Р-Т тренды и модель формирования гранулитовых комплексов докембрия

Гранулитовые комплексы представляют собой наиболее высокотемпературные метаморфические образования в докембрийских щитах большинства современных платформ. Исследования границ гранулитовых комплексов с менее метаморфизованными породами показывают, что они обычно являются тектоническими (например, Минц и др., 1996; Van Reenen & Smit, 1996). При этом генетические соотношения гранулитов с другими метаморфическими образованиями в большинстве случаев трудно выяснимы. Здесь и далее для обобщенного обозначения пород гранулитовых комплексов мы будем использовать термин гранулиты, который в последние годы получает все более широкое распространение в научной литературе (см. например, книги "Геохимия гранулитов ", Ножкин и Туркина, 1993; "Геология гранулитов", 1981; "Granulites and crustal evolution", 1990 и др.). В соответствии с общепринятыми представлениями докембрийские гранулиты представляют собой нижнюю часть континентальной земной коры, вскрытую процессами эррозии. Такие представления, однако наталкиваются на две существенных проблемы:
(i) проблема осадков (например, Эз, 1997) - предположение о преимущественно эррозионном механизме вывода огромных площадей докембрийских гранулитовых комплексов на поверхность с глубин порядка 20-40 км вызывает вопрос о местонахождении гигантских масс обломочных осадочных пород соответствующего возраста, которые отсутствуют на прилегающих к гранулитовым комплексам кратонах (например, кратоны Каапвааль и Зимбабве, сопряженные с гранулитовым поясом Лимпопо или кратоны Инари и Карельский, сопряженные с Лапландским гранулитовым поясом);
(ii) проблема высокобарных гранулитов - в случае площадной эррозии утолщенной коры в ее основании должны оставаться наиболее высокотемпературные и высокобарные гранулиты, сформированные при температурах >900^oC и давлениях >12-15 кбар, которые, однако, не фиксируются в ксенолитах из кимберлитовых трубок, прорывающих гранулитовые комплексы (например, Pretorius & Barton, 1995).
Наиболее активный интерес к изучению гранулитовых комплексов возник после появления минералогической термобарометрии (Перчук, 1968, 1973, 1976) и разработки на ее основе точных методик вывода Р-Т трендов метаморфических пород (Перчук и др., 1980, 1983; Perchuk & Lavrent'eva, 1983). Р-Т тренды представляют собой запись сопряженного изменения температуры и давления в ходе геологической истории метаморфических пород и поэтому их значение при разработке физически обоснованных геодинамических гипотез невозможно переоценить. Это в полной мере касается докембрийских гранулитовых комплексов, длительность и сложность геологической истории которых признается всеми исследователями (например, Перчук и др., 1980; Perchuk 1989, 1991; см. также обзоры Harley, 1989; Thompson, 1990; Spear, 1993).
Изучение докембрийских гранулитовых комплексов является одним из наиболее сложных и интересных направлений в современной метаморфической петрологии. Результатам исследования этих комплексов посвящены многочисленные публикации в научной литературе, а гипотезы о их происхождении и эволюции отличаются значительным разнообразием (см. обзоры Harley, 1989; Thompson, 1990, Spear, 1993).
В исследованиях генезиса и эволюции докембрийских гранулитовых комплексов можно условно выделить два взаимосвязанных аспекта - (1) накопление и систематизация геологических, петрологических и структурных данных и (2) их геодинамическая интерпретация. Методический прогресс касается в основном обработки данных, где используются самые современные структурные, физико-химические и геохронологических методики. В частности, обобщение результатов исследования Р-Т эволюции гранулитовых комплексов (Perchuk, 1985, 1989) показало, что для них характерны только ретроградные Р-Т тренды, тогда как более ранняя термодинамическая и структурная история гранулитов практически полностью затерта в ходе их высокотемпературной перекристаллизации на пике метаморфизма. На основе исследования Р-Т трендов ~90 гранулитовых комплексов С.Харли (Harley, 1989) предложил разделить эти тренды на две большие группы: субизобарического остывания и субизотермической декомпрессии. Различия в характере Р-Т трендов большинством автором связывается с с существенными различиями в происхождении различных гранулитовых комплексов (см. обзоры Harley, 1989; Thompson, 1990; Spear, 1993).
При геодинамической интерпретации данных обычно господствует качественный подход и используются достаточно общие представления об относительных перемещениях блоков земной коры, заимствованные из тектоники плит. Аналитическая проверка приложимости этих представлений к конкретным гранулитовым комплексам не проводится, а физическая непротиворечивость предложенных тектонических моделей не изучается. В методическом плане это делает актуальным систематическое использование физико-математических методов (в частности численного геодинамического моделирования) при разработке геодинамических гипотез генезиса и эволюции докембрийских гранулитовых комплексов.
