Особенности вулканизма и геодинамика области тройного сочленения Буве

(по составам базальтов)

 

Содержание Аннотация Введение Структурное положение и характер изученности района Тройного сочленения Буве Петрография и минералогия вулканитов и их пространственное распространение Петро-геохимический состав вулканитов Основные петро-геохимические группы базальтов, их пространственное распространение и геодинамические обстановки образования Выводы Литература

Аннотация

Рассматривается состав основных вулканитов района тройного сочленения Буве, которые могут быть разделены на шесть основных петро-геохимических групп. Наиболее распространенным типом являются базальты N-MORB, производные деплетированного мантийного источника, встреченные на всей изученной территории. Субщелочные вулканиты: гавайиты и муджиериты, - сильно обогащенные литофильными элементами и радиогенными изотопами, слагающие вулканическое поднятие Буве, и близкие к ним базальты и андезито-базальты хребта Шписс, генерированные в обогащенной более глубинной мантии. Относительно слабо обогащенные базальты (T-MORB), являющиеся продуктами смешения расплавов двух первых типов, распространены в приосевых частях САХ, АфАХ и АмАХ. Базальты близкие по степени обогащения литофильными элементами-примесями вулканитам хребта Шписс и острова Буве, но более богатые в сравнении с ними калием, фосфором, титаном, хромом. Они развиты в пределах структур растяжения: рифтовая долина АфАХ, грабены Восточной области дислокаций, линейное поднятие между хребтом Шписс и вулканом Буве. Их исходные расплавы, вероятно, формировались из вещества плюмов, растекавшегося от основных каналов и претерпевшего мантийную флюидно-магматическую дифференциацию. Вулканическая серия от базальтов до липаритов, характеризующаяся низкими содержаниями литофильных элементов и особенно низкой концентрацией титана, распространенная на горе Шона и на других структурах сжатия в пределах Антарктической и Южно-Американской плит вблизи ТСБ. В отличие от четырех предыдущих типов, имеющих толеитовый тренд дифференциации, характеризуется известково-щелочным трендом. Их родоначальные расплавы могли быть также связаны с веществом плюмов, но в дальнейшем испытали интенсивную флюидо-магматическую дифференциацию и ассимиляцию субстрата в условиях закрытых магматических камер на уровне верхней мантии. С другой стороны гора Шона может быть фрагментом древней океанической островной дуги. Обогащенные базальты, отличающиеся от других обогащенных типов очень высокими концентрациями фосфора и радиогенных изотопов, слагающие тектоническое поднятие вблизи сочленения трех рифтов. Таким образом, основными факторами, определяющими разнообразие составов вулканитов в данном районе являются гетерогенность мантийных источников, плюмовая активность, сложная геодинамика района тройного сочленения, вызывающая напряженные состояния в прилегающих участках плит и геологическая предыстория региона. Низкая скорость спрединга и, следовательно, недостаточно эффективное перемешивание неоднородного мантийного материала обуславливает сильные пространственные вариации составов базальтов.

Введение

В пределах Мирового океана имеется всего несколько областей, где происходит одновременное сочленение трех различных океанических плит. Как правило, это сложно построенные области, характеризующиеся сочетанием разнотипных морфоструктур и разнообразным магматизмом. Последний несет особенности магматической системы и состава мантии того или иного срединно-океанического хребта. Изучение магматизма тройных сочленений дает уникальную возможность проследить особенности мантийной геодинамики взаимодействующих литосферных плит при образовании океанической коры в срединно-океанических хребтах. В районе тройного сочленения Буве (ТСБ) на процесс образования коры дополнительно накладывается плюмовый магматизм. Здесь находится активное вулканическое поднятие (остров Буве), рассматриваемое как океаническая горячая точка. Кроме того, непосредственно к северу от области тройного сочленения расположены многочисленные подводные горы и поднятия (Дискавери, Шона и др.), сложенные базальтами, имеющими нерифтовую природу.

