БОНИНИТЫ ВО ВРЕМЕНИ И ПРОСТРАНСТВЕ: ПЕТРОГЕНЕЗИС И ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОБСТАНОВКИ ОБРАЗОВАНИЯ

The article provides an overview of boninitic magmatism occurrences in space and time and shows that the boninite rock series were generated through the entire geological history of the Earth. In modern environments, the genesis of boninites is related to intra‐oceanic subduction initiation. Boninites are typical members of suprasubduc‐ tion zone ophiolite sequences in the Phanerozoic fold belts and also present in the early Precambrian greenstone belts. A comparative study on compositions of the early Precambrian and Phanerozoic boninites indicate their evolu‐ tion through time due to gradual transition from the early thick‐plate tectonics to the modern thin‐plate tectonics. A link between subduction initiation and mantle‐plume impingement at the oceanic lithosphere is discussed.Бониниты получили широкую известность благодаря глубоководным исследованиям преддуговых областей современных зон плитовой конвергенции Юго‐Западной Пацифики. Однако они имеют широкое распространение и в офиолитах складчатых поясов, которые традиционно рассматриваются в качестве океанической коры геологического прошлого. Поскольку бониниты не известны в срединно‐океанических хребтах, неизбежно возникает вопрос о природе офиолитов.Общепринято, что под бонинитами понимаются вулканические породы, которые удовлетворяют следующим критическим параметрам составов (в пересчете на сухой остаток) – SiO2>52 вес. %; MgO>8 вес. % и TiO2<0.5 вес. % [Le Bas, 2000]. Их классификация основана на различиях в химических, а не минералогических составах, и принято различать две крупные группы бонинитов – высококальциевые и низкокальциевые [Crawford et al., 1989]. С бонинитами пространственно и генетически связаны примитивные островодужные низко‐Ti лавы, что предопределило необходимость выделения обособленной магматической серии, известной как бонинитовая серия [Pearce, Robinson, 2010]. Собственно бониниты являются наиболее фракционированной ветвью серии, которая берет начало в пикритовых низко‐Ti расплавах. Характер распределения спектра малых элементов бонинитов наглядно показывает необычайно высокую степень деплетации мантийного источника при одновременных свидетельствах их надсубдукционного генезиса, например отрицательных аномалиях Nb(Ta) и Ti. Спектры малых элементов бонинитовой серии таковы, что, во‐первых, исключается участие какого‐либо вклада в их петрогенезис материала континентальной коры и, во‐вторых, требуется плавление мантийного источника, более деплетированного по сравнению с лерцолитовой мантией, генерирующей расплавы MORB. В то же время геохимия пород бонинитовой серии демонстрирует их отчетливую связь с толеитами островных дуг – структур, в которых происходит формирование ювенильных порций континентальной коры.В статье обобщены литературные данные по 36 объектам находок бонинитов в современных обстановках, офиолитах и раннедокембрийских зеленокаменных поясах. Показано, что породы бонинитовой серии формировались на протяжении всей геологической истории Земли.Петрологическая уникальность пород бонинитовой серии состоит в том, что для их генезиса требуется сочетание различных факторов, которое может реализовываться только в определенных, и очень ограниченных по месту локализации, геодинамических обстановках. Во‐первых, происхождение источника бонинитовых магм требует предварительного истощения верхнемантийного резервуара одним или несколькими эпизодами экстракции базальтовых расплавов; т.е. источником являлась гарцбургитовая мантия. Во‐вторых, лавы бонинитовой серии характеризуются заметной обогащенностью крупноионными литофильными элементами и легкими редкоземельными элементами по сравнению с несовместимыми высокозарядными ионами. Такие их геохимические характеристики указывают на активность водного флюида, который должен был быть инфильтрирован в мантийный источник бонинитовых расплавов. Несмотря на неопределенности в экспериментальном моделировании расплавов бонинитовой серии, составы которых зависят от многих факторов, включающих степень деплетации мантии и флюидный режим плавления, существует ясность в том, что для их генерации требуются аномально высокие температуры и присутствие водосодержащего флюида в заметном количестве. На основе современной теории декомпрессионного плавления верхней мантии были проведены расчеты условий генерации первичных расплавов бонинитовой серии различного возраста, что позволило установить отчетливый эволюционный тренд их изменения. Показано, что раннедокембрийские бонинитовые серии формировались при более высоких степенях плавления гарцбургитовой мантии (30–40 %), а формирование мантийных расплавных колонн происходило на существенно бóльших глубинах (3.5–4.0 ГПа), чем в фанерозойском эоне (2.5–3.0 ГПа).