Отличительной чертой, объединяющей большинство гипотез генезиса и эволюции гранулитов, является предположение о том, что движущие силы этих процессов были исключительно внешними по отношению к земной коре. Так, (i) континентальная коллизия, (ii) растяжение земной коры, (iii) массовое внедрение магм мантийного происхождения в нижнюю часть коры (magmatic underpalting), отделение холодной мантийной литосферы (crustal delamination), (iv) тектонический подъем блоков земной коры и (v) эрозия считаются главными процессами, сочетающимися в тех или иных комбинациях в большинстве геодинамических гипотез генезиса гранулитовых комплексов (например, England & Thompson, 1984; Thompson & England, 1984; Harley, 1989; Thompson, 1990; Spear, 1993; Henry et al., 1997). В целом среди многообразия гипотез происхождения и эволюции докембрийских гранулитовых комплексов (например, Brown & Earle, 1983; England & Thompson, 1984; Ellis, 1980, 1987; Harley, 1989; Sandiford & Powell, 1986; Bohlen, 1987) наибольшей популярностью пользуются разнообразные варианты коллизионно-эрозионной модели. Практически только эта модель достаточно полно исследована теоретически с использованием одномерного (England & Thompson, 1984) и двухмерного (например, Henry et al., 1997) физико-математического моделирования и расчета теоретических Р-Т трендов эволюции пород.
В плане тектонических гипотез генезиса гранулитов ключевое дополнение было сделано в работах Л.Л.Перчука (1989, 1991), предположившего существенную роль внутрикоровых сил плавучести (Рамберг, 1985; Белоусов, 1969, 1989; Эз, 1991, 1997; Гончаров, 1989) и процессов корового диапиризма (гравитационного перераспределения пород) при формировании и подъеме (эксгумации) докембрийских гранулитовых комплексов. Идеи корового диапиризма (Рамберг, 1985; Перчука 1989, 1991) имеют много общего с предположением о существовании нестационарной коровой конвекции (Эз, 1997) или адвекции (Белоусов, 1969), обусловившей сложные деформации и перемещение (циркуляцию) вещества метаморфических комплексов в пределах докембрийской коры. Диапировая модель генезиса гранулитов (Perchuk et. al., 1992a, 1997a,b; Perchuk & Gerya, 1995, 1998a) базируется на идеях потенциальной гравитационной нестабильности разрезов континентальной коры большинства докембрийских кратонов. Эта нестабильность обусловлена присутствием в верхних и средних частях геологического разреза значительных количеств основных и ультраосновных пород докембрийских зеленокаменных поясов. В случае снижения вязкостей пород нижней части коры при ее прогреве до условий гранулитовой фации метаморфизма гравитационная нестабильность может вести к подъему нижне-корового вещества в виде региональных систем гранулитовых диапиров.
В связи с моделью гравитационного перераспределения важное значение приобретает мало изученный вопрос о связи гранулитов с зеленокаменными поясами. Геохимические и петрологические исследования (например, Петрова и Левицкий, 1984; Ножкин и Туркина, 1993; Van Reenen & Smit, 1996; Kreissig et al., 1999) свидетельствуют о том, что значительная часть протолита докембрийских гранулитовых комплексов представлена породами зеленокаменных поясов. При этом геологические взаимоотношения между гранулитами и зеленокаменными поясами докембрия почти не изучены, в том числе из-за крайне редких находок прямых контактов между этими комплексами. Необходимо отметить, что гипотеза гравитационного подъема гранулитов позволяет автоматически решить проблемы, которые были указаны ранее для эррозионной модели, поскольку предполагает циркуляцию вещества внутри земной коры при относительном постоянстве ее мощности.
При очевидной перспективности идей корового диапиризма применительно к генезису гранулитов их развитию и обоснованию посвящено лишь небольшое число публикаций (Perchuk, 1989, 1991; Perchuk et al., 1992a, 1997a,b; Perchuk & Gerya, 1995, 1998a; Gerya et al., 1999) и дальнейший прогресс в этом направлении очевиден. Отсюда вытекает главная цель диссертации, которая может быть сформулирована следующим образом:
На основе оригинальных геологических, структурных, физико-химических и геодинамических исследований гранулитовых комплексов докембрия и их взаимоотношений с архейскими зеленокаменными поясами создать теоретические основы гравитационной модели формирования и эволюции гранулитов.
Ниже перечислены задачи исследования, которые прямо следуют из поставленной цели диссертации.
Методический прогресс для достижения цели диссертации предполагает
(1) разработку взаимосогласованной системы системы геотермометров и геобарометров для пород гранулитовых комплексов и зеленокаменных поясов
(2) развитие методик расчета Р-Т трендов с учетом микроструктур и зональности минералов;
(3) создание базы термодинамических данных для расчета термодинамических и плотностных свойств минералов, пород и флюидов в условиях земной коры и мантии;
(4) разработку методики численного моделирования процессов тепло- и массопереноса в земной коре и мантии, включая моделирование Р-Т трендов горных пород;
Проверка и обоснование на основе петрологических данных приложимости гравитационной модели к генезису докембрийских гранулитов предполагает
(5) комплексное изучение Р-Т трендов, физико-химической и структурной эволюции гранулитов и сопряженных с ними пород зеленокаменных поясов;
(6) детальные исследования геолого-структурных, геохронологических и петрологических взаимоотношенияй гранулитов с зеленокаменными поясами.

