Тектоника плит в раннем докембрии

 


За последние десятилетия концепция тектоники плит прочно утвердилась в качестве новой парадигмы в науках о Земле. К настоящему времени зарубежные и отечественные исследователи, многие из которых еще недавно с большой острожностью оценивали возможность тектоно-плитных реконструкций применительно к раннему докембрию, находят все больше свидетельств функционирования геодинамических механизмов тектоники плит и на этой ранней стадии геологической эволюции. Однако многие вопросы пока не находят однозначного ответа и прежде всего из-за очевидных различий раннедокембрийских (особенно архейских) и фанерозойских комплексов в уровне метаморфизма и деформаций пород. Теоретические представления о природе источников энергии и оценки уровня теплогенерации, в свою очередь, указывают на существенно более высокий уровень "энерговооруженности" древнейших тектонических процессов.
Согласно доминирующим сегодня идеям, интенсивность тектонической жизни Земли определяются планетарными запасами тепловой энергии, уровнем теплогенерации и соответствующей интенсивностью тепловых потоков, а также скоростью охлаждения планеты. Стиль тектонических процессов непосредственно связан с тем или иным способом мантийного теплопереноса. Согласно результатам как экспериментальных, так и теоретических исследований, главные способы конвективного теплопереноса связаны с "тектоникой плит" и "тектоникой плюмов". Оба способа независимы и потому неальтернативны и могут сосуществовать во времени, так или иначе сочетаясь в пространстве.
Сравнительно недавно была обнаружена и датирована ассоциация так называемых гнейсов Акаста (провинция Слейв, Северо-Восточная Канада) - наиболее древние среди известных примеров

породы континентальной коры [Bowring et al., 1995]. Ассоциация включает разнообразные по составу тоналито- и гранито-гнейсы, амфиболиты и ультрамафиты, имеющие возраст от 3.4 до > 4.0 млрд. лет. В строении комплекса в целом и в составах пород зафиксирована сложная история магматизма, метаморфизма и деформаций. Nd-изотопные данные свидетельствуют о существовании как обогащенной, так и деплетированной (истощенной) мантии уже в период, предшествовавший 4.0 млрд. лет. В частности гнейсы, датированные 3.9-4.0 млрд. лет, характеризуются инициальными значениями Nd от +4 (истощенный источник) до -4 (обогащенный источник). Распределения РЗЭ аналогичны таковым в более молодых породах "серогнейсового" типа. Геохимические особенности свидетельствуют об участии в формировании протолитов ортогнейсов (т.е. соответствующих гранитоидов) компонентов еще более древней коры. Наличие ядер в кристаллах циркона подтверждает это заключение. Таким образом, начальные стадии формирования коры континентального типа оказались отодвинутыми приблизительно к рубежу 4.0 млрд. лет. Крайняя редкость фрагментов той коры, как предполагается, определялась не малыми масштабами корообразования, а возможностью рециклинга и гомогенезации коровых пород в мантии. Иными словами, именно отсутствие мощной литосферы не позволяло включиться механизмам тектоники плит и первые коровые фрагменты были созданы в условиях иной геодинамики.
Установлено, что архейские протоконтиненты образованы тектоническими структурами трех типов: 1) главную роль играют гранит-зеленокаменные области (ГЗО), включающие зеленокаменные пояса и комплексы гранито-гнейсов ("серых гнейсов"); 2) менее значительную роль играют гранулито-гнейсовые пояса (ГГП); 3) ограниченно распространены структуры, образованные эпиконтинентальными осадочными толщами. Заметим, что термины, определяющие главные типы архейских тектонических структур, по форме имеют не тектоническое, а вещественное содержание. Это обстоятельство непосредственно отражает неопределенность первоначальных представлений об их сложной тектонической природе, сохранившуюся в значительной степени и до сегодняшнего дня.
