Базальтовая группа реки Колумбия (CRBG) является самой молодой, самой маленькой и одной из наиболее хорошо сохранившихся континентальных базальтовых провинций на Земле, охватывающей более 210 000 км2 ( 81 000 кв. миль), в основном восточную часть Орегона и Вашингтона , западную часть Айдахо и часть северной части Невады . [1] Базальтовая группа включает базальтовые формации Стинс и Пикчер-Гордж .
В эпоху среднего и позднего миоцена базальты из реки Колумбия поглотили около 163 700 км 2 (63 200 кв. миль) северо-запада Тихого океана , образовав крупную магматическую провинцию с предполагаемым объемом 174 300 км 3 (41 800 куб. миль). Извержения были наиболее сильными 17–14 миллионов лет назад, когда было высвобождено более 99 процентов базальта. Менее обширные извержения продолжались 14–6 миллионов лет назад. [2]
Эрозия, вызванная наводнением в Миссуле, обнажила эти лавовые потоки, обнажив многочисленные слои базальтовых потоков в ущелье Валлула , нижнем течении реки Палауз , ущелье реки Колумбия и по всему плато Ченнелд-Скаблендс .
Группа базальтов реки Колумбия, как полагают, является потенциальной связью с группой Чилкотин в юго-центральной части Британской Колумбии , Канада . [3] Отложения формации Латах в Вашингтоне и Айдахо перемежаются с рядом потоков группы базальтов реки Колумбия и выходят на поверхность по всему региону.
Абсолютные даты, с учетом статистической неопределенности, определяются посредством радиометрического датирования с использованием изотопных соотношений, таких как датирование 40 Ar/ 39 Ar , которое может быть использовано для определения даты затвердевания базальта. В отложениях CRBG 40 Ar, который производится при распаде 40 K, накапливается только после затвердевания расплава. [4]
Другие траппы включают Деканские траппы (поздний меловой период ), которые покрывают площадь 500 000 км2 ( 190 000 кв. миль) в западно-центральной части Индии ; Эмэйшаньские траппы ( пермский период ), которые покрывают более 250 000 кв. километров на юго-западе Китая ; и Сибирские траппы (поздний пермский период ), которые покрывают 2 миллиона км2 ( 800 000 кв. миль) в России .
В какой-то момент в течение 10–15 миллионов лет поток лавы за потоком лавы изливался из многочисленных дамб, которые прослеживаются вдоль старой линии разлома, проходящей от юго-востока Орегона до запада Британской Колумбии. [ требуется ссылка ] Многочисленные слои лавы в конечном итоге достигли толщины более 1,8 км (5900 футов). Когда расплавленная порода вышла на поверхность, земная кора постепенно погрузилась в пространство, оставленное поднимающейся лавой. Это оседание коры привело к образованию большой, слегка вдавленной лавовой равнины, теперь известной как Колумбийский бассейн или плато реки Колумбия . Северо-западная продвигающаяся лава заставила древнюю реку Колумбия принять ее нынешнее русло. Лава, протекая по этой местности, сначала заполнила долины ручьев, образовав плотины, которые, в свою очередь, вызвали запруды или озера. В этих древних озерных ложах обнаружены отпечатки ископаемых листьев, окаменевшее дерево , ископаемые насекомые и кости позвоночных животных. [5] [6]
В среднем миоцене, 17–15 млн лет назад, Колумбийское плато и Орегонский бассейн и хребет на северо-западе Тихого океана были затоплены потоками лавы. Оба потока схожи по составу и возрасту и приписываются общему источнику — горячей точке Йеллоустоун . Конечная причина вулканизма все еще остается предметом споров, но наиболее широко распространенной идеей является то, что мантийный плюм или апвеллинг (похожий на тот, что связан с современными Гавайями) инициировал широко распространенный и объемный базальтовый вулканизм около 17 миллионов лет назад. По мере того, как горячие материалы мантийного плюма поднимаются и достигают более низких давлений, горячие материалы плавятся и взаимодействуют с материалами в верхней мантии , создавая магму . Как только эта магма прорывается на поверхность, она течет как лава, а затем затвердевает в базальт. [7]
До 17,5 миллионов лет назад стратовулканы Западного каскада извергались с периодической регулярностью в течение более 20 миллионов лет, как и сегодня. Резкий переход к затоплению щитовых вулканов произошел в середине миоцена. Потоки можно разделить на четыре основные категории: базальт Стинса , базальт Гранд Ронд , базальт Ванапум и базальт Седловых гор . Различные потоки лавы были датированы радиометрическим методом, в частности, путем измерения соотношений изотопов калия к аргону . [8] Провинция базальтовых потоков реки Колумбия включает более 300 отдельных потоков базальтовой лавы, средний объем которых составляет от 500 до 600 кубических километров (от 120 до 140 кубических миль). [9]
