Связь между железистыми кварцитами и большими изверженными провинциями

Железистые кварциты (англ. banded iron formations) — это характерного вида метаморфизованные осадочные породы, большинство из которых сформировалось на морском дне от архея до протерозоя в период с 2,8 до 1,85 млрд лет назад [1]. Они имеют характерный вид и состоят из чередующихся слоев кремнистых и железистых отложений. Кроме того, они носят важное промышленное значение, так как содержат около 60% мировых запасов железа [2].

Существуют разные оценки временно́го интервала, когда начались процессы субдукции в том виде, в котором мы их знаем сегодня.

Субдукция — это процесс погружения коры (континентальной или океанической) в мантию. В самом распространенном варианте более тяжелая и тонкая океаническая кора погружается под более легкую и толстую континентальную. Далее она попадает в мантию, где перерабатывается в результате твердотельной конвекции.

Так, недавно были обнаружены свидетельства возможных субдукционных процессов современного типа около 2,52 млрд лет назад [3]. Это значит, что значительная часть железистых кварцитов могла быть доставлена в мантию в результате субдукционных процессов.

В статье “Links between large igneous province volcanism and subducted iron formations”, вышедшей недавно в Nature Geoscience [4], авторы пытаются оценить вклад этого процесса в формирование больших изверженных провинций (large igneous province — LIP).

Железистые кварциты плотнее окружающей силикатной мантии, что позволяет им погружаться довольно глубоко, вплоть до границы ядро — мантия. Попав туда, они могут образовать аномалии наподобие тех, что называют теперь зонами сверхнизких скоростей. Такие зоны характеризуются снижением скоростей продольных и поперечных волн на 25% и 50% соответственно и увеличением плотности на 20%. Также в условиях нижней мантии оксиды железа становятся очень теплопроводными.

Нижняя мантия — это область, составляющая около 56% от общего объема Земли. Верхняя граница проходит на глубине 660 км, а нижняя — на ~2900 км. Температурные оценки варьируют в широких пределах и составляют около 1700–2000 K для верхней границы в 660 км и 3000–4500 K — для нижней.

Расчеты показывают, что такая зона, обогащенная оксидами железа, может передавать в вышележащую мантию до 80% больше тепла, чем силикатная нижняя мантия того же объема.

Далее авторы предлагают два возможных механизма возникновения аномалии (см. рис. 1). Согласно первой модели («снегоуборочной машины»), железистые кварциты, как снег перед ковшом экскаватора, находятся на кромке погружающейся плиты и, попав в условия нижней мантии, инициируют апвеллинг (восходящее движение вещества). Согласно второй модели («рассеянной»), попав на границу ядро — мантия, железистые кварциты рассеиваются нижнемантийным течением внутри нижней мантии. Это также приводит к образованию восходящего конвективного столба.

Независимо от конкретного механизма, материал железистых кварцитов эффективно передает тепловую энергию, что может способствовать формированию мантийных плюмов.

Александр Марфин, канд. геол.-мин. наук

1. Konhauser K. O., Planavsky N. J., Hardisty D. S., Robbins L. J., Warchola T. J., Haugaard R., Johnson C. M. (2017). Iron formations: A global record of Neoarchaean to Palaeoproterozoic environmental history. Earth-Science Reviews, 172, 140–177.

2. Aftabi A., Atapour H., Mohseni S., & Babaki A. (2021). Geochemical discrimination among different types of banded iron formations (BIFs): A comparative review. Ore Geology Reviews, 136, 104244.

3. Ning W., Kusky T., Wang L., & Huang B. (2022). Archean eclogite-facies oceanic crust indicates modern-style plate tectonics. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(15), e2117529119.

4. Keller D. S., Tassara S., Robbins L. J. et al. (2023). Links between large igneous province volcanism and subducted iron formations. Nat. Geosci.
doi.org/10.1038/s41561-023-01188-1