Глава 9. Главные геодинамические обстановки формирования магматических горных пород
Современные проявления магматической активности, в зависимости от их приуроченности к ведущим геодинамическим обстановкам, в настоящее время разделяются на две большие группы: 1) приуроченные к границам литосферных плит и 2) внутриплитные.
Первая группа, в свою очередь, делится на процессы, проходящие на границах: а) конструктивных (или дивергентных), где происходит формирование и наращивание земной коры; и б) деструктивных (конвергентных), где происходит разрушение или уничтожение земной коры. Каждая из этих обстановок характеризуется различными типами магматизма.
9.1. Магматизм на границах литосферных плит.
Согласно современной тектонической концепции, верхняя оболочка Земли разделяется на несколько литосферных плит: главные – Африканская, Евроазиатская, Американская, Тихоокеанская, Индийская, Антарктическая, Наска, Кокос (последние две в юго-восточной части Тихого океана), Восточной и Юго-Восточной Азии; и серию мелких плит в западной части Тихого океана, Малой Азии, Восточной Африки, Средиземном море и других районах мира. Границы плит четко выделяются по зонам повышенной сейсмичности.
Предполагается, что конвективные течения мантийного вещества вызывают перемещения плит относительно друг друга на поверхности Земли. Разогретое вещество мантии поднимается к поверхности Земли в зоны срединно-океанических хребтов, там оно подвергается частичному плавлению. Сформированные в результате этого процесса базальты выходят на поверхность и наращивают земную кору (конструктивные обстановки). В последующем, сложенная этими базальтами тонкая и "тяжелая" океаническая кора, сталкиваясь с более толстой и "легкой" континентальной корой в зонах субдукции, погружается в мантию в виде твердого вещества (деструктивные обстановки).
Более сложная ситуация на континентах. Согласно данным сейсмической томографии, "корни" континентов прослеживаются на глубину более 400 км. При столкновении континентальных плит между собой магматизм по своим масштабам и характеру проявлений близок к магматизму активных окраин континентов и океанов, и по этой причине эту обстановку также относят к деструктивным.
В целом магматизм на границах литосферных плит, как по разнообразию продуцируемых горных пород, так и по объему материала значительно преобладает над внутриплитным и составляет около 90% от всех формирующихся молодых магматических пород.
9.1.1. Магматизм в конструктивных обстановках.
К конструктивным (дивергентным) геодинамическим обстановкам относятся рифтовые зоны срединно-океанических хребтов (СОХ или MORB по английской в англоязычной терминологии). В их пределах происходит раздвижение (спрединг) плит и наращиваение океанической коры. Эти зоны образуют глобальную систему общей протяженностью более 60000 км, опоясывающую всю поверхность Земли. Обычно они тяготеют к срединным частям океанов, лишь иногда переходя на континенты, где формируют сложные геологические структуры (например, на западе Северной Америки). Кроме того, известны более мелкие спрединговые системы в задуговых (окраинных) морях - Филиппинском, Японском, Беринговом и других.
Важнейшей особенностью спрединговых хребтов является симметрия глубинного строения и морфологии по обе части от осевого рифта (рис.27). Предполагается, что в процессе спрединга поднимающееся мантийное вещество плавится (10-15% объема) и поступая вверх образует новую океаническую кору. Очаг магмообразования располагается непосредственно под осью раздвига. Магмы из его верхней части поднимаются на океанское дно, где формируют базальтовые покровы, а в нижней части остывают и кристаллизуются образуя интрузии габбро и перидотитов.
Формирующиеся в зонах спрединга базальты не однородны и различаются по геохимическим характеристикам. В настоящее время выделят два типа толеитовых базальтов: N-MORB – "нормальные" базальты, слагающие большую часть срединно-океанических хребтов и E-MORB – "обогащенные" базальты, развитые преимущественно в пределах подводных плато и возвышенностей и приближающиеся по составу к толеитовым базальтам океанических островов. Кроме этого выделяют базальты с промежуточными геохимическими характеристиками – T-MORB.
|
Рисунок 27. Принципиальная схема поступления магматического материала в зону спрединга. |
В результате подъема мантийного магматического материала под современными океанами образовался слой базальтов и долеритов мощностью 2,0-2,5 км. Самые древние из известных базальтов океанического дна имеют позднеюрский возраст (около 155 млн. лет), а самые молодые лавы формируются в наши дни. Объем океанических базальтов примерно в 20 раз превосходит объем одновозрастных вулканических пород на континентах. Базальты изливаются на дно океанов при подводных трещинных извержениях и образуют лавовые покровы мощностью в несколько метров. В них часто развиты шаровые (подушечные) лавы (пиллоу-лавы), представленные уплощенными округлыми образованиями, формирование которых характерно для подводных извержений.
