Сибирские траппы сформировались на рубеже перми и триаса, около 252 млн лет, в ходе, как сейчас считается, наиболее мощного и объемного извержения лавы на суше за последние ~550 млн лет. До конца не ясно что было источником магмы в этом катаклизме. Чтобы ответить на этот вопрос, группа геохимиков из США, Канады, Китая и России изучила образцы базальтов, собранные в районе Норильска. Ученые проанализировали изотопный состав молибдена (δ98Mo) в образцах и пришли к выводу, что в магматическом источнике Сибирских траппов присутствовал эклогит и/или субдуцированные осадки. Значение δ98Mo в породах чувствительно к присутствию этих компонентов и позволяет надежно их фиксировать. В ранних лавах Норильска δ98Mo легче мантийных значений и это ясно свидетельствуют, что помимо магмы, которая происходила из глубинного астеносферного источника (мантийного плюма), часть извергнутого материала произошла в результате плавления пород, которые находились в пределах субконтинентальной литосферной мантии. Новые данные подчеркивают, что рециклированные компоненты, такие как эклогиты и субдуцированные осадки, которые попадают в мантию в зонах субдукции, играют важную роль в образовании больших изверженных провинций (Large Igneous Provinces).
Сибирские траппы — это обширная область в Восточной Сибири, покрытая базальтами. Сейчас область распространения траппов приблизительно 7 млн км2. Сибирские траппы сформировались в короткий по геологическим меркам промежуток времени (около 2 млн лет) на рубеже пермского и триасового периодов (примерно 252 млн лет назад). В результате в атмосферу выделилось гигантское количество ядовитых газов, которые стали причиной массового вымирания на границе перми и триаса. На «Элементах» неоднократно обсуждались исследования, посвященные формированию Сибирских траппов и его экологическим последствиям, вот лишь некоторые ссылки: Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение («Элементы», 19.09.2011), В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы («Элементы», 18.04.2018), Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов («Элементы», 14.04.2015), Формирование Сибирских траппов сопровождалось горением большого количества каменного угля («Элементы», 22.06.2020). Распространенная гипотеза гласит, что такой объемный вулканизм был вызван гигантским суперплюмом — перегретым веществом мантии, которое, поднимаясь из земных недр, «ударило» в основание Сибирского кратона, вызвав обширный магматизм (рис. 2). Центр этих событий находился в районе современного Норильска.
С Сибирскими траппами связывают не только вымирание на границе перми и триаса, но и формирование крупнейших медно-никелевых-платиноидных магматических месторождений Норильска (см. картинку дня Уголь с сульфидными прожилками). Уникальность этих месторождений в том, что это сравнительно небольшие интрузии, но они содержат высокие концентрации меди, никеля и платиноидов, которые не могли бы выделиться непосредственно из тела такого небольшого размера. Среди исследователей до сих пор нет согласия как и почему сформировались норильские месторождения. Оставляя этот вопрос за скобками данной статьи, скажем, что Сибирские траппы и минерализованные норильские интрузии генетически связаны и образовались в одно время. Существует даже теория, связывающая формирование месторождений, образование траппов и вымирание воедино — согласно ей выбросы богатых сульфидами аэрозолей во время извержения были одним из факторов, способствующих вымиранию (рис. 3).
Проблема заключается в том, что трапповая магма содержит очень мало серы и в ней не может образоваться значительное количество сульфидов. Самый простой и очевидный способ получить серу — переработать осадочные породы, в которых она содержится в большом количестве, например эвапориты. В Норильском месторождении они широко распространены, и их ассимиляция базальтовой магмой может насытить расплавы серой, и стать причиной выбросов газов в атмосферу. Это доказывается тяжелым изотопным составом серы сульфидов: в них больше тяжелых изотопов, чем в мантийной сере. Это говорит о том, что сера могла заимствоваться из вмещающих пород. Однако это не отвечает на вопрос, что послужило источником магмы Сибирских траппов. Вероятно, это был мантийный плюм, в голове которого находились субдуцированные осадки (см. новость Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение, «Элементы», 19.09.2011). Однако если это были субдуцированные осадки, они должны были оказать влияние и на состав базальтовой магмы.
