Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Гидротермальные преобразования импактитов и брекчий в астроблемах

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Гидротермальные преобразования импактитов и брекчий в астроблемах"

л и '•м и

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГЕОЛОГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕДР ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.П.Каршшского (ВСЕГЕИ)

На прагах рукописи

Наумов Михаил Вштенович

УДК 553.065:[551.439]

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Ш.1ПАКТИТОВ И БРЕКЧИЙ В АСТРОБЛЕМАХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогическкх наук

Специальность 04.00.08 - П01 рогрпфип, вулканология

Санкт-Поторбург 1933 г.

Работа выполнена uo Всероссийском научно-исследовательском геологическом институте им. А. П.Карпинского (ВСЕГЕИ)

Научный руковоЭшпель -

доктор геолого-минерапогичсских наук В.Л. Масайтис Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Ведущее предприятие: Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского Российской Академии Наук (ГЕОХИ РАН)

Защита диссертации состоится МЭЯ______1996 г. в H

часов на заседании Специализированного совета Д 071.07.04. при Всероссийском научно-исследовательском геологическом институте им. А.П.Карпинского (ВСЕГЕИ).

Адрес: 199026, Санкт-Петербург. В.О., Средний пр., 74

С диссертацией можно ознакомиться во Всероссийской геологической библиотеке (ВГБ): 199026, Санкт-Петербург, В.0., Средний ip., 74

Автореферат разослан "28" Map73 1996 г.

Ученый секретарь

Специализированного советаи—

В.В.Жданов (ВСЕГЕИ)

кандидат геолого-минералогических наук Н.И.Краснова (СПбГУ)

доктор геол. -мин. наук

Р. Л. Бродская

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Любое имлактное событие на космических телах, где присутствует жидкая и/или твердая фаза Н20, создавая термальную аномалию о приповерхностной части планетных кор, вызывает формирование систем конвекционного водообмена. Используя для совокупности процессов, происходящих при ударно-взрывных взаимодействиях космических тел, термин котшогснез (Масайтис, 1984). гидротермальные процессы, инициированные им-пактными событиями, могут быть названы коптаенными. К настоящему времени на Земле достоверно установлены около 150 импактных структур (в том числе 20 на территории России). Хотя их геологическое строение и происходящие при кратерообразовании специфичные процессы преобразования вещества - ударный метаморфизм, ударное плавление и т.д. - сравн„тельно детально изучены (Геология астроблем, 1980; Геология и петрология.... 1982; Ударные кратеры____ 1983; Мелош, 1993; Impact & explosion cratering, 1977;

и др.), коптогенная гидротермальная деятельность исследована лишь в ее частных аспектах; выдвинутые концептуальные положения (Newsom, 1980; Allen et al., 1982) сформулированы в самом общем виде и не имеют адекватного петрографо-минералогического и геохимического обоснования. Между тем проявления такой деятельности известны в большинстве импактных структур на Земле, а в ряде астроблем с ней связаны рудные месторождения и рудопроявления.

Цели и задачи исследования состояли в установлении основных геологических и минералого-геохимических закономерностей постим-пактных гидротермальных процессов и оценке их физико-химических параметров, т.е. в создании основы, необходимой для построения эволюционной модели коптогенной гидротермальной деятельности.

Фактический материал. В основу диссертации положены"результаты комплексного геологического и минералого-геохимического исследования гидротермально-измененных пород Пучея-Катункской импактной структуры, проведенного автором в 1988-1995 гг., а также специализированного изучения обдирного каменного материала, геологических и аналитических данных по многим имлактнъш кратерам России и других стран (кратеры КарскиЛ, Попигайский, Болтышский, Янисъярви, Терновский, Мизарайский, Яаманшин, а также ряд аналогичных объектов Канады), накопленных в секторе петрографии и минералогии импактитов отдела петрологии ВСЕГЕИ за время ранее проведенных исследований (коллекции В. Л. Масайтиса, М. С. Мащака. А. И. Райхлина, Т. В. Селивановской, В. А. Езерского, А.Н.Данилина). При подготовке работы задокументировано около 1000 образцов керна скважин, изучено более 2000 штуфов и шлифов,

-г -

использовано более 200 оригинальных химических анализов пород, 250 микрохимических и микрозондовых анализов минералов, 135 приближенно-количественных (на 15 элементов) и 17 количественных (на 6 элементов) рентгеноспектральных определений состава минералов, 180 рентгеноструктурных, 45 термических анализов минералов, а также 16 определений изотопного состава ряда элементов в гидротермальных фазах. Аналитические работы выполнены преимущественно в-лабораториях ВСЕГЕИ.

Научная новизна работы. Впервые установлены основные закономерности процесса гидротермального преобразования пород в импактных структурах и предложена его принципиальная модель: выявлены типоморфнке характеристики г.остимпактных гидротермальных минерадоз и'Проведена оценка физико-химических условий их образования.. При этом, проведено детальное исследование гидротермальной минерализации в породах 5-км разреза уникальной Вороти-ловской глубокой скваяины, пробуренной в центре Пучелс-Катункской астроблемы. .

Основные защищаемые положения.

1. Гидротермальное преобразование пород представляет собой один из характерных для импактных структур минералогенических процессов; оно вызвано конвекционным водообменом в градиентной по термогидродинамическим параметрам зоне, возникающей при им-пактном событии. Потенциальные параметры коптогенной гидротермальной деятельности определяются энергетикой кратерообразующего процесса, масштабы ее реализации в конкретных импактных структурах - резервом флюидных транспортирующих систем.

