Таримский кратон сформировался в фанерозое путем «плюмовой сварки»

Кратоны — тектонически стабильные ядра континентов, придающие им устойчивость. В основном они сформировались на ранних этапах геологической истории Земли — в архее и протерозое, еще до старта тектоники плит в том виде, в котором мы ее знаем сегодня. Какие тогда были геодинамические условия, непонятно. Ученые из Китая и США показали на примере более молодой Таримской платформы, зажатой между складчатыми поясами Центральной Азии, как могли образоваться древние кратоны: сначала собирались вместе несколько небольших фрагментов континентальной коры, которые затем сплавлялись между собой поднимающимся мантийным плюмом.

Древние платформы (кратоны) с докембрийским кристаллическим основанием занимают около 40% от общей площади суши и образуют «ядра» материков. Геофизические наблюдения показывают, что корни кратонов со сложным и неоднородным строением литосферы уходят глубоко в мантию, на глубину более 150 км, формируя так называемые кили континентов.

Считается, что именно благодаря своим глубоким корням кратоны сохраняли стабильность на протяжении сотен миллионов и даже миллиардов лет: они не раскалывались на части, в их пределах не проявлялась сейсмическая активность, слои пород не сминались в складки и не происходило горообразование. Обладая положительной плавучестью относительно подстилающей мантии, эти мощные, глубоко укоренившиеся блоки Земли в течение геологической истории то «расплывались» по поверхности планеты, то снова собирались в огромные суперконтиненты (подробнее о суперконтинентальных циклах см. новость Суперконтинентальные циклы синхронизированы с периодами активности суперплюмов, «Элементы», 10.01.2020).

Предполагается, что в архее земная кора вела себя иначе, чем сейчас, потому что литосфера была сильно разогрета и частично расплавлена. Кора была очень тонкой, хрупкой, не могла образовывать крупные литосферные плиты, а первые континенты формировались за счет аккреции — слияния микроплит, в местах столкновения которых возникали древнейшие горные сооружения — аккреционные орогены (B. Windley et al., 2021. Onset of plate tectonics by the Eoarchean).

По поводу образования килей — корней кратонов — существует несколько гипотез. Все они также объясняют, почему на Земле не сохранились породы древнее 3,8 млрд лет.

Одни ученые предполагают, что неустойчивые ранние плиты раскалывались, мантийный расплав выходил по ослабленным зонам на поверхность, а раздробленные блоки коры частично плавились и погружались обратно в охлажденную и обезвоженную мантию. За сотни миллионов лет такого «конвейера», пока не сформировалась полноценная континентальная кора, под протоконтинентами наросли многокилометровые корни (Z. Wang et al., 2022. Accretion of the cratonic mantle lithosphere via massive regional relamination).

Другие считают, что в архее, когда литосферные плиты были более пластичными, чем сейчас, при их столкновении одна из погружающихся в мантию плит увлекала за собой вторую, — то есть субдукция была двусторонней. При этом в верхней мантии формировался клин глубиной до 150–200 км, состоящий из пород океанической коры с большим количеством воды и прочих летучих компонентов. При переплавке на глубине такие породы могли дать начало очагам гранитной магмы (обязательного элемента континентальной земной коры), а мантийные клинья — стать зародышами континентов (подробнее см. новость В архее корни континентов росли за счет двусторонней субдукции, «Элементы», 15.11.2021).

Существует также мнение, что корни континентов могли расти за счет приплавления к основанию кратонов мантийного материала (гипотеза мантийных плюмов), причем этот механизм действовал не только в архее и протерозое, но и позже — в фанерозое. В качестве подтверждения этой гипотезы авторы недавней статьи в журнале Geology приводят историю геологического развития Таримской платформы.

Раньше ее также считали древним кратоном, докембрийское основание которого перекрыто осадочными отложениями каменноугольного и пермского возраста. Но исследователи, опираясь на набор геолого-геофизических данных, утверждают, что в протерозое и раннем палеозое Тарим был областью субдукционно-коллизионного типа, а в устойчивый кратоноподобный континент превратился только после внедрения мантийного плюма примерно 300 млн лет назад, в начале пермского периода.

