Исследование геологами МГУ взаимодействия древнейших пород

Геологи из МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с коллегами из ЮАР и Новосибирска изучили процессы взаимодействия древнейших на Земле блоков континентальной коры и нашли подтверждение участия в этом процессе богатых CO₂ флюидов (жидкостей, нагретых выше точки кипения). Выяснить это позволил тщательный анализ графита и микроскопических включений газов в кварце. Лучшее понимание того, как сформировались эти породы, может помочь предсказать механизмы зарождения рудных полезных ископаемых рядом с ними и на участках, появившихся в похожих условиях (в России один из них расположен в Карелии). Исследование опубликовано в журнале Gondwana Research.

Участки древнейшей на Земле континентальной коры, кратоны (от греч. «сила, крепость»), сохранились лишь в нескольких местах на нашей планете. Например, кратон Каапвааль в ЮАР вместе с кратоном Пилбара в Австралии (самые древние из них), по предположениям учёных, около 3 млрд лет назад составляли первый суперконтинент, Ваальбару (от сложения слов Каапвааль и Пилбара).

Результатом преобразований основания этих участков древней коры под воздействием тепла мантии Земли могут стать породы под названием гранулиты, которые поясами обрамляют кратоны. Процессы, приводящие к подъёму гранулитов из низов коры к поверхности на границах кратонов, до конца не изучены. Самые древние из гранулитовых поясов сформировались в архее (3 млрд лет назад), став лишь на несколько сотен миллионов лет моложе жизни на Земле. Возраст самых молодых гранулитов — полмиллиарда лет. Рядом с кратоном Каапвааль тоже есть свой древний (2,7 млрд лет) гранулитовый пояс. Он расположен на границах ЮАР, Зимбабве и Ботсваны вблизи знаменитой реки Лимпопо. Он является своеобразной природной лабораторией для изучения взаимоотношений древнейших структур континентальной коры, поэтому именно этим гранулитовым поясом и заинтересовались учёные.

«Впервые получены веские основания полагать, что гранитные магмы в неоархейском гранулитовом комплексе Лимпопо (ЮАР) возникали в ходе тектонического взаимодействия этого комплекса с породами кратона [древней платформы] Каапвааль при подъёме комплекса из нижней континентальной коры», — рассказывает о своей работе соавтор статьи Олег Сафонов, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры петрологии геологического факультета МГУ и директор Института экспериментальной минералогии имени академика Д.С. Коржинского РАН.

Гранулит — метаморфическая горная порода. Это означает, что она сформировалась в процессе преобразования других пород под воздействием высокой температуры, в случае гранулита — 750-1000^оС. При этих температурах образуются такие минералы, как полевые шпаты, кварц, гранат, пироксен, кордиерит и другие. Они придают породе зернистую структуру (термин «гранулит» означает «зернистый»).

Согласно одной из моделей, важную роль в образовании гранулитов играют флюиды (жидкости, нагретые до надкритических температур), обогащённые CO₂. Установить, работает ли эта модель, может помочь графит, присутствующий в метаморфических породах. Обычно графит образуется при переработке органических остатков или разложении карбонатов (солей угольной кислоты с остатком CO₃^2-), но, поскольку гранулиты образуются на значительной глубине, никаких органических остатков там нет, и механизм формирования другой. Графит образуется в результате взаимодействия гранулитов с мантийными потоками (флюидами), обогащёнными СО₂, поэтому присутствие графита в гранулитах обычно считают аргументом в пользу вышеупомянутой модели. Его формирование зависит от давления, температуры и других условий, поэтому, изучая графит, можно получить информацию о них.

Геологи нашли в гранитных породах гранулитового пояса Лимпопо и проанализировали образцы графита и флюидные включения в кварце — летучие компоненты, законсервированные в мельчайших пустотах минерала в ходе роста кристаллов.

Геологи установили, что гранитные породы, внедрённые в гранулитовый пояс Лимпопо, начали кристаллизоваться при температуре 900-940^оС и давлении 7-9 килобар. Анализ флюидных включений в кварце подтвердил, что флюиды с высоким содержанием CO₂ принимали участие в формировании этих пород. Отклонение содержания изотопа углерода с массой 13 от стандартного значения составило 6,52-8,65 промилле (десятых долей процента) для графита и 2,5-5,58 промилле для флюидов в составе кварца. Такой изотопный состав углерода обычно связывают с глубинными потоками флюидов из мантии, что снова подтверждает их внешнее происхождение. А это согласуется с моделью, при которой обогащённые CO₂ внешние глубинные флюиды участвуют в формировании гранулитовых пород и сопровождающих их гранитов. Тем не менее, сравнив полученные данные с изотопным составом углерода пород древних кратонов, исследователи пришли к выводу, что флюиды проникали в комплекс Лимпопо именно из мантии в ходе его столкновения с кратоном Каапвааль. 

Хотя это исследование пород гранулитового пояса Лимпопо было фундаментальным, знание о процессах их формирования может найти применение в поиске полезных ископаемых. «Породы древних кратонов являются источниками большого объёма различных рудных компонентов. Магмы и флюиды, возникающие при их преобразованиях, являются переносчиками этих полезных компонентов», — поясняет Олег Сафонов.

Данные об образовании гранулитового комплекса в ЮАР актуальны и для России. Учёные планируют сравнить их условия с данными о формировании гранулитов Лапландского пояса, который контактирует с Карельским кратоном и кратоном Инари на границе России и Финляндии.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Фото: Чешуйки графита (верхняя фотография) и включения флюида СО2 в кварце (нижняя фотография) из гранитов комплекса Лимпопо (ЮАР) позднеархейского возраста (2,68 млрд лет). Источник: Олег Сафонов