2. Совокупность продуктов коптогенных гидротермальных процессов выделяется в качестве коптогенной гидротермально-нстасо-/лаиическоц ¿¡орлации, состав которой определяется сочетанием трех тенденций, отражающих воздействие различных факторов минералооб-разования; а) однотипностью минеральных ассоциаций, ряда типо-морфных' свойств минералов и особенностей перераспределения ве--щества во всем ее объеме, что обусловлено, главным образом, спе-. цификой субстрата, представленного ударно-аморфизованными в той или иной степени образованиями и импактными стеклами; 2) пространственной дифференциацией минеральных ассоциаций, в наиболее общем виде заключающейся в смене смектит-цеолитовой зоны хлорит-ангидритовой вниз по разрезу; эти зоны отвечают соответственно среднетемпературной (180-300°С) и низкотемпературной (50-200°С) фациям коптогенной формации; 3): определенной зависимостью состава новообразованных минералов от состава мишени.

3. Основным фактором эволюции условий минералообразования является температурный градиент в области гидротермальной цирку-

ляции при незначительных вариациях химических параметров системы, отвечающих близнейтральным и слабощелочным условиям.

4. Все известные летрографо-минералогические, геохимические, изотопно-геохимические и термобарометрические характеристики гидротермальных образований в имлактных кратерах находят объяснение в предложенной модели коптогенной приповерхностной гидротермальной системы. Источником растворов являются поверхностные и подземные воды, а также флюиды, высвобожденные из минералов под воздействием ударных нагрузок; источником растворенных в них минеральных компонентов - ударно-ашрфнзованные породы миве-ни и продукты импацтного плавления.

Практическое значение работы заключается в установлении закономерностей коптогенного гидротермального процесса и выводе на . этой основе следствий, которые могут быть использованы при решении сравнительно-геологических, шнерагенических, петрологических и планетологических проблем, в том числе при геологической съемке, поисковых и прогнозно-металлогенических работах.

Внедрение и реализация. Результаты работы использовались а трех тематических отчетах ВСЕГЕИ, ряде отчетов ГНЛП "Недра", а также в подготовленной к печати монографии по результатам глубокого бурения в Пучеж-Катункской и«пактаой структуре.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись в виде докладов на XXIII и XXVII конференциях по Луне и планета).) (Хьюстон, США, 1992, 1996), на 57-й ежегодной конференции Метеоритного общества (Копенгаген, 1993), на 27-й годичной сессии ВСЕГЕИ (С.-Петербург, 1994), на 20-м Планетологическом микросимпозиуме Вернадский-Браун (Москва. 1991).

Публикации по теме диссертации включают 13 работ.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом.-248 стр. состоит из четырех глав, введения и заключения, и содержит 140 страниц текста, 61 рисунок, 33 таблицы, список литературы из 178 наименований.

Автор весьма признателен. сотрудникам ВСЕГЕИ - к. г. -м. н. М. С. Мащаку, А. И. Райхлину, Т. В. Селивановской, чьими материала).«! и научными консультациями он постоянно пользовался при создании диссертации, а также А.К.Воронцову, А.Ф.Кирьякову (ГНПП "Недра") и 0. С. Богатыреву (Средне-Волжская ГРЭ), при содействии которых был проведен сбор кернового материала по Пучея-Катункскому кратеру. Автор также признателен Н. ¡0. Бунаковой, Е. Л. Розиновой, 0. А. Яковлевой, Л. С. Богомольной, О.Ю.Дубику, Ю.С.Дьяконову, В. И. Латикайнену, В. А. Милиной, Р. Е. Прилуцкому, М. М. Сакгаджисву, В.Г.Васильевой, К.С.Мищенко, под руководством й при участии которых проводились аналитические исследования.

Особую благодарность агтор выражает научному руководителю д.г.-и. н. 8.Л. Масайтису, предложившему постановку данного исследования и оказывавшему постоянную помощь при подготовке диссертационной работы.

ШТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОПТОШШЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

В ¡.редйлах астроблем выделяют ряд структурно-литологических комплексов (снизу вверх по разрезу): цокольный (аутигенная брекчия - ударно-метаморфигованнш породы мишени); коптогенный (ал-логенныо брекчии и имлактиты. выполняющие истинный кратер); заполняющий (осадки кратерных озер). Их место в постимпактной гидротермальной системе определяется механизмом формирования термальной аномалии в импактном кратере.

Импактные структуры образуются в результате ударно-взрывного взаимодействия движущегося с космической скоростью внеземного тела с породами верхней части земной коры. Частичный переход кинетической энергии ударника во внутреннюю энергию мишени вызывает нагрев пород (вплоть до их плавления и испарения), их деформацию и дезинтеграцию, а также разрушение кристаллической структуры минералов. В соответствии с этим может быть выделен ряд факторов, контролирующих колтогенную гидротермальную деятельность: 1) термальная аномалия; 2) зона высоколроницаемых пород; 3) ударная деформация структур минералов. Эти факторы определяют готенциальные параметры гидротермальных систем, тогда как интенсивность преобразования пород обуславливается водонасыщенностыо мишени.