Геохронологическими исследованиями последних десятилетий зафиксировано близкое по времени, в принципе - одновременное появление в геологической летописи пород зеленокаменных разрезов и серогнейсовых ассоциаций - около 3.8 млрд. лет назад. Наиболее ранние известные проявления гранулитового метаморфизма датированы 3.65-3.60 млрд. лет (Западная Гренландия [Baadsgaard et al., 1884]; [Nutman et al., 1989]). Сравнительные исследования архейских и фанерозойских горно-породных ассоциаций и геологических структур свидетельствуют о том, что тектоно-плитный механизм мог определять стиль тектоники уже в раннем архее. В частности, реконструкция обстановок формирования исходной ассоциации метаморфических пород супракрустального пояса Исуа (3.8-3.9 млрд. лет [Bridgwater, Schiotte, 1990]; [Nutman et al., 1993]) позволяет предполагать, что формирование преобладающей части пород осуществлялось в связи с процессами на кон- и дивергентных границах плит. Наличие в основании разрезов пояса коматиитовых и толеитовых пиллоу-лав и хемогенных осадков, представленных породами полосчатой железисто-кремнистой формации, свидетельствует о существовании к этому времени значительных и достаточно глубоководных океанических пространств. Отличие от горно-породных ассоциаций, формирующихся на границах современных плит, состоит в присутствии коматиитов, в более ограниченном участии терригенных пород в строении аккреционных комплексов и в некоторой специфике состава этих пород (равно как и архейских комплексов подобного типа, в целом), резко обогащенных продуктами дезинтеграции базальтовых и андезитовых пород [Тейлор, Мак-Леннан, 1988]; [Maruyama et al., 1992].
Зеленокаменные пояса - важнейший структурный элемент древнейших протоконтинентов. Их уникальной (для архея) особенностью является низкий (пренит-пумпеллиитовой фации) метаморфизм пород центральных частей большинства структур этого типа. Именно этой особенностью объясняется живейший интерес, проявленный геологами к зеленокаменным поясам после появления геохронологических данных, свидетельствующих о принадлежности некоторых из них к раннему архею. К числу важнейших относятся следующие особенности этих образований.
1. Осадочно-вулканогенные разрезы зеленокаменных поясов принадлежат двум типам: "первичному" и "вторичному", по А. Гликсону, [1980] (ниже, соответственно, ЗП-1 и ЗП-2).
Вулканиты первичных комплексов обычно имеют мафитовый и ультрамафитовый состав. В основании разрезов отсутствуют признаки формирования на континентальной поверхности или вблизи континентально-коровых образований (т.е. отсутствуют признаки трансгрессивного налегания на обрамляющие гранито-гнейсы, базальные конгломераты, продукты разрушения сиалических пород в составе терригенных осадков и т.п.). Преобладание пиллоу-лав и особенности осадков указывают на подводные, частью глубоководные, условия формирования разрезов. Это дает основания предполагать, что разрезы ЗП-1 формировались в энсиматических обстановках, подобных обстановкам в пределах современных океанов или задуговых бассейнов. Вторичные зеленокаменные комплексы - более молодые, по сравнению с комплексами ЗП-1 тех же протократонов, в основном, бимодальны или образованы непрерывными вулканическими сериями, где состав пород варьирует от ультраосновного до кислого. В основании разрезов ЗП-2 обычно наблюдаются признаки трансгрессивного налегания на гранито-гнейсы обрамления; известны случаи пересечения структурами вторичных поясов более древних структур ЗП-1. В верхней части разрезов ЗП-2 и отчасти ЗП-1 присутствуют терригенные прослои, включающие аркозы, арениты, кластические кварциты - продукты разрушения сиалических континентальных пород. Особенности осадочных и вулканогенных разрезов указывают на совмещение пород, формировавшихся как в мелководных, так и в глубоководных бассейнах. Во многих случаях установлено, что так называемые зеленокаменные "разрезы" представляют собой тектонические покровно-надвиговые ансамбли [Конди, 1983]; [Thurston, Groves, 1990]; [Love, 1994]; [Eriksson, Fedo, 1994], в том числе частично эродированные и перекрытые более поздними отложениями еще в раннем архее [Brick et al., 1995]. 2. Геохимические особенности вулканитов свидетельствуют о формировании отдельных компонентов зеленокаменных поясов в различных геодинамических обстановках, подобных обстановкам современной Земли: рифтогенных, океанических, окраинно-континентальных, островодужных. При этом систематическое сопоставление составов пород однотипных ассоциаций от архея до фанерозоя позволяет выявить эволюционные тренды составов вулканитов, отвечающих конкретным обстановкам [Condie, 1994].