Как известно, базальты, наиболее распространенные породы верхов океанической коры, несут информацию не только о процессах фракционирования и об условиях их излияния на морском дне и последующем изменении, но также и об особенностях вещественного состава и строения мантии. Их изучение дает возможность охарактеризовать процессы формирования океанической коры и провинциальные особенности базальтового магматизма, изучить геодинамические условия развития области ТСБ.

Структурное положение и характер изученности района Тройного сочленения Буве

Тройное сочленение Буве, расположенное в Южной Атлантике примерно на 55oю.ш., представляет собой место стыковки Южно-Американской, Африканской и Антарктической плит.

Целенаправленное изучение тройного сочленения Буве с помощью эхолотирования и магнитометрии впервые проводилось в 1974г. [Sclater et al., 1976]. В 18-м рейсе НИС "Академик Николай Страхов" в 1994г. детально исследовались структуры Срединно-Атлантического хребта (САХ), северной части хребта Шписс, а также Африкано-Антарктического хребта (АфАХ) на участке между разломами Буве и Мошеш [Мазарович и др., 1995; Пейве и др., 1994, 1995]. В 1995г. английскими исследователями с помощью сонара бокового обзора изучались область ТСБ и хребет Шписс [Mitchell and Livermore, 1998]. Дополнительный фактический материал был получен на НИС "Геленджик" в 1996г. [Пейве и др., 1999; Carrara et al., 1997; Ligi et al., 1997, 1999].

В результате проведенных работ могут быть выделены четыре основных морфоструктурных провинции: а)структуры САХ; б)структуры АфАХ и район их сочленения с САХ; в)структуры АмАХ (Американо-Антарктический хребет) и район их сочленения с САХ; г)зона сочленения палеоструктур САХ, АфАХ и АмАХ. Мы также рассмотрим составы вулканитов подводной горы Шона. Это изометричное поднятие, находящееся в 200км к западу от оси САХ на широте 54o30 и не входящее непосредственно в область ТСБ, но представляющее интерес для понимания процессов, протекающих в области ТСБ (рис.1).

Структуры САХ представлены тремя сегментами рифтовой долины между 53o20ю.ш. и 54o55ю.ш. и параллельными им грядами и депрессиями северо-северо-западного простирания. Южный сегмент рифтовой долины разветвляется на два небольших трога: западный с простиранием близким к оси АмАХ и восточный - к простиранию оси АфАХ. Они также являются ареной рифтового вулканизма.

Кора, образованная в САХ, характеризуется достаточно закономерным чередованием линейных магнитных аномалий, которые в восточном направлении прослежены до хроны C3Bn [Ligi et al., 1999], что соответствует возрасту около 7 млн лет [Cande and Kent, 1995].

Структуры АфАХ и район их сочленения со структурами САХ. Африкано-Антарктический хребет в изученном районе представлен двумя сегментами, смещенными вдоль разлома Буве. Осевая часть восточного сегмента имеет высокоприподнятую, мелкую, асимметричную рифтовую долину. К ее западному флангу подступают структуры обширного тектоно-вулканического поднятия Буве, венчающегося вулканом Буве. Западным сегментом АфАХ является хребет Шписс шириной до 55км, ограниченный крутыми ступенчатыми склонами. Вершинная поверхность хребта лежит на глубинах 1400-1700м. В центральной части имеется крупная вулканическая постройка размером более 15км в диаметре, слегка вытянутая в ВЮВ направлении с кальдерой размером 1 2,5км. Вершина вулкана находится на глубине 800-900м. Для хребта Шписс характерно множество конусовидных поднятий, представляющих собой, по-видимому, небольшие вулканы. Осевая часть хребта отличается исключительно высокими значениями аномального магнитного поля, существенно превышающими таковые в пределах рифтовой долины САХ, что, видимо, связано с интенсивным современным вулканизмом в пределах этой структуры. В юго-западной части хребта вплоть до его подножия может быть выделена еще одна хрона (C2n), простирание которой соответствует простиранию хребта Шписс. Таким образом, можно допустить, что возраст этого хребта не древнее 2-2,5 млн лет.