Тепловая аномалия. . После фазы ранней модификации центральная часть импактного кратера характеризуется наличием эллипсоидальной зоны нагретых пород с максимальными значениями Т-400-600°С и градиентами порядка 100°С/ки. Ее возникновение обусловлено, во-первых, нагревом пород во Фронте ударной волны, во-вторых, структурным,подъемом с глубин порядка 5-8 км пород, имеющих доимпактную температуру до 100-200°С, С увеличением размеров -кратера роль второго из названных факторов возрастает. Кроме того, тела импактитов, температура которых при их образовании достигает 600- 1300° С, формируют локальные тепловые аномалии в пределах коптогенного комплекса. Время выравнивания аномального температурного поля с нормальным для соответствующего геодинамического режима геотермическим градиентом по геологическим данным и теплофизическим расчетам (СаГГпеу, 1981; Геология и петрология. ..,1982; ВгаМ е! а1.,1985) составляет от нескольких десятков до первых сотен тысяч лет.

Зона высокопроницасшх пород. Размеры массива пород, проницаемость которых значительно (до нескольких порядков) превышает 10"3 мД - величину, выие которой возможен массоперенос путем объемной фильтрации или конвекции растворов, и включающего как заполняющие кратер толщи брекчий, так и дезинтегрированные породы цоколя ниже поверхности истинного дна кратера, в несколько раз превышают объем тепловой аномалии. При этом, поле гидродинамических свойств пород характеризуется наличием ряда линейных зон относительно более высоких значений проницаемости.

Ударная деформация структур минералов. .Воздействие ударной волны вызывает структурное разупорядочение минералов, вплоть до их перехода в аморфное состояние. Высокая реакционная способность таких минеральных систем, обладающих избыточной относительно стабильных фаз свободной энергией, показана экспериментально (ВоБ1оия!1, (^ап, 1988). Количество ударно-аморфизованно-го (в той или иной степени) материала и стекол плавления в автохтонном и аллохтонном залегании, например, для кратера диаметром 50 км может быть оценено в 1011 - Ю12 т.

Водонасьщенность системы. В импактных структурах имеет место эмпирическая связь между коэффициентом распыления расплава -и интенсивностью гидротермального изменения. Независимо от характера этой связи, очевидна роль водонасыщенности пород, определяющей значение Са и отражающей палеогеографические условия в момент имлактного события. Наиболее интенсивное гидротермальное преобразование пород имеет место в кратерах, сформированных в условиях шельфа или внутриконтинентальных мелководных бассейнов (Карский. Пучеяс-Катункский, Шарлевуа и т. д.).

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОРОД В НМПА5ПШЙ КРАТЕРАХ

Коптогенная гидротермальная деятельность проявлена в аст-роблемах в формировании соответствующих минеральных ассоциаций, перераспределении химических элементов и возникновении специфических флюидных включений, Такие проявления установлены более чем в 60 астроблемах. Объем области гидротермального изменения соответствует градиентной по теплофизическим и г «родина»,шческим свойствам пород зоне и составляет порядка 1000 км9 для крупных кратеров. В наибольшей степени гидротермальная минерализация распространена в тех структурах, где среди импактитов преобладают зювиты (т.е. с относительно высокой степенью первоначальной обводненности мишени). При этом содержание гидротермальных минералов на отдельных участках приповерхностной части аутигенной брекчии и в перекрывающих коптогенных образованиях может дости-

гать 30-40% объема пород. При низком водосодержадаи мишени и, соответственно, существенной роли пассивных импактитов в составе коптогенных комплексов, гидротермальное изменение проявлено в ограниченных масштабах, затрагивая не более 1-5% пород.

Ассоциации новообразованных минералов в кратерах различного возраста, диаметра и внутреннего строения близки между собой и включают смоктиты, хлориты, цеолиты, кальцит, пирит, эпидот в качество типоморфных минералов. При существенной роли в составе мишени карбонатных пород широко развита ассоциация кварц - кальцит - сульфиды.

Пространственное распределение гидротермальной минерализа-уии. Механизм формирования термальной аномалии в импактном кратере определяет воэншшовение в нем основной конвективной ячейки в области центрального поднятия кратера, и Локальных циркуляционных систем,• связанных с остывающими телами импактитов. заполняющих кольцевой желоб. Соответственно, могут быть выделены центральная и периферическая области постимпакгного изменения пород, отличающиеся по структурному положению и характеру распределения гидротермальной минерализации.

Центральная область включает массив аутигенной брекчии центрального поднятия, перекрывающие ее коптогенные образования и осадки крагерных озер в центре кратера. Ее характерной чертой является вертикальная зональность распределения продуктов гидротермальных преобразований, элементы которой отмечены в тех аст-рэблемах, где проводилось глубокое бурение в пределах центральных поднятий: Болтышской, Рис, Сильян, Белиловской. В наиболее полном виде эта зональность изучена по разрезу ■ Воротиловской глубокой скважины, пробуренной в центре Пучсж-Катункского кратера диаметром 42 км. Здесь выделены смектит-цеолитовая (верхняя) и хлорит-ангидритовая (нижняя) зоны, названные по ведущим минералам. Степень гидротермального преобразования пород определяется их проницаемостью и уровнем проявления в них предшествующих процессов термальной перекристаллизации и, соответственно, уменьшается вниз по разрезу и б центробежном направлении по латерали. " . ' Смектит-цеолитовая зона охватывает коптомиктовые, коптогенные образования и верхнюю часть колонны аутигенной брекчии на глубину около 2000 м. Типоморфные минералы зоны - как смектиты, так и, особенно, цеолиты обнаруживают закономерное изменение химического состава в ве пределах. Для первых оно проявлено в смене диоктаэдрических высокоглиноземистых смектитов вниз по разре-•зу триоктаэдрическими магнезиально-железистыми разновидностями (сапонитами), в которых с глубиной постепенно возрастает содержание для цеолитов - в увеличении с глубиной соотношений

