Океанское марганценакопление в свете исторической тектоники

3. Океанское марганценакопление

Весьма весомым и аргументированным свидетельством существования древнего океана являются раннепротерозойские хемогенно-осадочные месторождения Fe и Mn руд - крупнейшие носители основной массы мировых ресурсов этих металлов. Д. Шиссель и Ф. Аро предложили новый подход к тектоническому положению крупнейших осадочных бассейнов этого возраста [Schissel and Aro, 1992]. Основываясь на палеореконструкции Д. А. Пайпера [Piper, 1982], предположившего амальгамирование протерозойского суперконтинента между 2000-1800 млн лет, они показали, что большинство крупнейших бассейнов с Fe- и Mn-формациями образовывались в условиях пассивных тектонических окраин без признаков существенного вулканизма, на мелководных континентальных шельфах. Ранний протерозой (2,5-1,9 млрд лет) в истории Земли характеризуется развитием основной массы крупнейших железорудных формаций, составляющих свыше 90% всех мировых запасов. С ними ассоциируют крупнейшие Mn-рудные месторождения в Южной Африке, Бразилии и Индии; только одно гигантское поле Калахари (Южная Африка) содержит более 75% мировых запасов Mn. Такая ассоциация железорудных и марганцевых месторождений имеет прямую связь с океаническим источником этих металлов. Модель образования подобных месторождений подразумевает апвеллинг глубинных восстановленных вод, обогащенных Fe и Mn, в области континентального склона и шельфа и последовательное отложение, сначала Fe-формаций при пониженных величинах редокс потенциала, затем карбонатных и окисных Mn руд, при возрастании окисленности прибрежных вод [Hem, 1972; Krauskopf, 1957]. Она применима и к другим крупным осадочным месторождениям Mn, в частности, к олигоценовым.

Рис. 2. Модель образования Fe- и Mn-рудных формаций при схождении континентальных блоков

Д. Шиссель и Ф. Аро считают, что глубинные воды протерозойского океана были восстановлены и насыщены растворенными Fe и Mn. Мы придерживаемся иной точки зрения, поскольку в соответствии с данными [Галимов, 1988; Гаррелс, Маккензи, 1974] общая масса воды в океане, а также ее состав, уже 2,5-2 млрд лет назад были близки к современным. К тому же выше были приведены новые данные, свидетельствующие о существовании воды на Земле 3850 млн лет назад [Nutman et al., 1997], т.е. по меньшей мере за 1,5 млрд лет до описываемых событий. Все это означает, что на океанском дне уже тогда мог происходить процесс окисного осадочного рудообразования, сходный с современным. По-видимому, огромные массы Fe и Mn могли быть высвобождены при растворении ЖМО в период образования протерозойского суперконтинента, когда сходящиеся континентальные блоки замкнули часть океана.

Рис. 3. Стратиграфические формации, включающие Mn-отложения, ассоциирующие с Fe-формациями в Южной Африке, Бразилии и Индии

Принципиальное различие в этих представлениях связано с тем, что в восстановленных морских водах протерозойского океана соотношение Mn и Fe не могло сильно отличаться от соотношения этих металлов в породах ложа (0,017), что не позволило бы сформировать Mn-рудные формации, представленные в таких масштабах. По-видимому, огромные массы Fe и Mn могли быть высвобождены при растворении предварительно сконцентрировавших их ЖМО, и в период образования протерозойского суперконтинента,когда сходящиеся континентальные блоки замкнули часть океана, были выброшены на берег. Сильное сжатие привело к активизации глубинных процессов на океанском дне, следствием их стало возникновение восстановительных условий, несовместимых с сохранностью ЖМО. К тому же все это сопровождалось возникновением сильного апвеллинга и трансгрессией океана. Именно образование гигантских месторождений Mn и Fe руд в условиях пассивных континентальных окраин является геологическим следом внутриокеанических глубинных тектонических событий в раннем протерозое. Возможная модель этого процесса приведена на рис. 2.

Сходство условий отложения, вещественного состава и единое время образования рудных формаций объединяют Южную Африку, Бразилию и Индию в составе раннепротерозойского суперконтинента. В обстоятельной статье Д. Шисселя и Ф. Аро [Schissel and Aro, 1992] дано подробное описание стратиграфических разрезов, приведенных на рис. 3. Кратко оно сводится к следующему.

Наиболее изученная формация Хотазель в Южной Африке показывает 3 цикла образования Fe-слоев, пелитового гематита и смешанных Mn-карбонатных и Mn-окисных слоев, отвечающих трем морским трансгрессиям. В гигантском поле Калахари протяженность Mn-рудного тела достигает 90 км и несет следы 5 эрозионных циклов. Минералогический комитет ЮАР оценивает его ресурсы в 12,7 млрд тонн, что превышает, как уже указывалось, 3/4 мировых запасов.

Из-за метаморфизма и деформаций пород геологические разрезы Бразилии и Индии менее ясны, но стратиграфия метаморфизованных осадков обычно показывает переходы от Fe-формаций к карбонатным марганцевым и затем к марганцевым окисным формациям. Все три последовательности перекрываются регрессивными карбонатными отложениями, которые завершают Fe и Mn седиментацию.

Рис. 4. Пангея раннерифейского времени

В Бразилии наиболее крупные отложения находятся в провинции Минас Жериас; исторически они были важнейшим мировым источником Mn, но по мере истощения, их значение уменьшилось.

