ГлавнаяЗа исключением обстановки задугового спрединга в районах развития океанической и континентальной кор, где преобладают основные породы, сходные с БСОХ, и кислые породы корового происхождения, андезиты и ассоциирующие породы извергаются не в условиях растяжения Трещинные излияния базальтов неизвестны в районах активного проявления андезитов, за исключением знаменитого трещинного излияния базальтов в районе Тарауэра в 1886 г. на Северном острове Новой Зеландии, которое произошло в обстановке задугового растяжения и характеризовалось значительным объемом риолитов и образованием многочисленных вертикальных разломов. Однако в общем родоначальные магмы ОПСЗ (магмы, образовавшиеся над зоной Беньофа) могут медленно проходить сквозь литосферу, таким образом, может успешно произойти фракционирование от нижних корневых до верхних коревых уровней, и, конечно, можно ожидать появление линз расплава на границе раздела мантия — кора, как это предполагал У. Файф.
Многие особенности андезитов согласуются с их эволюцией в водонасыщенной магматической системе: 1) высокоэруптивный характер извержений по сравнению с субщелочными магмами; 2) присутствие, по крайней мере в некоторых андезитах, гидроксилсодержащих фенокристовых фаз (к числу представителей таких фенокристаллов, вынесенных с глубины, относятся роговая обманка и биотит, окруженные заметными оторочками магнетита и пироксена, возникшими в результате реакции с лавой, которая дегидратируется при образовании газовых пузырьков); 3) элементы коррозии и постепенная зональность, обычно наблюдающиеся в фенокристаллах плагиоклаза из андезитов, наиболее просто объясняются значительным (и меняющимся) содержанием воды и ее парциальным давлением в магматических камерах на высоких уровнях; 4) температуры равновесия магнетит — ильменитовых пар (там, где они присутствуют), которые отмечают более низкие температуры реальной кристаллизации, чем возможные температуры магмы обедненной водой
Высокое отношение Fe2O3/FeO, даже с учетом эффектов посткристаллизационного окисления, и присутствие во многих андезитах фенокристаллов базальтической роговой обманки и магнетита (последний обычно игнорируют в петрографических описаниях!) предполагают, кроме значительного содержания воды, повышенную фугитивность кислорода.
Образование андезитов, очевидно, очень характерно для ОПСЗ, хотя некоторые континентальные андезиты, такие как палеогеновые андезиты из района Сан Жуан (шт. Колорадо), обладают наиболее специфическими особенностями по сравнению с какими-либо другими районами, где постулированы зоны Беньофа. Однако большая часть андезитов извергается в пределах сравнительно узких вытянутых поясов, маркирующихся резким вулканическим фронтом, расположенным со стороны пояса, приближенного к желобу и расположенного по вертикали примерно в 100 км над зоной Беньофа. Обычно проявляется небольшое направленное изменение состава при движении от желоба (обогащение К, несовместимыми элементами и легкими РЗЭ), Большинство андезитовых провинций характеризуется однородным распределением типов пород, при этом значительно преобладают разновидности среднего состава, однако часто наблюдающиеся постепенные переходы к сравнительно более основным членам предполагают, что какие-то серии могли образоваться из родоначальных магм базальтового или по крайней мере андезитобазальтового состава.
В химическом отношении характерной чертой является отсутствие обогащения железом средних членов серии другим важным подразделением субщелочных пород по сравнению с толеитами. Низкокалиевые толеиты островных дуг (островодужные толеитовые серии) можно отнести к промежуточным образованиям, которые проявляют незначительную тенденцию к обогащению железом. Другой особенностью андезитовых пород является повсеместное низкое содержание TiO2.
Одно из наиболее ранних предположений по поводу происхождения андезитов, основанное на их переходных средних составах и встречаемости преимущественно на континентальных окраинах, заключается в том, что такие породы образовались при ассимиляции сиалического корового материала базитовыми (обычными, но скорее всего толеитовыми) магмами. Это предположение в настоящее время считается малообоснованным, по крайней мере для вулканических пород. Некоторые андезиты извергаются в районах только с океанической корой (например, дуга Скоша, Гонга-Кермадекский архипелаг и западные Алеутские острова), что исключает ассимиляцию материалом континентальных коровых пород. Многие андезиты имеют величины 87Sr/86Sr около 0,7035, близкие к повсеместным средним мантийным и несколько более высокие, чем средние значения для БСОХ, которые, как принято считать, образовались из деплетированной мантии. Эти изотопные данные исключают ассимиляцию континентальным коревым материалом в крупном масштабе. Однако некоторые кислые члены андезитовых ассоциаций имеют более высокие значения 87Sr/86Sr, согласующиеся с их коровым происхождением. Более того, несмотря на любую ассимиляцию, которая представляется в этом случае очень избирательной, возникают очень большие затруднения при объяснении концентраций таких принципиально различных по своему поведению элементов, как Ni, Rb, РЗЭ, U и т. д., исходя из смешения базальтового и корового материала. Отметим, однако, что многие особенности плутонических ассоциаций ОПСЗ в районах континентальной коры, очевидно, требуют целой серии процессов коровой ассимиляции.