Теоретическая разработка гравитационной модели предполагает
(7) всесторонний физико-математический анализ факторов гравитационной нестабильности и реологических свойств вещества земной коры в областях развития гранулитовых комплексов;
(8) изучение численных геодинамических гравитационных моделей генезиса гранулитов и их сопоставление с геолого-структурными и петрологическими данными, полученными для конкретных комплексов;
(9) теоретическое моделирование Р-Т трендов гранулитов и пород зеленокаменных поясов и их сравнение с результатами геотермобарометрии.
Поставленные задачи решались автором в ходе 12-летних научных исследований, результатом которых явилось написание данной работы.

Публикации и апробация работы

Фактический материал и основные выводы диссертации изложены в 63 публикациях в ведущих отечественных и зарубежных периодических изданиях (см. Заключение) а также в отчетах по проектам Российского Фонда Фундаментальных Исследований (96-05-64417 и 96-05-64396). Результаты исследований докладывались на 16 российских и зарубежных научных конференциях и симпозиумах, в том числе: "Метаморфическая эволюция и геодинамика докембрийской коры" (Ломоносовские чтения, Москва, МГУ, 1998), "Проблемы генезиса магматических и метаморфических пород" (Новосибирск, 1998), "Проблемы генезиса магматических и метаморфических пород" (Санкт-Петербург: СПГУ, 1998), The 15th IMA General Meeting (Beijing, 1990), "Metamprphic Styles in young and ancient orogenic belts" (Calgary, Sweden, 1990), "The Baltic Shield" Second Symposium (Lund, Sweden, 1990), "Composition and Evolution of High-Grade Gneiss Terrains" (Kandy, Sri-Lanka, 1991), 29th International Geological Congress (Kyoto, Japan, 1992), 16th IMA General Meeting (Pisa, Italy, 1994), EUG 9 (Shtrassburg, France, 1997), "Mineral equilibria and databases" IMA meeting (Espoo, Finland, 1997), Congress of the International Mineralogical Association (Toronto, Canada, 1998), "Evolution of the deep crust in the Central and Eastern Alps" (Padova, Italy, 1998), The international symposium on new concepts in global tectonics (Tsukuba, Japan, 1998), international conference "Early Precambrian: genesis and evolution of the continental crust" (Москва, 1999).

Благодарности

Особую благодарность и признательность автор выражает своему учителю, другу и постоянному участнику совместных исследований академику РАЕН, профессору Л.Л.Перчуку, без неоценимой помощи, консультаций и идей котророго данная работа не могла бы состояться. Автор считает приятным долгом поблагодарить доктора геолого-минералогических наук А.Д.Ножкина за поддержку первых шагов в науке и плодотворное сотрудничество. Автор искренне благодарен своим коллегам Л.Я.Арановичу, В.А.Боброву, Д.Д.Ван Ринену, Д.А.Варламову, В.М.Даценко, А.Г.Калиничеву, Н.Н.Косяковой, А.И.Кротову, Г.Г.Лепезину, А.С.Мехоношину, М.В.Минцу, К.Одрену, К.К.Подлесскому, Ю.В.Петрову, В.Б.Полякову, А.А.Полякову, О.Г.Сафонову, А.И.Сезько, А.И.Симакину, С.А.Смиту, К.Трибуле, О.М.Туркиной за совместные исследования, помощь и консультации а также всем сотрудникам оказавшим большую помощь в аналитических исследованиях и полевых работах.
Данная работа выполнена в Институте экспериментальной минералогии РАН и на кафедре петрологии Геологического факультета МГУ, руководству которых автор благодарен за поддержку исследований. Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проекты 96-05-64417, 96-05-64396), INTAS (проект 94-3138), Фонда Сороса, программы "Интеграция", Министерства Науки РФ, CNRS (Франция) и FRD (Южная Африка).
Автор глубоко признателен своей жене Ирине за помощь в подготовке диссертации и моральную поддержку.

Простейшие термодинамические величины и функции:

R=1.987 кал/К/моль - универсальная газовая постоянная Т - температура; Р - давление; G₀, H₀, S₀ и V₀ - изменение стандартных величин свободной энергии Гиббса, энтальпии, знтропии и объема, соответственно, в ходе реакции между минералами. Х_i - мольная доля компонента i в растворе: X_A^B - мольная доля компонента A в фазе B; a_i =_i Х_i - термодинамическая активность компонента i в растворе; _i - коэффициент термодинамической активности компонента i в растворе; f_i - фугетивность компонента i во флюиде.

Сокращения

Символы минералов и индивидуальных веществ, использованные в данной работе перечислены в табл.I.1.