Геология и геодинамика ранней Земли: взгляд из Карелии

Реконструкции геодинамических процессов в архейскую и протерозойскую эпохи, позволяющие приблизиться к пониманию облика ранней Земли, решению проблемы суперконтинента Кенорленд, в состав которого входил и Карельский кратон – в фокусе внимания ученых-геологов КарНЦ РАН (г. Петрозаводск)

Изучение истории становления континентов Земли требует рассматривать их как закономерную последовательность процессов зарождения литосферы, протекающих в ней магматических и метаморфических явлений, приводящих, в том числе, и к формированию разного рода месторождений.

Так, на основании палеомагнитных и геологических данных сотрудники КарНЦ РАН (г. Петрозаводск) совместно с учеными геологического факультета МГУ (г. Москва) провели реконструкцию неоархейского суперконтинента Кенорленд. Его исследование необходимо для понимания общей картины эволюции структуры литосферы Земли. Изучение состава пород кратонов, в частности, на Фенноскандинавском (Балтийском) и Индийском щитах, раскрывает особенности их происхождения, позволяет оценить скорость роста континентальной коры и способствует познанию геодинамических процессов на ранней Земле.

Карельские геологи-докембристы проводят в настоящее время исследования по теме 208 (госзадание) «Общие закономерности развития тектоносферы и биосферы Земли в раннем докембрии (на примере Восточной Фенноскандии): анализ магматических, метаморфических систем, металлогении и ранней жизни», при этом они активно используют данные, полученные ранее при  реализации проектов, поддержанных грантами РФФИ, в том числе международными (российско-китайском и российско-индийским).

Каким видится древнейший суперконтинент Кенорленд, какие древние породы формируют Фенноскандинавский щит и чем уникален Карельский кратон, входящий в его состав, а также что представляют  собой раннедокембрийские эклогиты Беломорской провинции Фенноскандии, открытые карельскими учеными, – об этом рассказал Александр Иванович Слабунов – доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, руководитель лаборатории геологии и геодинамики докембрия Института геологии КарНЦ РАН (г. Петрозаводск), профессор Петрозаводского государственного университета.   

«Сегодня, когда на наших глазах разворачивается борьба человечества с болезнью, вызванной коронавирусом, совершенно очевидно, что только полученные ранее фундаментальные знания ученых о строении и функционировании живых систем позволяют создавать вакцины и лекарства. Точно также и в других областях науки: только познание фундаментальных закономерностей позволяет полноценно использовать эти знания для решения поставленных задач тогда, когда это необходимо. Науки о Земле не являются исключением. Чтобы выстраивать стратегии освоения и развития территорий планеты, поиска полезных ископаемых необходимо понимать, как функционирует и функционировала эта сложная система.

Ранняя или докембрийская (т.е. древнее 541 млн лет) история Земли составляет 90 % времени существования планеты. В этот период сформировалась большая часть континентов (см. Рис. 1), на которых мы живем, атмосфера, биосфера и многие полезные ископаемые, которыми мы пользуемся.

В докембрии образовались наиболее значимые запасы руд железа, золота, платины, никеля и многие другие, необходимые человечеству полезные ископаемые. На территориях, сложенных древними (докембрийскими) породами, в настоящее время проживает большая часть человечества. Это означает, что от наших знаний о геологическом строении и истории формирования этих частей континентов зависит не только стратегия поиска месторождений полезных ископаемых, но и во многом стратегия выживания человечества. Накопленные знания о современной Земле позволили во второй половине XX века сформулировать теорию литосферных плит. Она основывается на том, что верхняя оболочка Земли – литосфера – состоит из отдельных плит, которые, как льдины, плавают по поверхности «бурлящей» мантии. Плиты между собой сталкиваются и тогда могут образоваться Гималаи, другие плиты погружаются в мантию и тогда образуются вулканические дуги, например, огненное кольцо по берегам Тихого океана. Так что, эта теория, как нам представляется, логично объясняет то, что происходит с земной твердью сегодня, и геологи руководствуются ею при поиске полезных ископаемых, прогнозировании опасных природных явлений. Но вот, когда началось движение этих плит, какими они были и как двигались раньше, мы знаем мало. А ведь без этих знаний геологи, с одной стороны, не могут обеспечить научное обоснование поиска многих полезных ископаемых, а с другой, не могут прогнозировать дальнейшую историю планеты», – Александр Слабунов указал на важность познания геодинамических процессов на ранней Земле.

