Геологи МГУ выяснили, как в Лимпопо взаимодействовали породы возрастом более 2,6 млрд лет

Геологи МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из ЮАР и Новосибирска изучили процессы взаимодействия древнейших на Земле блоков континентальной коры и нашли подтверждение участия в этом процессе богатых CO2 флюидов (жидкостей, нагретых выше точки кипения). Выяснить это позволил тщательный анализ графита и микроскопических включений газов в кварце. Лучшее понимание того, как сформировались эти породы, может помочь предсказать механизмы зарождения рудных полезных ископаемых рядом с ними и на участках, появившихся в похожих условиях (в России один из них расположен в Карелии). Исследование опубликовано в журнале Gondwana Research.

Участки древнейшей на Земле континентальной коры, кратоны (от греч. «сила, крепость»), сохранились лишь в нескольких местах на нашей планете. Например, кратон Каапвааль в ЮАР вместе с кратоном Пилбара в Австралии (самые древние из них), по предположениям учёных, около 3 млрд лет назад составляли первый суперконтинент, Ваальбару (от сложения слов Каапваальи Пилбара).

Реклама

Результатом преобразований основания этих участков древней коры под воздействием тепла мантии Земли могут стать породы под названием гранулиты, которые поясами обрамляют кратоны. Процессы, приводящие к подъёму гранулитов из низов коры к поверхности на границах кратонов, до конца не изучены. Самые древние из гранулитовых поясов сформировались в архее (3 млрд лет назад), став лишь на несколько сотен миллионов лет моложе жизни на Земле. Возраст самых молодых гранулитов – полмиллиарда лет. Рядом с кратоном Каапвааль тоже есть свой древний (2,7 млрд лет) гранулитовый пояс. Он расположен на границах ЮАР, Зимбабве и Ботсваны вблизи знаменитой реки Лимпопо. Он является своеобразной природной лабораторией для изучения взаимоотношений древнейших структур континентальной коры, поэтому именно этим гранулитовым поясом и заинтересовались учёные.

«Впервые получены веские основания полагать, что гранитные магмы в неоархейском гранулитовом комплексе Лимпопо (ЮАР) возникали в ходе тектонического взаимодействия этого комплекса с породами кратона [древней платформы] Каапвааль при подъёме комплекса из нижней континентальной коры», — рассказывает о своей работе соавтор статьи Олег Сафонов, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры петрологии геологического факультета МГУ.

Гранулит — метаморфическая горная порода. Это означает, что она сформировалась в процессе преобразования других пород под воздействием высокой температуры, в случае гранулита — 750-1000 °С. При этих температурах образуются такие минералы, как полевые шпаты, кварц, гранат, пироксен, кордиерит и другие. Они придают породе зернистую структуру (термин «гранулит» означает «зернистый»).

Согласно одной из моделей, важную роль в образовании гранулитов играют флюиды (жидкости, нагретые до надкритических температур), обогащённые CO2. Установить, работает ли эта модель, может помочь графит, присутствующий в метаморфических породах. Обычно графит образуется при переработке органических остатков или разложении карбонатов (солей угольной кислоты с остатком CO32-), но, поскольку гранулиты образуются на значительной глубине, никаких органических остатков там нет, и механизм формирования другой. Графит образуется в результате взаимодействия гранулитов с мантийными потоками (флюидами), обогащёнными СО2, поэтому присутствие графита в гранулитах обычно считают аргументом в пользу вышеупомянутой модели. Его формирование зависит от давления, температуры и других условий, поэтому, изучая графит, можно получить информацию о них.

Геологи нашли в гранитных породах гранулитового пояса Лимпопо и проанализировали образцы графита и флюидные включения в кварце — летучие компоненты, законсервированные в мельчайших пустотах минерала в ходе роста кристаллов.

Учёные установили, что гранитные породы, внедрённые в гранулитовый пояс Лимпопо, начали кристаллизоваться при температуре 900-940 °С и давлении 7-9 килобар. Анализ флюидных включений в кварце подтвердил, что флюиды с высоким содержанием CO2 принимали участие в формировании этих пород. Отклонение содержания изотопа углерода с массой 13 от стандартного значения составило 6,52-8,65 промилле (десятых долей процента) для графита и 2,5-5,58 промилле для флюидов в составе кварца.Такой изотопный состав углерода обычно связывают с глубинными потоками флюидов из мантии, что снова подтверждает их внешнее происхождение. А это согласуется с моделью, при которой обогащённые CO2 внешние глубинные флюиды участвуют в формировании гранулитовых пород и сопровождающих их гранитов. Тем не менее, сравнив полученные данные с изотопным составом углерода пород древних кратонов, исследователи пришли к выводу, что флюиды проникали в комплекс Лимпопо именно из мантии в ходе его столкновения с кратоном Каапвааль.

Хотя это исследование пород гранулитового пояса Лимпопо было фундаментальным, знание о процессах их формирования может найти применение в поиске полезных ископаемых. «Породы древних кратонов являются источниками большого объёма различных рудных компонентов. Магмы и флюиды, возникающие при их преобразованиях, являются переносчиками этих полезных компонентов», — поясняет Олег Сафонов.

Данные об образовании гранулитового комплекса в ЮАР актуальны и для России. Учёные планируют сравнить их условия с данными о формировании гранулитов Лапландского пояса, который контактирует с Карельским кратоном и кратоном Инари на границе России и Финляндии.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).