Ca/Na и Al/Si,что позволяет выделить сверху вниз по разрезу подзоны Ма-цеолитов - кальцита; Na-Ca цеолитов - кальцита; Са-цео-литов. На уровне прикровлевой части аутигенной брекчии и перекрывающих коптогенных пород прослеживается и латеральная неоднородность распределения цеолитов, заключающаяся как в мозаичном чередовании участков развития высококремнеземистых (гейландит, зрионит) и низкокремнеземистых (шабазит, анальцим) разновидностей, так и в закономерном увеличении в центробежном направлении содержаний SI и Na в составе шабазита - цеолита, четко приуроченного к узкому (100 м) диапазону глубин в кровле аутигенной брекчии.

Хлорит-ангидритовая зона включает породы цоколя на глубинах более 2550 м. Наряду со сквозным распространением хлорита, ангидрита, пирита здесь обычно, особенно в интервале глубин 2900-3500 м, присутствие в* ангисрит-ломонтитовой матрице относительно высокотемпературных Ca-Fe силикатов: андрадита, ферроса-лита, эпидота, пренита, актинолита, местами также кварца.

Обобщенная последовательность формирования минералов как в сыектит-цеолитовой зона (сапонит/монтмориллонит - ломонтит/шаба-зит, кальцит - гейландит - анальцим - апофиллит - кальцит -Fe-монтмориллонит - кальцит, так и в хлорит-ангидритовой (андра-дит. салит, эпидот, хлорит, кальцит - ангидрит - ломонтит) - однозначно свидетельствует о регрессивном характере гидротермального минералообразования.

По периферии центрального поднятия элементы вертикальной зональности проявлены менее четко, Обычно здесь наблюдается наложение минералов различных зон (в частности, цеолитов, смектитов и эпидота, актинолита), а также обратная вышеописанной зональность распределения глинистых минералов (смена хлоритов смекти-тами вниз по разрезу), тогда как пространственная дифференциация' цеолитов аналогична проявленной в центре кратера.

Периферическая облаешь охватывает импактиты и импактные брекчии в пределах кольцевых желобов кратеров. Наиболее характерной чертой распределения гидротермальной минерализации здесь является выдержанность ее состава и постоянство типодарфных свойств ведущих минералов в объеме коптогенных комплексов, хотя в мощных толщах, сложенным разнообразными типами коптогенных пород, намечаются элементы зональности, близкой к наблюдаемой в областях центральных поднятий; примером последнего явления служит устанавливаемая методами факторного анализа пространственная дифференциация смектитов из различных структурно-литсшогических единиц Попигайского кратера, занимающих определенное место в объеме гидротермальной ячейки.

В процессе вторичного изменения импактитов (зювитов и тага-митов) выделяются две частично перекрывающиеся по рремени стадии: 1) автометасоматоз, связанный с остыванием тел этих пород; 2) их взаимодействие с циркулирующими растворами. На первой стадии происходит последовательное замещение первичных минералов импактитов все более низкотемпературными фазами (пироксен ак-тинолит/биотит -» хлорит, смектит+кварц). На второй стадии в пустотах пород,; кристаллизуются те же минералы, что и в верхней зоне области центрального поднятия: смектиты, хлориты, цеолиты, кальцит, пирит, однако их распределение не обнаруживает закономерной пространственной дифференциации. Типичным примером в этом отношении является толща зювитов в Карской астроблеме, характеризующаяся как одинаковым набором ведущих гидротермальных минералов (сапонит, кальцит, пирит, анальцим); так и однородностью их физико-химических параметров (состав и структура анапьцима, суммарное содержание элементов-примесей и отношение Co/Ni в составе пирита и его кристалломорфология, структурная и химическая характеристика развитого по импактным стеклам сапонита, и т.д.) во всем объеме толщи (около 1700 -км3); вариации количественных соотношений этих минералов отражают первичную литологическую неоднородность ее состава.

Обобщенная последовательность минералобразования на второй стадии изменения импактитов: минералы кремнезема (ö-кристобалит, опал, кварц), глинистые минералы, цеолиты - карбонаты.

Характеристика типоморфных минералов. Состав коптогенной гидротермальной минерализации определяется сочетанием трех тенденций, отражающих воздействие различных факторов (специфику состава ударно-преобразованных пород; пространственно-временную эволюцию условий минералообразования; источники вещества гидротермальных растворов); в зависимости от конкретных параметров гидротермального процесса в той или иной астроблеме относительная роль каждого из них может быть различной.