Переход к вулканизму наводнений в базальтовой группе реки Колумбия (CRBG), [10] подобно другим крупным магматическим провинциям , также был отмечен атмосферной нагрузкой через массовое растворение и выброс летучих веществ в процессе вулканической дегазации. Сравнительный анализ концентраций летучих веществ в дайках-источниках для связанных с ними выдавленных единиц потока был количественно измерен для определения величины дегазации, проявляемой в извержениях CRBG. Из более чем 300 отдельных потоков, связанных с CRBG, поток Роза содержит некоторые из наиболее химически хорошо сохранившихся базальтов для анализа летучих веществ. Находящийся в формации Ванапум, Роза является одним из самых обширных членов CRBG с площадью 40 300 квадратных километров и объемом 1300 кубических километров. [11] При значениях магматических летучих веществ, принятых за 1–1,5 процента по весовой концентрации для даек-источников, выбросы серы для потока Роза, по расчетам, составляют порядка 12 Гт (12 000 миллионов тонн) при скорости 1,2 Гт (1 200 миллионов тонн) в год в форме диоксида серы (SO2). [12] Однако другие исследования с помощью петрологического анализа дали значения массовой дегазации SO2 на уровне 0,12% - 0,28% от общей извергнутой массы магмы, что соответствует более низким оценкам выбросов в диапазоне 9,2 Гт диоксида серы для потока Роза. [13] Серная кислота , побочный продукт выбрасываемого диоксида серы и атмосферных взаимодействий, по расчетам, составляет 1,7 Гт в год для потока Роза и 17 Гт в целом. [14] Анализ включений стекла во вкрапленниках базальтовых отложений дал объемы выбросов величиной 310 Мт соляной кислоты и 1,78 Гт плавиковой кислоты , дополнительно. [14]
Крупные горячие точки часто отслеживались до событий извержения базальта. В этом случае первоначальное событие извержения базальта Йеллоустоуна произошло около горы Стинс , когда начались извержения Имнаха и Стинс. Поскольку Североамериканская плита смещалась на несколько сантиметров в год на запад, извержения прогрессировали через равнину реки Снейк через Айдахо и в Вайоминг . В соответствии с гипотезой о горячей точке, потоки лавы постепенно становятся моложе по мере продвижения на восток по этому пути. [15] Считается, что до этого периода извержений Йеллоустоунская горячая точка создала такие особенности, как скала Смита в Центральном Орегоне и, возможно, еще одно событие извержения базальта, известное как Силетция , которое лежит под большей частью тихоокеанского северо-западного побережья с выходами на побережье Орегона . [16] [17]
Есть дополнительное подтверждение того, что Йеллоустоун связан с глубокой горячей точкой. Используя томографические изображения, основанные на сейсмических волнах, относительно узкие, глубоко расположенные, активные конвективные струи были обнаружены под Йеллоустоуном и несколькими другими горячими точками. Эти струи гораздо более сфокусированы, чем апвеллинг, наблюдаемый при крупномасштабной циркуляции тектонических плит. [18]
Гипотеза горячей точки не является общепринятой, поскольку она не решила несколько вопросов. Траектория вулканизма горячей точки Йеллоустоуна показывает большой очевидный изгиб в траектории горячей точки, который не соответствует изменениям в движении плит, если учитывать северные наводнения CRBG. Кроме того, изображения Йеллоустоуна показывают сужение плюма на 650 и 400 км (400 и 250 миль), что может соответствовать фазовым изменениям или может отражать еще не понятые эффекты вязкости. Для достижения консенсуса относительно фактического механизма потребуется дополнительный сбор данных и дальнейшее моделирование. [19]
Потоки базальтовой группы реки Колумбия демонстрируют по существу однородные химические свойства по всей массе отдельных потоков, что предполагает быстрое размещение. Хо и Кэшман (1997) [20] охарактеризовали поток гинкго длиной 500 км (310 миль) члена Френчмен-Спрингс, определив, что он образовался примерно за неделю, на основе измеренной температуры плавления вдоль потока от источника до самой удаленной точки потока в сочетании с гидравлическими соображениями. Базальт гинкго был исследован на протяжении его 500-километрового (310 миль) пути потока от питающей дайки потока гинкго около Кахлотуса, Вашингтон , до конечной точки потока в Тихом океане в Якина-Хед , Орегон . Базальт имел верхнюю температуру плавления 1 095 ± 5 °C и нижнюю температуру до 1 085 ± 5 °C; это указывает на то, что максимальное падение температуры вдоль потока гинкго составило 20 °C. Чтобы достичь такой однородности, лава должна была быстро распространяться.