Принципиальное значение для признания реальности тектоно-плитных механизмов в раннем докембрии имело открытие и детальное исследование раннедокембрийских офиолитовых ассоциаций, в строении которых участвуют все "обязательные" компоненты, включая комплекс параллельных даек. Подобные ассоциации обнаружены и в раннепротерозойских структурах (комплекс Йормуа, пояс Кайнуу, восточная часть Карельского протократона [Kontinen, 1987]; комплекс Пуртуник, пояс Кейп-Смит, северное обрамление Провинции Сьюпириор, Канада [Scott et al., 1989]; [Scott, Bickle, 1991], и в пределах позднеархейского пояса Йеллоунайф, северо-восток Канадского щита [Helmstaedt et al., 1986]; [MacLachlan, Helmsteadt, 1995].
Многочисленные работы посвящены выяснению природы архейских гранитоидов "серогнейсового" типа (тоналит-трондьемит-гранодиоритовой, ТТГ, серии) и определению их фанерозойских аналогов. Геохимические особенности и основные закономерности распределения РЗЭ в архейских серых гнейсах свидетельствуют о том, что архейские ТТГ отличаются от постархейских известково-щелочных ювенильных гранитоидов.
В качестве наиболее вероятной обстановки формирования этих плутонических пород выдвигается обстановка активных континентальных окраин [Martin, 1986, 1993, 1994].
Анализ структурных соотношений главных компонентов гранит-зеленокаменных областей, по-видимому, свидетельствует о более сложной, чем первоначально казалось, геологической истории этих образований, включавшей стадии накопления осадочного и вулканогенного материала, их последующего тектонического скучивания и размещения, а лишь затем - деформирования поднимавшимися гранито-гнейсовыми куполами и "куполовидными" гранитоидами.
По сравнению с гранит-зеленокаменными областями, представления о природе гранулитовых поясов остаются более неопределенными и противоречивыми. Породы гранулитовой фации метаморфизма принадлежат двум главным группам:
- гранулиты, участвующие в строении зональных метаморфических комплексов совместно с породами более низких степеней метаморфизма, вплоть до эпидот-амфи-болитовой и, в отдельных случаях, зеленосланцевой фации;
- породы собственно гранулитовых (гранулито-гнейсовых) поясов, где вариации уровня метаморфизма ограничены пределами гранулитовой и высокотемпературных ступеней амфиболитовой фации, тогда как проявления более низкотемпературных преобразований связаны с более поздними процессами (диафторезом).
В первом случае интерпретация гранулитовых ассоциаций не имеет принципиальных отличий по сравнению с задачами, возникающими при интерпретации СВК зеленокаменных поясов. Напротив, в случае гранулито-гнейсовых поясов такие отличия появляются и связаны именно с высокой степенью метаморфических преобразований, "стирающих" все признаки первичной природы дометаморфических протолитов, за исключением их химического состава. Однако и последний претерпевает определенные изменения, масштаб которых в большинстве случаев не может быть оценен с желаемой достоверностью.
В ряду проявлений гранулитового метаморфизма принято выделять [Percival, 1994]:
1) гранулитовый метаморфизм пород континентальной коры, погруженной в процессе коллизии под плиту надвинутого континента (А-субдукция); последующие метаморфические преобразования гранулитов определяются режимом подъема к "нормальному" уровню в коре в результате восстановления изостатического равновесия;
2) гранулиты, формирующиеся на глубинных уровнях активных окраин в качестве одного из компонентов ювенильной коры.
В рамках этих моделей предполагается закономерный переход от высокотемпературного метаморфизма к проявлениям низкотемпературной метаморфической зональности. Редкость реальных наблюдений подобных переходов связывается с тектоническими нарушениями синметаморфических структур.

К рассмотрению проблем, связанных с формированием гранулито-гнейсовых поясов и термальной структурой областей гранулитового метаморфизма, мы также обратимся ниже.
В последние годы за рубежом опубликованы фундаментальные работы, в которых предприняты попытки создания глобальных моделей эволюции континентальной коры в раннем докембрии на основе, прежде всего, результатов детальных геологических, геохимических и геохронологических исследований характерных структурно-вещественных ассоциаций. При различии авторских подходов и оценок общим в этих работах является признание подобия стиля тектонической эволюции в раннем докембрии и в фанерозое. Соответственно, предлагаемые модели, учитывающие специфику геологических процессов раннего докембрия, в общем плане развивают идеи тектоники плит применительно к ранним этапам геологической истории Земли [Precambrian plate..., 1981]; [Condie, 1989]; [Goodwin, 1991]; [Archean crustal..., 1994; и др.].