Один из способов разобраться в этом — изучение элементного и изотопного состава лав. Химический элементный состав говорит о том, в каких концентрациях и соотношениях присутствуют элементы в породе и указывает на процессы, которые привели к этому — этим занимается «обычная» геохимия. Химические элементы имеют разновидности с разным числом нейтронов в ядре — изотопы, изучением поведения которых в геологических средах занимается изотопная геохимия.
Изотопную геохимию можно разделить на две большие части. Первая изучает поведение и закономерности в распределении радиоактивных и радиогенных изотопов для целей абсолютной геохронологии или для выяснения источников вещества магмы. Вот некоторые часто используемые изотопные системы: Sm-Nd, Rb-Sr, Re-Os (На дне Индийского океана найдена порода архейского возраста, «Элементы», 09.09.2022), U-Pb (см. Древнейший циркон).
Второй раздел геохимии изучает поведение стабильных изотопов. Отношение стабильных изотопов не меняется с течением времени, но может варьировать под действием изменения окислительно-восстановительных условий, или из-за фракционирования минеральных фаз (о том, как «работают» исследования стабильных изотопов, можно почитать в новостях Мантийный селен подтверждает, что вода попала на Землю в ходе поздней тяжелой бомбардировки («Элементы», 26.08.2019); Верхний слой океана в позднем архее местами уже был обогащен кислородом («Элементы», 04.03.2019); У земных и лунных пород значения изотопного показателя кислорода различаются («Элементы», 30.03.2020)).
Отклонение соотношения изотопов — как радиогенных, так и стабильных — считают от некой выбранной точки, принятой за «ноль». «Нулем» может быть, например, состав метеорита или геологический стандарт (синтетический или натуральный). Величину отклонения можно записывать по-разному, общеприняты дельта- (δ), эпсилон- (ε) и мю- (μ) нотации. Например, для кислорода-18 изотопный показатель измеряется в промилле (‰) рассчитывается по формуле \(\delta^{18}\mathrm{O}=\left(\dfrac{R_{\mathrm{Sample}}-R_{\mathrm{Standard}}}{R_{\mathrm{Standard}}}\right)\cdot1000\), где \(R\) — отношение содержания данного изотопа к основной форме в образце. Эпсилон- и мю-нотации — это просто другие нормировки: в случае ε вместо 1000 множитель равен 10 000, а в случае μ — 1 000 000.
Для изотопов молибдена (Mo) за ноль принят состав NIST SRM 3134 (National Institute of Standards and Technology Standard References Material). Запись δ98Mo = 0‰ означает, что изотопный состав анализируемого вещества совпадает с изотопным составом стандарта, запись δ98Mo = −0,2‰ означает, что изотопный состав вещества легче чем стандарт NIST SRM 3134.
Решение о том, что применять в качестве стандарта, устанавливает сообщество геологов-геохимиков и, как правило, для каждой изотопной системы существует некий принятый стандарт (но есть и исключения: например, для ε Sr не существует единой точки нуля и в каждом случае отдельно обговаривается, что считается за ноль).
В чем же преимущество молибдена? Молибден — флюидомобильный элемент, то есть он «любит» создавать водные комплексы. При этом более тяжелые изотопы молибдена образуют водные комплексы несколько охотнее, а легкие изотопы остаются в составе минералов, например рутила или минералов группы амфибола. Благодаря этому изотопы молибдена — удобный и мощный инструмент, который может «видеть» осадочные породы или флюиды в источнике магмы. Такое разделение изотопов регулярно происходит в зонах субдукции, где окисленный материал поверхности погружается обратно в мантию. С увеличением температуры и давления погружающаяся океаническая кора начинает терять воду и водные комплексы (дегидратировать). С ними уходят тяжелые изотопы молибдена, а легкие остаются в минералах плиты. Когда она погрузится еще глубже в мантию, породы перекристаллизуются и образуют так называемые эклогиты. Эклогит — порода, содержащая гранат, которая образовалась при высоком давлении и умеренной температуре. Наличие эклогитов в ксенолитах алмазных трубок (кимберлитах) Сибири показывает, что мантийный плюм в ходе своего подъема к поверхности может реагировать с разнообразным материалом в мантии. Но как это отражается на элементном и изотопном составе лав?
