CC BY
57
УДК 551+552.4
РЕКОНСТРУКЦИЯ ОБСТАНОВОК ФОРМИРОВАНИЯ ПРОТОЛИТОВ РАННЕДОКЕМБРИЙСКИХ КОМПЛЕКСОВ (НОВЫЕ ПОДХОДЫ)
Н.Е. Козлов 1’2, Е.В. Мартынов 1, Н.О. Сорохтин1,2,3
*Г еологический институт КНЦ РАН;
2АФ ФБГОУ ВПО МГТУ;
3Институт Океанологии РАН
Аннотация
Рассмотрены проблемы реконструкции протоприроды и условий формирования протолитов древнейших комплексов. Обращено внимание на то, что процессы эволюции Земли развиваются нелинейно, что накладывает ограничения на использование принципа актуализма. Предложен новый метод обработки данных и их интерпретации с учетом изменения химического состава мантии. Приведен пример использования поправки на эволюцию вещества при реконструкции первичной природы и условий формирования протолитов раннедокембрийских комплексов.
Ключевые слова:
региональная геология, геохимия, докембрийские комплексы, протолиты, реконструкция, метаморфизм, геодинамика, вулканизм, седиментогенез.
Геология докембрия имеет свои особые черты, связанные со специфичностью этого периода. Можно полагать, что иными были атмосфера, состав и строение оболочек Земли, объемы и распределение континентальных и океанических масс, температура, давление и т.д. Кроме того, в кристаллических щитах сегодня обнажены разноглубинные срезы расслоенной литосферы, отдельные элементы которых могли даже не проходить полных геологических циклов, включая экзогенные процессы эрозии и осадконакопления. Геологическая расшифровка сложноорганизованных ансамблей докембрия требует привлечения не только традиционных, апробированных на фанерозойских объектах методов, но и иных подходов, иногда различных даже при исследовании отдельных периодов длительной докембрийской истории.
Проблемами реконструкции первичной природы и геодинамических условий формирования протолитов супракрустальных комплексов, основанных на создании и использовании различных диаграмм, занимались многие авторы: М.Р. Бхатиа, А.Ф. Грачев,
Н.А. Домарацкий, А.С. Керр, В.А. Макрыгина, А.Н. Неелов, Дж. А. Пирс, А.А. Предовский,
О.М. Розен, Х. Рош, А.В. Сидоренко, А. Симонен и многие другие. Геохимические и изотопногеохимические данные [1-4 и др.] позволили разработать критерии для соотнесения геохимических характеристик магматических пород с геодинамическими обстановками их образования, при этом в основу разрабатываемых диаграмм закладывалась информация о содержании тех или иных элементов в объектах фанерозоя, что потом использовалось при исследовании супракрустальных комплексов докембрия. В целом этот подход известен как принцип актуализма.
Вместе с тем, данные ряда исследователей позволяют предполагать, что процессы эволюции Земли развивались нелинейно, а следовательно, названный принцип нельзя в полной мере, без внесения каких-либо поправок, применять при исследовании геодинамических обстановок раннего докембрия. Как нам представляется, при проведении параллелей между докембрийскими и фанерозойскими породными комплексами, генетически связанными с определенными режимами, целесообразно исходить из предположения о специфичности докембрийского периода развития планеты, с одной стороны, и некоторой общности в характере
реализации геодинамических обстановок на всем протяжении геологической истории - с другой. Данный подход был сформулирован ранее [5] как положение о гомологичных рядах геодинамических режимов. Необходимо также отметить, что в последнее время для решения задач реконструкции многими исследователями привлекаются данные о содержании малых и в первую очередь редкоземельных элементов. Не отрицая важности и правомерности такого подхода, авторы настоящей работы подчеркивают, что наиболее важной отличительной чертой разрабатываемых ими методов остается исследование содержания и распределения в породах петрогенных элементов. Информация об их содержании в породе является ее фундаментальным свойством и должна лежать в основе петрогеохимических реконструкций (так же как это делается при разработке разного рода петрогеохимических классификаций пород). Кроме того, использование при создании эталонов данных о содержании малых элементов, в силу различающегося качества определения этого содержания в различных лабораториях, создает порой пока непреодолимые трудности. Сведения о содержании малых элементов и их изотопов крайне важны (а иногда и приоритетны) для решения частных задач, в общем же случае эта информация является лишь дополнительной и должна использоваться на фоне изучения закономерностей содержания петрогенных элементов.
