ГЕОДИНАМИКА ДОКЕМБРИЙСКОЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Итак, РТ-тренды на рис. 2 отражают особенности термического режима погружения пород на большие глубины и последующий их подъем в разных геологических структурах. Это объективная и достаточно точная запись изменения термодинамических условий метаморфизма. Она отражает гравитационное перераспределение горных пород в земной коре [3], записанное в составах сосуществующих минералов [1]. По существу это крупномасштабная конвекция пород земной коры в гравитационном поле Земли, определяемая законами гидродинамики [7, 8]. Никакими другими моделями, кроме гравитационных, эту конвекцию объяснить невозможно. Особенно, если учесть повсеместное развитие таких явлений, выраженное в РТ-трендах метаморфической эволюции. Так, по диффузионным Fe-Mg каймам в крупных зернах граната удалось определить, что регрессивный этап метаморфизма пород гранулитовой фации метаморфизма в Ханкайском комплексе длился не более 3 миллионов лет [6]. Эта оценка близка к результатами изотопно-геохронологических исследований упомянутых выше гранулитов пояса Лимпопо (ЮАР). Здесь длительность метаморфического процесса определена в 3-5 млн. лет. За это время породы поднялись с нижних частей земной коры, т.е. с глубины порядка 30-40 км до уровня 12-13 км. Это значит, что скорость перемещения материала в земной коре составляет около 4-5 мм/год, что почти в пять раз превышает скорость эрозии и соответствующего осадконакопления материала в глубоководных бассейнах. При этом следует еще учесть очень высокую вязкость метаморфических пород: при относительно низких значениях температуры (400-600 ⁰С) она достигает величин порядка 10²⁰ пуаз. Это на 12-18 порядков выше вязкости силикатных магматических расплавов, относительно быстро изливающихся на поверхность земной коры.

Мощные накопления осадочных пород в глубоководных бассейнах хорошо известны в областях интенсивного сноса материала с континентальных окраин. Но, как показано в начале этой статьи, объем накопленного материала не сопоставим с теоретически рассчитанным объемом тех осадков, которые могли быть снесены благодаря процессу эрозии. Из этого ясно, что эрозионная модель не может объяснить РТ-петли на рис.2.

Известна также модель термальной конвекции, согласно которой породы на глубине кондуктивно разогреваются, частично разуплотняются и, как следствие, всплывают к поверхности Земли. Теоретическими расчетами и экспериментами доказано, что для пород с низкой темепературопроводностью механизм кондуктивного теплопереноса не эффективен. Кроме того, погружение пород на большие глубины приводит преимущественно к их уплотнению под воздействием высокого давления. И лишь при очень высоких dT/dP градиентах возможно их тепловое разуплотнение. Такие градиенты, однако, в земной коре практически не встречаются. Термальная модель не позволяет численно смоделировать процесс конвекции даже при допущении, что горные породы соответствуют по своим свойствам ньютоновской жидкости: при вязкости 10^20-19 пуаз температура его инициирует, но не поддерживает в стационарном режиме.

Более эффективной оказалась иная термо-конвективная модель, обусловленная гравитационным перераспределением пород в земной коре под воздействием флюидно-теплового потока [3]. Количество материала, снесенного с континентальной коры в бассейн осадконакопления в процессе эрозии, несопоставимо с объемом вулканогенных пород. Даже ложе окраинных морей, - наиболее крупных бассейнов аккумуляции снесенного с континентов материала, - на 80 - 90% состоит из вулканических пород, возникших в процессе активной деятельности подводных вулканов. Состав и плотность этих пород закономерно изменяются в сторону верхних частей вулканогенных толщ: низы разрезов сложены кислыми вулканитами, затем следуют андезиты, а верхи представлены базальтами [9]. Плотность кислых пород примерно на 20% ниже плотности базальтов. Ясно, что разрезы таких толщ потенциально неустойчивы в гравитационном поле Земли: любое термальное возмущение приведет к снижению вязкости и плотности пород, и в пределах каждой такой толщи произойдет гравитационное перераспределение материала. Если геологический разрез двухслойный, то возникнут простые диапиры - прямые аналоги соляных диапиров, которые возникают из пластов каменной соли (NaCl) и, благодаря своей более низкой плотности и вязкости, всплывают в верхние части разрезов силикатных и карбонатных осадочных толщ.

С появлением мощных компьютеров появилась возможность численного моделирования геодинамических процессов в рамках классической гидродинамики. Как и в случае термальной модели, в первом приближении можно использовать однородную ньютоновскую жидкость для РТ-условий подъема и остывания пород группы 3 на рис.2. Анализ такого моделирования дан в специальной работе [3]. Здесь же заметим, что заданная вязкость пород варьировала в пределах 10¹⁹ - 10²⁰ пуаз, а градиент плотности не превышал 0.7 г/см³. Моделирование проводилось по специально разработанной на основе метода конечных элементов программе DIAPIR с помощью рабочей станции SUN для бесконечного по простиранию разреза. Химическое взаимодействие между слоями при этом не рассматривалось.

Скорость гравитационного перераспределения пород в земной коре определяется многими параметрами. И не только абсолютными их значениями, но их послойным различием. Например, развитие простейшего  двухслойного гравитационно неустойчивого разреза в любом случае приведет к формированию диапира менее вязкого и менее плотного вещества в вышележащем веществе более плотном и более вязком веществе. Таковы, например, интрузии гранитных магм в относительно однородные толщи вулканогенных или осадочных пород [2]. В случае многослойных разрезов с дискретным распределением вязкости и плотности снизу в верх по разрезу, градиент температуры типа 3 на рис.2 может привести к образованию гранито-гнейсовых куполов в так называемых гранит-зеленокаменные поясах (ГЗП). Они распространены в выступах наиболее древней коры континентов, сформировавшейся более 3 млрд. лет тому назад. С их эволюцией, как правило, связаны месторождения высококачественных железных руд, золота и других полезных ископаемых. Обычно зеленокаменные пояса сложены слабо метаморфизованными породами (метабазальтами, метакоматиитами, полосчатыми железо-кремнистыми формациями типа КМА) и они прорываются гранитными диапирами. Диапиры имеют купольное строение и оконтурены зонами гнейсов. Их формирование неплохо моделируется 5-слойной моделью, согласно которой достаточно мощные грибовидные диапиры медленно формируются в средней части разреза (см. рис. 3).

Следующая страница| Назад