Между хребтом Шписс и поднятием Буве протягивается ряд поднятий, косо расположенных по отношению к структурам АфАХ. Наиболее крупное из них линейное поднятие длиной около 120км начинается южнее разлома Буве и тянется к острову Буве.

Зона сочленения палеоструктур АфАХ и САХ осложнена развитием так называемой Восточной области дислокаций. Последняя находится к северу от долины разлома Буве, между ним и структурами с простираниями САХ. Зона дислокаций представлена крутосклонными поднятиями, часто имеющими в плане форму вытянутого треугольника, и разделяющими их цепочками депрессий. Эти депрессии имеют грабеновую природу [Ligi et al., 1999].

Структуры АмАХ и район их сочленения со структурами САХ. Наиболее крупной структурой Американо-Антарктического хребта в изученном районе является разлом Конрад, к которому с севера примыкает наиболее западный сегмент АмАХ. Осевая часть АмАХ в этом сегменте представлена глубокой рифтовой долиной, сменяющейся к северу Граничным прогибом - широкой депрессией, косо расположенной по отношению к рифту. Прогиб сочетает в себе признаки левостороннего сдвига и косого спрединга. Между рифтовой долиной и разломом Конрад развито обширное поднятие внутреннего угла, имеющее уплощенную вершину, которая в западной части надстраивается конусовидной постройкой. На противоположной стороне рифта развито поднятие внешнего угла, также венчающееся конусовидной постройкой. За этими поднятиями наблюдаются структуры с простираниями АмАХ вплоть до участков коры с возрастом около 6,5-7 млн лет (магнитная хрона C3An) [Ligi et al., 1999].

Район сочленения палеоструктур САХ и АмАХ имеет сложное строение. На крайнем западе района рифтовые горы АмАХ непосредственно переходят в рифтовые горы САХ. Ближе к Граничному прогибу многие структуры как САХ, так и АмАХ деформированы, что проявилось в изменении их простираний. По мнению, высказанному в работе [Сколотнев, 2000], такое строение дна отражает обстановку сжатия при его формировании.

Зона сочленения палеоструктур САХ, АфАХ и АмАХ ограничена с юга пассивными отрезками разломов Конрад и Буве, а с севера двумя трогами, на которые разветвляется южное окончание САХ. В северной части зоны между двумя этими трогами развито поднятие, осложненное более мелкими структурами с простиранием характерным для САХ. В ее южной части контактируют структуры с простираниями АмАХ и АфАХ, при этом они на протяжении 35км сдвинуты друг относительно друга. Эта часть Антарктической плиты также характеризуется обстановкой сжатия [Сколотнев, 2000].

Гора Шона расположена в районе 54o32ю.ш. 5o50з.д. Она состоит из двух поднятий, главное из которых имеет округлую форму с ровной вершинной поверхностью. Диаметр у основания - 9км, минимальная глубина вершины 925м. К востоку от него расположены 2 мелких вулканических конуса 1км диаметром и глубиной 1500м. Второе поднятие глубиной 1650м расположено юго-восточнее. В вершинной части имеется два кратера диаметром менее 1км и глубиной около 100м. Это поднятие ограничено на севере тектоническим уступом СЗ простирания.

Таким образом, строение океанского дна в районе ТСБ отличается большой сложностью и характеризуется широким распространением структур не типичных для гребневых частей срединно-океанических хребтов, развитых как на дивергентных границах, так и внутри плит. Это не позволяет однозначно трактовать геодинамику этого района и его геологическую эволюцию. Существует несколько моделей геологического развития района тройного сочленения Буве [Apotria and Gray, 1985, 1988; Kleinrock and Morgan, 1988; Sclater, 1976]. Модели, учитывающие результаты последних исследований, приведены в работах [Пейве и др., 1999; Сколотнев, 2000; Ligi et al., 1999]. В них показано, что устойчивое развитие тройного сочленения при конфигурации хребет-разлом-разлом, продолжавшееся около 20 млн лет, нарушилось около 10 млн лет назад. С тех пор ТСБ неоднократно меняло свою конфигурацию, при этом периодически возникали напряженные состояния на участках плит, примыкающих к тройному сочленению. Общая направленность развития состоит в проградации АфАХ и АмАХ к северу и миграции вулкано-тектонической активности САХ в этом же направлении. 2-2,5 млн лет назад развитие тройного сочленения осложнилось плюмовой активностью, локализованной в районе хребта Шписс. Современная конфигурация тройного сочленения сложилась около 1млн лет назад, при этом по нашему мнению [Пейве и др., 1995] ТСБ не может быть аппроксимировано одной точкой, а представляет собой обширную область взаимовлияния различных структур в пространстве и во времени.