Ниже описан метод обработки данных о составе докембрийских комплексов, позволяющий в некоторой степени учитывать геохимические особенности ранних этапов развития Земли при проведении различного рода реконструкций первичной природы породных ассоциаций либо поиске аналогов фанерозойских геодинамических режимов в раннем докембрии. Настоящая работа продолжает исследования, первые результаты которых были опубликованы ранее [6].
Необходимо отметить, что на ранних этапах работы авторы, так же как и другие ученые, при проведении реконструкций условий формирования раннедокембрийских комплексов использовали прямые аналогии с фанерозоем, что порой приводило к неоднозначным результатам. Отчетливо видно, что близость фанерозойских объектов (п/п 1, 2 и 3 в табл. 1) к эталонным выборкам, соответствующим им по геодинамическим режимам, практически идеальная - «коэффициент близости» приближается к нулю, что означает их практическую идентичность.
Таблица 1
Результаты реконструкции обстановок формирования некоторых комплексов фанерозоя и докембрия (с использованием данных [8-12])
п/п* Комплексы, пояса, районы Юные дуги Развитые дуги Зрелые дуги СОХ Континент. рифты Траппы
1 Грабен, о. Северный, Новая Зеландия 0.76 2.53 2.61 1.38 0.12** 2.72
2 Рифт, о. Исландия 0.98 2.01 2.22 0.24 1.34 2.84
3 М. Антильская дуга 1.17 0.36 1.28 2.5 2.03 2.78
4 Северопеченгский, Кольский п-ов 3.13 3.87 3.51 3.1 2.21 2.39
3.09 3.68 3.44 2.98 2.18 2.35
5 Ольхонский, Прибайкалье 2.24 3.27 3.17 2.26 2.32 2.39
2.18 3.13 3.08 2.23 2.26 2.31
6 Лапландский гранулитовый, Кольский п-ов 2.67 2.68 3.16 3.53 3.26 3.5
2.52 2.65 3.04 3.22 3.12 3.11
Окончание таблицы 1
7 Анабарский щит 2.25 2.81 2.19 2.21 2.28 2.36
2.08 2.73 2.15 2.14 2.22 2.18
8 Гранулиты, С.-В. Азии 3.08 2.88 2.96 3.92 3.12 3.17
2.63 2.77 2.84 3.12 2.87 3.01
9 Олекмо-курультино-зверевская зона (Алдан) 2.46 2.75 2.32 2.3 2.28 2.44
2.14 2.71 2.26 2.21 2.2 2.2
10 С.-В. часть Сино-Корейского щита, Китай 2.44 2.78 2.57 3.22 2.61 2.57
2.38 2.74 2.53 3.06 2.54 2.49
11 Шарыжалгайский, Прибайкалье 2.84 3.49 3.08 2.75 2.78 2.82
2.63 3.28 2.97 2.74 2.76 2.8
12 Гранулиты Побужья, Украина 2.58 2.96 2.9 2.52 2.79 2.64
2.13 2.92 2.87 2.24 2.63 2.33
13 Гранулиты, Ю. Индии 3.16 3.75 3.39 3.46 3.25 3.14
2.71 3.24 3.21 3.32 3.01 2.97
Примечание. * - 1-3 - фанерозойские комплексы, 4-13 - докембрийские комплексы с возрастом формирования протолиты 2.7 млрд лет и менее (4-6), 2.7-3.3 млрд лет (7-11), 3.4 млрд лет, возможно, более (12-13). ** - «расстояние» выборок до соответствующих эталонных групп, условно названное «коэффициентом близости».
В то же время для докембрийских объектов результаты реконструкций (для каждого изученного объекта - верхняя строка п/п 4-13 в табл. 1) свидетельствуют о том, что без учета специфики докембрия во многих случаях мы получаем неоднозначный результат. Это выражается в одновременной близости исследуемых объектов к нескольким эталонам.
Чем меньше значения приведенных коэффициентов, тем ближе сравниваемые объекты. Жирным шрифтом выделены значения минимального отличия, если они значимо отличаются от ближайшего по величине значения. Подчеркнуты минимальные коэффициенты, если они незначимо отличаются от близких по величине значений. Для докембрийских комплексов верхняя строка - значение «коэффициентов близости» без учета химической эволюции мантии, нижняя строка - с ее учетом.
