Вулканизм зон субдукции, спрединга и горячих точек

Магматизм — одно из наиболее ярчайших проявлений глубинных развитий в зонах субдукции. Со временем изучения современного вулканизма островных дуг и активных континентальных окраин выявляются всё новые закономерности его зависимости от строения и развития той или иной зоны субдукции. Поэтому магматические комплексы древних зон субдукции гораздо более информативны при палеотектонических реконструкциях. Вместе с этим на многих отрезках активных зон субдукции нет вулканизма в настоящее время. Обнаружение тектонических причин прекращения вулканизма на таких отрезках позволяет интерпретировать для палеореконструкций и такую авулканическую субдукцию.

Еще в 50-х годах Г. Штилле связал вулканизм «андезитового кольца» Тихого океана с плавлением океанской коры при ее прохождении в мантию. С возникновением представлений о литосферной субдукции Э. Оксбург и У. Гамильтон истолковали магматизм островных дуг и активных континентальных окраин как одно из ее проявлений. По сравнению с магматическими комплексами зон рифтогенеза субдукционные гораздо более разнообразнее, отличительные черты их состава и строения зависят от сочетания всё большего числа условий, что и усложняет выявление закономерных взаимосвязей магматизма и геодинамики зон субдукции.

В формировании магм, подпитывающих субдукционный вулканизм, принимает участие вещество, которое отделяется от погружающейся океанской литосферы, от пород существующих над ней астеносферного клина, а также от мантийных и коровых пород литосферы висячего крыла, которая служит основой вулканического пояса. Еще одной важной специфической чертой магмообразования при субдукции считают перемещение вещества океанской коры, также и ее осадочного чехла, глубоко в мантию, что придает соответствующие геохимические отличительные черты мантийным магмам. Кроме того, немалое количество воды, которое привносится при этом, главным образом меняет условия частичного плавления перидотитов над зоной субдукции. Судя по лабораторным экспериментам, из обводненной мантии возможно прямое отделение не только базальтового, но и андезитового расплавов. Несмотря на разнообразие субдукционных вулканитов, среди которых представлен широкий спектр пород толеитовой, известково-щелочной и шошонитовой серий, их геохимическая специфика во многих случаях позволяет отличить эти породы от сходных вулканитов другого происхождения. (В.Е. Хаин, М.Г. Ломизе. «Геотектоника с основами геодинамики». М.: КДУ, 2005).

По сравнению с зонами спрединга в зонах субдукции зависимость состава вулканитов от скорости относительного движения плит выражена гораздо менее отчетливо, она завуалирована воздействием иных факторов, порой даже более значимых. Исследуя эту зависимость, Р. Сугисаки пришел к выводу о том, что с возрастанием скорости конвергенции становится все меньше андезитов и всё больше базальтов, в тех и других понижается содержание щелочей, а также, как показал А. Миясиро, постепенно повышается отношение железа к магнию. К близким выводам пришел русский геолог А. А. Цветков, который еще и связал наблюдавшиеся различия с эволюцией островных дуг, полагая, что от «юных» дуг к «развитым» и «зрелым» скорости конвергенции понижаются. Отметим, однако, что дуги, принятые при этом в качестве зрелых (Новозеландская, Японская, Зондская и пр.), скорее представляют собой первоначально энсиалические структуры, заложившиеся на коре континентального типа. Скорости конвергенции в них широко варьируют (от 2,1 до 9,9 см/год) и определяются изначально параметрами передвижения крупных литосферных плит, не зависящими от возраста того или иного отрезка субдукционной границы. (В.Е. Хаин, М.Г. Ломизе. «Геотектоника с основами геодинамики». М.: КДУ, 2005).

Таким образом, соотношения сложны. Различия коровых пород над зонами субдукции, судя по всему, оказывают на состав вулканитов огромное воздействие, чем вариации скоростей. Свидетельством является сходство продуктов вулканизма энсиалических островных дуг и окраинно-материковых поясов даже при разнообразии скоростей конвергенции. При палеореконструкциях это усложняет определение скорости субдукции по петрохимическим данным. Как показал С. Кейт, полуколичественная оценка может быть получена также исходя из корреляционной зависимости между этой скоростью и углом наклона зоны Беньофа, который восстанавливается по составу вулканитов.

Различия в составе вулканитов, обусловленные изменчивостью конвергентного взаимодействия в зоне субдукции, накладываются на долгие направленные изменения, происходящие с момента зарождения вулканического пояса до все более зрелых периодов его развития. Особенности состава сегодняшних вулканитов соотносятся с определенной фазой эволюции, в настоящее время которую проходит та или иная зона субдукции.

