ГлавнаяПолученные образцы базальтов срединно-океанических хребтов (БСОХ), как правило, либо имеют афировую структуру, либо содержат вкрапленники оливина или плагиоклаза, или того и другого. Большинство из них является по составу оливнновыми толеитами. Ранние исследователи находились под впечатлением поразительного однообразия данных БСОХ. Оно в значительной степени подтверждалось дополнительным отбором образцов и анализами, а также, как мы увидим, изменялось по мере поступления дополнительных данных.
В табл, 4 представлены три усредненных химических анализа Было установлено, что средние квадратические отклонения их невелики. Данные этих анализов идентичны. Наибольшее расхождение между индивидуальными анализами было обнаружено в значениях FeO и Fe2O3. Несмотря на усилия, направленные на сбор только свежего материала, можно допустить, что в нескольких образцах оказались породы, подвергшиеся позднему или послекристаллизационному окислению, в результате чего увеличились содержания Fe2O3. Возможно, первоначальные содержания Fe2O3 не превышали 1,5%, а отношение Ре2О3/FеО приближалось к 0,15.
О чем же может свидетельствовать состав главных элементов, если принять, что средние составы лав, собранных с границы раздела порода — вода, имеют какую-либо значимость при обобщениях? По сравнению с базальтами вообще содержание большинства основных оксидов не необычно. Содержание MgO и CaO обычно высоки; содержание TiO2, однако, несколько понижено, P2O5 низко и K2O очень низко.
Важным отличительным признаком различных серий магматических пород стало содержание рассеянных элементов, особенно во вторично измененных. Низкие (до очень низких) содержания Ti, P и K свидетельствуют о еще более заметном обеднении состава БСОХ, даже по сравнению с другими мафическими породами, группой рассеянных элементов, известной как несовместимые рассеянные элементы.
Несовместимые рассеянные элементы — это обычно элементы с большим ионным радиусом (так называемые рассеянные «крупнононные» литофильные элементы КИЛЭ), но они включают и другие элементы с высокой валентностью, которые еще не заняли положения в узлах кристаллической решетки верхнемантийных минералов. В кристаллических решетках этих минералов, включающих оливин, ортопироксен, клинопироксен, шпинель или гранат, обычно преобладают места для двухвалентных элементов с небольшим ионным радиусом. По этой причине несовместимые элементы стремятся в большей или меньшей степени выделиться в расплавленную фазу, образовавшуюся в результате частичного плавления мантии. Было обнаружено, что эти элементы в том понимании, какое приведено выше, включают щелочные элементы К, Rb и Cs, щелочно-земельные элементы Sr и Ba, редкоземельные элементы (РЗЭ) и тяжелые элементы, такие как Ti, Zr, Р, Ta и Nb.
Таким образом, несовместимые элементы образуют группу, почти полностью совпадающую с группой остаточных рассеянных элементов, которая обсуждалась ранее, а также стремятся сконцентрироваться в расплавленной фазе во время фракционной кристаллизации магмы. Причина этого та же — несовместимость с узлами кристаллических решеток твердых фаз, находящихся в равновесии с расплавленной фазой. Однако в случае остаточных элементов группа твердых фаз, кристаллизующихся котектически из базальтовой магмы, содержит кроме железомагнезнальных силикатов плагиоклаз, ильменит, магнетит и апатит, так что поведение Sr, Ti, V и P значительно отличается от поведения остаточных элементов, хотя все эти элементы несовместимы по данному выше определению.
Содержания этих элементов и такие отношения, как K/Na и Na/K, в целом низки в БСОХ, а иногда чрезвычайно низки; некоторые сравнительные данные включены в табл. 4.
Отметим, что из петрогенетической дискуссии будет ясно, как низкое содержание несовместимых рассеянных элементов в БСОХ коррелируется с их первичными родоначальными расплавами, происходящими из значительно «обедненных» мантийных источников. Обедненная мантия связана с источником, гипотетически, возможно, претерпевшим один или более предшествующих циклов частичного плавления, в течение которых общее содержание несовместимых элементов должно было значительно снизиться в связи с их предпочтительным вовлечением в мигрирующие на ранних стадиях расплавы.
