В глубинах земли

В глубинах земли

Каким же образом возникает и поднимается к земной поверхности кимберлитовая магма? Где и на каких этапах вулканического процесса кристаллизуются алмазы? Эти вопросы относятся к числу наиболее сложных в геологии, и общепринятых ответов на них не существует. Выдвинуто множество научных гипотез и просто предположений, и некоторые из них взаимно исключают друг друга. Не утомляя читателя пересказом всех существующих мнений о происхождении кимберлитов и алмазов, кратко остановимся лишь на одной гипотезе, которая разработана полнее остальных и находится, по мнению автора, в наилучшем соответствии с геологическими и экспериментальными данными. Согласно этой гипотезе зарождение кимберлитовой магмы и последующее извержение ее на поверхность Земли связаны с особыми эпохами развития нашей планеты. Горные породы у поверхности и в недрах содержат радиоактивные элементы. Радиоактивный распад сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Из неглубоко залегающих горизонтов тепло сравнительно легко отводится к земной поверхности и уходит в атмосферу, не вызывая существенного нагрева горных пород.

И наоборот, выход радиогенного тепла из земных недр сильно затруднен, вследствие чего находящиеся там породы нагреты до высоких температур. Внутренние зоны Земли раскалены повсеместно - и под океанами, и под сушей. Вместе с тем теплообмен более затруднен в континентальных областях, где глубинное вещество залегает под толстым покровом плохо проводящих тепло отложений, слагающих земную кору. Подстилающее кору вещество часто называют субстратом, а заполненное им подкоровое пространство до глубины 2900 км - оболочкой или мантией Земли. Ниже мантии расположено земное ядро. Граниты, известняки, мраморы, кварциты, песчаники и другие породы, слагающие кору, образовались из веществ, которые выделялись из мантии и подвергались сложным превращениям в верхних горизонтах Земли на протяжении миллиардов лет.

Выделявшееся при распаде радиоактивных элементов тепло вызывало наиболее интенсивный разогрев верхней мантии под теми областями континентов, где земная кора обладала повышенной толщиной и монолитностью. По мере роста температуры породы расширялись, а плотность и вязкость их убывала. В конце концов, наступал момент, когда масса разогревшегося и разуплотнившегося вещества приходила в движение. При высоких температурах и колоссальных давлениях, господствующих в недрах Земли, все горные породы обладают способностью к медленному течению. В этих условиях крупные массы разогревшегося субстрата не могли оставаться среди более плотных пород и вытеснялись (всплывали) кверху. Последовательные стадии всплывания блока разуплотненного субстрата схематически показаны на рис. 19.

Рис. 19. Схема последовательных этапов 'всплытия' разогревшегося и разуплотнившегося вещества верхней мантии нашей планеты. 1 - земная кора; 2 - верхняя мантия Земли; 3 - разогревшийся участок мантии, где плотность вещества понизилась за счет температурного расширения

Скорость подъема разуплотненного вещества в мантии Земли составляла около 1 см/год, и поэтому подножья земной коры оно достигало много миллионов лет спустя после начала движения. Вместе с тем такая скорость не является чрезмерно малой и типична для многих геологических процессов. Примером еще одного из них может служить известный по школьному курсу географии подъем земной коры после таяния гигантских ледников на Скандинавском полуострове и в районах Великих озер в Северной Америке. Послеледниковое поднятие здесь продолжается и в наши дни. Скорость воздымания суши относительно уровня мирового океана измерена здесь с высокой точностью. Оказалось, что максимальной величины (1 см/год) она достигает в центральных частях бывших областей оледенения и убывает до нуля вблизи границы прежнего ледникового покрова.

Медленно всплывая в толще горных пород, слагающих мантию Земли, блок разогревшегося субстрата поднимался все ближе к земной поверхности. Давление в недрах обусловлено весом вышележащих толщ, и поэтому на каждом более высоком уровне поднимавшийся блок подвергался все меньшему и меньшему давлению. Известно, что температура плавления большинства веществ прямо пропорциональна давлению, и вот на определенной глубине степень нагрева поднимавшегося субстрата оказывалась равной его температуре плавления. С этого момента наступал новый период в истории поднявшегося из глубины вещества, период частичного плавления. Первые порции магматических расплавов появлялись в центральной, наиболее разогретой, части блока.

