Толеиты океанических островов




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Толеиты океанических островов

Толеиты океанических островов

14.08.2017


Может показаться неуместным выделение серии, названной, как на первый взгляд могло бы показаться, по чисто случайному свойству, — формирование суши над уровнем моря, в противоположность, например, образованию базальтов, тяготеющих к системе срединно-океанических хребтов. Однако дальнейшее рассмотрение громадной протяженности системы океанических хребтов и их преимущественно подводное положение позволяют предположить, что в его пределах могли бы возникнуть и какие-либо иные генетические образования вроде островных толеитов. Примерами толеитов океанических островов (ТОО) служат о. Исландия, расположенный на срединно-океаническом хребте, и Гавайский архипелаг (без всякой связи с любым типом срединно-океанического хребта). Несмотря на очевидное различие в тектонической позиции этих толеитов, преобладающие типы пород в обоих случаях по составу сравнимы друг с другом и отличаются от БСОХ.
Исландия и Гавайские острова считаются примерами горячих точек. Этот термин имеет употребление, хотя, возможно, и с субъективно выбранными параметрами, ограничивающими его значение. Горячая точка означает небольшую часть земной коры в настоящем времени, которая выделяется относительным поднятием или топографической возвышенностью диаметром до нескольких сот километров, высоким тепловым потоком и обычно вулканизмом. Продукты вулканизма могут изменяться от относительно редких щеточных до широко распространенных толеитовых разновидностей. Более детальное обсуждение характеристик, идентификации и теории горячих точек дано в статье Дж. Вильсона, который выявил 32 горячие точки или, на примере Восточной Африки, группы этих точек.
Поскольку не существует убедительного объяснения аномальных свойств таких точек в простой тектонике плит, Дж. Вильсон постулировал, что они представляют собой поверхностное выражение разогретых глубинных потоков, поднимающихся в мантии. В этом заключается суть гипотезы, касающейся самого существования прогнозируемых мантийных потоков, их размеров, скорости подъема, различных по составу или температуре по отношению к остальному мантийному веществу на той же глубине и возможных процессов генерации сегрегации магмы внутри потоков. Нам сложно определить то, что никто не видел, и по поводу чего до сих пор нет еще общего мнения. Однако можно показать, что в течение значительного подъема при околоадиабатических условиях в мантии произойдет частичное плавление и мантийный поток или в данном случае любая поднимающаяся часть мантийной конвекционной системы, таким образом, будет являться потенциальным источником магматической активности, которая здесь рассматривается. Дискуссию о «внутриплитном вулканизме», или «срединно-плитном вулканизме», можно найти в работе И. Гесса с соавторами.
Большой интерес вызывает тот факт, что огромное количество горячих точек (и подходящих к ним из глубин мантийных потоков) располагается преимущественно в пределах территории с океанической корой, не менее 16 из 32 установленных Дж. Вильсоном оказались либо на срединно-океанических хребтах, либо возле них. Это, конечно, позволяет предположить причинно следственные взаимоотношения и, естественно, приводит к мысли, что положение мантийных потоков может быть по крайней мере одним из факторов. вызывающих движение плит. Безусловно, по нашим представлениям, для начала дробления на плиты древней стабилизированной континентальной коры и всей мощной литосферы (например, дробление Гондваны и связанное с ним излияние большого объема базальтов) требуются причины, которые могли быть вызваны некоторыми значительнейшими событиями внутри мантии. Примером можно рассматривать «слабые» мантийные потоки, с которыми ассоциирует незначительный вулканизм; или, принимая промежуток времени эволюционного преобразования за 100 млн лет, можно обратить внимание на «молодые» мантийные потоки. (Проявления платформенного магматизма представлены ниже частично с позиций представлений о развивающихся мантийных потоках.) Однако, отложив полемику о возможных взаимоотношениях между горячими точками и мантийными струями и возвращаясь к нашей теме о ТОО, отметим, что существование аномально интенсивного толеитового вулканизма в Исландии и на Гавайских островах не подлежит сомнению
Четвертичная вулканическая зона Исландии (рис. 16) описана в работах Г. Уолкера и С. Тораринссона. Исландия является местом наиболее мощного исторического трещинного извержения, которое произошло в Лейки в 1783 г., подсчитанный объем образовавшихся базальтов составляет около 12—15 км3. Послеледниковый поток, превышающий по размерам описанный, отмечен в Тьорса. Хорошо задокументировано продолжение вулканической активности в Миватне (1725—1729 гг. и т. д.), Гекле (1947 г. и т. д.), Аскин (1961 г и т. д.), Сёртсее (1963—1964 гг.), Хеймее (1973 г.) и др. За более длительный промежуток времени, охватывающий последние 16 млн лет (возраст древнейших, по на шим представлениям, пород Исландии, расположенных на крайнем западном и восточном побережьи, в результате вулканической активизации образовалось субаэральное вулканогенное тело площадью около 10в5 км2, длиной более 300 км, со средней высотой над уровнем моря около 500 м. Оно имеет еще большее по объему подводное вулканическое основание, возвышающееся над дном более мелкого в этом месте океана и вызывающее утолщение базальтовой коры до максимальной мощности около 16—20 км [средняя мощность океанической коры около 6,5 км (см. рис. 16)].