Другой отличительной чертой БСОХ считается низкое содержание редкоземельных элементов (РЗЭ) с более или менее равномерным распределением и спорадической слабой отрицательной европиевой аномалией при «нормировании» содержаний РЗЭ по хондритовым метеоритам.
Если бы это обобщение было верным, то оно привлекло бы внимание исследователей (см. у X. Пучелта и Р. Эммермана дискуссию об «удивительной изменчивости», обнаруженной у нормированных по хондритам образцах РЗЭ некоторых базальтов океанического дна). Равномерное распределение РЗЭ в БСОХ заставляет предположить, что вторые не претерпели в своей истории равновесия с гранатом в качестве остаточной мантийной фазы и, таким образом, были образованы при частичном плавлении мантии на небольших глубинах. Более того, некоторые БСОХ обнаруживают слабое относительное обеднение La и следующими непосредственно за ним легкими РЗЭ. Это в сочетании с низким общим содержанием РЗЭ также свидетельствует об их происхождении из обедненного мантийного источника, так как какой бы ни имела мантия минеральный состав, она не могла бы последовательно производить расплавы, настолько обедненные легкими РЗЭ, исключительно за счет фракционирования кристаллической и жидкой фаз.
Поскольку по своему низкому содержанию РЗЭ и других несовместимых элементов БСОХ ближе (чем какие-либо другие серии магматических пород) к хондритовым метеоритам, то было предположено, что базальты по характеру являются «первоздан ними», т. е. наиболее близкими к веществу первичной мантии. Однако после некоторого размышления становится ясно, что это довольно свободно принимаемое предположение ни в коем случае не допускает близкой генетический связи с первозданной мантией. На против, БСОХ вполне могут характеризоваться низким содержанием несовместимых элементов благодаря тому, что они выделились из обедненной мантии, которую отделяет от первозданной мантии по крайней мере один этап частичного плавления. Это соображение очень важно при рассмотрении следующей серии — толеитов океанических островов.
Базальты срединно-океанических хребтов также характеризуются низкими начальными отношениями 87Sr/86Sr, колеблющимися между 0,7023 и 0,7033. Между величиной этого отношения и близостью пород к океаническим островам, расположенным на или возле срединно-океанических Хребтов, таких как Исландия и Азорские острова, в местах предполагаемых выходов мантийных потоков (см. 33), существует определенная закономерность. Базальты на большом удалении от этих участков обычно имеют низкие отношения 87Sr/86Sr (0,7023—0,7027), тогда как БСОХ, например, с территории действия проекта FAMOUS в- осевой зоне Срединно-Атлантического хребта приблизительно между 36°30' и 37° с. ш в 225—275 км от Азорских островов, имеют довольно узко ограниченные начальные отношения — 0,70288—0,70307, а сами азорские лавы характеризуются более высокими отношениями 87Sr/86Sr, сгруппированными около значения 0,7034. Эти изменения также согласуются с происхождением БСОХ из обедненного мантийного источника с аномально низким отношением Rb/Sr, получившимся в результате одного или нескольких этапов частичного плавления. В работах Г. Фора и Дж. Пауэлла отражены современные взгляды на геологию изотопов стронция и основы геологии изотопов.
Содержание хрома в БСОХ умеренно высокое: в среднем составляя 297—360 г/т, изменяется от 160 до 460 и от 220 до 460 г/т соответственно в десяти и трех анализах. Эти данные хорошо согласуются с ранним фракционированием хромсодержащей шпинели. То же самое можни в общем сказать о концентрациях никеля (среднее 97 и 226 г/т, колеблется от 58 до 140 и от 180 до 320 г/т). Р. Кей с соавторами обнаружил, что в 33 образцах БСОХ содержания никеля обычно колеблются между 70 и 170 г/т, более высокие его концентрации указывают на более высокую степень корреляции с возрастающими значениями MgO. Минимальные содержания никеля были отмечены в некоторых богатых железом базальтах хребта Хуан-де-Фука. Поскольку он в значительной степени фракционируется форстеритом, наиболее ранним и в общем случае самым обычным минералом силикатной фенокристаллической фазы в БСОХ, это согласуется с данными по некоторым породам, представляющим собой продукты фракционирования. Следовательно, хотя базальты по наличию кремнезёма, несомненно, образуют единую группу (содержание SiO2 обычно составляет от 48,5 до 50%), из данных по рассеянным элементам можно с уверенностью заключить, что часть их претерпела значительное фракционирование.
