней части континентальной коры, с обязательным включением в эту последовательность экзогенных геохимических процессов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нужно подчеркнуть, что речь вовсе не идет о возможности образования гранитов "осадочным путем". Рассматриваемая в этой статье гипотеза отнюдь не противоречит ни одной из ведущих современных научных концепций происхождения гранитов. "Литогенетическая" модель гранитообразования не отвергает ни механизма корового анатексиса (эвтектоидного селективного плавления), ни гранитизирующего воздействия восходящих мантийных флюидов. Речь идет лишь о том, что этим событиям должны (для их полной реализации) предшествовать экзогенные геохимические преобразования, и прежде всего химическое выветривание и осадочная дифференциация. Эти процессы приводят к формированию осадочных пород, многие из которых гораздо ближе по своему химическому составу к гранитам, чем исходные базальты. Именно эти осадочные породы преобразуются впоследствии при метаморфизме в кристаллические сланцы и гнейсы, гранитизация и плавление которых дают в конечном счете граниты. Мы полагаем, что именно этот механизм мог так преобразовать существенно базальтоидное вещество земной протокоры, что стало возможным формирование за его счет гранитного слоя, развитого на Земле и отсутствующего на других планетах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов В.С. Как образуются граниты // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. ╧ 6. С. 64-69.
2. Перчук Л.Л. Глубинные флюидные потоки и рождение гранитов // Там же. С. 56-63.
3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 1987. 339 с.
4. Фролова Н.В. О наиболее древних осадочных горных породах Земли: (К проблеме происхождения гранитов) // Природа. 1950. ╧ 9. С. 15-21.
5. Синицын В.М. Сиаль. Л.: Недра, 1972. 168 с.
6. Махлаев Л.В. Изолитогенные гранитные ряды. Новосибирск: Наука, 1987. 153 с.
7. Тейлор С.Р., Мак-Леннан С.М. Континентальная кора: Ее состав и эволюция. М.: Мир, 1988. 380 с.
* * *
Лев Васильевич Махлаев, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологии Сыктывкарского государственного университета, член-корреспондент Российской академии естественных наук, зав. лабораторией петрографии Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. Область научных интересов - геология и петрология гранитов, проблемы гранитообразования, геология арктических регионов России (Полярный Урал, Таймыр). Автор более 100 статей и учебных пособий, шести монографий.
Источник
В настоящее время большинство петрографов считают гранитную магму независимой от базальтовой, полагая, что она образуется в результате частичного (селективного) плавления материала литосферы по эвтектической схеме. При таком процессе при нагревании до 600-650?С любая горная порода, содержащая кварц и полевые шпаты, будет частично плавиться с образованием расплава гранитного состава [1]. Однако базальты не содержат кварца, поэтому получить непосредственно из них путем селективного плавления гранитный расплав невозможно.
Многие полагают, что селективному плавлению базитов предшествуют их метаморфическая перекристаллизация с последующей переработкой (гранитизацией) продуктов этого метаморфизма (метабазитов) под воздействием восходящих флюидных потоков глубинного происхождения [2]. В ходе гранитизации в метаморфизованных и перекристаллизованных базальтах развиваются кварц, калиевый полевой шпат, кислый плагиоклаз.
Метабазальты преобразуются в гнейсы и даже гранитогнейсы, а уже при селективном плавлении этих пород формируется гранитная магма. Не исключая возможности проявления подобных процессов на Земле, нужно отметить, что нет никаких видимых препятствий для их реализации и на других планетах (на Марсе, Венере). Однако в их литосфере нет гранитного слоя, аналогичного земному. Видимо, одного воздействия глубинных флюидов недостаточно, чтобы преобразовать базальтовое вещество в гранитное, чтобы за счет материала первичной базальтовой протокоры получить существенные объемы гранитов.
Ситуация, однако, принципиально меняется, если базальт подвергается глубокому химическому выветриванию с последующим разделением компонентов в экзогенных условиях - осадочной дифференциацией. Эти экзогенные процессы обеспечивают гораздо более эффективное отделение кремнезема (SiO2), главного компонента гранитов, от базитовых компонентов - Mg, Ca, Fe.
При химическом выветривании минералы базальта - силикаты магния, железа и кальция (оливин, пироксен, основной плагиоклаз) разлагаются. В конечном счете после серии последовательных преобразований слагающие их элементы переходят в той или иной форме в водный раствор. Если из магматического расплава, кристаллизующегося при температуре около 1000?C, все эти компоненты выделяются практически одновременно, формируя названные выше минералы, то выпадение их из водных растворов (в приповерхностных условиях при значительно меньшей температуре) подчиняется иным законам и правилам.
Кальций и магний реагируют с растворенным в воде углекислым газом и образуют карбонаты - кальцит и доломит, являющиеся главными минералами широко распространенных карбонатных осадочных пород: известняков, доломитов, писчего мела.