В этой связи большой интерес для исследователей представляет Фенноскандинавский щит, который является по многим параметрам эталоном. По замечанию ученого, «Фенноскандинавский щит – это выход на поверхность докембрийских пород в очень обжитом районе, с хорошим климатом и неплохим экономическим потенциалом. Все это делает его весьма интересным и доступным для изучения, и он, действительно, относится к числу наиболее исследованных. Именно поэтому здесь находятся многие эталоны докембрийских толщ, здесь довольно полно записана история Земли в период от 3 до 0.5 млрд лет».

На Фенноскандинавском щите известны архейские породы. Насколько это древние образования? Какой возраст самых древних пород Фенноскандинавского щита? 

«Наша планета Земля образовалась (т.е. сформировалась в виде твердого небесного тела из космической пыли) примерно 4.5 млрд лет (возраст нашего Солнца оценивается в 4.65 млрд лет, а нашей Вселенной – 13.8 млрд лет). Период истории от 4.5 до примерно 4.0 млрд лет называется Хадей, а от 4.0 до 2.5 млрд лет – Архей. Самое древнее земное вещество, которое ученым удалось найти на поверхности планеты – это кристаллы минерала циркона (ZrSiO₄), которые кристаллизовались в гранитах 4402 млн лет назад. Эта находка сделана в кварцитах местечка Джек Хиллс (Jack Hills) в Западной Австралии (см. Рис. 1). Причем сами древние граниты, с которыми связаны древнейшие цирконы, найти пока не удалось. А вот самые древние на Земле горные породы установлены на севере Канады (см. Рис. 1): это граниты Акаста, возраст которых оценивается в 4.03 млрд лет, но в последнее время на эту роль начинают претендовать габбро из пояса Нуввуаквиттук (Nuvvuaqittuq) с возрастом 4.1-4.3 млрд лет (правда этот возраст принимается не всеми, идет дискуссия).

Фенноскандинавский щит, на котором располагается и Карелия, находится относительно недалеко от Канады, но таких древних пород как там, нам пока не удается найти. Но архейские, очень похожие внешне на древнейшие метаморфизованные гранитоиды Акаста, породы слагают большую часть восточной части щита. Эти гранитоиды относятся к ассоциации тоналитов-трондьминов-гранодиторитов (ТТГ), они, как правило, метаморфизованы и поэтому именуются ТТГ гнейсами или серыми гнейсами (т.к. часто имеют серую окраску) (см. Рис. 2). Их возраст варьирует на Фенноскандинавском щите от 3.5 до 2.6 млрд лет. Самые древние из них – гранитоиды Сиуруа в Финляндии (см. Рис. 1) – имеют возраст 3.5 млрд лет (однако содержат реликты вещества с возрастом 3.7 млрд лет) и формируют маленький пятачок земной коры. Наиболее крупный фрагмент древней (3.2(3.3) – 2.8 млрд лет) континентальной коры – это Водлозерский террейн (см. Рис. 1) в юго-восточной части щита (на территории Карелии и Архангельской области). Среди полей архейских гранитодидов располагаются узкие структуры – зеленокаменные пояса, сложенные метаморфизованными вулканитами и осадками. В них сосредоточена большая часть рудных месторождений, хотя они составляют не более 10-15 % древней коры», – комментирует Александр Слабунов.

Отличаются ли древние породы от современных? Если, да, то что это означает?

«Древние горные породы, как правило, имеют современные аналоги, что дает нам возможность сравнивать их напрямую. Так породы, сходные по составу с архейскими ТТГ гнейсам, встречаются и среди современных магматических образований – это вулканиты адакитовой серии, которые образуются при пологой субдукции молодых океанических плит. Однако масштабы проявления у этих комплексов не сопоставимы: адакиты образуются лишь в некоторых вулканических дугах, тогда как ТТГ-гнейсы формируют целые континенты. Примерно также обстоит дело с другой, широко распространенной в архейских зеленокаменных поясах породой, – коматиитом (ультраосновной вулканической породой со своеобразными обособлениями кристаллов оливина в виде пакетов, напоминающих траву спинифекс из Западной Австралии – (см. Рис. 3).