Общая тенденция состоит в нарастании щелочности вулканитов, в снижении роли базальтов, повышении количества дацит-риолитовых и андезитовых пород. Это объясняют тем, что на первой фазе субдукции магмогенез вероятен уже на глубине 50—75 км, а затем, по мере погружения литосферы, геоизотермы изменяются вниз, магмогенерирующий отрезок зоны субдукции мигрирует по её падению. Следовательно увеличиваются глубинность и щелочность исходных выплавок. Также одновременно наращивается мощность коры, что и возвышает роль внутрикоровых процессов в формировании магм, долю вулканитов кислого и среднего составов.

В зависимости от того, идет ли субдукция под континентальную или под океанскую кору, а также от мощности первой формируются различные эволюционные ряды вулканитов. В энсиматических островных дугах ряд начинают толеитовые базальты и также бониниты, для которых характерна очень высокая магнезиальность при низкой титанистости. На примере дуги Фиджи Дж. Гилл показал, что от этих пород эволюция ведет к  субщелочному шошонитовому и известково-щелочному магматизму. В Марианской дуге представлены две первые стадии: известково-щелочная и толеитовая. В дугах Тонга — Кермадек и Скотия схожий ряд находится всё еще на стадии толеитового вулканизма, хотя уже и появилось относительно небольшое количество известково-щелочных пород. В вулканических поясах на континентальной коре, как это отмечают А. А. Цветков и Т. И. Фролова, ранние, толеитовые члены эволюционного ряда редуцированы или полностью отсутствуют, господствуют андезиты и более кислые породы известково-щелочной серии с явными геохимическими признаками участия сиалической коры в их возникновении. Более поздние члены ряда имеют субщелочной, а потом и щелочной состав. (Г.П. Авдейко “Вулканизм и геодинамика. – Н. 1977 г.”).

Преддуговой вулканизм (forearc volcanism) – локальное и нечастое явление, обусловленное субдукцией спредингового хребта. Впервые было обнаружено в том месте Андской зоны субдукции, где у полуострова Тай-тао в неё погружается Чилийский хребет геофизиком Р. Д. Форзитом. Вулканиты изучены там как и на побережье, так и на склоне желоба, где были проведены глубоководное бурение и подводные наблюдения. В конце миоцена – плиоцене произошла субдукция одного из сегментов хребта под континентальный борт желоба, которая сопровождалась изначала обдукцией пластины офиолитов, а затем внедрением малых интрузий (гранодиоритов, гранитов, трондъемитов, тоналитов), а также и субаэральными, и мелководно-морскими извержениями лав в преддуговой области, где и образовался бимодальный вулканический комплекс. Одна его часть – это базальты – андезиты с геохимическими явными признаками спрединговых океанских толеитов, а другая - это уже дациты и риолиты, представляющие собой продукт частичного плавления океанской коры при её субдукции, контаминированный сиалическим материалом континентальной окраины. Существуют здесь и разности адакитового типа. Предполагается, что в отличие от этих вулканитов андской континентальной окраины в энсиматических островных дугах преддуговые вулканиты могут быть бонинитовыми.

 

 

4.   Современные методы и средства  исследований.

Среди современных методов исследования данного вопроса наиболее распространенным является метод вакуумной декриптометрии.

Магматические образования существенно различаются размерами, сложностью морфологии, вариациями вещественного состава, зависящими от тектонического, литологического строения района и длительности их формирования. Методом вакуумной декриптометрии  могут решаться следующие задачи:

• определение общей флюидоносности пород массива и их фациальных разновидностей;

• установление общих закономерностей и особенностей флюидного режима различных частей массива;

• изучение характера распределения летучих по вертикальным и горизонтальным сечениям;

• выявление критериев связи постмагматических процессов изменения пород и потенциальной рудоносности массива;

• составление декриптометрических карт, разрезов, объемных моделей флюидоносности, сопоставимых с геолого-структурными, петрохимическими и металлогеническими схемами района.

В соответствии с поставленными выше задачами отбор проб для вакуумной декриптометрии образцов магматических пород необходимо проводить по сетке, определяемой масштабами работ и сложностью строения объекта. Однако зачастую целесообразным является более детальное опробование некоторых дифференциатов магматического процесса и сопоставление проб по вертикальным и горизонтальным сечениям массива.

Также широко используются методы изучения включений в минералах. Определение вещественного состава флюидных включений в минералах – одна из сложных задач термобарогеохимии, трудность решения которой обусловлена как малыми размерами исследуемых объектов, так и объективными препятствиями в оценке степени сопоставимости результатов, полученных разными методами. Поэтому в наших исследованиях наряду с применением различных вариантов способа вытяжек предпочтение во всех возможных случаях отдается анализу газов и солевого состава индивидуальных включений. Качественный и объемный полуколичественный анализ газов проводится методами криометрии, солевой состав растворов включений определяется оптическим, электронографическим и лазерным микроспектральным анализом.