Исследования современных проявлений бонинитового вулканизма демонстрируют, что они локализованы только в зонах интраокеанической плитовой конвергенции, и нет ни одного доказанного примера, свидетельствующего об иных геодинамических обстановках их формирования. Благодаря многочисленным находкам пород бонинитовой серии, в настоящее время стало очевидным, что большинство офиолитов мира мар‐ кируют формации не древних срединно‐океанических хребтов, а палеозоны спрединга в надсубдукционных обстановках на границах океанических плит геологического прошлого. Понимание геодинамической обстановки формирования бонинитовых серий было связано с тем, что офиолиты супрасубдукционных зон связаны с начальными стадиями возникновения интраокеанических островных дуг. С физической точки зрения, главным условием для начала субдукции является возникновение гравитационной нестабильности в океанической литосфере, приводящей к ее полному расколу или коллапсу, а следовательно, к декомпрессионному плавлению верхней мантии и инициации погружения одной части плиты под другую. Это явление, как и генетическая связь бонинитов с офиолитами, легло в основание «правила инициации субдукции» (subduction initiation rule, SIR) [Whattam, Stern, 2011].Теоретически, коллапс литосферы может произойти в двух случаях: 1) когда в соприкосновение приходят плиты с разными термальными характеристиками, например при трансформном совмещении плит разного возраста – древней, холодной, и молодой, горячей [Stern, 2004]; 2) когда место инициации субдукции определяется плотностными неоднородностями на границах нормальной океанической литосферы и утолщенной океанической литосферы плюмовой природы, т.е. океанических плато или трассеров воздействия горячих точек – асейсмических хребтов или симаунтов [Niu et al., 2003]. Хорошо известно, что подъем мантийного плюма приводит к ослаблению прочности литосферы и может вызвать раскол континентов. Но, помимо этого явления, внедрение плюма в литосферу существенно изменяет ее плотностные характеристики. Привнос в верхние горизонты мантии и океаническую литосферу расплавов из обогащенного глубинного источника должен приводить к рефертилизации ранее деплетированной мантии. По мере охлаждения такой процесс будет вести к уплотнению переработанной мантийным плюмом верхней мантии, а возникший в области переработки новый сегмент литосферы со временем может приобрести отрицательную плавучесть. Это обусловлено тем, что вулканиты OIB заметно обогащены Fe и Ti. Кроме того, хорошо известно, что Fe‐Ti базальты/габбро эклогитизируются гораздо быстрее их магнезиальных эквивалентов.По-видимому, процесс установления стационарного режима субдукции требует некоторого периода аккомодации, связанного с обрывами слэба и, как следствие, контрастностью тектонических режимов на поверхности. Причиной малоглубинного отрыва слэба могла стать плотностная неоднородность погружавшейся литосферы, например ее локальная переутяжеленность продуктами OIB магматизма. Важнейшими геодинамическими следствиями этого являются, во‐первых, кратковременное сильное термальное возмущение над узколокализованной областью слэбового окна и, во‐вторых, быстрый аплифт ее надсубдукционной области. Такой механизм хорошо объясняет кратковременность (3–5 млн лет) и большие объемы вулканизма, существенно превышающие объемы вулканизма в режимах стационарной субдукции [Stern, 2002, 2004]. Ап‐ лифт надсубдукционной области приводит к образованию на месте висячей плиты офиолитовой «платформы» – фундамента для островодужной постройки.В раннем докембрии бонинитовый магматизм представлен широко, а количество новых находок древних бонинитов неуклонно возрастает. Согласно недавно опубликованным оценкам, объем бонинитового магматизма в архее примерно соответствует объемам коматиитов [Furnes et al., 2014]. Установление пород бонинитовой серии, ассоциирующих с фрагментами параллельных даек и метабазитами IAT‐типа в древнейшем сохранившемся комплексе Исуа, по‐видимому, указывает на то, что процессы субдукции имеют корни, простирающиеся к началу геологической истории Земли. Поскольку процессы инициации субдукции требуют раскола океанической литосферы на ее полную мощность, раннедокембрийская литосфера по реологическим свойствам до ее основания должна была находиться в области хрупких или хрупко‐пластических деформаций. Другими словами, такую литосферу можно рассматривать как жесткое тело, способное противостоять конвективной нестабильности, что является атрибутом плитовой тектоники [Sleep, 1992]. Мощность архейской океанической литосферы оценивается в 85–120 км, тогда как современной – примерно в 60 км.В отличие от фанерозойских бонинитовых серий, родоначальные расплавы раннедокембрийских серий формировались на глубинах ~120–130 км, т.е. в поле стабильности алмаза. Учитывая то, что примитивные расплавы древних бонинитовых серий несут метки субдукционного влияния, можно думать о способности глубокого погружения слэбов в раннедокембрийскую мантию. Таким образом, можно полагать, что в раннем докембрии действовал механизм толстоплитовой тектоники, который к неопротерозою постепенно сменился на механизм тонкоплитовой тектоники. Мантийно‐плюмовое воздействие на литосферу Земли – сквозное явление на протяжении всей геологической истории, которое определяет возникновение в ней существенных плотностных неоднородностей и, как следствие, мест инициации субдукции и роста континентальной коры