1. Наличие ряда сходных особенностей состава различных минералов для всех импактных структур. К ним, в частности, отно-" сятся: повышенная железистость (в сравнительно узких пределах) железо-магнезиальных фаз переменного состава, установленная для смектитов, хлоритов, эпидота, граната, актинолита; обогащение кремнеземом цеолитов, что проявлено как в доминировании высокок-рвмнеземистых цеолитов в импактных структурах, так и в обогащен-ности SiOg умеренно-кремнеземистых цеолитов по сравнению со сте-хиометрическими составами; высокая кремнеземистость филлосилика-тов (например, отношение Si/(Si+AlIV) в хлоритах составляет 0.75-3". 00); низкое суммарное содержание элементов-примесей в vi и-

рите (на порядок меньшее, чем в породах мишени); и т.д.

Характерной чертой гидротермальных глинистых минералов в астроблемах является несовершенство их структуры, в наибольшей степени проявленное для фаз. образующихся при замещении имлакт-ных стекол. В частности, новообразованные смешаннослойные минералы отличаются неупорядоченным чередованием хлоритовых и сапо-нитовых пакетов.

2. Закономерное пространственное изменение свойств минералов. Наиболее четко оно проявлено для цеолитов, в частности, в Пучеж-Катункской структуре (см.выше). Для глинистых минералов наиболее общий тренд их пространственной дифференциации заключается в постепенной смене снизу вверх в разрезах импактных кратеров Ге-хлоритоз (развитых в аутигенной брекчии и пластовых телах тагамитов) высокозарядными Ре,Мй-сапонитами и смешаннослойными хлорит-сапонитами (в высокотемпературных зювитах и тагамитах) и, наконец, низкозарядными Ре, (^-сапонитами и высокозарядными Ре-А1-монтмориллонитами (в низкотемпературных зювитах и копток-ластитах). Ведущей кристаллохимической тенденцией изменения состава как хлоритов, так и смектитов в этом направлении является уменьшение содержание А1,у. В мощных коптогенных толщах эта тенденция локально нарушается вследствие неоднородного распределения тел импактитов, что обуславливает пространственное совмещение всех названных разновидностей - от хлоритов до диоктаэдри-ческих смектитов. Например, в коптогенных образованиях Попигайс-кого кратера преобладающие виды как диоктаэдрических (бейделли-ты), так и триоктаэдрических (сапониты с широким - от 0.5 до 2 -диапазоном изменения отношения Рег+/1^ в октаэдрических сетках) смектитов из разных структурно-литологических единиц близки по величине тетраэдрического заряда. В отдельных кратерах проявлена и зональность распределения карбонатов и пиритов, различающихся по кристалломорфсшогии и содержаниям элементов-примесей.

3. Зависимость состава гидротермальной минерализации от состава мишени. В качестве примера этого явления могут быть приведены: прямая корреляция (г-0.69) между отношениями РеО*/ (РеО*+МеО) в составах пород мишеней и гидротермальных хлоритов; специфические составы смектитов в ряде кратеров, отражающие соответствующие вещественные особенности пород мишени (высокожелезистые глинистые минералы в Терновском кратере, высокоглиноземистые триоктаэдрические смектиты в Янисъярви и Уанапитей, и др.); статистическая связь между развитием цеолитов той или иной степени кремнеземистое™ и содержанием Б Юг в средневзвешенных составах мишеней соответствующих кратеров и т.д.

Геохимическая характеристика. Степень перераспределения ве-

цсства при коптогенном гидротермальном преобразовании пород определяется интенсивностью взаимодействия растворов с породами субстрата и их физико-химическими параметрами, контролирующими скорость и масштабы выщелачивания и переноса химических компонентов. При низком отношении вода/порода миграция вещества будет иметь место лишь в небольших объемах (например, отдельных вит-рокластпв)-, .Дак, в измененных импактных стеклах из зювитов Поли-гайского кратера отмечается привнос Мк, Ре и вынос Б], Г1а, К, тогда как при гидротермальном преобразовании моа^ых тел тагами-тов изменяется лишь структура корреляционных связей петрогенных компонентов, но не их валовые содержания в породах. При большем резерве растворов перераспределение вещества охватывает все большие объемы пород: в Пучех-Катунксной структуре оно имеет место и в пределах отдельных обломков в зювитах и брекчиях, и в телах массивных импактитов среди аллогенной брекчии, и в объеме центральной части массива аутигенной брекчии мощностью несколько километров по вертикали. На всех этих уровнях суммарный геохимический эффект гидротермального преобразования выражается в интенсивном накоплении Са и. близких к нему литофильных элементов (Мз, Бг, Ьа, У), менее значительном - сидерофильных (Со>Сг>Ш и лито-халькофильных (Мо>Си>2п>\0 элементов, и выносе сидеро-лито-фильных (К>Ма>51>Т1) и халько-литофильных (АКМп<Са<РЪ<И) элементов при инертном поведении части литофилов (N0,2г. УЬ, 5с). Геохимические характеристики сходны для обеих выделенных зон гидротермального минералообразования. • Различия в этом отношении заключаются в общем сокращении масштабов миграции вещества, роз-ком уменьшении интенсивности выноса кремнезема и незначительном накоплении глинозема наряду с выносом железа в смоктит-цеолито-вой зоне. Таким образом, во всем объеме гидротермальной ячейки имеет место концентрирование слабых оснований при выносе щелочей и высоковалентных амфотерных элементов, т.е. в петрохимичес-ком отношении гидротермальное преобразование импактитов и импактных брекчий относится к процессам субщелочного метасоматоза..