При нулевой температуре окружающего воздуха лед и вода могут сосуществовать неограниченное время. Если же сосуд, содержащий лед и воду, поставить на огонь, то температура воды не будет повышаться до тех пор, пока не растает последний кусочек льда. Тепловая энергия при этом расходуется на разрушение кристаллической структуры льда, таяние (плавление) которого может идти лишь по мере поступления тепла от какого-либо внешнего источника. Энергия, которую необходимо затратить для превращения твердого вещества, взятого при температуре плавления, в жидкое состояние, называется теплотой плавления. Она во много раз превосходит тепловую энергию, необходимую для нагрева того же вещества на 1° С.

У двигавшегося к земной поверхности разуплотненного вещества внешнего "подогрева", разумеется, не было, и даже напротив, находившиеся вокруг менее нагретые породы мантии "отсасывали" тепло. Охлаждающее влияние окружающих пород в сочетании с высокой удельной теплотой плавления глубинного вещества приводили к тому, что внутренних запасов энергии поднимавшегося блока не хватало на полное расплавление, и поэтому возникавшие очаги магматического расплава составляли сравнительно небольшую часть его объема.

Магматические очаги накапливали тепловую энергию и постепенно увеличивались в размерах. Достигнув некоторой критической величины, они приобретали способность к самостоятельному движению и начинали подниматься вверх, прокладывая себе путь в породившем их субстрате. Однако если блок разуплотненного вещества под действием архимедовой силы поднимался к подножию земной коры, раздвигая и прорывая толщи мантийных пород, то перемещение магматических расплавов происходило совершенно иным способом.

В магматических камерах, достаточно протяженных по вертикали, создавались условия для возникновения температурных перепадов. Порции наиболее высокотемпературной магмы поднимались в верхнюю часть камеры. Здесь степень нагрева ее оказывалась выше температуры плавления пород кровли, которые находились под меньшим давлением, чем породы в подошве магматического очага. Отдавая тепло породам кровли, магма вызывала частичное плавление их, охлаждалась и вместе с вновь возникшим расплавом опускалась, уступая место поднимавшимся снизу более горячим порциям.

Охладившаяся магма вместе с веществами, попавшими в нее при плавлении кровли очага, спускалась в нижние части камеры. Здесь из-за повышенного давления плавление и кристаллизация минералов происходили при более высоких температурах, чем у кровли очага. В этих условиях была неизбежна частичная кристаллизация нисходящего потока магмы. Возникавшие минералы имели большую плотность, чем магма, поэтому они тонули в ней и осаждались на дно камеры. Выделявшаяся при кристаллизации тепловая энергия передавалась окружающему расплаву, что приводило к приостановлению его кристаллизации, уменьшению плотности и подъему обратно к кровле очага.

При бесчисленном повторении таких циклов происходило неустанное перемешивание расплава, потоки которого переносили вещество от кровли к подошве магматической камеры. В итоге магматический очаг продвигался вверх. Перемещение очага путем проплавления кровли и отложения примерно равного количества вещества у подошвы принято называть движением по механизму зонной плавки.

Механизм зонной плавки примечателен еще и тем, что магматические расплавы неуклонно меняют свой химический состав по мере движения. Остановимся на двух главных причинах этого явления. Первая из них заключается в различии состава минералов, слагавших породы кровли и вновь кристаллизовавшихся из расплава в нижней части очага. Отсутствие тождества в составе "старых" и "новых" минералов являлось неизбежным следствием различий физико-химических условий (и в первую очередь давления) их образования.

Второй причиной постепенного изменения состава магматических расплавов, перемещавшихся по механизму зонной плавки, является четко выраженная тенденция к осаждению наиболее тугоплавких и накоплению легкоплавких и летучих компонентов в расплаве.

Различия в составе проплавлявшихся на фронте и кристаллизовавшихся в тылу очага горных пород были очень невелики. Однако каждый очаг на пути к подножью земной коры переплавлял такое количество пород верхней мантии, которое в десятки раз превышало разовый объем самого очага. В итоге магма существенно обеднялась магнием и хромом, но обогащалась титаном, кремнием, железом, алюминием, кальцием, калием, цирконием, а также летучими веществами - водой, углекислым газом и др.