Палеоаналогами пород земной коры океанического типа являются сохранившиеся после замыкания древних океанов фрагменты, представленные породами офиолитовой ассоциации (или офиолитами). Их изучение позволило понять глубинное строение океанической коры, пока не доступное для глубоководного бурения. Исследования, выполненные в разных частях земного шара (на Урале, в Средиземноморье, Тихом океане и в других регионах), позволили установить общие закономерности залегания, состава и строения пород, входящих в офиолитовую ассоциацию (рис.29).
В основании разреза залегает ультрабазитовый комплекс, сложенный преимущественно гарцбургитами, значительно реже встречаются лерцолиты. Среди перидотитов залегают неправильные или жилоподобные тела дунитов. Ультрабазиты залегают в виде тектонических блоков разных размеров, наиболее крупные из них имеют форму полого наклоненных пластин мощностью до 5-6 км. Площадь выходов на дневную поверхность измеряется тысячами квадратных километров (Войкарский массив на Полярном Урале, Кемпирсайский и Хабарнинский массивы на Южном Урале и др.). В настоящее время ультрабазиты почти всегда представлены серпентинитами, часто слагающими зоны тектонического меланжа (франц. mélange – смесь) с хаотичным чередованием глыб и блоков. Ультрабазиты нижнего комплекса являются мантийными твердыми остатками (реститами), оставшимися после частичного плавления вещества и удаления магматической жидкости, формирующей базальты. В верхнюю часть земной коры они, по всей видимости, были перемещены в твердом состоянии в виде тектонических пластин, блоков и линз.
Выше мантийных перидотитов располагается габброидный комплекс. В общем случае он состоит из двух различных по составу частей: 1) переслаивающихся ультрабазитов (дунитов, перидотитов, пироксенитов) и 2) перекрывающих их габброидов (габбро, оливиновых габбро, троктолитов, габброноритов, анортозитов, феррогаббро). Собственно габброидную часть разделяют на нижнюю расслоенную и верхнюю однородную, в которой отмечены включения средних и кислых пород (диоритов и плагиогранитов). Общая мощность комплекса достигает нескольких километров.
Выше по разрезу располагается комплекс параллельных даек основного состава (комплекс «дайка в дайке» или «sheeted complex»). Наблюдается он не во всех офиолитовых комплексах, но легко отличается от других пород. Параллельные крутопадающие дайки долеритов занимают промежуточное положение между габброидным комплексом и базальтовыми вулканитами. Они часто контактируют непосредственно друг с другом, часто как бы разрывая ранее сформировавшиеся образования, что проявляется в виде развития корки закаливания только с одной стороны дайки. Мощность даек колеблется от 10 см до 5 метров, а общее их количество может измеряться тысячами. Например, в офиолитах о-ва Кипр на расстоянии 100 км насчитывается 48000 параллельных даек. Геологические исследования показывают, что долеритовые дайки служили подводящими каналами для базальтовых потоков, залегающих выше.
Вулканический комплекс, завершающий разрез офиолитовой ассоциации, представлен лавами основного состава и вулканокластитами, которые накапливались на дне глубоководных морских бассейнов, где они переслаивались преимущественно с кремнистыми осадками. Мощность отдельных лавовых потоков достигает 10-30 метров. Широко развиты лавы с типичной подушечной отдельностью (пиллоу-лавы). Суммарная мощность вулканитов, образованных пиллоу-лавами колеблется от десятков метров до нескольких километров, составляя в среднем 1-2 км.
Офиолитовую ассоциацию обычно перекрывают морские осадки (кремнистые или углисто-кремнистые сланцы, известняки и песчаники).
9.1.2. Магматизм в деструктивных обстановках.
К деструктивным (или конвергентным) геодинамическим обстановкам относятся островные дуги, активные континентальные окраины и зоны коллизии (столкновения) континентальных плит. Для всех них, характерно наличие наклонных сейсмофокальных зон, в которых сосредоточены гипоцентры современных землетрясений. Существование таких зон независимо друг от друга в 40-х годах XX века отметили К. Вадати, А.Н. Заварицкий и Х. Беньофф.
С позиции тектоники плит, зоны Вадати-Заварицкого-Беньоффа трассируют погружающиеся в мантию до глубин 600-700 км пластины океанической коры мощностью 80-100 км. Углы наклона сейсмофокальных зон варьируют от 35 до 90о, оценки скорости погружения плит также сильно разняться от 0,9 см/год в Эоловой дуге Средиземноморья до 10 см/год в Перу, Чили и Новых Гебридах. На определенной глубине вещество погружающейся плиты испытывает дегидратацию и частичное плавление. Возникающие при этом расплавы и потоки летучих компонентов проникают в мантийный клин, расположенный над зоной субдукции. По мнению многих исследователей, с зонами субдукции в течение длительных отрезков эволюции Земли связано образование магм, ответственных за формирование значительной части континентальной коры. Упрощенная схема строения островной дуги с зоной субдукции показана на рис.