Таким образом, возникающая в результате коптогенной гидротермальной - деятельности минерализация обладает рядом статистически устойчивых признаков: а) однотипностью минеральных ассоциаций и свойств типоморфных минералов; б) однотипностью поведения петрогенных элементов при шнералообразовании для гидротермальной ячейки в целом и ее иерархически соподчиненных частей; в) пространственной дифференциацией минеральных ассоциаций, определяемой, с. одной стороны, термогидродинашческими градиентами в объеме гидротермальной ячейки, с другой - термальной эволюцией коптогенных образований: г) определенной зависимостью состава

новообразованных минералов от состава мишени; д) регрессивной в термодинамическом смысле направленность» процесса минералообра-зования. В силу этого совокупность продуктов коптогенного гидротермального процесса ютот быть выделена в качество когтаогоиной гидротсртлыю-метсокюшческсй. формации, возникающей в специфической геологической обстановке, связанной со структурной и термодинамической перестройкой определенного участка земной коры вследствие процесса импактного кратерообразования.

ПАРАМЕТРЫ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ПРОЦЕССА

Парагенетический анализ гидротермальных минеральных ассоциаций позволяет считать, что параметры термального поля импактных кратеров и постепенное понижение температуры по мере развития процесса являются решающими факторами эволюции условий минерало-образования. Как характер зональности распределения гидротермальных минералов, так и пространственные вариации их свойств однозначно свидетельствуют о понижении температур минерапообра-зования вверх по разрезу и о центробежном направлении по латера-ли. Аналогичная картина следует и из результатов статистического анализа температур гомогенизации постимпактных флюидных включений из пород кратера Сильян (Котог е1 а1., 1988). Выделенные зоны соответствуют, таким образом, среднетемпературной (хлорит-ангидритовая) и низкотемпературной (смектит-цеолитовая) фациям продуктов коптогенного гидротермального процесса. При сравнении с данными по гидротермальным образованиям современных вулканических областей, температурные интервалы минерялообразования в смектит-цеолитовой зоне оцениваются в 50-200°С, в хлорит-ангидритовой - 180-350°С.

Кислотно-основные параметры среды минералообразования, исходя из состава минеральных, ассоциаций и особенностей поведения породообразующих элементов (развитие хлоритов, высокозарядных смектитов, цеолитов о качестве ведущих минералов, относительно высокая подвижность кремнезема и т. д.). аарьируют в узких пределах и отвечают щелочным и близнейтральным (рН-6-8) условиям. Это отражает специфику субстрата, в значительной мере состоящего из ударно-ашрфизованных алюмосиликатов' и стекол плавления, легко подвергающихся выщелачиванию и обеспечивающих тем самым соответствующие свойства растворов. Закономерное уменьшение содержания А11у в филлосиликатах и цеолитах вверх по разрезу указывает на постепенное понижение величины рН гидротерм в этом направлении, хотя в зависимости от конкретных гидродинамических и хими-

ческих обстанооок такая тенденция может нарушаться. В тех аст-роблемах, где в зону ударного воздействия входят значительные объемы карбонатных пород и эвалоритов, обусловленные этим фактором повышенные концентрации СОг и минеральных кислот могут вызвать появление слабокислых растворов, что выразится в первую очередь в широком развитии различных модификаций кремнезема.

Сквозное развитие сульфидов в пределах всего объема гидротермальной ячейки при весьма редком появлении окислов железа позволяют предположить сохранение значений окислительного потенциала растворов Ef, >-0.5 В (для нейтральных значений pH) в течение всего минералообразующего процесса.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КОПТОГЕННОГО ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОРОД

Специфика состава коптогенной гидротермальной минерализации указывает на следующие особенности постимпактной циркуляции нагретых вод: а) фильтрация однофазная; б) высокие - 10"4 -10"3 м/с - скорости фильтрации; в) источник растворов поверхностные и метеорные воды, подземные воды осадочного чехла, а также продукты дегидратации и дегазации минералов при их ударной деформации; г) источник минерального компонента растворов - ударно-преобразованные породы мишени. На экзогенную природу растворов указывают также параметры газово-жидких включений, относящихся к постимпактной гидротермальной деятельности (низкая минерализация -0-10%NaC]eq, чисто водный состав) и изотопный состав кислорода и водорода в отдельных гидротермальных минералах (Komor, Valley. 1990: Davies ei al., .1990; и др.). Никаких достоверных свидетельств участия глубинного теппомассопереноса в постимпактной гидротермальной деятельности не выявлено.

С учетом этих положений предложена принципиальная модель Постимпактной гидротермальной циркуляции, основанная на анализе эволюции термального поля импактного кратера на стадии поздней модификации (Масайтис, Наумов, 1S93). Согласно этой модели, могут быть выделены три последовательные стадии единого регрессивного гидротермального процесса, развивающегося в течение десятков тысяч лет и охватывающего аутигенную брекчию, коптогенные и коптомиктовые отложения. 1) начальная, отвечающая послеударной конфигурации изотерм; 2) главная, происходящая после инверсии термального поля в центре кратера и характеризующаяся градиентами температуры от.30°С/км в центральной части гидротермальной ячейки до 100°С/км и более - на ее периферии; 3) заключительная, на которой эти градиенты не превышают 1О-30°С/км и гидротермаль-

ная конвекция имеет место лишь в приповерхностной зоне кратера. Характер гидротермальной зональности, имитирующий "глубинный" источник нагрева, является закономерным следствием термальной эволюции импактного кратера. Свидетельством ыинералообразоиания на первой стадии служит локально проявленная на периферии центральных поднятий смена хлоритов смсктитами вниз по разрезу. К главной стадии, в течение которой гидротермальное преобразование охватывает максимальный объем пород, относится формирование вертикальной гидротермальной зональности в области центрального поднятия, к заключительной - цементация коптомиктовых отложений и образование наиболее поздних капьцитовых жил.

