В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы

В начале мезозоя суперконтинент Пангея начал распадаться на части. Вдоль зон разрыва изливалась глубинная магма. Эти излияния были настолько мощными, что сформировали огромные магматические провинции площадью в миллионы квадратных километров. Считается, что зоны рифтогенеза, вдоль которых раскалывалась континентальная кора, закладывались над восходящими потоками горячего мантийного вещества, и изливающаяся в этих зонах базальтовая магма также имеет глубинный мантийный источник. Но недавняя статья с детальным анализом пород одной из таких провинций — провинции Карру, возникшей в области разделения Африки и Антарктиды, — показала, что источников может быть как минимум два.

Континентальные блоки земной коры находятся в постоянном движении. Сейчас, например, они «расплылись» по поверхности планеты, но раньше неоднократно собирались в огромные суперконтиненты. Это, по современным представлениям, происходило с периодичностью в 300–500 млн лет (см. суперконтинентальный цикл). Последний суперконтинент — Пангея — образовался 300 млн лет тому назад, в позднем палеозое, а 175 млн назад, в средней юре, начался его распад.

Периоды раскола суперконтинентов являются рубежными событиями в геологической истории. К ним приурочены гигантские по объемам излияния изверженных пород, которые приводили к существенным изменениям климата и состава атмосферы Земли и, вероятно, в результате, — к массовым вымираниям. Поэтому очень важно понять, какие глубинные причины приводили к расколу континентов с образованием крупных магматических провинций в местах их разделения.

Основных гипотез на сегодняшний день две. Первая — гипотеза мантийных плюмов. Это горячие потоки первичного мантийного вещества, поднимающихся от границы ядра и мантии к поверхности. Плюмы представляют собой узкие каналы в мантии или всплывающие гигантские «перевернутые капли» — мантийные диапиры. Всплывая к нижней границе литосферы, плюмы приподнимают континентальную плиту в виде свода. Из вещества плюма под образовавшимся сводом формируется огромный очаг магмы. Далее суперконтинент разрушается по сформировавшимся в районе свода трещинам, вдоль которых начинаются массовые излияния изверженных пород из очага.

Вторая гипотеза связывает образование магматических провинций с так называемым верхнемантийным нагревом. Согласно ей, образование магматических очагов под древними суперконтинентами вызвано постепенным повышением температуры верхней мантии под ними: непроницаемая для мантийного теплового потока толстая континентальная кора действует в данном случае как крышка пароварки, не дающая теплу (самому по себе и вместе с раскаленными газами) выходить наружу.

И в первом, и во втором случае фазе активного излияния предшествует этап формирования под областью раскола магматического очага. Но если в первом случае этот очаг формируется за счет расплавленных пород первичной, неистощенной (не претерпевшей дифференциацию) мантии, поступившей с самых глубинных горизонтов, расположенных на границе с ядром, то во втором случае источником магмы является так называемая истощенная (или деплетированная) верхняя мантия, к которой, к тому же, может примешиваться материал земной коры.

Геохимик Арто Луттинен (Arto V. Luttinen) из Финского музея естественной историиХельсинского университета в течение нескольких лет изучал изверженные породы крупной магматической провинции Карру (Karoo magma province), сформировавшейся в средней юре в месте раскола суперконтинента Пангея на Африку и Антарктиду. В итоге, в настоящее время породы этой провинции, представленные сходными по составу одновозрастными платобазальтами и пикритами, выходят на поверхность на юге Африки (северная субпровинция Карру, рис. 1) и в Восточной части Антарктиды (южная субпровинция Карру, рис. 2).

Арто Луттинен решил разобраться в том, какой из двух механизмов образования крупного магматического очага («плюмовый» или «верхнемантийный нагрев») действовал в зоне Карру в средней юре. Автор обобщил анализы более 800 образцов платобазальтов и пикритов провинции Карру (как собственных, так и взятых из опубликованных ранее работ), изучив в их составе изотопные и элементные отношения Nb, Zr, Ti, Y и других геохимических маркеров, и выяснил, что источником магматических пород северной субпровинции Карру была неистощенная по Nb мантия глубинного плюма, а южной субпровинции — истощенная по Nb верхняя мантия. Также отчетливо на две группы делятся магматические породы провинции и по обогащенности титаном (породы Северной субпровинции бедны оксидом титана TiO₂, а породы южной субпровинции богаты им), а также по соотношениям элементов Nb/Y и Zr/Y (рис. 3). На рис. 3 видно, что большинство образцов платобазальтов из северной субпровинции попадают в коридор значений, характерных для мантийного «плюмового» магматизма, а образцы из южной субпровинции — в поле значений, характерных для истощенной (деплетированной) мантии.

Все геохимические маркеры указывают на то, что магматические породы провинции Карру имеют два разных источника: у пород северной субпровинции это «плюмовый» магматизм, а породы южной субпровинции произлошли из верхнемантийного источника с определенной долей корового материала. Причины такой ситуации становятся понятны после анализа результатов палеотектонических реконструкций (T. H. Torsvik et al., 2010. Diamonds sampled by plumes from the core–mantle boundary, рис. 4).

Область северной субпровинции Карру попадает в контур «горячего поля» так называемой Африканской низкоскоростной мантийной провинции, где велика роль мантийных плюмов, а источником расплавов служит первичная неистощенная мантия. Южная субпровинция, так же как и соседняя магматическая провинция Феррар, расположена над зоной субдукции. Формирующиеся в этой зоне магматические очаги включали материал как верхней деплетированной мантии, так и переплавленной коры погружающейся плиты.

Подтверждением формирования базальтов в той или иной геотектонической обстановке служит их геохимический тип, коих выделяют три. Для магматических областей, сформировавшихся в результате воздействия мантийных плюмов, характерны базальты типа OIB (ocean island basalt — базальты океанических островов). Это типичные изверженные породы «горячих точек», источником которых была неистощенная мантия. Базальты типа MORB (mid-ocean ridge basalt — базальты срединно-океанических хребтов) образовались из деплетированной верхней мантии. А источником базальтов типа IAB (island arc basalt — островодужные базальты) была деплетированная мантия с определенной примесью континентального корового материала. Платобазальты северной субпровинции Карру относятся к типу OIB, а южной субпровинции — к типам MORB и IAB.

Эта работа показывает, что даже в пределах одной магматической провинции близкие по составу и одновозрастные магматические породы могут иметь различный источник в зависимости от геотектонической позиции очага.

Источник: Arto V. Luttinen. Bilateral geochemical asymmetry in the Karoo large igneous province // Scientific Reports. 2018. DOI: 10.1038/s41598-018-23661-3.

Владислав Стрекопытов