ВОЛГО-ДОНСКОЙ КОЛЛИЗИОННЫЙ ОРОГЕН ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОГО КРАТОНА КАК ПАЛЕОПРОТЕРОЗОЙСКИЙ АНАЛОГ ГИМАЛАЙ-ТИБЕТСКОГО ОРОГЕНА

The ca 2.0 Ga Volgo-Don fold-and-thrust belt, about 500 km in width and at least 600 km in length, covering an area of about 300000 square kilometers intervenes between the Archean Sarmatian and Volgo-Uralian proto-cratonic blocks of the East European Craton, both of which are coupled with 200–300 km thick sub-continental lithospheric mantle keels. The focus of this paper is the elucidation of its nature in order to answer the basic question how this and other thrust-and-fold belts could be formed in the Paleoproterozoic, and whether they are the same as or different from modern collision orogens. The active Himalayan-Tibet orogen is commonly thought of as the most extensively studied large, bi-verging fold-and thrust belt continental collision zone which may provide insight into key tectonic mechanisms for an understanding of orogenic processes in the Earth’s geological past. Precambrian orogens are tentatively perceived yet as something that was distinct from recent orogenic styles and was due to the initial elevated geotherm and higher radio-genic heat production in the early Earth.In this paper we report for the first time the revealation of the large, slightly eroded divergent Paleoproterozoic Volgo-Don orogen which is mostly composed of juvenile metasediments and comprises well-preserved patterns of the crustal orogenic architecture which are characteristic of the archetypal Himalayan-Tibet collisional orogen rather than of hot/ultra-hot Precambrian orogens based on numerical modeling.Волго-Донской складчато-надвиговый пояс, возникший около 2.0 млрд лет тому назад, занимает площадь около 300000 км2 (~500 км в ширину и ~600 км в длину) и располагается между архейскими протократонными Сарматским и Волго-Уральским блоками Восточно-Европейского кратона, которые подстилаются мощными, 200‒300 км, сублитосферными мантийными килями. Целью настоящей статьи является выяснение природы его происхождения, для того чтобы ответить на фундаментальный вопрос о том, как этот и другие складчато-надвиговые пояса могли формироваться в палеопротерозое и был ли стиль орогенеза того времени схожим с таковым современных коллизионных орогенов или отличным от него. В качестве тектонотипа коллизионной геодинамики принято рассматривать хорошо изученный дивергентный Гималайско-Тибетский орогенический пояс, особенности развития которого, как правило, служат основой для расшифровки орогенических процессов в геологической истории Земли. Однако для раннего докембрия широко распространены представления о том, что орогенические процессы того времени должны были сильно отличаться от современного орогенеза вследствие высокого геотермического градиента в коре, обусловленного повышенной радиоактивной теплогенерацией.В статье авторы детально рассматривают глубинную тектонику палеопротерозойского Волго-Донского орогена, реконструкция которого свидетельствует о том, что он представляет собой слабо эродированную орогеническую постройку дивергентной архитектуры; она сложена преимущественно ювенильными метаосадками, фазы ее развития сопоставляются с историей становления Гималайско-Тибетского коллизионного орогена, но не согласуются с представлениями о «горячем/ультрагорячем» стиле орогенеза в раннем докембрии, базирующимися, прежде всего, на результатах численного моделирования