Роль тел имлактитов, заполняющих истинный кратер, с данной модели сводится к формированию локальных высокоградиентных тепловых аномалий, масштабы которых обычно много меньше объема охарактеризованной конвекционной ячейки.

Представленная модель отражает наиболее общие тенденции развития гидротермальной деятельности в импактных структурах и может служить основой для математического решения задачи коноек-* тивного теплообмена в коптаонных гидротермальных системах. •

Общая схема постимпактного гидротермального преобразования пород сводится к следующему. При взаимодействии экзогенных водных растворов с субстратом, состоящим преимущественно из удар-но-аморфизованных алюмосиликатов и импактных стекол и обладающим в силу этого высокой реакционной способностью, в нем формируются хлориты и смектиты; за счет селективного выноса кремнезема, щелочей, глинозема, а в нейтральных условиях - также и Са, циркулирующие растворы характеризуются слабощелочной реакцией, а за счет непрерывного растворения тонкодисперсных силикатов - поста-. янной пересыщенностью кремнеземом, что создает благоприятные условия для формирования Ге-смектитов и цеолитов - ведущих минералов коптогенной гидротермальной формации. При наличии в составе мишени эвалоритов и карбонатных пород, растворы отличаются повышенной активностью кальция, магния, железа, серы и углекислоты, что 'обуславливает формирование высокоизвестковистых и известко-во-железистых минеральных ассоциаций. Градиент температуры в массиве центрального поднятия определяет зональность формирования тех или иных минеральных ассоциаций. Щелочной характер растворов является причиной относительной подвижности таких инертных компонентов, как глинозем и кремнезем, их выноса наряду с щелочами за пределы системы, и частично в ее внешние зоны, где эти элементы фиксируются в форме цеолитов. . •

При асцендентном движении растворов в термоградиенгном поле центральной части кратера происходит их некоторое покисление,

как за счст поглощения гидроксильных ионов при реакциях замещения хлоритом и смектитами породообразующих силикатов, так и за счет увеличения растворимости СО? при понижении температуры. Последний фактор имеет доминирующее значение по сравнению с падением давления, могущим вызвать распад гидрокарбонатных комплексов и вскипание растворов при их движении к поверхности. Некоторое уменьшение рН растворов от глубоких гипсометрических уровней центрального поднятия к его поверхности вызывает фиксацию А1 и вынос Ре. Масштабы преобразования пород определяются резервом флюидных.транспортирующих систем. '

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ КОПТОГЕННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ. МИНЕРАГЕНИЧЕСКИХ И ПЛАНЕТОЛОГИЧЕСКНХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Результаты изучения постимпактного гидротермального преобразования пород, изложенные выше, помимо построения целостной картины этого явления, могут также представлять интерес при решении ряда проблем, связанных с процессами петро- и минералоге-неза в импактных кратерах. Среди таких проблем выделяются: 1) физико-химические условия процессов преобразования вещества на стадии поздней модификации кратера и их влияние на сохранность признаков высокобарических ударных преобразований (петрогенети-ческий аспект); 2) возможность и масштабы концентрации рудных компонентов в постимпактных гидротермальных системах (минераге-нический аспект): 3) роль коптогенных гидротермальных процессов в формировании минерального и химического составов поверхности водосодержащих космических тел, в первую очередь Марса (гшането-логпческий аспект); 4) анализ выявленных при геологосъемочных или поисковых-работах проявлений эпигенетических процессов в породах, не обнаруживающих видимой связи с какой-либо эндогенной активностью (сравнительно-геологический аспект). В диссертации рассмотрены основные подходы, к решению этих вопросов, исходя из выявленных; закономерностей коптогенных гидротермальных процессов. .

При значительной интенсивности гидротермального преобразования в импактных кратерах, образованных в содержащих карбонатные и соленосные слои, мишенях, обладающих геохимичрекой специализацией на те или иные рудные компоненты, возможно формирование в зонах повышенной проницаемости в периферических частях центрального поднятия .и перекрывающих его мегабрекчиях (где может иметь место пространственное совмещение цитологического, температурного и: окислительно-восстановительного геохимических барь-