Особая роль в ходе зонной плавки принадлежала железу. Несмотря на общую тенденцию к постепенному накоплению данного элемента в расплаве, интенсивность этого процесса была неодинаковой для очагов, находившихся в центральных и периферийных частях гигантского блока поднимавшегося вещества. Наиболее интенсивно железо накапливалось в тех расплавах, очаги которых находились вблизи окраин всплывавшего блока.

Значительно менее интенсивно накопление железа происходило в очагах промежуточной зоны, а расплавы в очагах центральной части блока характеризовались незначительным накоплением названного элемента.

Интенсивность накопления железа в магматических расплавах неразрывно связана с тепловым эффектом процесса зонной плавки и, по существу, определяет ее режим. В тех случаях, когда вновь кристаллизовавшиеся минералы содержали больше магния по сравнению с минералами подвергавшихся плавлению пород, разность между тепловой энергией, выделявшейся при кристаллизации и затраченной на плавление равного количества минералов, выражается положительной величиной. Следовательно, такие процессы в целом шли с выделением тепла, т. е. являлись экзотермическими, и сопровождались накоплением железа в расплаве.

Таким образом, интенсивное накопление железа в расплавах в периферийных, наиболее низкотемпературных, частях поднимавшегося блока находит вполне удовлетворительное объяснение, поскольку магматические очаги могли успешно продвигаться к земной поверхности лишь при экзотермическом характере процесса.

Иначе складывался тепловой режим зонной плавки у магматических очагов в центральных частях блока, сложенных наиболее разуплотненными и разогретыми породами. Поступательное движение и дифференциация магматических расплавов по механизму зонного плавления здесь могли успешно развиваться при минимальном выделении тепла.

В итоге переработки большого количества пород субстрата состав магматического расплава настолько изменялся, что это не могло не отразиться на продуктах его кристаллизации. И поэтому, если на первом этапе в нижней части камеры осаждались продукты, близкие по минералогическому и химическому составу к проплавлявшимся породам, то при достижении расплавом определенной степени дифференциации состав продуктов его кристаллизации претерпевал качественные изменения. Этот перелом наступал после переплавления пород верхней мантии в количестве, которое в 40-50 раз превышало объем магматического очага.

На этом новом этапе содержание всех главнейших минералообразующих компонентов (SiO₂, MgO, FeO и СаО) в магматическом расплаве стабилизировалось на пограничном уровне между областями предпочтительной кристаллизации оливина и другого минерала - пироксена. Стабилизация осуществлялась благодаря чередованию периодов, на протяжении которых средний состав кристаллата (общей массы выделившихся кристаллов) соответствовал то гранат-оливиновым, то гранат-пироксеновым породам. Титан, калий и летучие вещества не образуют заметных концентраций в оливине, гранатах и пироксенах, и поэтому в ходе дальнейшего движения очага по механизму зонной плавки они продолжали накапливаться в расплаве.

Отчетливая взаимосвязь между температурой проплавляемых пород и контрастностью дифференциации магматических расплавов по железу, а также стабилизация содержания главнейших компонентов при достижении магмой определенной степени дифференциации могут быть отнесены к категории явлений, характерных для саморегулирующихся систем.

Набор минералов, кристаллизовавшихся из магмы на подкоровом периоде, зависел от физико-химических условий, в первую очередь от давления. Так, если оливин, пироксены и некоторые другие минералы выделялись во всех магматических очагах, поднимавшихся к подножью земной коры по механизму зонной плавки, то образование пиропового граната происходило при давлении не ниже 20000 кгс/см², а алмаз кристаллизовался только в тех очагах, где давление превышало 40000 кгс/см². Все вышеизложенное приводит нас к выводу о том, что максимальными давлениями характеризовались расплавы, зарождавшиеся в условиях наибольших глубин в центральных частях поднимавшегося блока, а минимальными - расплавы на его периферии. Этот вывод очень важен для понимания причин закономерного строения кимберлитовых провинций, и мы еще вернемся к нему в следующих главах.

Достигнув верхних горизонтов мантии, глубинное вещество растекалось во все стороны (см. рис. 19) не по строго горизонтальным направлениям, а использовало для этого пути наименьшего сопротивления. По этой причине верхняя поверхность возникавшей линзы разуплотненного вещества на одних участках находилась в непосредственной близости от подошвы земной коры, а на других отделялась от нее мощными толщами вещества верхней мантии (субстрата). Температура этого субстрата была на много сотен градусов ниже, чем у поднявшегося из глубины.