В Индии в провинции Орисса Mn-отложения также ассоциируют с Fe-формациями, перекрывая их. Они тоже играли важную экономическую роль, хотя сейчас в значительной мере выработаны.

Авторы заключают, что описанные осадочные Mn- и Fe-рудные отложения образовались, по-видимому, внутри сходных тектонических условий. Попытки графически изобразить раннепротерозойский суперконтинент крайне ограничены. В. Е. Хаин и Н. А. Божко предложили реконструкцию для раннего рифея (рис. 4) [Хаин, Божко, 1988]. В их книге говорится: "Реконструкция Пангеи 1 (имеется в виду раннепротерозойское время) представляет собой трудновыполнимую задачу" (с. 157), но авторы предполагают, что гипотетическая Пангея 1 напоминает более молодую Пангею. Последняя изображается в виде компактного блока, на котором рисуются контуры современных континентов, причем расположение их сравнительно мало отличается от палеореконструкции, предложенной Х. Дженкинсом [Jenkins, 1993] для триаса. Удивительно, что столь разновременные реконструкции представляются довольно сходными по расположению интересующих нас континентов. Мы также предприняли попытку воспроизвести возможное расположение континентальных блоков, несущих единовременные Fe- и Mn-рудные формации на раннепротерозойском суперконтиненте

Рис. 5. Предполагаемое расположение континентальных блоков на протерозойском суперконтиненте

(рис. 5). Что касается Антарктиды, то на нашей схеме она использована для получения замкнутой картины как по форме, так и по существу, хотя из-за слабой изученности этого континента в геологическом отношении, прямых данных для этого пока недостаточно. Однако здесь отмечены корки пустынного загара на выходах коренных пород, аномально обогащенные Mn [Dorn et al., 1992]. Возможно это признак погребенного подо льдами месторождения, что вполне соответствует геохимическим свойствам Mn.

Сколько же времени просуществовал протерозойский суперконтинент? На основании палеомагнитных данных Д. А. Пайпер [Piper, 1982] высказал идею, что он существовал в течение всего протерозоя. Геологические данные, по мнению Д. Шисселя и Ф. Аро [Schissel and Aro, 1992], свидетельствуют о его существовании между 1800 и 1100 млн лет. В то же время модель Дж. Роджерса [Rogers, 1996] вообще показывает, что первый суперконтинент Родиния возник лишь 1000 млн лет назад, т.е. отрицает существование раннепротерозойского суперконтинента. Такие противоречия в области трактовки геологической истории Земли свидетельствуют о недостаточности научного фундамента для достоверных палеореконструкций, особенно для древнейших эпох развития Земли. В этом случае целесообразно шире использовать такие важные признаки, как существование хорошо датируемых и тектонически определенных крупнейших в мире рудных формаций.

Нам представляется, что процесс агрегации протерозойского суперконтинента мог сопровождаться неполным закрытием части океанского бассейна, находящегося между континентальными блоками, по внутренним окраинам которых и могло происходить формирование рудных формаций. В этом случае легче объяснить причины возникновения апвеллинга, трансгрессии океана и геологически относительно непродолжительного времени образования столь крупных месторождений (между 2,3-1,9 млрд лет). Заметим, что при палеореконструкциях не всегда рассматривается возможность сохранения в пределах суперконтинентов фрагментов внутренних бассейнов, возможно и с океанической корой. Но этого исключать нельзя, более того, такие области впоследствии могли стать местом раскола суперконтинента.

Однако есть и другая модель, предложенная Д. Л. Андерсоном [Anderson, 1984] и поддержанная М. Гурнисом [Gurnis, 1988]. По ней мощный суперконтинент с толстой корой должен вызвать сильный мантийный апвеллинг и приобретать куполообразную форму (выступ геоида). Следствием становится раскол суперконтинента и отдельные блоки начинают движение в сторону мантийного даунвеллинга (геоидного понижения). Можно предположить, что выступ геоида в пределах суперконтинента в Южном полушарии совпал с центром раннепротерозойского схождения континентов, который стал также центром последующего раскола. Вопрос о длительности существования раннепротерозойского суперконтинента, строго говоря, остается открытым.

Далее обратимся к мезозойской геокинематике в пределах Южного полушария. Имеющиеся довольно многочисленные палеогеодинамические реконструкции иллюстрируют направления движения южных континентов в ходе образования Атлантики и Индийского океана. Если Африку рассматривать как наиболее устойчивый континент, то при расколе Гондваны наибольший импульс движения получили Южная Америка, Антарктида, Индия и Австралия. Южная Америка, отдаляясь от Африки, раскрывала южную половину современного Атлантического океана; Антарктида, дрейфуя к югу, раскрывала акваторию Южного океана в западной его части; Индия двигалась на север-северо-восток и, постепенно удаляясь от Африки, раскрывала западную часть Индийского океана. Так формировался молодой Индо-Атлантический сектор современного океана, в котором начало процесса железо-марганцевого рудогенеза соответствует возрасту его ложа.

Иное содержание имел дрейф Австралии. Он проходил в восточном и затем в северном направлении, отсекая при этом западный клин древнего Тихого океана, который и составил основу восточной половины Индийского океана с унаследованными от древних времен накоплениями Mn. Разумеется, ЖМО здесь были многократно переотложены, однако благоприятные фациальные условия глубоководных котловин способствовали их регенерации в этой половине океана.