Железо, соединяясь с кислородом и водой, дает гидрооксиды - гетит и гидрогетит (бурый железняк), но может образовывать и карбонаты - как чисто железистые (сидерит), так и магний-кальций-железистые (анкерит).
Кремнезем дает хемогенные и биохемогенные кремнистые осадки - кремнистые илы, кремнистые сланцы.
Алюминий связывается в гидрооксидах (диаспор, гидраргиллит) либо в слоистых алюмосиликатах (каолинит, гидрослюды), являющихся главными компонентами глин.
Таким образом, в приповерхностных условиях пути бывших компонентов базальта расходятся, из некогда единого вещества образуются породы разного состава. Если в типичных базальтах содержание SiO2 незначительно колеблется около 50%, то в формирующихся за счет выветривания базальтов осадочных породах, оно может варьировать от нуля (известняки, доломиты) почти до 100% (кремнистые осадки). Магматическая дифференциация такого эффективного разделения не дает.
Таким образом, за счет базальтовой протокоры могли сформироваться первые в истории Земли осадочные отложения, метаморфизм которых порождал первые гнейсы, подготавливая таким образом материал протокоры к последующей гранитизации (рис. 1). Эта концепция также была впервые выдвинута В.И. Вернадским. Ее основы изложены в посмертно опубликованной главной книге этого величайшего ученого "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения" [3]. Приведем лишь две (поистине ключевые для рассматриваемой проблемы) цитаты из нее: "Гранитная оболочка является конечной фазой изменения процессом гранитизации метаморфической оболочки, может быть иногда прямо осадочной". И еще более лаконичное и конкретное высказывание: "Не будь на Земле осадочных процессов, не было бы и гранитов".
Очень много для обоснования этой гипотезы было сделано Н.В. Фроловой, труды которой в настоящее время незаслуженно забыты. Н.В. Фролова писала, что сейчас на базальтах в зоне тропического климата развиваются мощные латеритные коры выветривания. В раннем докембрии атмосфера Земли была горячей и высококислотной (теперь мы определили бы ее как атмосферу "венерианского типа"). В таких условиях химическое выветривание повсюду должно было идти даже интенсивнее, чем в современных тропиках. Химическое разложение силикатов приводило к высвобождению и выносу из подвергавшихся выветриванию пород протокоры огромных объемов кремнезема, а также магния, кальция, железа. При впадении рек в моря (среду с иными значениями pH, Eh, иной соленостью) происходило разделение выносимых продуктов выветривания. В непосредственной близости к континентам осаждался гель кремнезема, сорбировавший щелочи и глинозем, преобразовывавшийся при диагенезе в хемогенные кремнистые осадки и глины. Эти осадки при метаморфизме стали кварцитогнейсами и гнейсами, гранитизация и частичное плавление которых породили первые в истории Земли гранитоиды [4].
Подчеркнем, что первичные граниты, по Н.В. Фроловой и В.И. Вернадскому, сформировались в конечном счете из базальтов, то есть предложенная ими схема показывает, каким образом из вещества базальтовой протокоры можно получить граниты (рис. 2). В начале 70-х годов к аналогичным выводам пришел В.М. Синицын. В монографии "Сиаль" он писал, что гранитный слой "мог образоваться только на планете с атмосферой и гидросферой, преобразующими энергию солнечных лучей посредством климатических процессов в геологическую работу. Небесные тела, лишенные атмосферы и гидросферы (Луна, Марс), по-видимому, не имеют аналогов земному сиалю" [5, с. 5].
В дальнейшем взгляды В.И. Вернадского на связь процессов гранитообразования с предшествующим литогенезом развивал в своих работах В.Л. Барсуков, их поддерживал А.В. Сидоренко. Из зарубежных исследователей аналогичную концепцию разрабатывал известный шведский петролог и геохимик Т. Барт. Мной и другими исследователями независимо друг от друга были предприняты попытки оценить относительный вклад предшествующих литогенетических процессов в формирование конкретных гранитных серий и ассоциаций различных регионов мира на основе выявления первичной литологической природы пород, послуживыших исходным материалом для этих гранитоидов - гранитообразующих субстратов. Были выработаны критерии, позволившие выделить из всей массы гранитоидов разновидности, сформированные за счет метаморфизованных глинистых отложений (апопелитовые), песчаников грауваккового состава (апограувакковые)и т.д. [6].
В последние 20-25 лет много свидетельств в пользу существования реальной связи между процессами литогенеза и гранитообразования дали геохимические исследования. Определение вариаций содержаний малых элементов и анализ их количественных отношений показали, что большинство изученных гранитов обогащено элементами, свойственными осадочной оболочке, - элементами-индикаторами экзогенных (осадочных) геохимических циклов. Еще нагляднее подтверждает это изотопная геохимия: изотопные отношения Nd, Sr, O, S показывают, что вещество гранитов, как правило, проходило в своей предыстории через химическое выветривание и осадочную дифференциацию.