Коматииты очень широко распространены в архее, а в наше (т.е. начиная с 541 млн лет) время они встречаются, но крайне редко. Есть, конечно, горные породы, которые обычны для докембрия, но не встречаются в фанерозое. Это полосчатые железистые кварциты (см. Рис. 4) – важнейший тип железных руд (именно они образуют Костомукшское месторождение в Карелии, Оленегорское – в Мурманской области, месторождения Курской магнитной аномалии). Эти осадочные горные породы могли образоваться только, если атмосфера нашей планеты не содержала кислород. Исходя из сказанного, совершенно очевидно, что наша планета в архее не была такой же, как современная: у нее была более горячая мантия и более интенсивно протекали магматические процессы, были другие по составу атмосфера, океаны. Но вот общий набор магматических пород и их важнейшие индикаторные особенности имеют значительные черты сходства. Это может означать, что главные механизмы взаимодействия геосфер (геодинамические процессы) Земли уже в архее работали примерно также, как и сейчас, однако интенсивность и соотношение отдельных процессов было иное, иной была и среда обитания на ее поверхности. Но при этом уверенно можно говорить о том, что океаны не состояли из крутого кипятка, в них, начиная по крайней мере с 3.8 млрд лет, обитали живые организмы. Нам еще предстоит понять, насколько ранняя Земля было похожа на современную, а в чем была совершенно другой», – считает Александр Слабунов.

Ученые КарНЦ РАН проводили исследования, которые позволяют оценивать расположение Карельского кротона на поверхности Земли в архейское время, т.е. миллиарды лет назад, а также реконструировать конфигурацию древнейшего суперконтинента Кенорленд.

Как это поможет уточнить особенности геологической истории Земли и присущи ли Карельскому кратону какие-то уникальные особенности, профессор Слабунов подробно разъяснил: «Литосфера Земли (т.е. верхняя твердая геосфера мощность 150-300 км) разбита, как было сказано ранее, на плиты, и в их составе могут быть два отличных по своему строению и составу типа: континентальная и океаническая. Континентальная литосфера напоминает айсберг, но она в отличии от льда, однажды сформировавшись за счет переплавления океанической литосферы, никогда не тает, а постепенно накапливается.  А вот океаническая постоянно обновляется (сейчас, например, в океанах нет океанической литосферы древнее 170 млн лет). Так что раннюю историю Земли можно изучать только на континентах. Крайне интересным следствием того, что литосфера состоит из движущихся плит, является то, что время от времени (примерно раз в 500-700 млн лет) все фрагменты континентальной литосферы объединяются в единой целое – образуется суперконтинент. Первый из них – Кенорленд, как сейчас многие считают, образовался в конце архея (около 2.7-2.5 млрд лет назад). В него входил и Карельский кратон, конечно.

Современные методы изучения древнего магнитного поля позволяют оценить широту, на которой находился данный фрагмент земной коры (в нашем случае древнее ядро Карельского кратона) в момент остывания слагающих ее горных пород до температуры Кюри (для магнетита – минерала, который хорошо «запоминает» ориентировку магнитного поля – эта температура около 570◦С). Очень важно, что у нас имеется возможность, благодаря методам изотопной геохронологии, оценить также и время, когда это остывание произошло.  Таким образом, изучая палеомагнитные свойства близких по возрасту Онежских гранулитов и габброидов Панозерской интрузии, нам с профессором Н.В. Лубниной (Москва, МГУ) удалось определить палеошироту, на которой находилось древнее ядро Карельского кратона, сопоставить это с данными по другим кратонам мира и предложить конфигурацию древнейшего суперконтинента Кенорленд (см. Рис. 5)».

Кроме того, как подчеркнул Александр Слабунов, эти данные «позволяют утверждать, что в конце архея механизмы тектоники литосферных плит уже действовали и появление первого суперконтинента является хорошим индикатором этого. Некоторые кратоны и подвижные пояса, сейчас слагающие разные континенты, в архее имели другое положение.  Именно поэтому Карельский кратон так сходен с канадской провинцией Съюпериор, а Беломорский пояс с африканским поясом Лимпопо, ведь в архее эти структуры были составляющими единой системы, сходной с современным восточным краем Евразийского континента. Карельский кратон – это типичная структура данного класса (т.е. это эталонный архейский кратон), состоящая из архейских ТТГ гнейсов, зеленокаменных поясов и перекрывающего их протерозойского чехла. В этом чехле в Онежской структуре установлены уникальные геологические образования: древнейшая в мире каменная соль и шунгиты – древнейшая нефть. Так что наш кратон и типичный, и уникальный».

Для решения вопроса о происхождении и роли теории тектоники плит в эволюции Земли большое значение имеют раннедокембрийские эклогиты Беломорской провинции Фенноскандии, которые были открыты геологами КарНЦ РАН.

Что представляют собой эклогиты и где их можно обнаружить на Земле? Что известно о беломорских эклогитах в настоящее время и в чем их уникальность?