Данные по Гавайскому архипелагу, не осложненные, как в случае с Исландией, положением островов на срединно-океаническом хребте, еще более поразительны. Этот архипелаг длиной более 2000 км представляет собой замечательную подводную вулканическую горную цепь, протягивающуюся приблизительно в западно-северо-западном направлении, у которой только вершины возвышаются над уровнем моря. Единственный активный в настоящее время вулканический о. Гавайи площадью около 10в4 км2, безусловно, крупнейший на территории архипелага. Он состоит из пяти крупных щитовых вулканов, действовавших в течение примерно 1 млн лет. Из них двумя активными вулканами являются Мауна-Лоа высотой 4170 м над уровнем моря, составляющий юго-западную часть острова, и Килауэа в юго-восточной части Гавайи. К этому объему вулканического материала должен быть добавлен массив погруженного основания, сложенный вулканитами мощностью около 5 км и залегающий па более древней прогибающейся океанической коре. Таким образом, Мауна-Лоа и более высокая, теперь потухшая, Мауна-Кеа имеют самый приподнятый рельеф над уровнем основания среди вулканов или гор Земли, превышающий даже высоту г. Джомолунгмы. А они являются, безусловно, только небольшой частью гораздо крупного удлиненного массива, образующего архипелаг.

При движении далее на запад-северо-запад (рис. 17) прослеживаются: 1) противоречие между конструктивной вулканической активностью Мауна-Лоа и Килауэа, их вершинными кальдерами и гладкими склонами (большая часть извержений происходила вдоль линеамента Восточного рифта Килауэа и, таким образом, активно росла территория суши Гавайи к юго-востоку); 2) недавно потухшие вулканы северной части острова; 3) скалистые утесы, образованные пучками даек потухших вулканов на островах в 150 км к северо-западу от Гавайи, включающих Мауи, Кахулави, Ланаи и Молокаи; 4) выветрелые породы и эрозионный ландшафт группы островов Кауаи и Оаху; 5) остатки когда-то более крупных островов, представленных островами Нихоа и Неккер; 6) крошечные выступы вулканических пород, просвечивающие сквозь коралловые рифы Френч Фригата; 7) коралловые атоллы Мидуэй и Ошен и, наконец; 8) еще далее на северо-северо-запад — линия подводных гор Эмперор, которые, очевидно, образуют еще более древнее продолжение архипелага на расстояние приблизительна 3000 км.
Это геоморфологическое доказательство убедительно подтверждает, что вулканизм развивался последовательно вдоль цепи островов и поступательно мигрировал вначале на юго-юго-восток, а затем на восток-юго-восток. Возраст лав более молодых островов, определенный K-Ar методом, реально указывает, что скорость миграции вулканической активности вдоль цепи островов за последние 40 млн лет была около 8 см/год. Недавние работы на подводных горах Эмперор свидетельствуют, что эти горы также последовательно омолаживаются к юго-юго-востоку.
Объем, природа, возраст и распределение вулканических пород Гавайской цепи отражают движение горячен точки, образующейся в результате перемещения Тихоокеанской литосферной плиты относительно фиксированного мантийного потока. Это не является голословным утверждением, поскольку если мы принимаем модель движения литосферных плит друг относительно друга, то большинство плит, если не все, действительно должны также перемещаться относительно мезосферы (нижней мантии). В виде исключения плита может быть неподвижна по отношению к подстилающей нижней мантии, как, возможно, случилось с современной Африканской плитой. Мантийный поток также иногда остается неподвижным относительно вышележащего хребта и зоны спрединга. Такие условия предположительно приближаются к условиям Исландии (хотя это характерно для других атлантических вулканических островов, существуют доказательства того, что постоянно наращивающаяся Африканская плита медленно перемещается относительно атлантических мантийных потоков к западу, и это вызывает кажущееся смещение горячих точек к востоку).
Петрографически более 98% вулканических пород Гавайских островов представлены толеитами. За исключением довольно редких средних и кислых пород, родственных толеитам, остальные (вулканические) относятся к щелочным базальтовым сериям в небольшом количестве более щелочных мафических пород. Исландия также в значительной мере сложена толеитовыми породами, хотя здесь фракционированные члены толеитовых серий гораздо более заметны, чем на Гавайских островах. В Исландии риолитовые потоки интрузии и пирокластические породы составляют около 8 % площади всех обнажений. Здесь также найдены щелочные базальты на участках, удаленных от ее осевой части (например, в районе Снайфедльснеса на западе острова, где молодые щелочные базальты залегают на более древнем фундаменте доплейстоценовых толеитов).
В толеитовых потоках Килауэа и Мауна-Лоу фенокристаллы представлены оливином (который кристаллизуется первым в фазу фенокристаллов или является наиболее распространенным в ней), и плагиоклазом, авгитом и в некоторых породах ортопироксеном, замещающим оливин. В менее фракционированных лавах Тингмули (Исландия) наиболее обычны фенокристаллы, сложенные также оливином, за которым следует плагиоклаз или авгит. И. Кармайкл обращает внимание на необъясненное различие в минералогическом составе основной массы между толеитами Тингмули и Гавайских островов. Первые содержат два вида клинопироксена в основной массе — пижонит и авгит, тогда как последние обычно содержат только один пироксен — Са-содержащий авгит.