Обобщение геохимических и изотопно-геохимических данных позволило известным современным геохимикам С. Тейлору и С. Мак-Леннану независимо повторить выводы Вернадского-Синицына и также прийти к заключению, что "континентальная кора гранитного состава имеется только на Земле" и что причиной этого, по-видимому, является "присутствие жидкой воды на поверхности Земли" [7, с. 363]. Подчеркиваем, речь идет не о глубинных водных флюидах, обусловивших гранитизацию и плавление, а именно о поверхностных водах - гидросфере. Еще более четко (почти афористично) выражена эта мысль в названии одной из более ранних статей С. Тейлора: "Нет воды - нет гранитов, нет океанов - нет континентов". Последнее приводит к несколько неожиданным и далеко идущим выводам. Присутствие жидкой воды является едва ли не определяющим условием развития и существования жизни. Изучение современных кор выветривания показывает, что наиболее эффективно их формирование идет при участии живых организмов и (или) продуктов их жизнедеятельности.
Принцип актуализма ("настоящее - ключ к пониманию прошлого") позволяет предположить, что так же должно было быть и в в отдаленные геологические эпохи. Основываясь на этом, В.И. Вернадский еще в начале века писал, что "гранитная оболочка нашей планеты по своему веществу отвечает метаморфизованному, мигматизированному и часто переплавленному веществу... былых биосфер" [3, с. 75]. Эту мысль он повторял неоднократно, в разных работах, в разной форме, утверждая, что без воздействия на кристаллические породы живых организмов не может быть полноценного химического выветривания, а без химического выветривания не образуется материал, способный давать граниты.
Следовательно, по мнению В.И. Вернадского, если нет живых организмов, то не будет и гранитов. Эта идея В.И. Вернадского не нашла отклика у его современников, но в наше время она привлекла внимание многих исследователей. Приведенное высказывание многократно цитировалось в последние 20 лет разными авторами. И все же это положение не стало еще предметом научных исследований. Его нельзя назвать пока даже гипотезой - это не более чем идея. Поэтому сейчас для нас важнее другое, более общее и более обоснованное положение: нет процессов осадкообразования - нет гранитов. Принятие этой концепции характеризует гранитогенез как результат длительной и многоэтапной эволюции верхней части континентальной коры, с обязательным включением в эту последовательность экзогенных геохимических процессов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нужно подчеркнуть, что речь вовсе не идет о возможности образования гранитов "осадочным путем". Рассматриваемая в этой статье гипотеза отнюдь не противоречит ни одной из ведущих современных научных концепций происхождения гранитов. "Литогенетическая" модель гранитообразования не отвергает ни механизма корового анатексиса (эвтектоидного селективного плавления), ни гранитизирующего воздействия восходящих мантийных флюидов. Речь идет лишь о том, что этим событиям должны (для их полной реализации) предшествовать экзогенные геохимические преобразования, и прежде всего химическое выветривание и осадочная дифференциация. Эти процессы приводят к формированию осадочных пород, многие из которых гораздо ближе по своему химическому составу к гранитам, чем исходные базальты. Именно эти осадочные породы преобразуются впоследствии при метаморфизме в кристаллические сланцы и гнейсы, гранитизация и плавление которых дают в конечном счете граниты. Мы полагаем, что именно этот механизм мог так преобразовать существенно базальтоидное вещество земной протокоры, что стало возможным формирование за его счет гранитного слоя, развитого на Земле и отсутствующего на других планетах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попов В.С. Как образуются граниты // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. ╧ 6. С. 64-69.
2. Перчук Л.Л. Глубинные флюидные потоки и рождение гранитов // Там же. С. 56-63.
3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 1987. 339 с.
4. Фролова Н.В. О наиболее древних осадочных горных породах Земли: (К проблеме происхождения гранитов) // Природа. 1950. ╧ 9. С. 15-21.
5. Синицын В.М. Сиаль. Л.: Недра, 1972. 168 с.
6. Махлаев Л.В. Изолитогенные гранитные ряды. Новосибирск: Наука, 1987. 153 с.
7. Тейлор С.Р., Мак-Леннан С.М. Континентальная кора: Ее состав и эволюция. М.: Мир, 1988. 380 с.
* * *
Лев Васильевич Махлаев, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологии Сыктывкарского государственного университета, член-корреспондент Российской академии естественных наук, зав. лабораторией петрографии Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. Область научных интересов - геология и петрология гранитов, проблемы гранитообразования, геология арктических регионов России (Полярный Урал, Таймыр). Автор более 100 статей и учебных пособий, шести монографий.
Источник