Обобщение широкого круга данных и анализ стиля архейской тектоники, по мнению В. Е. Хаина [Хаин, 1994], позволяют зафиксировать следующие этапы архейской эволюции.
1. Образование ядер протоконтинентальной коры началось 4.0, а возможно, уже 4.3-4.2 млрд. лет назад в результате переплавления первичной базальтовой коры, скорее всего, под воздействием мантийных струй - плюмов. Этот этап, предшествовавший возникновению тектоно-плитных механизмов, продолжался примерно до 3.5 млрд. лет.
2. В течение архея (скорее всего, между 3.5-3.0 млрд. лет) произошел переход от плюм-тектоники к тектонике плит. Существенные отличи архейской тектоники плит от протерозойской и, тем более, фанерозойской заключались в малых размерах и большом числе плит, их значительной пластичности и повышенной способности к внутренним деформациям. Особенностью спрединга был его диффузный характер при значительной протяженности осей спрединговых зон и более высоких скоростях расширения океанского дна. В зонах субдукции происходило погружение молодой коры несколько повышенной мощности, следствием чего была более значительная глубина выплавления толеитов. Эти особенности позволяют выделить особую архейскую форму тектоники плит "мультиплитную" или "эмбриональную".
3. Развитие континентальной коры в среднем-позднем архее заключалось в разрастании гранит-зеленокаменных областей путем аккреции вулканических дуг к серо-гнейсовым раннеархейским ядрам, а в конце архея - в коллизии эократонов с образованием гранулито-гнейсовых поясов типа Лимпопо между ними.
4. Архейская эволюция завершилась взаимной аккрецией отдельных континентальных фрагментов и формированием первого в истории Земли суперконтинента - Пангеи-0.
Дальнейшая эволюция, по-видимому, не имела принципиальных отличий от современной тектоники плит. Однако, как отмечает В. Е. Хаин, "единство траектории кажущегося блуждания полюса, полученной по палеомагнитным данным, показывает, что масштаб раздвига не мог превышать 1000-2000 км и что при закрытии палеоокеанских (микроокеанских) бассейнов их борта должны были возвращаться примерно в доспрединговое положение" [Хаин, Божко, 1988, с.159]. Эта оценка согласуется с результатами детальной реконструкции раннепротерозойской эволюции крупнейшего Северо-Американского кратона, выполненной П. Ф. Хоффманом [The Geology of North...,1989].

- - -


В отличие от предшествующих тектонических гипотез, конструировавших геодинамические процессы на основе исследований преимущественно дочетвертичных геологических структур и формаций, теория тектоники плит представляет собой модельное описание геодинамики и тектоники современной Земли. Еще недавно оставалось справедливым утверждение о том, что актуализм как метод имеет ограниченную применимость к отдельным сторонам геологической жизни Земли. В "Геологическом словаре", изданном в 1973 г. утверждалось, что "... он вовсе не применим, например, к процессам, происходящим в глубинах Земли, в частности, к тектоническим ..., ибо мы не знаем как они протекают сейчас (курсив наш - М. М.) и, стало быть, в данном случае просто нет базы для применения актуалистического метода". Исследование закономерностей современной тектоники и создание концепции тектоники плит впервые сделали возможным использование актуалистического метода при тектонических исследованиях и палеогеодинамических реконструкциях древних геологических процессов. Понятно, что актуалистическая интерпретация раннедокембрийских структурно-вещественных комплексов сопряжена с принципиальными затруднениями, связанными со сложностью оценки характера и степени необратимых изменений, определяемых эволюцией Земли как планеты. Наиболее очевидны различия в тепловом балансе древней и современной Земли, так же как и вероятные следствия этих различий для темпа тектонических движений и процессов магмогенерации. Очевидны также изменения состава мантийного магматического источника, связанные с дифференциацией мантийного вещества и отделением ядра и коры от мантии Земли [Сорохтин, Ушаков, 1993]. Между тем, оценка масштабов и уровня влияния этих изменений на характер геодинамических обстановок является одной из наиболее важных задач современной геологии.