«Для реконструкции геодинамических обстановок на ранней Земле мы сравниваем архейские образования с современными эталонами. Так, в зонах субдукции (например, Курило-Камчатская система) на удалении от глубоководного желоба формируется вулканическая дуга, сложенная породами базальт-андезит-риолитовой серии, в бассейнах между желобом и вулканической дугой образуются осадки преддуговых бассейнов, а погружающаяся (субдуцирующая) океаническая литосфера постепенно эклогитизируется (т.е. породы основного состава под воздействием давления и температуры преобразуются (метаморфизуются)  в эклогиты – породы, состоящие преимущественно из минералов  граната и омфацита). При определенном стечении обстоятельств все три эти комплекса-индикатора субдукции (вулканиты, осадки и эклогиты) становятся составляющими орогенических поясов, указывая, что одним из эпизодов их развития была субдукция. В фанерозойских орогенических поясах (например, Уральском) такие сочетания указанных комплексов весьма обычны. А вот в архейских структурах вулканиты, сходные с островодужными, весьма обычны, также как и осадки, сходные с осадками преддуговых бассейнов, встречаются и фрагменты океанической коры, а вот архейские эклогиты, сформировавшиеся за счет коровых пород, не были известны до недавних пор. Поэтому находка группой под руководством д.г.-м н. О.И. Володичева (ИГ КарНЦ РАН, Петрозаводск) в Беломорском подвижном поясе эклогитов (см. Рис. 6), часть которых, как предполагается, имеет архейский возраст – было сенсацией. Это означало, что в архее был полный набор пород, формирующихся в субдукционной обстановке», – поделился научными фактами Александр Слабунов.

Какие новые изотопно-геохронологические и геологические данные получены по беломорским эклогитам?

«После публикации в 2004 году статьи об этих эклогитах и доклада о них на 32-м Международном геологическом конгрессе в Италии, началось их бурное исследование как российскими учеными, так и зарубежными коллегами, которое продолжается до сих пор. Так в 2019 году г. Петрозаводск, а также с. Гридино, принимали участников 13-й Международной конференции по эклогитам, которая в России проходила впервые.  Имеющиеся в настоящее время данные позволяют существовать трем точкам зрения на возраст эклогитов. Одна группа находит важные геологические, изотопно-геохронологические аргументы в пользу того, что в Беломорской провинции существуют только архейские эклогиты, другая группа убеждена, что надежно можно говорить только о протерозойских эклогитах, и наконец третья доказывает, что в регионе существует как архейские, так и протерозойские эклогиты.  Следует отметить, что дискуссия ведется на очень хорошем научном уровне, на конференциях, на страницах журналов и она весьма полезна и продуктивна.  Я разделяю мнение третьей группы и очень надеюсь, что находки последних лет позволят одинаково надежно обосновать существование и архейских, и протерозойских эклогитов. В настоящее время для этого требуется предоставить научной общественности факт того, что в архейских цирконах, выделенных из эклогитов, имеются включения и омфацита, наряду с тем, что, как уже показано, они обладают характерными для «эклогитовых» цирконов геохимическими особенностями и содержат включения граната», – карельский исследователь привел существующие в научном сообществе точки зрения на возраст эклогитов и выразил свой взгляд на проблему.

Кроме того, профессор Слабунов изучает эволюцию земной коры Бунделкхандского кратона Индийского щита. Ученый пояснил, чем вызван интерес к этой структуре и какие новые данные, важные для понимания основных особенностей эволюции Земли, были им получены: «В 2009 году я впервые побывал в Индии на научной конференции и в ходе геологической экскурсии познакомился с Бунделкхандским кратоном. То, что нам показывали коллеги, не согласовывалась с тем, что я знал об архейских кратонах. Дело в том, что в этом кратоне не были известны зеленокаменные пояса, хотя породы, характерные для них, нам показывали. Так этот кратон стал оселком, на котором мы проверяли правильность наших моделей развития ранней земной коры, разработанных на базе материалов по геологии Карельского кратона и сопряженных территорий. Такая работа пошла на пользу как нам, так и индийским коллегам. Мы совместными усилиями установили и изучили архейские зеленокаменные пояса, и убедились, что модели развития архейской земной коры, разработанные на примере Фенноскандинавского щита, работают и для Бунделкхандского кратона. Это позволило более надежно обосновать тот факт, что тектоника литосферных плит действовала в архее. А когда индийские ученые нашли проявление архейского эклогитового метаморфизма в этом регионе, то это было вишенкой к предложенной модели эволюции земной коры кратона, в которой как раз было место для этой находки».

Итак, комплексный анализ геологических, петрологических, геохронологических, геофизических данных о древних (раннедокембрийских) фрагментах литосферы позволяет надеяться на решение одной из важнейших фундаментальных проблем наук о Земле: понять, какие геодинамические процессы определяли лик ранней Земли.

Фото и иллюстрации Александр Иванович Слабунов