Движение магматических очагов по принципу зонной плавки было успешным лишь в толще пород, нагретых почти до температуры плавления. Поступательное движение магмы по тому же механизму среди относительно холодных пород затухало на протяжении первых километров из-за больших потерь и ограниченности запасов тепла. Отсюда следует, что, хотя расплавы возникали в различных частях поднявшегося с глубины блока, подошвы земной коры они могли достигнуть лишь на тех участках, где разуплотненное вещество оказывалось в непосредственной близости от основания коры.

Однако не каждая порция магмы, достигавшая подошвы земной коры, получала возможность подняться к дневной поверхности. Ни кимберлитовая, ни какая-либо другая магма не может проникнуть сквозь ненарушенную толщу пород земной коры. И лишь на отдельных сравнительно небольших участках, где кора разбита глубокими трещинами, она проницаема для магматических расплавов.

Подъем по узким трещинам среди относительно холодных пород земной коры явился качественно новым этапом в сложном процессе образования кимберлитов и пикритов. Скорость магмы при этом, вероятно, в тысячи раз превышала скорость движения ее по механизму зонной плавки. Существенно менялись и другие характеристики. Так, если на протяжении подкорового этапа объем магмы и запасы ее тепловой энергии росли, то при движении по разломам в земной коре объем расплава оставался практически постоянным, а запасы тепла неуклонно убывали.

Тепловая энергия расходовалась главным образом на прогревание окружающих разломы горных пород, с которыми магма находилась в непосредственном соприкосновении. Однако, несмотря на сокращение запасов тепла, температура расплава поддерживалась на оптимальном уровне путем частичной кристаллизации, в ходе которой освобождалось много тепловой энергии. Главным минералом этого этапа был оливин, поэтому входившие в его состав вещества являлись тем "топливом", "сгорание" которого поддерживало необходимую температуру кимберлитовых и пикритовых магм.

Продвигаясь по разломам в толще земной коры, кимберлитовые и пикритовые магмы приближались к дневной поверхности. И те и другие обладали значительным давлением, благодаря чему они просачивались и раздвигали горные породы в зонах трещиноватости. Подъем магматических расплавов по ослабленным зонам земной коры продолжался до тех пор, пока вышележащие толщи могли противостоять активности магмы.

И вот на определенном уровне породы кровли не выдерживали давления, и тогда происходил прорыв магмы (взрыв) на поверхность Земли. Кимберлитовые и пикритовые магмы содержали большое количество паров воды, углекислоты и других газов, и как только вышележащие толщи уступали напору огненно-жидкой массы, она "вскипала", как лимонад в только что открытой бутылке. Выделявшиеся при этом раскаленные газы устремлялись к земной поверхности, проделывая узкие трубообразные жерла. Вслед за газами в жерло устремлялась сравнительно вязкая магма, которая заполняла канал и нередко изливалась на поверхность. Происходившая при застывании магмы закупорка жерла приводила к повторному повышению давления и новому взрыву, что в некоторых случаях повторялось несколько раз подряд. Повторные взрывы дробили "пробку", а поднимавшиеся очередные порции расплава цементировали наряду с обломками прочих пород и обломки кимберлита ранней генерации.

Глубина, с которой происходил взрывообразный прорыв магмы, зависела от давления расплава и прочности перекрывающих пород. Средняя глубина заложения алмазоносных трубок составляет около 2 км. При формировании диатрем неалмазоносных кимберлитов средняя глубина прорыва составляла примерно 0,7 км, при образовании пикритовых трубок - 0,5 км. С уменьшением средней глубины прорыва соответственно сокращалась и средняя площадь диатрем, составляющая в Якутии 1,0; 0,3 и 0,2 га.

По мере остывания магмы в трубках взрыва и подводящих разломах содержавшиеся в ней летучие компоненты вступали в химические реакции с ранее выделившимися минералами и просачивались вверх, "пропаривая" уже застывшие породы. Итогом этих процессов явилось сильное изменение химического и минералогического состава, а также физических свойств и внешнего облика кимберлитов.