В качестве примера сошлемся на опыт изучения "зеленокаменных поясов". Еще сравнительно недавно они рассматривались в качестве исключительно архейского феномена. При этом предполагалось, что формирование образующих их вулканогенно-осадочных ассоциаций было связано с некоей специфической геодинамической обстановкой, противопоставлявшейся геодинамическим обстановкам современной и фанерозойской Земли [Лутц, 1985]. Однако уже на ранней стадии исследований появилась уверенность в том, что зеленокаменные "разрезы" представляют собой сложные образования, отдельные компоненты которых были сформированы в различных условиях и обстановках [Конди, 1983]. Было показано, что конкретные вулканогенные и осадочные комплексы, в большей или меньшей степени подобные участвующим в строении архейских зеленокаменных "разрезов", формировались в течение всей геологической истории Земли. Систематический анализ геохимической эволюции однотипных вулканических ассоциаций, начиная с зеленокаменных поясов архея и протерозоя и кончая зеленокаменными ассоциациями фанерозоя и вулканитами соответствующих геодинамических обстановок современной Земли, выполненный К. Конди ("Зеленокаменные ассоциации во времени" [Condie, 1994]), позволил установить ряд закономерных изменений на фоне несомненной общности этих образований в течение всей геологической истории. Выявленные закономерности позволяют, в свою очередь, обратиться к анализу эволюции самих обстановок.
Вместе с тем, при интерпретации структурно-вещественных комплексов (СВК) необходимо учитывать принципиальные различия уровня эрозионного среза фанерозойских (и тем более современных) и раннедокембрийских структур. Значительная часть наблюдаемых сегодня раннедокембрийских СВК, формировавшихся в различных геодинамических обстановках, отвечает глубинным срезам континентальной коры. Поэтому специфичность одних и особенности состава других раннедокембрийских ассоциаций, не находящие полных аналогов среди более молодых образований, могут целиком определяться именно глубинностью формирования и вообще не быть связанными с эволюцией Земли. Вероятные причины глубокого среза многих геологических структур раннедокембрийской коры мы рассмотрим ниже. Здесь же уместно взглянуть на обратную сторону медали: именно изучение особенностей раннедокембрийских СВК представляет собой одно из продуктивных направлений исследования глубинных петрогенетических процессов в различных геодинамических обстановках, включая их современные аналоги!
Таким образом, вопрос сегодня состоит не в том, чтобы решить, возможно ли использование принципа актуализма при исследованиях раннего докембрия, а в том, чтобы с помощью специальных исследований, в том числе эмпирического плана, оценить масштабы эволюции условий протекания геологических процессов за длительный период геологической истории раннего докембрия (с 4.0-3.8 до 1.7 млрд. лет назад).
На наш взгляд, не следует переоценивать достоверность теоретических оценок важнейших параметров ранней Земли. Безусловно, эти оценки постепенно формируют количественную базу для реконструкций раннедокембрийской геодинамики, однако очевидные трудности связаны с получением характеристик конкретных обстановок. Поэтому при разработке реконструкций геологической эволюции конкретных регионов и локальных структур приоритет, по-видимому, следует отдать эмпирическому подходу, прежде всего, поиску многосторонних вещественных и структурных аналогий и детальному анализу различий структурно-вещественных комплексов раннедокембрийских и фанерозойских областей.
Следует напомнить в этой связи, что и само создание концепции тектоники плит первоначально явилось результатом анализа и обобщения эмпирических закономерностей, "триумфом эмпирических наблюдений" [Glikson,1981]. В то же время, оценивая возможность реализации эмпирического подхода к разработке специальной модели геодинамики для раннего докембрия, не связанной с геодинамическими моделями современной Земли, следует учитывать неизбежные трудности. По меткому замечанию У. Файфа, если представить себе на мгновение, что нашим наблюдениям доступны фрагменты, размер которых не превышает нескольких процентов земной поверхности, что эти фрагменты лишены рельефа, породы не имеют реальных палеомагнитных характеристик, значения теплового потока не могут быть непосредственно измерены, что мы не располагаем данными сейсмологии, не знаем распределения континентов и океанов, породы лишены фаунистических остатков, а точность оценки возраста нередко составляет 100 млн. лет - возможно ли было бы при подобных ограничениях для современной Земли распознать тектонику плит? [Fyfe, 1981]. Добавим, что и любая иная геодинамическая теория в подобных условиях неизбежно оказалась бы умозрительной. Но ведь именно таковы наши возможности при изучении раннедокембрийской эволюции.