Возможные петрогенетические различия между БСОХ и ТОО служили причиной классической дискуссии между Дж. Шиллингом и М. О’Хара. Дж. Шиллинг пытался продемонстрировать, что исландские толеиты значительно отличаются по химическому составу от БСОХ, особенно базальтов, образцы которых отобраны по мере удаления от южной части Исландии вдоль Срединно-Атлантического хребта, и что эти различия могли бы, вероятно, быть связанными с частичным плавлением внутри мантийных потоков, поднимающихся из глубин Земли. Этот первозданный разогретый мантийный поток (ПРМП) не был истощен во время предыдущих этапов плавления. Следовательно, он должен быть обогащен K2O, TiO2, P2O5 и несовместимыми элементами, а также иметь более высокие значения Na/Ca и Fe/Mg, чем относительно обедненный слой с низкой скоростью сейсмических волн (НСС.), подстилающий вообще систему хребтов (рис. 18), Таким образом, мантийный поток мог бы поставлять расплав, значительно обогащенный этими элементами относительно БСОХ. С иных позиций М. О’Хара указывал, что любое прямое сравнение химических свойств этих двух групп усложняется воздействием процессов фракционирования. Можно ожидать, что не только фракционирование, лучше выраженное в базальтах Исландии, пробившихся через сравнительно более мощную кору, но и присутствие во многих исландских базальтах фенокристаллов оливина, плагиоклаза и авгита позволяет предположить заметную степень котектической кристаллизации, которая, возможно, сама произвела значительные изменения в отношениях Na/Ca и Fe/Mg, а также могла бы увеличить содержание, микро- и рассеянных элементов, не входящих в эти фенокристаллические фазы.
По мере накопления фактических материалов аргументы становились все более сложными, особо это касалось утверждения о степенях фракционирования на различных глубинах (для объяснения наблюдаемых распределений рассеянных элементов в двух типах магм). Тезис, выдвинутый М. О’Хара, хорошо обоснован и действительно жизненно важен. Однако рассмотренные совместно состав пород и данные, доступные теперь по другим горячим точкам, таким как Афар, острова Фаэроэ и Азорские острова, свидетельствуют о том, что эти породы сформировались под воздействием мантийных потоков. Такая гипотеза вполне может быть принята как вероятная рабочая, следовательно, эти данные поддерживают взгляд о необходимости выделения толеитов океанических островов в отдельную серию.
Гипотеза мантийных потоков способна объяснить как химический состав базальтов, так и их батиметрические, сейсмические и гравиметрические характеристики, поэтому она считается в достаточной мере обоснованной. Эта и другие модификации гипотезы, относящиеся к горячей точке Исландии, обсуждаются в работе Л. Кристиансона. В более позднем обзоре было рассмотрено влияние возможной неоднородности мантийного источника и фракционирования на составы лавы наращивающихся краев плит, особенно в отношении Исландии, некоторой части Срединно-Атлантического хребта, где действует проект FAMOUS, и офиолитового комплекса Тродос.