Поскольку для целей реконструкции нами были использованы метабазиты как наиболее узнаваемый среди метаморфических образований тип пород, столь неоднозначная картина результатов реконструкций может быть удовлетворительно объяснена установленным ранее устойчивым отличием химического состава базальтов фанерозоя и метабазитов докембрия [7]. Таким образом, в ряде случаев невозможно напрямую использовать данные о составе пород фанерозоя при исследовании докембрийских образований, то есть процессы химической эволюции вещества в ходе геологического времени накладывают некоторые ограничения на использование принципа актуализма при изучении раннедокембрийских комплексов.
По мнению авторов, для получения достоверных результатов при сопоставлении состава древнейших породных ассоциаций с фанерозойскими гомологами необходим учет системных отличий состава докембрийских образований относительно фанерозойских эталонов. То есть в данном случае - «смещения» состава докембрийских метабазитов в многомерном пространстве относительно базальтов фанерозоя и только после этого поиск эталона, максимально сходного с исследуемым объектом. В этой связи значительный интерес при решении задач реконструкции представляют теоретические данные, количественно описывающие эволюционные процессы.
С учетом первично мантийного генезиса базитов возможным представляется описать эволюцию состава этих пород с использованием данных об эволюции состава мантии (рис.), приведенные в работе О.Г. Сорохтина с соавторами [13]. В этих целях удобно воспользоваться понятием эволюционного параметра, отражающего относительную массу ядра Земли, введенного В.П. Кеонджаном и А.С. Мониным [14, 15] для описания эволюции химического
27
состава мантии Земли: х =------, где М=5.977*10 ; г - масса Земли; Со=0.376 - суммарная
с0*м
концентрация «ядерного» вещества в Земле (Ре+БеО+БеЗ+М) и М - масса ядра. Эволюционный параметр в фанерозое и протерозое можно вычислить одним из следующих способов.
времени и С*=0.027 - значение предельной концентрации насыщения окислами железа твердых силикатных растворов на подошве мантии. Во-вторых, с помощью квадратичной аппроксимации решения вышеуказанного уравнения: х = -0.0203 * ^ + 0.0719 * 1+ 0.8644 с коэффициентом адекватности Я2=0.9999. В-третьих, с помощью аппроксимации решения вышеуказанного уравнения многочленом 3-й степени: х = -0.0026 * і3 — 0,0306 * ^ + 0.0613 * і + 0.8622 с коэффициентом адекватности Я2=1.0. Исследуемый объект X* = (х; + в * v(t) + ^;}”=1, где v(t) - вектор «смещения» химического состава мантии во времени, £ - вектор смещения химического состава под воздействием не поддающихся учету в данном эксперименте факторов и в - некоторый коэффициент, поиск которого осуществляется на основе использования принципа устойчивости решения задачи. Т.е. процесс увеличения в от 0 к 1 должен быть остановлен в случае первого изменения в выборе соответствующего аналога исследуемого объекта.
Эволюция химического состава конвектирующей мантии по главным петрогенным элементам и соединениям, по [13]
Предложенный подход был проверен на примере реконструкции геодинамического режима формирования ряда докембрийских комплексов, исследованных ранее (табл. 1). При введении поправки на химическую эволюцию мантии интерпретация становится более определенной (табл. 1, значения, приведенные для докембрийских объектов, в нижней строке). При этом результат реконструкций совпадает с полученным ранее в ходе независимых геолого-петрогеохимических исследований [5, 16, 17], что подтверждает возможность применения разработанной для реконструкции геодинамических режимов раннедокембрийских объектов. Далее данный метод был использован при изучении обстановок формирования протолитов некоторых раннедокембрийских комплексов северо-востока Балтийского щита (табл. 2), для метабазитов которых ранее было установлено максимальное подобие с базальтами трапповых формаций [18].
Первые результаты таких сопоставлений показывают, что при введении поправки на химическую эволюцию вещества мантии проявляется существенно большее разнообразие в результатах реконструкций (табл. 2). При этом они не противоречат полученным ранее выводам о более «океанических» характеристиках Беломорского подвижного пояса по сравнению с породами Кольско-Норвежского и Мурманского доменов [5] и специфичности вещественного состава и геодинамики формирования протолитов пород Кейвского домена в сравнении с другими структурами Кольского региона [18].