еров), рудных сульфидных концентраций. Такие руды известны в кратерах Сильян, Декейтервилл, Крукид Крик, Серпент Маунд. Свидетельством перераспределения рудных компонентос при коптогенном гидротермальном процессе даже в условиях достаточно однородного по термогидродинамическим параметрам массива может служить устанавливаемая при анализе структуры корреляционных связей элсмсн-тов-примесей дифференциация различных по характеру локализации пиритов из зювитов Карской структуры по соотношению халько-лито-фильных (Си-РЬ-гп) и сидерофильных (Со-М-ТП элементов. В пири-тах из Пучеж-Катункского кратера, представляющих различные зоны гидротермальной системы, такое перераспределение проявлено гораздо сильнее. Кроме того, геохимические параметры гидротермального процесса создают благоприятные условия для накопления в нижней части заполняющих комплексов высококремнеземистых цеолитов. Наконец, гидротермальное преобразование импактитов о агрегат глинистых минералов способствует более быстрому механическому разрушению этих пород и высвобождению содержащихся в них устойчивых минералов, в том число импактных алмазов, могущих сформировать россыпные местороэд ния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одним из следствий процесса иипактиого кратерообразования является формирование в пределах кратера приповерхностной градиентной зоны нагретых и высокопроницаеиых пород, параметры которой (градиенты Т, Р, проницаемости и т. д.) достаточны для принципиальной возможности возникновения тепловой конвекции. Время существования этой зоны составляет десятки, и, возможно, сотнн тысяч лет. Формирование и Функционирование коптогенных циркуляционных систем контролируется взаимодействием двух факторов: энергии кратерообразующего процесса и характера мишени (включая и наличие либо отсутствие слоя воды); первый из них определяет потенциальные параметры гидротермального процесса, второй - возможность их реализации в конкретных геологических условиях.

Коптогенная гидротермальная деятельность реализуется в Формировании соответствующих минеральных ассоциаций,. распределение которых подчиняется особенностям послеударной тепловой аномалии. Специфика субстрата, состоящего из структурно разупорядоченного апюмосиликатного материала, определяет слабощелочной характер минералообразующих растворов. Это обуславливает как геохимические особенности процесса, так и состав возникающих минеральных фаз. Взаимодействие растворов с тонкодисперсным веществом ударно-деформированных силикатов приводит к их пересыщению кремнезе-

мом, создавая благоприятные условия для формирования Ге-смекти-тов и цеолитов - ведущих гидротермальных минералов верхней зоны гидротермальной колонки. Таким образом, минералого-геохимическая характеристика процесса определяется сочетанием химического состава мишени и специфики среды минералообразования, возникающей в результате ударного события.

В заключение 'необходимо отметить, что продукты коптогенного гидротермального процесса по многим признакам, и в первую очередь по характеру распределения гидротермальной минерализации, конвергентны с аналогичными образованиями зон разгрузки гидротермальных систем в областях активного вулканизма. Это определяется близостью термодинамической и гидрогеологической обстановок проявления обоих процессов, отвечающих высокопроницаемой вследствие развития дизъюнктивных нарушений зоне в приповерхностной части земной коры. Вместе с тем, при детальных исследованиях могут быть выявлены специфичные характеристики коптогенной гидротермальной минерализации, перечисленные выше (несовершенство кристаллических структур минералов, их обогащенность кремнеземом, бедность газового состава флюидных включений и т. д. ). Решающим критерием выделения коптогенной гидротермально-метасомати-ческой формации, .тем не менее, является геологическая обстановка проявления процесса, устанавливаемая по известным признакам кос-могенного происхождения кольцевых структур, в первую очередь -явлениям ударного метаморфизма.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕНЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Структурные наблюдения на западной борту Лучеж-Катунх-ской астроблемы // XXI Всес. Метеорит. Конф. Тез.докл. П., 1990. С.135-136. (соавтор В.Л.Масайтис)

2. Zeolitization of impactites and breccia in Puchezh-Ka-tunki astrobleme // Abs. LPSC XXIII. Houston, 1992. P. 967-968.

3. Hydrothermal zonation in central uplift of Puchezh-Ka-tunki astrobleme ) i Meteoritics. 1993. V.28, H 3. P. 408-409'.

4. Puchezh-Katuriki impact crater: Prôlirair.ary model of hydrothermal circulation system II Meteoritics. 1993. V.28, H 3. P.390-391. (соавтор В.Л.Масайтис)

5. Цеолитовая минерализация■в импакткых кратерах // Записки ВЫО. 1993. Ч.сххн; и б. С.1-12.

6. Fluidized éjecta fröm the Puchezh-Katunki impact crater with implications for Marthian rampart craters // lSth Vernadsky - Brown Hicrosymp.' 1993. P.45-46 (соавторы В.Л.Масайтис, Б.А.

Иванов). •

7. Принципиальная модель гидротермальной циркуляции в им-

лахтных кратерах // Дохл,РАН. 1993. Т.333, N 1. С. 70-72 (соавтор В.Л.Масайтис)

8. Гигантские астроблемы России, СПб, ВСВГБЯ. 1994. 32 с. (соавторы В.Л.Масайтис, М.С.Мащак, А.И.Райхлин).

9. Main features of impact-generated hydrothermal alteration in astroblemes / 20th Vernadaky-Erovn Hicrosymp. 1994. P. 86-87.

10. Пучеж-Катункская импактная структура: основные черты геологического строения // Докл.РАН. 1995. Т.342, П 3. С.358-360 (соавторы В.Л.Масайтис, М.С.Мащак, Ж.В.Орлова, Т.В.Селивановс-кая).

11. Основные закономерности постинпактного гидротермального процесса Ц Астрон. вестник. 1996. '!. 30, Я 1.

12. Пучеж-Катункская астроСлема: нодель строения гигантского импактного кратера // Астрон. вестниц. 1996. Т. 30, Я 1. (соавторы В.Л.Масайтис, Н.С.Мадак).

13. Impact-generated hydrothermal activity! the record in terrestrial craters / Abs. iPSc XXVII. Houston, 1996.

Подписано в печать 12.03.1996 • Тирах 100 экз.

Бесплатно

ВСЕГЕИ 1996

Объем 1 п. л. Заказ