В табл. 5 приведены девять анализов гавайских толеитов. Первый из них представляет собой среднее всех анализов толеитов и оливиновых толеитов гавайской группы (некоторые могут быть кумулатами, обогащенными оливиновыми кристаллами). Следующие три — анализы очень свежих стекловатых толеитов, поднятых драгой из подводной части восточной рифтовой зоны Килауэа. В них повышенные концентрации MgO четко коррелируются с более высоким содержанием фенокристаллов (преимущественно оливина). В противоположность этим анализам пород, которые по крайней мере частично кумулативны или фракционированы, анализ 5 представляет наиболее мафическую афировую стекловатую породу (с очень высоким содержанием MgO), образовавшуюся при извержении Килауэа в 1959—1960 гг. и, следовательно, приближающуюся к действительному составу родоначальной магмы. Несмотря на значительное содержание MgO и высокое значение М в афировой породе, указывающих на небольшое фракционирование в верхних горизонтах, концентрации ТiO2, K2O и P2O5 явно выше, чем в ряде составов БСОХ (см. табл. 4, рис. 14). Последние четыре анализа табл. 5 принадлежат породам, которые, как принято считать, характерны для стадий фракционирования материнской магмы. В табл. 6 приведены данные К. Мюрата и Д. Рихтера по контролю изменения состава, проявляющегося при фракционировании сначала оливина, а затем совместно с ним авгита и плагиоклаза. Был сделан вывод, что при массовой доле MgO ниже 10.0% (до 7,3 или даже до 6,8%), согласно аналогичному исследованию Т. Райта, фракционирование оливина преимущественно контролирует состав последовательно выделяющихся толеитовых расплавов. Фракционирование примерно 36,5 % кристаллов приводит к изменению содержания SiO2 всего лишь от 49,2 до 51,2 %, т. е. полученный продукт по-прежнему остается базальтовым. Отметим также, что в этих лавах, изливавшихся на вершине Килауэа, авгит в фазе фенокристаллов предшествует плагиоклазу. Здесь материнская магма, оставаясь толеитовой, может немного менять свой состав на более щелочной или более богатый водой по сравнению с магмой на субаэральной или подводной окраинах вулкана.