Петрография и минералогия вулканитов и их пространственное распространение

В пределах Африкано-Антарктического хребта базальты и их более кислые дериваты получены из рифтовой долины к юго-востоку от разлома Буве и с ближайших к ней рифтовых гор, с бортов разлома Буве, а также с хребта Шписс.

На хребте Шписс опробована крупная вулканическая постройка в привершинной кальдерной (станции G9611 и G9612) и в нижней части ее склона (станция G9613), также получены образцы с нескольких более мелких вулканов (рис.1, табл.1). Два из них располагаются на одной линии по обе стороны от кальдеры Шписс (на западе - станция G9614, на востоке - станция G9616) и, возможно, маркируют разломную зону. К северу от кальдеры в осевой части хребта Шписс изучен побочный вулкан (станция G9615). Поднятые образцы отличаются, прежде всего тем, что среди них преобладают сильно пористые разности. Вулканиты с пористостью около 10-15% в виде фрагментов пиллоу встречены на станции G9615. Более пористые разности (20-50%) образуют пиллоу причудливой уплощенной формы с несколькими зонами закалки внутри пиллоу, с многочисленными крупными пустотами, а также являются фрагментами кровлевой части лавовых потоков типа пахое-хое. Они обладают отчетливой флюидальной текстурой, обусловленной субпараллельным расположением вытянутых везикул и распространены, главным образом, в прикальдерной части вулкана. Наиболее пористые образования (до 80%) встречены в виде угловатых обломков небольших размеров (до 8-10см) и представляют собой вулканический шлак. При разламывании они издают запах сероводорода.

Наименее пористые базальты (2-3%) драгированы в нижней части крупного вулкана (станция G9613). Таким образом, отчетливо проявляется зависимость пористости вулканитов, слагающих пиллоу и лавовые потоки, от их гипсометрического положения: чем выше по склону расположены базальты, тем больше их пористость.

Среди поднятых вулканитов преобладают афировые разности, часть из них содержит небольшое количество, как правило, не более 1% вкрапленников плагиоклаза, оливина и клинопироксена. С помощью микрозонда изучены составы единичных зерен плагиоклаза: An66 в образце G9614/27, клинопироксена: Fs20 в образце G9612/30 и оливина: Fo86 в образце G9616/4 (табл.2, 3, 4).

Структура основной массы изученных вулканитов отличается, как правило, плохой степенью раскристаллизации и состоит из мелких микролитов плагиоклаза состава An 42-48 (табл.2), клинопироксена, иногда окрашенного в розоватый цвет, и рудного минерала. Для сильно пористых разностей, слагающих шлаки и кровлевые участки лавовых потоков, свойственна гиаломелановая структура основной массы, характеризующаяся обильным выделением тончайших кристаллитов рудного минерала в слабо раскристаллизованном матриксе.

Степень изменения вулканитов хребта Шписс находится в определенной зависимости от их текстурно-структурных особенностей. Слабо и умеренно пористые разности имеют свежий облик, в них отмечается лишь небольшое количество глауконита (табл.5), частично заполняющего везикулы в пределах зоны темного гало, развитого вдоль трещин контракции пиллоу. Сильно пористые разности часто имеют красный цвет в силу обильного осаждения в них окислов и гидроокислов железа. В некоторых окисленных образцах наблюдаются также весьма специфические новообразования, дающие тонкодисперсные выделения желтого цвета на поверхности отдельных везикул. Это полиминеральный агрегат, состоящий из очень мелких (~1мк) плохо раскристаллизованных зерен, что затрудняет определение