Особенности формационного состава

Эта проблема ранее в литературе не поднималась, хотя совершенно очевидно, что без ее обсуждения и решения идентификация мантийных плюмов в геологическом прошлом теряет один из важных признаков-показателей.

Осадочные формации мантийных плюмов, как и других геодинамических обстановок, образуются под влиянием двух главных факторов: тектонической обстановки и климатических условий.

Развитие мантийных плюмов в пределах континентальной литосферы может накладываться на различные предшествующие тектонические режимы, что естественно определяет дивергенцию признаков осадочных формаций. Можно выделить два типичных случая – условия предрифтового и орогенного режима.

Для предрифтового режима (Грачев и др., 1981; Грачев, Девяткин, 1997) характерны образования формации коры выветривания и маломощные континентальные отложения, состав которых определяется климатом. В областях гумидного климата развиты озерные, аллювиальные и озерно-аллювиальные образования, которые могут переслаиваться с отложениями мелководных эпиконтинентальных морей. В областях аридного и семиаридного климата преобладают пролювиальные (отложения временных потоков) и элювиально-делювиальные образования, фациально замещающие друг друга как в вертикальном, так и в латеральном ряду. Их мощность определяется первыми десятками метров.

Примерами таких формаций в пределах континентальной литосферы являются районы юго-западного Прибайкалья (ранний миоцен) и Центральной Монголии, плато Ахаггар в Северной Сахаре, а для древних провинций плато-базальтов Декана и Карру близкий характер формаций известен со времени выделения педипленов в Южной Африке Лестером Кингом в начале 50-х годов и недавно был подчеркнут К.Коксом (Cox, 1989).

В случае развития плюмов в пределах океанической литосферы осадочные формации в виду значительного перепада рельефа имеют много общего с формациями материковых окраин. Данные глубоководного бурения позволяют выделять следующие особенности таких формаций: резкое изменение мощностей (от первых десятков до первых тысяч метров) и фациального состава отложений (ODP leg…, 1995). Выделяются вулканообломочные образования, турбидиты и широкая гамма делювиально-пролювиальных отложений (оползни, обвалы, включая сейсмогравитационные образования).

Осадочные формации, отдельно взятые, не могут быть геологическими признаками-индикаторами развития плюмов, однако в сочетании с магматическими формациями они образуют достаточно надежную основу для выделения мантийных плюмов в геологическом прошлом.

Магматические формации. Магматизм плюмов характеризуется следующими важнейшими признаками:

1 – трещинными излияниями, приводящими к широкому развитию плато-базальтов и щитовых и лавовых вулканов; обычны рои базальтовых даек, простирание которых (в отличие от континентальных рифтов) не обнаруживает какой-либо закономерной ориентировки. Вулканы центрального типа и пирокластические фации встречаются редко, что отличает вулканизм мантийных плюмов от вулканизма горячих точек, островных дуг, активных окраин и орогенных областей. Кислые дифференциаты не характерны и встречаются крайне редко.

Суммарный объем излившихся лав составляет сотни тысяч – миллионы куб. км, а продолжительность магматической активности занимает всего несколько млн. лет (табл. 3). Такая высокая магмапродуктивность, как отмечают Р.Уайт и Д.Маккензи (Whight, McKenzie, 1995), не может быть обеспечена плавлением на уровне литосферы, а требует привнесения материала из более глубоких горизонтов мантии.

Рис. 5 Диаграммы AFM базальтов горячих точек и мантийных плюмов (Грачев, 1987): а - дифференцированные серии с разрывом Дели горячих точек, б - недифференцированные серии мантийных плюмов с четко выраженным оливиновым контролем. На врезке показана бимодальность распределения SiO₂, CaO и DI для диффренцированных серий горячих точек.2 – базальты мантийных плюмов по своей петрохимической специфике относятся к типу Fe-Ti базальтов, промежуточных между лавами щелочного и толеитового состава с феннеровским трендом дифференциации, и в этом плане базальты мантийных плюмов достаточно резко отличаются от базальтов горячих точек и рифтовых областей (рис. 5, табл. 4).

Таблица 3

Характеристика некоторых фанерозойских провинций плато-базальтов¹

Таблица 4

Характер дифференциации базальтов горячих точек и мантийных плюмов (Грачев, 1987)

¹ - недифференцированная серия

² - дифференцированная серия

Рис. 6 Поля составов базальтов различных современных геодинамических обстановок в плоскости осей 1 и 2 факторов (Грачев, 1987). 1- срединно-океанические хребты; 2 - области мантийных плюмов; 3 - внутриокеанические острова; 4 - континентальные рифты; 5 - островные дуги и активные материковые окраины; 6 - окраинные моря.