Другое, раннее предположение заключалось в том, что андезиты, дациты и риолиты являются не более чем «нормальными» фракционными дериватами толеитовых магм. Ho с позиций существенных петрографических и химических различий между андезитовыми и толеитовыми производными это предположение, как хорошо показывают Скергаардская интрузия и лавы Тингмули, не может быть поддержано.
Две противоположные теории происхождения кислых вулканических пород в обстановке ОПСЗ, разработанные на сопоставимых данных по мощным риолитовым образованиям Северной Исландии и Новой Зеландии, предложены А. Эвартом, Дж. Стиппом и Дж. Левисом. Дж. Левис обратил внимание на очевидный непрерывный ряд химического состава кислых пород и пространственно ассоциирующих с ними средних и основных разновидностей, а А. Эварт и Дж. Стипп пришли к заключению, что риолиты образовались независимо от андезитов и базальтов при плавлении корового материала (мезозойские граувакки сами по себе имеют известково-щелочное происхождение). Интересно сравнить аргументы и подходы этих двух статей. Отмечены широкие вариации отношений 87Sr/86Sr для кислых пород из других провинций ОПСЗ в областях с континентальной корой. Низкие первичные значения (около 0,7035), сравнимые с ассоциирующими андезитами, согласуются моделью фракционирования (см. статью Г. Лоудера и И. Кармайкла, а также М. Ланфере для объяснения геохимии изотопов Sr среднетретичных риолитов Сьерра-Мадре — Оцидентал, Мехико — наиболее крупной риолитовой провинции в мире, где андезиты, дациты и риолиты имеют первичные отношения 87Sr/86Sr в довольно узких пределах 0,7042—0,7050, проявтяя систематические вариации в связи с составом и подтверждая, таким образом, происхождение этих серий в результате фракционирования). Однако высокие первичные отношения, достигающие 0,720, отчетливо указывают на переплавление коры. Эти данные явно предполагают действие более чем одного процесса в образовании кислых членов андезитоьых серий, проявившихся в различной степени, различное время и разных местах. Однако наша главная задача в данном случае — образование андезитов, без учета дополнительных трудностей, очевидно, увеличивающихся при рассмотрении пространственно связанных с ними кислых пород.
Е. Осборн предположил, что в данной родоначальной толеитовой магме при любом повышенном содержании воды фугитивность кислорода должна будет стремиться к более высокому (чем среднее!) значению в результате действия равновесия, определяющегося частичной диссоциации магматической воды на кислород и водород и частичного преимущественного удаления последнего из магмы за счет диффузионных процессов. Это приведет к увеличению отношения Fe2О3/FeO в магме и скажется в ранней кристаллизации и возможном фракционировании магнетита. Следствием этого должны быть отсутствие обогащения железом средних членов андезитовых серий и образование более значительных количеств пересыщенных остаточных жидкостей (поскольку магнетит совсем не содержит SiO2). Таковы две наблюдаемые химические особенности орогенных андезитовых ассоциаций Однако С. Тейлор отметил, что раннее фракционирование магнетита должно неизбежно обеднить содержание в расплаве ванадия и скандия, что не наблюдается в андезитах. Конечно, магнетит часто встречается в виде фенокристаллов в андезитах, но только в некоторых средних членах андезитовых серий и, следовательно, не обязательно играет какую-либо роль в контроле изменения состава жидкости от основного до среднего состава.
Реальным способом образования характерных орогенных андезитовых ассоциаций, опять предполагающим сравнительно высокие содержания H2O в изначальных мафических магмах, является фракционирование с участием амфибола. Высокое парциальное давление H2O ведет к заметному увеличению поля стабильности амфибола относительно плагиоклаза. Анализы амфиболов, кристаллизовавшихся экспериментально из основных расплавов в условиях высокого содержания воды, но не обязательно достигающего Pобщ, показывают, что данные фазы представлены керсутитом (т. е. массовая доля TiO2 достигает примерно 8%) и содержат около 40 % SiO2. Следовательно, фракционирование аналогичного амфибола в природных условиях может дать значительное обеднение TiO2 всех вулканических пород ОПСЗ и привести к образованию фракции расплава, обогащенного кремнеземом. Кроме того, полученные экспериментально амфиболы имеют такие отношения Fe/Mg, что их фракционирование должно привести к обогащению железом магматических серий. И не только фракционирование амфибола, присутствие которого установлено экспериментально, поддерживает эту теорию, но также и нодули, содержащие амфиболы керсутитового состава, обнаруженные в некоторых андезитовых породах. Для интрузивных комплексов типа трубок Аляски хорошо установлена последовательность фракционирования: оливин—авгит—роговая обманка—магнетит, которая вероятна для андезитовых подводящих каналов. Наблюдаемое обогащение фенокристаллами плагиоклаза в породах среднего состава ОПСЗ отражает позднюю кристаллизацию из эволюционированных расплавов при сравнительно низких давлениях, при которых амфибол не стабилен.