Лавы в районе Норильска сгруппированы в 11 свит, каждая из которых обладает своим уникальным геохимическом отпечатком. В свою очередь, эти 11 свит можно сгруппировать в три большие последовательности: нижнюю, среднюю и верхнюю (рис. 4).
Верхняя часть самая объемная и составляет ~80% объема извержения и соответствует так называемым толеитовым базальтам (tholeiitic magma series). Они обладает изотопным составом молибдена, близким к базальтам срединно-океанических хребтов (mid-ocean ridge basalt, MORB), и характеризуются высокой степенью плавления источника, около 10–15%.
Средняя часть представляет собой магмы, которые испытали взаимодействие с гранитным фундаментом Сибирского кратона и палеозойскими отложениями. Считается, что именно эти магмы стали источником для металлов норильских месторождений. И наконец нижняя часть — это лавы, которые похожи на базальты океанических островов (см. Ocean island basalt, OIB). Это предполагает, что источник этих магм находится глубоко, в так называемом поле стабильности граната. Геохимически эти лавы выделяются высоким отношением Gd/Yb (рис. 5), что предполагает наличие минерала, который удерживал Yb в области плавления. Такой минерал — гранат. Если такой источник начнет плавиться, то при небольшой степени плавления, при которой гранат еще стабилен (как правило — это первые проценты), итоговые расплавы будут обеднены некоторыми элементами, которые входят в структуру граната — в частности Yb.
Таким образом можно представить следующее развитие событий. Первыми изверглись лавы наподобие гавайских, которые наиболее близки к плюмовым лавам. Затем — лавы, которые испытали контаминацию корой. Со временем плюм «проел» основание кратона, процент плавления увеличился и лавы стали походить на базальты MORB.
Правда, такая интерпретация не согласуется с легким изотопным составом молибдена Гудчихинских лав (белые кружочки на рисунках). И тут на помощь приходят эклогиты! Эклогиты содержат большое количество граната и, если поднимающийся плюм в мантии столкнется с эклогитом, то это породит расплав, который будет обладать гранатовой меткой (высоким Gd/Yb) и содержать большое количество пироксена. Таким образом, повышенное отношение Gd/Yb и облегченный изотопный состав молибдена в ранних сибирских лавах можно объяснить плавлением пироксенитового источника, который появился в результате взаимодействия гранатового эклогита и перидотита мантийного плюма.
Несмотря на то, что новые данные интерпретировались авторами как наличие эклогитового компонента в магматическом источнике Сибирских траппов, вполне возможно, что это не единственный дополнительный компонент. На это намекает тяжелое отношение δ98Mo > 0‰ для двух образцов. Такие значения могут быть связаны с присутствием флюидного компонента и указывать на метасоматически измененную литосферную мантию Сибирского кратона. Чтобы подтвердить или опровергнуть это предположение, необходимы данные по другим стабильным изотопным системам, например Zn, Tl или Se.
Источник: Aleksandr E. Marfin, Michael Bizimis, Peter C. Lightfoot, Gene Yogodzinski, Alexei Ivanov, Matthew Brzozowski, Anton Latyshev, Tatiyana Radomskaya. Constraints on the source of Siberian Trap magmas from Mo isotope evidence // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2024. DOI: 10.1016/j.gca.2024.05.013.
Александр Марфин
Свежие комментарии