Early Precambrian Eclogites of the Belomorian Province, Fennoscandian Shield

Early Precambrian eclogites are widespread in the Belomorian Province of the Fennoscandian shield. There are three points of view on the their age: 1) Archean and Paleoproterozoic; 2) solely Mesoarchean; 3) solely Paleoproterozoic. The goal of this field trip is to show all these types of eclogites including Archean and Paleoproterozoic (from the authors' point of view) eclogites, eclogitized Paleoproterozoic coronitic gabbroids, Archean zoisitites and their structural position in the Gridino, Salma (Uzkaya Salma and Shirokaya Salma) and Kuru-Vaara areas of the Belomorian Province. The geological excursions provide a good opportunity for the participants and the reader to exanimate these contradicting points of view immediately at beautiful outcrops on islands of the White Sea, on the benches of the Kuru-Vaara quarry and in the walls of road pits in the Salma area. This Field Guidebook is of interest for geologists, petrologists and geochronologists who study the early evolution of the Earth and HP-UHP metamorphic processes

BONINITES THROUGH TIME AND SPACE: PETROGENESIS AND GEODYNAMIC SETTINGS

The article provides an overview of boninitic magmatism occurrences in space and time and shows that the boninite rock series were generated through the entire geological history of the Earth. In modern environments, the genesis of boninites is related to intra‐oceanic subduction initiation. Boninites are typical members of suprasubduc‐ tion zone ophiolite sequences in the Phanerozoic fold belts and also present in the early Precambrian greenstone belts. A comparative study on compositions of the early Precambrian and Phanerozoic boninites indicate their evolu‐ tion through time due to gradual transition from the early thick‐plate tectonics to the modern thin‐plate tectonics. A link between subduction initiation and mantle‐plume impingement at the oceanic lithosphere is discussed

Mesoarchean subduction processes : 2.87 Ga eclogites from the Kola Peninsula, Russia

The nature of tectonic processes on the early Earth is still controversial. The scarcity of high-pressure metamorphic rocks such as eclogite (the high-pressure equivalent of basalt) in Archean cratons has been used to argue that plate tectonics did not operate until Earth had cooled to a critical point, perhaps around the 2.5 Ga Archean-Proterozoic transition. However, eclogites occur as meter- to kilometer-sized lenses enclosed in Archean gneisses of the Belomorian Province of the Fennoscandian shield. Geochemistry and internal features suggest that the protoliths of the eclogites were interlayered olivine gabbros, troctolites, and Fe-Ti oxide gabbros. Greenschist facies mineral parageneses are enclosed in prograde-zoned eclogite garnets, and peak metamorphic conditions define an apparent thermal gradient (12–15 °C/km), consistent with metamorphism in a warm Archean subduction zone. We show here that these eclogites represent the oldest known high-pressure metamorphic rocks. U-Pb dating and Hf isotope analyses of zircons from the eclogites and a crosscutting felsic vein define a minimum age of 2.87 Ga for the Uzkaya Salma eclogite; a 2.70 Ga age for the Shirokaya Salma eclogite is interpreted as the age of a granulite facies overprint. Thermal overprinting and growth of new zircon also occurred during the Svecofennian (1.9–1.8 Ga) orogeny. These new data imply that plate tectonic processes operated at least locally in late Mesoarchean time. The adakitic nature of the felsic vein suggests that partial melting of hydrated eclogites could produce Archean tonalite-trondhjemite-granodiorite–type magmas.4 page(s