Таким же образом Р. Хекиниан с соавторами, В, Брайн и Дж. Myp дали петрографическое и геохимическое описание 80 образцов подводных базальтовых лав, собранных с площади центральной рифтовой долины Срединно-Атлантического хребта длиной 8 км и шириной 4 км вблизи 36°49' с. ш. В настоящее время это наивысшая плотность отбора образцов с площадей системы океанических хребтов. Породы, собранные из осевой зоны шириной 1 км, представлены оливиновыми базальтами и пикритовыми базальтами, содержащими фенокристаллы оливина и мелкие вкрапленники пикотита. Эти породы имеют относительно высокие содержания MgO, Ni и Cr, а также и высокие значения М. Непосредственно по краям этой осевой зоны было обнаружено большое разнообразие петрографических типов пород — от афировых базальтов до базальтов с вкрапленниками полевых шпатов (фенокристаллы плагиоклаза составляют до 35%). Некоторые из порфировых базальтов содержат три фазы фенокристаллов: оливиновую, плагиоклазовую и авгитовую (фенокристаллы авгита, как правило, довольно редки). В последних типах пород доказательство фракционной кристаллизации, особенно заметной котектической кристаллизации в породах с тремя фазами образования фенокристаллов, подкрепляется относительно более низким М-значением компонентов стекловатой основной массы. По мощности внешнего слоя палагонита и оксида марганца выясняется, что, хотя обычно относительно фракционированные типы пород древнее, чем относительно более близкие к исходной магме породы в осевой зоне, они все же значительно моложе, чем спрединг и возникновение коры, над которой они были извергнуты Р. Хекиниан с соавторами делает вывод:
«Вышеприведенные отношения указывают на то, что лавы различных типов были извергнуты из неглубоко залегающей зональной магматической камеры сквозь трещины, распространенные по всей ширине внутририфтовой долины и ориентированные параллельно ей. Дифференциация сопровождалась остыванием л кристаллизацией плагиоклаза, оливина и клинопироксена по направлению к краям камеры. Холмы, расположенные в центре долины, созданы нагромождением преимущественно первозданных лав, слагающих также и самые молодые потоки. В противоположность этому, по обеим сторонам осевой части рифтовой долины происходили более мелкомасштабные и менее частые извержения более дифференцированных лав».
Внутри группы пород, образцы которых были отобраны и проанализированы Р. Хекинианом и др., содержания TiO2 и K2O в стекловатой основной массе изменялись аналогично содержанию SiO2 и противоположно изменению содержания MgO и значений М в основной массе (рис. 14). Этот тип изменения заставляет предположить, что фракционирование оливина, наиболее распространенного минерала фазы фенокристаллов почти во всех фракционированных типах пород, играло главную роль в контролировании последовательных составов расплавов. Массовая доля TiO2, например, меняется в два раза от 0,7 до 1,4 % в группе БСОХ, опробованной на некоторой небольшой территории. Даже если бы Ti вел себя в течение фракционирования как совершенно идеальный остаточный элемент, то с помощью этих цифр можно было бы предположить 50 %-ное фракционирование фенокристаллов из расплавов. по-прежнему остававшихся основными по содержанию кремнезема и базальтовыми по минералогии в случае кристаллизации. Особо следует отметить, что содержание MgO (или лучше, по-прежнему, значение М) — более последовательный признак дифференциации, чем содержание SiO2. Относительно больший разброс значений концентрации К2О на рис. 14, возможно, частично вызывается относительно более грубой ошибкой при анализе малых количеств вещества, что приводит к появлению преувеличенных цифр, или взаимодействием с морской водой. Титан устойчив при слабых процессах вторичных изменений, а калий высоко подвижен.
Итак, при любом обобщении, касающемся геохимии базальтов срединно-океанических хребтов, необходимо учитывать (среди остальных факторов) значительную степень фракционирования, на которую ясно указывают ассоциации фенокристаллов, составы основной массы и афировые породы различных составов. Их следует считать серией пород с ограниченными изменениями в составе, а не некоторым «средним» типом пород. Содержание кремнезема сильно не изменяется под воздействием заметного раннего фракционирования и, следовательно, не является надежным указателем степени вероятности происшедшего фракционирования. Имея в виду именно это. можно точнее оценить интересное сравнение БСОХ с толеитами океанических островов.