Исходя из очевидной четкой связи андезитов с зонами Беньофа, дальнейшее обсуждение касается происхождения первичных магм андезитовых ассоциаций, фракционированных по мере их подъема в верхние коривые горизонты С. Тейлор после обзора геохимии рассеянных элементов андезитовых пород предложил «двухстадийную» модель образования андезитов, а именно: 1) частичное плавление мантии с формированием океанической коры в зонах спрединга и 2) последующее частичное плавление океанической коры там, где имеется часть подвигающейся литосферной плиты, ниже зоны Беньофа с образованием родоначальной андезитовой магмы.
T. Грин и А. Рингвуд показали, что для серий «сухих» расплавов известково-щелочных пород, варьирующих от толенга до риолита, при давлении около 3,0 ГПа расплав с наименьшей ликвидусной температурой имел андезитовый состав, его ликвидусная температура была ниже, чем у базальтового, и, еще более удивительно, ниже риолитового расплава. Фазы, кристаллизующиеся при (или около) ликвидусе, представлены гранатом, омфацитовым клинопироксеном и кварцем На основании этой работы можно предположить формирование андезитов в сухих условиях как анатектических продуктов субдуцированной океанической коры, метаморфизованной до эклогита на соответствующих глубинах.
Однако имеется очевидное возражение по поводу этого простого способа образования андезитовых магм в связи с тем, что в данном случае отсутствует непрерывность в полном спектре серий ОПСЗ от средних и кислых членов к более основным. Основные члены островодужных толеитов особенно близки к БСОХ. Исходя из тектонического положения БСОХ, только мантийные процессы могут быть привлечены для их генезиса. Учитывая это, однако, неблагоразумно избегать процессов частичного плавления мантии, рассматривая петрогенезис андезитов. Конечно, не столь важно иметь родоначальную базитовую составляющую, которая присутствует и обнажена в больших количествах, для того, чтобы получить из нее подчиненные серии. Может быть, это связано с особыми условиями образования характерных вулканических серии ОПСЗ, учитывая сложность строения мантии?
Дж. Холловеи и К. Бурнхем в экспериментах по парциальному плавлению базальта, проведенных при РН2О = 0,6 Pобщ и при довольно низких давлениях (0,2; 0,5 и 0,8 ГПа соответственно), показали, что:
Они отметили, как и следовало ожидать, что маловероятная высокая степень плавления необходима для образования более основных членов данной последовательности из основных пород. Хотя появление андезитовых расплавов при частичном плавлении базальта в этих условиях остается технически возможным, экспериментальные данные, подобные приведенным, также согласуются с фракционной кристаллизацией мафического парагенезиса, в состав которого входит амфибол, из первичных базальтовых расплавов для образования андезитовой серии
Современные фракционные модели для низкокалиевых серий ОПСЗ оперируют с обогащенной H2O основной магмой. Она могла бы образоваться из мантии, перекрывающей зону Беньофа, а плавление могло бы быть облегчено поступлением воды, выделяющейся из погружающейся литосферной плиты, которая перемещается вместе с верхним слоем до определенной степени обводненной океанической коры, как это предвидел в своих предположениях P. Коатс. Следовало бы ожидать, что возможные температурные режимы этого существенно основного океанического корового материала будут способствовать его перекристаллизации в эклогит (через промежуточную амфиболовую стадию) на вертикальных глубинах около 80—100 км, последние, конечно, согласуются с наблюдаемыми глубинами зоны Беньофа ниже вулканического фронта. В этой модели вклад погружающегося океанического корового материала в вулканическую деятельность ОПСЗ состоит в большей степени из воды, чем из вещества, подвергающегося анатексису. Заметим, что в водных условиях эксперименты И. Куширо показали пределы давления инконгруэнтного плавления энстатига от 0,5 (в «сухих» условиях) до 2,5 ГПа; следовательно, слегка пересыщенная основная магма может эволюционировать в мантии в этих условиях.
Характерным показателем сложности и неопределенности, которые окружают проблему андезитового петрогенезиса, является обобщение А. Рингвуда, посвященное петрологической эволюции островодужных систем, со ссылками на проверочные расчеты по данным рассеянных элементов, включая распределение РЗЭ. А. Рингвуд рассматривает частичное плавление мантии непосредственно над зоной Беньофа на глубинах около 100 км как причину возникновения переизданных толеитовых магм, которые фракционируют преимущественно в результате кристаллизации оливина и слагают серии ОДТ. Для более «зрелой» фазы развития островной дуги, содержащей более типичные известково-щелочные серии, А. Рингвуд предполагает последовательное фракционирование эклогита и амфибола из первичных расплавов, которое может иметь сложную историю частичного плавления субдуцированного, превращенного в эклогит океанического корового материала и последующей реакции с мантией.