Специфика феннеровского тренда заключается в том, что остаточный расплав обогащается титаном и железом с одновременным уменьшением содержания магния, или кальция, или алюминия (или всех трех элементов вместе) по сравнению с составом первичного расплава. Базальты типичных мантийных плюмов (о-ва Гавайи, Исландия, Реюньон и др.) имеют сильно выраженный полный феннеровский тренд дифференциации, при котором вес I фактора достигает 75% (см. подробнее, Грачев, 1987). Если взять представительные выборки базальтов таких горячих точек как Исландия, Гавайи, Реюньон, Буве и Афар, которые могут рассматриваться как эталонные, то обобщенный I фактор для них имеет следующий вид: Na₂O K₂O TiO₂ Fe₂O₃ /MgO CaO c весом в 45% (табл. 4). На обобщенной факторной диаграмме базальтов различных геодинамических обстанововок поле составов базальтов мантийных плюмов занимает строго определенное положение, слегка перекрываясь с составами лав срединно-океанических хребтов, внутриокеанических островов и континентальных рифтов (рис. 6). Как будет показано ниже, такое перекрытие характерно и для изотопных отношений Nd и Sr.

3 – базальты мантийных плюмов отличаются высоким содержанием MgO (более 8%) и обычным присутствием пикритов. В редких случаях отмечается присутствие базальтовых коматиитов, которые хотя и типичны для раннедокембрийского магматизма, но встречаются и в лавах фанерозоя (Grachev, Fedorovsky, 1981). Доля пикритов в общем объеме лав, как и магнезиальность самих пикритов, сильно варьируют не только от одного плюма к другому, но и в пределах отдельно взятого плюма.

Прекрасным примером в этом плане являются базальты Северо-Атлантическго плюма. В Зап. Гренландии на пикриты приходится до 30-50% от общего объема лав, а содержание МgO достигает 15-30% (Gill et al., 1992), в то время как в восточной части плюма (Гебриды) на пикриты приходится менее 5%, а содержание МgO составляет 10-18% (Kent, 1995).

Более того, судя по четко выраженному оливиновому контролю, как впервые было установлено для вулканитов о. Гавайии (Wright, 1966), можно предполагать, что именно высокомагензиальные расплавы являются первичными для вулканических серий мантийных плюмов. Недавно получены первые прямые данные о том, что именно расплав такого состава образуется при плавлении лерцолитовой мантии мантийного плюма Хамар-Дабанского вулканического ареала на юго-западном фланге Байкальского рифта (Грачев, 1998). Изучение состава первичных расплавов мантийных плюмов о-вов Гавайи и Реюньон выявило помимо обычных пикритов присутствие и базальтовых коматиитов (MgO 16-18% и CaO/Al₂O₃1) (Соболев, Никогосян, 1994).

По расчетам, сделанным разными авторами (Albarede, 1992; Eggins, 1992; Watson, McKenzie, 1992), температура плавления в мантии для образования таких расплавов варьирует в пределах от 1450 до 1600⁰С, что согласуется с независимой оценкой А.В.Соболева и И.К.Никогосяна (1994) для мантийных плюмов о-вов Реюньон и Гавайи и Р. Гилла и др. (Gill et al., 1992) для Зап. Гренландии. Оценка давления для первичных расплавов современных мантийных плюмов различных районов, проведенная теми же авторами, дает величины от 25-30 до 40-50 кбар.

В сравнении с глубинами генерации и температурой первичных расплавов базальтов срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов разница в указанных параметрах является существенной и составляет для температуры около 200-250⁰С и для давления 15-20 кбар. Другими словами, как это неоднократно подчеркивал Д.Маккензи с соавторами, температура в мантийном плюме на 100–150⁰С превышает температуру в астеносфере, что имеет важнйешее значение для геодинамики.

4 – распределение редкоземельных элементов (РЗЭ) является другим важным диагностирующим признаком вулканитов горячих точек (Schilling et al., 1983, 1992; Le Roex et al., 1983). Весьма важными показателями являются отношения (La/Sm)_N и (Ce/Yb)_N, которые в базальтах горячих точек имеют значения более 1.8 и 7 соответственно (Schilling et al., 1983, 1992; Le Roex et al., 1983).

5 – обычное присутствие в лавах мантийных плюмов ксенолитов шпинелевых и гранатовых лерцолитов, а также дунитов, гарцбургитов как фрагментов мантийного вещества различной степени деплетированности (Глубинные ксенолиты…, 1975, 1987; Basaltic…, 1981 и др.). Этот факт важен по двум обстоятельствам: первое - присутствие ксенолитов ультраосновных пород в лавах свидетельствует о высокой скорости выноса расплавов на поверхность, тем самым затрудняя контаминацию расплава литосферными компонентами, второе – изучение состава и структуры ксенолитов позволяет судить о составе и состоянии вещества на глубинах зарождения первичных расплавов (Ibid).

Таким образом, вулканизм мантийных плюмов обладает целым рядом общих признаков, по которым он может быть идентифицирован. В то же время между мантийными плюмами различных регионов и разного возраста существуют и различия. Так намечается определенная пространственная петрохимическая специфика, свойственная плато-базальтам северного и южного полушарий (Magmatism…, 1992; Menzies, 1992; Gibson et al., 1996; Melluso et al., 1995, см. подробнее ниже). Более того, даже в пределах одной вулканической провинции вариации могут быть существенными, например, в базальтах р. Параны или Декана (Gibson et al., 1996; Melluso et al., 1995).

В начало