Ситуация в Исландии, очевидно, гораздо более сложная. Так, по сравнению с Гавайскими островами, в ней выше содержание более фракционированных пород, например в серии Тингмули (табл. 7, анализы 1—6 указывают на относительно высокие начальные концентрации TiO2, K2O и P2O5); значения М дают гораздо более дробное деление ранних стадий фракционирования, чем содержания SiO2. Более того, оказывается, что существует значительный территориальный контроль состава базальтовых пород, изверженных в течение послеледникового и, возможно, позднеплейстоценового времени.
Оливиновые толеиты п-ова Рейкьянес, расположенные на продолжении линии Срединно-Атлантического хребта на север, на суше значительно сильнее обогащаются TiO2, К2О и P2O5 по сравнению с БСОХ. Ближе к центру Исландии непосредственно к востоку от линии хребта, в районе обильного вулканизма, известном как «Кверкфьёдльская горячая точка», залегают две группы толеитов: 1) насыщенная (Вейдивьётн) и 2) перенасыщенная (Аскья-Миватн), имеющая высокие содержания TiO2, K2O и P2O5 при низких, значениях М и высоком отношении Na/Ca. Исходя из этих данных можно считать, что последняя группа пород полностью подходит для дискуссии между Дж. Шиллингом и М. О’Хара. Однако к югу от этой горячей точки характер основных пород меняется через переходные разновидности к щелочным базальтам (Topфайёкуль) и к щелочным базальтам выраженного нефелин-нормативного состава (о. Вестманнаэйяр) даже без внесения поправки на довольно высокие содержания Fe2O3 в средних анализах, достигающие 3,39 %.
Щелочные базальты также обнаружены на п-ове Снайфедльснее, на крайнем западе Исландии. Одна из интерпретаций этих данных такова: причиной необычайно интенсивного толеитового вулканизма, сконцентрированного значительнее восточнее оси хребта (Кверкфьёдльская горячая точка), являются наложение и частичное смешение двух типов вулканизма, характерных для северной и южной частей хребта. Эта горячая точка окаймлена прерывистым кольцом извержений базальтов с переходной щелочностью и внешним кольцом щелочных базальтов. Таким образом, в пространстве воспроизводится наблюдаемая на Гавайских островах временная последовательность, где в противоположность более или менее статической обстановке восточной части Исландии литосфера довольно подвижна относительно нижележащей мезосферы (см. рис. 18).
Для того чтобы подчеркнуть масштаб данного явления, следует отметить, что Гавайский архипелаг — это высочайшая и крупнейшая цепь одиночных гор на Земле (если рассматривать высоту гор над уровнем основания), а существенная часть всей наземной лавы на Земле в настоящее время извергается в пределах Исландии. Эти факты не могут быть проигнорированы в любом петрогенетическом или тектоническом обобщении.
По сравнению с БСОХ в ТОО проявляются следующие изменения: 1) они имеют существенно более высокие значения 87Sr/S6S г. которые предположительно обусловлены выделением толеитов из мантийного материала, а также несколько более высокие отношения Rb/Sг; 2) аналогично и отношение изотопов свинца 207Pb/206Pb также в них выше; 3) они содержат отличный от БСОХ набор РЗЭ (рис. 19), в котором отмечено заметное обогащение легкими элементами, что, предположительно, отражает их происхождение на больших глубинах, чем БСОХ. Это удобно продемонстрировать на более высоком отношении La/Sm (лантан, атомная масса 57, является наиболее легким из РЗЭ, а самарий, атомная масса 62, шестой из легчайших). Отношение La/Sm действительно показывает маскимальные различия между составами БСОХ и ТОО; 4) TiO2, K2O и P2O5 также выше в толеитах.

Тем не менее до сих пор все еще продолжается дискуссия о некоторых допущениях: 1) о пределах возможного латерального течения вещества ПРМП в астеносфере, там, где мантийный поток выходит под системой хребтов, вдоль которой происходит спрединг, о возможных пределах латерального течения мантийного потока под осью хребта, которое может быть частично или полностью блокировано в местах крупных трансформных разломов; 2) о вероятном перемешивании магм, образовавшихся из ПРМП и ИНОС; 3) о возможной генерации первозданной щелочной базальтовой магмы внутри мантийного потока на глубине и добавлении ее в толеитовую магму, сформированную на менее глубоких уровнях в системе мантийных потоков. Итак, исследования ведутся на основе представлений, мало отличающихся от относительно простой модели, впервые рассмотренной Дж. Шиллингом.
Другие веские доказательства дают геохимические и петрологические исследования базальтов, добытых драгированием, из тройной точки Буве Южной Атлантики. Эти породы более фракционированы, чем типичные океанические толеиты. Однако фракционирование не полностью связано с химическими характеристиками базальтов и оказалось, что они не были выплавлены из особого материнского вещества, возможно, контаминированного мантийным потоком. Следует также рассмотреть альтернативную восходящим мантийным потокам концепцию аномально глубоких зон плавления в мантии.
В этом контексте рассмотрим дискуссию о возможной роли фракционирования и мантийных потоков в происхождении относительно богатых железом базальтов хр. Хуан-де-Фука и предполагаемого образования цепи подводных гор Кодиак Боуи, возможно, продолжающейся холмами Дж. Вильсона, которые отмечают положение молодых подводных вулканов, над «горячей точкой».
При изучении Восточной вулканической линии было получено убедительное доказательство более сложной модели мантийной конвекции, связанной с происхождением магмы, чем у отдельных мантийных потоков. На этой линии длиной около 5000 км отмечается новейшая (менее 2 млн лет назад) активность по крайней мере в пяти районах. Исследователи считают, что скорее всего она связана с отдельными горячими точками и не только с линейным ослаблением литосферы, а с мантийной «горячей линией», возможно, связанной с крупнейшими мантийными конвекционными ячеями, которые могли бы развиться под быстро движущимися плитами и иметь оси, параллельные движению плит.