Веское доказательство, подтверждающее, что БСОХ действительно не являются породами типа нефракционированных первичных магм, получено при исследовании этих мафических пород в офиолитовых комплексах. Как отмечено ранее, диаграмму AFM часто используют для отображения дифференциации толеитов, где проявляется характерное обогащение железом на протяжении ранних и средних стадий фракционирования. Д. Стронг и Дж. Малпас обобщили материалы (рис. 15), касающиеся возможных форм магматических камер под системой рифтов, вдоль которых происходит спрединг, и пространственных закономерностей процесса спрединга. Своевременная дискуссия была начата Ф. Броком и значительный вклад в нее внесли У. Чарч и Л. Риккио.
Оказывается, что дифференцированность пород ослабевает от подушечных лав к породам пластинчатого лайкового комплекса и далее к нижележащим габбро На основании этого наблюдения Д. Стронг и Дж. Малпас предполагают, что эта очевидная фракционная последовательность формировалась скорее из бесчисленных мелких перекрывающих друг друга магматических камер, чем из одной протяженной (как предполагали У. Чарч и Л. Риккио).
Следовательно, изучение изменения содержания основных и рассеянных элементов и разбуренных базальтах Срединно-Атлантического хребта позволяет предположить, что четкие циклы фракционирования при низком давлении должны были протекать внутри сложной сети магматических резервуаров ниже оси коревого спрединга. М. Флауэр с соавторами также утверждает, что единая магматическая камера, расположенная вблизи этой оси, не могла бы обеспечить все наблюдаемые химические изменения и, более того, была бы динамически нестабильна. Таким образом, распознавание и исследование фракционирования внутри БСОХ согласуются с пониманием процессов спрединга океанов и происхождением офиолитов.
Интерес представляет наблюдение о том. что средние и кислые разновидности чрезвычайно редки среди изверженных пород срединно-океанических хребтов. Г. Уолкер отметил, что возросшее благодаря огромной толще морской воды всестороннее давление будет стремиться препятствовать излиянию кислых дифференциатов, поэтому пепловые потоки — их типичная форма при субаэральном извержении. Однако внутри габбрового слоя амфиболитов обнаруживаются мелкие тела связанных с ними интрузивных пород, таких как диориты и трондьемиты. Колман и Петерман назвали эти породы плагиогранитной серией, характеризующейся очень низкими содержаниями K2O. В этом смысле вулканические серии БСОХ могут быть расширены по составу в результате этого доказательства, полученного при изучении офиолитов.
Наконец, мало того что БСОХ являются скорее серией пород, чем некоторым осредненным типом пород, как объяснялось выше, имеются еще и доказательства существования материнских магм базальтов со слабыми, но важными различиями, возникшими в различных частях системы срединно-океанических хребтов, которые не обнаруживают явной закономерной связи с близостью предполагаемых мантийных потоков. Некоторые базальты (например, отобранные в Северной Атлантике на 45° с. ш.) содержат большее количество несовместимых рассеянных элементов, имеют более высокое начальное отношение 87Si/86Sr и более низкое отношение Zr/Nb, чем «типичные» БСОХ, подобные описанным выше. В противоположность концентрациям остаточных элементов отношение Zr/Nb вряд ли испытывало бы влияние раннего фракционирования. А, Эрленк и Е. Кейбл придают особое значение отношению Zr/Nb не только в связи с тем, что эти два элемента считаются «неподвижными» и, следовательно, неподверженными воздействиям возможных процессов вторичных изменений, но также и из-за того, что предшествующие этапы частичного плавления, вероятно, повысили бы отношение Zr/Nb остаточной мантии и, таким образом, любого последовательно выделяющегося расплава. Действительно, все данные по рассеянным элементам и изотопам, приведенные А. Эрленком и Е. Кейблом, указывают на выделение некоторых базальтов из менее обедненной мантии, чем та, которая производит типичные БСОХ. Таким образом, в этих база.1ьтах существует некоторая степень постоянства между обычными чрезвычайно обедненными разностями, взятыми здесь за основу описания БСОХ, и, очевидно, менее обычными, менее обедненными разностями, приближающимися к толеитам и родственным им породам океанических островов.