В настоящее время сейсмофокальные зоны в западной части Тихого океана фиксируются под островными дугами и окраинными морями, в восточной – под активными континентальными окраинами андийского типа. Наличие таких зон установлено и в пределах Альпийско-Гималайского подвижного пояса, который протягивается от Альп через Турцию и Иран до Гималаев и Юго-Восточной Азии. Островные дуги, континентальные окраины и зоны коллизии составляют мировую систему деструктивных границ литосферных плит, по масштабам не уступающую мировой системе океанских рифтов.
Важнейшей особенностью магматизма деструктивных обстановок является средний, в целом андезитовый его состав при широких вариациях кремнекислотности, щелочности и железистости.
9.1.2.1. Магматизм островных дуг.
Современные островные дуги представляют собой гряды (гирлянды) островов, вытянутые вдоль дугообразных линий и расположенные в зонах перехода от континентов к океанам. Главными морфологическими элементами активных островных дуг и прилегающих пространств являются (рис.30):
1) глубоководный желоб – узкий прогиб, отделяющий островную дугу от океана (глубина некоторых желобов превышает 7 км);
2) гряда островов, удаленная на несколько десятков километров от желоба (на этих островах нет действующих вулканов и, поэтому, их называют амагматичные);
3) внутридуговой прогиб (рифт), отделяющий амагматичные острова от параллельной гряды, к которой приурочены активные вулканы;
4) гряда островов с действующими вулканами, удаленная на 100 и более километров от глубоководного желоба;
5) впадина краевого моря глубиной до 3 км, отделяющая островную дугу от континента.
|
Рисунок 30. Главнейшие элементы островной дуги (принципиальная схема): 1 – глубоководный желоб, 2 – амагматичная дуга, 3 - внутридуговой рифт, 4 – вулканическая дуга, 5 – глубоководная впадина краевого моря. |
Островодужные вулканические ассоциации состоят из базальтов, андезитов, дацитов и риолитов, при этом преобладают основные и средние породы – андезиты и андезибазальты. В подчиненном количестве встречаются умереннощелочные и, реже, щелочные вулканиты. На многих островных дугах проявлена геохимическая зональность вулканитов, особенно отчетливо заметная по распределению калия. Вблизи глубоководного желоба (на его склоне, во внутренней цепи островов, на краю вулканической дуги) преобладают породы низкокалиевого типа. В сторону континента они сменяются породами умереннокалиевого типа, а на максимальном удалении от желоба – породами высокалиевого типа. При этом содержание калия возрастает во всех отрядах вулканических пород – от основных до кислых. Часто рост количества калия сопровождается (коррелируется) снижением количества CaO, что отражается в закономерной смене плагиоклазов в породах калиевыми полевыми шпатами. Среди островодужных вулканитов по объему преобладают породы низкокалиевого типа (около 85%), а умереннокалиевые и высококалиевые породы составляют 12,5 и 2,5%, соответственно.
Островные дуги в целом и их сегменты эволюционируют во времени и в настоящее время находятся на разных стадиях тектоно-магматической зрелости, которая определяется типом фундамента, набором магматических ассоциаций и последовательностью их формирования. Выделяют юные, развитые и зрелые дуги.
К юным дугам относятся внутриокеанские дуги (Марианская, Тонга-Кермадекская, Южно-Сандвичева и др.), имеющие малую мощность земной коры, лишенную гранитно-метаморфического слоя. Для них характерны базальтовая, базальт-андезитовая, базальт-плагиориолитовая, базальт-андезит-риолитовая, а также редкая бонинитовая ассоциации.
К развитым дугам принадлежат окраинно-океанические дуги с более мощной (30-40 км) корой, отдельные участки которой имеют субконтинентальный и континентальный тип строения (Курильско-Камчатская, Алеутская дуги). Среди магматических образований преобладают андезиты и дациты. Интрузивные образования представлены диорит-гранитной, габбро-долеритовой и габброгранитной ассоциациями. Здесь также широко представлена калиевая ассоциация трахитов и трахиандезитов, происхождение которой связано с существованием гранитно-метаморфического слоя земной коры, через который проходят поднимающиеся магмы, закономерно изменяющие свой состав. Интрузивными комагматами подобных магм являются монцониты и сиениты.