Методика электронной микроскопии флюидных включений в минералах, основанная на известных приемах фрактографии, применяется для исследования включений в рудных и жильных минералах ряда полиметаллических, золоторудных и ртутных месторождений. За рубежом аналогичные исследования проведены Т. Дейшем, использовавшим метод электронной микроскопии для изучения скульптуры поверхностей соприкосновения минеральных зерен и морфологии газово-жидких включений.

Вместе с тем приоритет в разработке этого метода принадлежит сотрудникам лаборатории термобарогеохимии Ростовского государственного университета, которые получили интересные результаты по электронной микроскопии флюидных включений. В настоящее время методы электронной микроскопии широко внедряются в практику термобарогеохимических исследований, так как они дают возможность наблюдать фазовые взаимодействия в системах «минерал-флюид» на субмолекулярном уровне, определять степень насыщенности минерала флюидными включениями, изучать структурно-морфологические особенности и состав ультрамикроскопических вакуолей, размеры которых находится за пределами разрешающей способности оптической микроскопии. (Труфанов В.Н. «Основы прикладной термобарогеохимии.» - 2008 г.).

Реже для определения вещественного состава различных магм используются методы сейсморазведки: метод отраженных волн. Метод отраженных волн - наиболее эффективный и развитый метод сейсморазведки, применяемый в наибольших объемах при поисках и детальной разведке полезных ископаемых. Предложен в США Р. Фессенденом в 1917 году и Ж. Карцером в 1919 году и, независимо от них, - в СССР в 1923 году В. С. Воюцким и в Великобритании Дж. Ивенсом и У. Уитни - в 1922-м.

В настоящее время MOB используется:

- для определения глубины и формы залегания границ раздела

геологических напластований;

- выявления структурных и неструктурных ловушек полезных

ископаемых, особенно нефти и природного газа;

- при благоприятных обстоятельствах для получения данных о

литологии, фациальном составе пород, условии их образования, характере

флюидов, насыщающих поровое пространство горных пород, и др.

(Бондарев В.И. «Основы сейсморазведки»- 2003 г.)

 

 

 

 

5.   Связи с другими научными дисциплинами.

Учитывая методы изучения, данная тема связана главным образом геофизикой (сейсморазведкой) и термобарогеохимией.

Сейсмическая разведка (или сейсморазведка) является повсеместно одним из самых важнейших типов геофизической разведки земных недр. Она включает в себя целый комплекс методов исследований геологического строения земной коры, заложенных на изучении особенностей распространения в ней искусственно возбужденных упругих волн. Вызванные взрывом или каким-либо другим способом упругие волны, распространяясь во всех направлениях от источника колебаний, проникают в толщу земной коры на приличные глубины. И уже в процессе распространения в земной коре упругие волны претерпевают процессы отражения и преломления.

Как уже и было сказано, термобарогеохимия занимается также и исследованием химических составов. Для исследования различных составов магм прикладной термобарогеохимии приходится анализировать не только одиночные включения в минералах, но и многие тысячи таких вакуолей и, следовательно, неизбежно привлечение методов вариационной статистики, а также использование автоматизированных приборов и устройств. Именно поэтому для прикладных термобарогеохимических исследований наиболее эффективным является метод вакуумной декриптометрии, хотя широко используются и другие методы – гомогенизации, криометрии, водных вытяжек и т. д.

 

 

6.     Место данной темы в учебных планах и тематике ГГФ

Общее представление о данной теме дается на первом курсе ГГФ Новосибирского Государственного Университета. Для более глубокого изучения  и детальной характеристики на последующих курсах даётся материал о глубинных процессах («Тектоника», 3й курс, лекции В.А. Верниковского; «Геотектоника с основами геодинамики», 4й курс, лекции Н.Л.Добрецова; «Глубинная геодинамика», 5й курс, лекции для геохимиков А.А. Кирдяшкина; «Палеовулканология», 5й курс, лекции для геологов Ю.Д. Литасова).

 

 

 

Заключение

Современное изучение механизмов вулканической деятельности и магматизма на конвергентных и дивергентных границах литосферных плит, а то есть в зонах субдукции, спрединга, а также в горячих точках имеет важное теоретическое значение, так как помогает понять процессы и явления, происходившие на Земле в давние времена и происходящие сегодня, дабы понять еще неизученные явления на литосферных границах.