Таким образом, предложенный метод реконструкции протоприроды обстановок формирования протолитов раннедокембрийских комплексов, учитывающий поправку на химическую эволюции вещества Земли, повышает достоверность выводов. Авторы подчеркивают, что приведенные результаты исследования древнейших образований северо-востока Балтийского щита (табл. 2) являются предварительными и могут быть серьезно уточнены при доработке метода. Они приведены в настоящей статье лишь для иллюстрации перспективности нового подхода к реконструкции обстановок формирования протолитов древнейших пород. Необходимо также напомнить, что при проведении реконструкций с помощью данного метода мы делаем вывод лишь о близости состава изученных нами метаморфитов с составом магматических пород, сформированных в определенных геодинамических условиях фанерозоя, не проводя полных аналогий между обстановками этого периода развития Земли и докембрия.
Таблица 2
Результаты реконструкции обстановок формирования протолитов архейских комплексов Кольского региона с учетом возможной эволюции химического состава мантии
Объекты сопоставления Юные дуги Развитые дуги Зрелые дуги СОХ Континент. рифты Траппы
Мурманский домен 3.43* 3.72 3.21 3.31 2.94 2.37
2.26 1.99 1.86 2.17 1.82 1.88
Центрально-Кольский сегмент Кольско-Норвежского домена 4.68 7.06 4.89 6.10 5.28 3.38
2.56 2.97 2.58 1.98 1.95 2.07
Кейвский домен 3.72 4.34 3.74 4.03 3.90 3.36
3.31 2.96 3.03 3.55 3.02 3.27
Беломорский подвижный пояс 3.68 4.34 3.75 3.72 3.88 3.00
2.12 2.43 2.51 1.84 2.12 2.02
Примечание.*- числитель (результаты, полученные ранее [18]), знаменатель - результат реконструкций с использованием нового метода. Жирным шрифтом выделены минимальные значения «коэффициентов близости». Значимость отличия этих значений от ближайших по величине на данном этапе исследований не рассчитывалась, что позволяет говорить о результатах, приведенных в данной таблице, как предварительных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гоачев А.Ф. Рифтовые зоны Земли. М.: Недра, 1987. 285 с. 2. Kerr A.C. LIP reading: recognizing oceanic plateau in the geological record / A.C. Kerr, R.V. White, A.D. Saunders // J.Petrol. 2000. Vol. 41, №7. P. 1041-1056.
3. Pearce J.A. Statistical analysis of major element patterns in basalts // J.Petrol. 1976. Vol. 17, № 1. P. 15-43.
4. Pearce J.A. Trace element discrimination diagrams for the tectonic interpretation of granitic rocks / J.A. Pearce,
N.B.W. Harris, A.G. Tindle// J. Petrol. 1984. Vol. 25, № 4.P. 956-983. 5. Козлов Н.Е. Вещественный состав метаморфических комплексов высокобарных гранулитовых поясов и проблема формирования их протолитов (на примере Лапландских гранулитов): автореф. дисс. ... д.г.-м.н. СПб.: ИГГД, 1995. 36 с. 6. Моделирование условий формирования и эволюции докембрийских комплексов на основе изучения геологии вещественного состава слагающих их породных ассоциаций / Н.Е. Козлов, А.А. Иванов, Е.В. Мартынов, А.А. Предовский // Геология и полезные ископаемые Кольского полуострова. Т. 3. Новые идеи и подходы к изучению геологических образований. Апатиты: Изд-во «Полиграф», 2002. С. 96-110. 7. Козлов Н.Е. Черты петрогеохимических различий основных пород энсиалических и энсиматических комплексов (сравнительный анализ фанерозоя и докембрия) / Н.Е. Козлов, Е.В. Мартынов, А.А. Иванов. Геохимия. 1999. № 6. С. 582-588. 8. Милановский Е.Е. Рифтовые зоны континентов. М.: Недра, 1976, 275 с. 9. Богатиков О.А. Магматическая эволюция островных дуг /
О.А. Богатиков, А.А. Цветков. М.: Наука, 1988. 248 с. 10. Козлов Н.Е. К вопросу о первичной природе метаморфитов Лапландского гранулитового пояса (Балтийский щит) / Н.Е. Козлов, Е.В. Мартынов // Геохимия. 1992. № 1. С. 128-133. 11. Розен О.М. Сибирский кратон: тектоническое районирование, этапы эволюции // Геотектоника. 2003. № 3. С. 3-21. 12. Левицкий И.В. Геохимия гранулитовых и зеленокаменных комплексов присаянского выступа фундамента Сибирской платформы: автореф. дисс. ... к.г.-м.н. Иркутск: ИГХ СО РАН, 2012. 23 с. 13. Теория развития Земли (происхождение, эволюция и трагическое будущее) / О.Г. Сорохтин, Дж.В. Чилингар, Н.О. Сорохтин. М.; Ижевск: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2010. 751 с. 14. Кеонджян В.П. Модель гравитационной дифференциации недр планет / В.П. Кеонджян, А.С. Монин// ДАН СССР. 1975. Т. 220, № 4. С. 825-828. 15. Кеонджян В.П. Расчет эволюции недр планет / В.П. Кеонджян, А.С. Монин// Изв. АН СССР. Физика Земли. 1976. № 4. С. 3-13. 16. Смолькин В.Ф. Коматиитовый и пикритовый магматизм раннего докембрия Балтийского щита. СПб.: Наука, 1992. 272 с.