Зрелые дуги – это крупные системы островов, обладающие мощной континентальной корой и отчлененные от материка в результате задугового спрединга (Япония, Филлипины, Индонезия). В этих дугах известны породы всех магматических типов, при этом преобладают умереннокалиевые низкокальциевые и низкожелезистые андезибазальты и андезиты. Здесь существенно возрастает значение плутонических ассоциаций диорит-гранодиорит-гранитного состава и средних пород повышенной щелочности: сиенитов, монцонитов и комагматичных им эффузивных образований. Также отмечаются редкие вулканиты калиевого щелочного типа, например низкотитанистые лампроиты.
9.1.2.2. Магматизм активных континентальных окраин.
Типичным примером магматизма активных континентальных окраин являются ассоциации магматических пород Анд, вытянутых вдоль западного побережья Южной Америки. Как и в островных дугах, здесь наблюдается отчетливая геохимическая зональность вкрест простирания вулканического пояса, обусловленная, в первую очередь, ростом содержания K2O по мере удаления от глубоководного желоба в сторону континента. Обогащение пород калием коррелируется с глубиной залегания сейсмофокальной зоны. Оно определяет смену низко-умереннокалиевых вулканитов (преимущественно андезитов и риолитов) породами высококалиевой ассоциации среднего состава. На максимальном удалении наблюдаются разнообразные базальты.
Плутонические породы участвуют в строении крупных батолитов, наибольшим из которых является Прибрежный батолит Перу и Чили, составляющий более 1/3 общей площади выходов на дневную поверхность всех магматических пород региона. Он сложен преимущественно диоритами, гранодиоритами и тоналитами с подчиненным количеством габброноритов.
Продольные вариации составов магматических пород (т.е. вдоль дуги с севера на юг) в значительной степени определяются строением фундамента – в молодых складчатых поясах (Северные и Южные Анды, юг Центральной Америки, Береговой хребет Северной Америки) преобладают основные и средние породы, а на участках с более древним и мощным фундаментом континентального типа (Центральные Анды, Гватемала, Сальвадор) широко развиты кислые породы.
9.1.2.3. Магматизм задуговых впадин.
Задуговые впадины, как правило, залитые краевыми морями, являются характерным элементом деструктивных обстановок. В них также развиты области задугового спрединга, где может происходит новообразование земной коры, так же как и в СОХ, но в отличии от него здесь проявляется не одна, а множество осей раздвижения (рассеянный спрединг). Земная кора обычно имеет сложное строение и состоит из фрагментов коры континентального типа и новообразованных океанических участков. Характер базальтового магматизма задуговых морей в целом аналогичен океанскому: в пределах глубоководных участков развиты базальты MORB, на которые "насажены" вулканические острова и подводные горы образованные титанистыми или щелочными базальтами, характерными для внутриплитного магматизма.
9.1.2.4. Магматизм коллизионных зон.
Магматизм коллизионных зон, образованных при столкновении континентальных плит, в целом близок к магматизму островных дуг и активных континентальных окраин. Типичным примером коллизии континент-континент является Альпийско-Гималайский пояс, возникший при закрытии палеоокеана Тетис. Южный край Евразии ранее являлся активной окраиной и характер ее глубинных процессов был в значительной мере унаследован при дальнейшей коллизии континентальных плит. В результате образовался огромный пояс андезит-трахитового вулканизма, протягивающийся через всю Евразию с запада на восток.
Шовные зоны коллизионных структур трассируются системами надвигов, образующих дугообразные горные хребты (Альпы, Карпаты, Гималаи). В тыловой части, повторяя их конфигурацию, располагаются вулканические дуги, сложенные андезитами и андезибазальтами, калиевого умеренно-щелочного трахиандезит-трахитового и, иногда, калиевого низкотитанистого щелочного типа. В центре структур располагаются депрессии с утоненной корой промежуточного или океанического типа, для которых характерен интенсивный базальтовый вулканизм.
Интенсивный андезит-трахитовый вулканизм характерен для Карпат, Турции, Кавказа и Ирана. Содержание калия в изверженных породах возрастает в направлении с юга на север, т.е. от шва зоны коллизии вглубь Евразийской плиты. Породы практически не отличаются от аналогичных вулканических пород, развитых на активных окраинах океанов и континентов – отсутствуют лишь базальты островодужного типа и бониниты.
Важной особенностью зон коллизии является развитие в них интрузивных гранитоидов, среди которых выделяется два типа: гималайский и альпийский. К первому типу относятся ультракислые недифференцированные лейкограниты, образующие лакколиты, силлы и более крупные плутоны, сформированные из корового источника. Граниты альпийского типа в значительной мере аналогичны гранитам активных континентальных окраин. Они часто образованы серией пород от габброноритов до гранитов с преобладанием последних. Изотопные характеристики этих пород указывают на глубинный источник магм.