В это же время под всем регионом сформировался характерный для кратонов прочный мантийный киль. До этого на месте Таримской платформы было несколько разрозненных микроплит, которые в неопротерозое соединились по Центрально-Таримскому шву (сутуре), образовав одноименный ороген (рис. 2, 3).

Основываясь на данных аэромагнитной съемки, исследователи определили контуры расположенной под чехлом осадочных пород конусообразной магматической структуры, диаметр которой по мере погружения увеличивается — с 25 км на глубине 10 км до 150 км на глубине 45 км. Центр структуры, по мнению авторов, указывает на местоположение головы мантийного плюма (рис. 4).

Интерпретация данных сейсморазведки (профили А–А и В–В, а также опорная скважина An-1 на рис. 2) показала, что Центрально-Таримский шов, разделяющий две части Таримской платформы, был реактивирован в раннем палеозое. Судя по разрезу (рис. 5) все тектонические подвижки прекратились на границе карбона и перми, примерно 300 млн лет назад, после подъема мантийного плюма.

Начиная с этого времени Таримская платформа оставалась стабильной. При этом все окружающие ее области были чрезвычайно тектонически активными с позднего палеозоя и вплоть до наших дней. Во время последней крупной эпохи тектогенеза — альпийской складчатости, охватывающей последние 50 млн лет геологической истории, в регионе сформировались величайшие на Земле горные системы — Гималаи, Каракорум, а также завершилось формирование Тянь-Шаня, Памира и Тибетского нагорья.

Таримская плита все посткарбоновое время вела себя как типичный «фанерозойский кратон» — материковое ядро, «обрастающее» орогенами. Вполне возможно, считают авторы исследования, путем такого же плюм-литосферного взаимодействия шло образование и древних кратонов.

Подъем пермского плюма сопровождался возникновением в литосферной мантии крупной области магмообразования — Таримской крупной магматической провинции (см. рис. 2, А; подробнее о крупных магматических провинциях см. новость В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы, «Элементы», 18.04.2018). С ней связаны многочисленные интрузии различного состава — от ультрамафических (магнезиально-железистых) до фельзитовых, а также проявления риолитового вулканизма.

Крупные магнитные аномалии (рис. 4) авторы интерпретируют как связанные с пермским плюмом мафические интрузии, расположенные на средних и нижних горизонтах земной коры. Вместе с магмой из верней мантии изымались большие объемы Mg, Fe и других тяжелых элементов. Из остаточной, деплетированной (геохимически истощенной) мантии формировался киль кратона.

Мантийные расплавы модифицировали кору путем приплавления к ее нижней части охлаждающейся истощенной мантии и размещения мафических интрузий по всей коре. Так сформировалась мощная (150–200 км) и прочная за счет ламинации и армирования интрузиями «лоскутная» литосфера, характерная для всех кратонов. Процесс консолидации ранее разрозненных фрагментов изначально неоднородной континентальной коры и верхней мантии и сваривания их в единую монолитную структуру авторы назвали плюмовой кратонизацией (рис. 6).

Предполагается, что процессы образования мантийных плюмов на ранних этапах развития Земли, особенно до старта современной тектоники плит, были значительно активнее, чем сейчас. Этим объясняется то, что большинство кратонов образовались в архее и раннем протерозое. Но пример Таримской платформы показывает, что кратонизация продолжалась и в фанерозое, но в значительно меньших масштабах. Начиная с конца протерозоя континенты прирастали в основном за счет орогенеза.

В заключение надо отметить, что процессы плюм-литосферного взаимодействия могут не только создавать устойчивые блоки континентальной литосферы, но и в отдельных случаях приводить к обратному результату — разрушать прочные кратоны за счет деламинации их корней (подробнее см. новость Строение кратонов может меняться из-за взаимодействия их литосферы и мантийных плюмов, «Элементы», 06.04.2018).

Источник: Xi Xu, Hanlin Chen, Andrew V. Zuza, An Yin, Peng Yu, Xiubin Lin, Chongjin Zhao, Juncheng Luo, Shufeng Yang, Baodi Wang. Phanerozoic cratonization by plume welding // Geology. 2023. DOI: 10.1130/G50615.1.

Владислав Стрекопытов