17. Козлов Н.Е. Гранулитовые пояса докембрия и некоторые аспекты петрогеохимической эволюции протосубдукционных зон в ходе развития Земли / Н.Е. Козлов, Е.В. Мартынов // Геология и геофизика. 1995. Т. 36, № 12. С. 105-112. 18. Геология Архея балтийского щита/ Н.Е. Козлов, Н.О. Сорохтин, В.Н. Глазнев, Н.Е. Козлова, А.А. Иванов, Н.М. Кудряшов, Е.В. Мартынов, В.А. Тюремнов, А.В. Матюшкин, Л.Г. Осипенко. СПб.: Наука, 2006. 329 с.
Сведения об авторах
Козлов Николай Евгеньевич - д.г.-м.н., профессор, зав. лабораторией ГИ КНЦ РАН, директор АФ МГТУ; e-mail: [email protected]
Мартынов Евгений Васильевич - к.г.-м.н., старший научный сотрудник ГИ КНЦ РАН; e-mail: mart@afmgtu. apatity.ru
Сорохтин Николай Олегович - д.г.-м.н., главный научный сотрудник Института Океанологии РАН, ведущий научный сотрудник ГИ КНЦ РАН; профессор кафедры геологии и полезных ископаемых АФ МГТУ; e-mail: [email protected]
УДК 622'17:627.514(470.21)
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ФИЛЬТРАЦИОННО-ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕЛЕ ОГРАЖДАЮЩЕЙ ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА
А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, Н.А. Калашник
Горный институт КНЦ РАН
Аннотация
Выполнены режимные георадарные исследования структуры дамбы хвостохранилища в целях идентификации фильтрационно-деформационных процессов в ее теле. За период наблюдений, составивший около двух месяцев, выделено три типа состояния и различной фильтрационной неоднородности грунтов дамбы: незначительного понижения уровня воды; значительного понижения уровня воды и практически без изменения. Выявлена и прослежена в динамике зона подпочвенного суффозионного размыва грунтов.
Ключевые слова:
георадарные исследования, дамба, фильтрационно-деформационные процессы,
суффозионный размыв.
Основные гидротехнические сооружения на горно-обогатительных предприятиях являются их обязательным компонентом и представляют собой систему хвостохранилищ и ограждающих их дамб. По мере накопления отходов в хвостохранилищах происходит заполнение их емкостей, и предприятия вынуждены создавать новые. Вместе с тем, «старые» хвостохранилища представляют собой конгломерат полезного компонента и
являются, по-сути дела, рукотворными или техногенными месторождениями. Так, первое поле хвостохранилища Ковдорского ГОКа, куда складировались хвосты обогащения с 1962 г., начиная с 1995 г. разрабатывается комбинатом с определенным экономическим дивидендом.
Были разработаны специальные технологии и схемы добычи и переработки хвостов, и к
настоящему времени отработка поля №1 подходит к завершающей стадии. Но в последнее время проявились серьезные проблемы, среди которых особое место занимает высокая влажность разрабатываемых хвостов вследствие попадания сюда части стока ручья Можель, а также усилившейся фильтрации воды через тело дамбы [1].
Было принято решение усилить внимание и исследовать фильтрационные процессы через тело дамбы, разделяющей 1-е и 2-е поля хвостохранилища, т.к. к концу 2012 г. фильтрация значительно усилилась и даже локально привела к размывам нижнего склона. Более того, возникла опасность сильных протечек, перетекания содержимого поля №2 в поле №1 и затопления добычных участков. В этих целях выполнены исследования состояния дамбы и фильтрационных процессов в ее теле методами георадиолокационного зондирования и профилирования [2-4].
