Рис. 1. Разрез базальтов рядом с Талнахом (Красноярский край, Россия). Так выглядят классические трапповые базальты (от шведского слова trappa — лестница), которые распространены практически на всей территории Восточной Сибири. Фото © Антон Латышев
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.
Рис. 2. Связь магматизма и глубинной динамики Земли. Обратите внимание, что один из плюмов (обозначен буквой C) показан после того, как он «ударил» в основание кратона и распространился в стороны от центра, приведя к формированию крупной изверженной провинции (large igneous province, LIP). Второй плюм показан в момент «удара» и еще не потерял свою первоначальную форму. Схема с сайта education.nationalgeographic.org
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.
Рис. 3. Схема перемещения сульфидных капель, в результате чего они попадали в атмосферу при формировании траппов. Рисунок из статьи M. Le Vaillant et al., 2017. Role of degassing of the Noril’sk nickel deposits in the Permian–Triassic mass extinction event
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}}}
ight)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).
Рис. 4. Вариации изотопов стронция (А), неодима (B), гафния (С), молибдена (D) в лавах Норильска. Также указаны концентрация молибдена (E) и меди с никелем (F). Справа отмечены вулканические свиты: Ивакинская (Iv), Сыверминская (Sv), Гудчихинская (Gd), (Kk), Туклонская (Tk), Надеждинская (Nd), Моронговская (Mr), Мокулаевская (Mk), Хараелахская (Kh), Кумгинская (Km), Самоедская (Sm). Цветами показаны три группы лав: коричневый и белый — нижняя серия, зеленый — средняя серия; голубой — верхняя серия. Обратите внимание на падение концентрации Cu и Ni в области Надеждинской свиты: считается, что именно из нее были экстрагированы минералы для сульфидных месторождений Норильска. Рисунок из обсуждаемой статьи
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.
Рис. 5. Сравнение отношений Th/Yb и Nb/Yb (A) и La/Sm и Gd/Yb (В) в базальтах Сибирских траппов и базальтах MORB и OIB. Обратите внимание, что белые точки — лавы обладающие наиболее легким изотопным составом молибдена — лежат в области базальтов океанических островов, что подразумевает наличие остаточного граната в источнике плавления. Рисунок из обсуждаемой статьи
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
Источник: https://elementy.ru/