Анализы показывают, что поток должен оставаться ламинарным , так как турбулентный поток охлаждался бы быстрее. Этого можно было бы достичь с помощью потока пластов, который может двигаться со скоростью от 1 до 8 метров в секунду (от 2,2 до 17,9 миль в час) без турбулентности и минимального охлаждения, что предполагает, что поток Гинкго произошел менее чем за неделю. Анализы охлаждения/гидравлики подтверждаются независимым индикатором; если бы потребовались более длительные периоды, внешняя вода из временно запруженных рек вторглась бы, что привело бы как к более резким темпам охлаждения, так и к увеличению объемов подушечной лавы . Анализ Хо согласуется с анализом Рейделя, Толана и Бисона (1994), [21], которые предложили максимальную продолжительность размещения потока Помона в несколько месяцев на основе времени, необходимого для восстановления рек в их каньонах после прерывания базальтового потока. [20] : 403–406 [21] : 1–18
Для датирования потоков CRBG используются три основных инструмента: стратиграфия, радиометрическое датирование и магнитостратиграфия. Эти методы стали ключевыми для корреляции данных из разрозненных базальтовых обнажений и образцов бурения в пяти штатах.
Основные извержения лав базальта заложены стратиграфически . Слои можно различить по физическим характеристикам и химическому составу. Каждому отдельному слою обычно присваивается название, обычно основанное на области (долина, гора или регион), где эта формация обнажена и доступна для изучения. Стратиграфия обеспечивает относительный порядок (порядковый рейтинг) слоев CRBG.
Абсолютные даты, с учетом статистической неопределенности, определяются посредством радиометрического датирования с использованием изотопных соотношений, таких как датирование 40 Ar/ 39 Ar , которое может быть использовано для определения даты затвердевания базальта. В отложениях CRBG 40 Ar, который производится при распаде 40 K, накапливается только после затвердевания расплава. [22]
Магнитостратиграфия также используется для определения возраста. Этот метод использует схему зон магнитной полярности слоев CRBG путем сравнения с временной шкалой магнитной полярности. Образцы анализируются для определения их характерной остаточной намагниченности от магнитного поля Земли во время отложения слоя. Это возможно, потому что, когда магнитные минералы осаждаются в расплаве (кристаллизуются), они выравниваются с текущим магнитным полем Земли. [23]
Базальт Стинса запечатлел очень подробную запись магнитной инверсии Земли, которая произошла примерно 15 миллионов лет назад. За период в 10 000 лет затвердело более 130 потоков — примерно один поток каждые 75 лет. По мере того, как каждый поток охлаждался ниже примерно 500 °C (932 °F), он запечатлел ориентацию магнитного поля — нормальную, обратную или в одном из нескольких промежуточных положений. Большинство потоков застыло с одной магнитной ориентацией. Однако несколько потоков, которые застыли как с верхней, так и с нижней поверхности, постепенно к центру, запечатлели существенные изменения направления магнитного поля по мере их застывания. Наблюдаемое изменение направления было сообщено как 50⁰ в течение 15 дней. [24]
Потоки базальта Стинса покрыли около 50 000 км 2 (19 000 кв. миль) Орегонского плато на участках толщиной до 1 км (3300 футов). Он содержит самое раннее идентифицированное извержение крупной магматической провинции CRBG. Типовая местность для базальта Стинса, которая покрывает большую часть Орегонского плато, представляет собой приблизительно 1000-метровую (3300 футов) поверхность горы Стинса , показывающую несколько слоев базальта. Самый старый из потоков, считающихся частью базальтовой группы реки Колумбия, базальт Стинса, включает потоки, географически разделенные, но примерно совпадающие с потоками Имнаха. Более старый базальт Имнаха к северу от горы Стинса залегает над химически отличными самыми нижними потоками базальта Стинса; следовательно, некоторые потоки Имнаха стратиграфически моложе самых нижних базальтов Стинса. [25]
Одна инверсия геомагнитного поля произошла во время извержений базальта Стинса примерно 16,7 млн лет назад, что было датировано с использованием 40 Ar/ 39 Ar возраста и шкалы времени геомагнитной полярности. [26] Гора Стинса и связанные с ней участки базальтовых затоплений плато Орегон на пике Кэтлоу и хребте Покер Джим в 70–90 км (43–56 миль) к юго-востоку и западу от горы Стинса предоставляют наиболее подробные данные об инверсии магнитного поля (переход обратной полярности в нормальную), когда-либо зарегистрированные в вулканических породах. [27]
Наблюдаемая тенденция в роях даек-питателей, связанных с потоком базальта Стинса, считается нетипичной для других тенденций роев даек, связанных с CRBG. Эти рои, характеризующиеся сохраняющимся трендом N20°E, отслеживают северное продолжение зоны сдвига Невады и были приписаны магматическому подъему через эту зону в региональном масштабе. [28]
Фактически ровесники старейших потоков, базальтовые потоки Имнаха поднялись по северо-востоку Орегона. За этот период было 26 крупных потоков, примерно один каждые 15 000 лет. Хотя оценки показывают, что это составляет около 10% от общего количества потоков, они были погребены под более поздними потоками и видны в нескольких местах. [29] Их можно увидеть вдоль нижних уступов рек Имнаха и Снейк в округе Уоллова. [30]
Лавы Имнаха были датированы с использованием техники K–Ar и показывают широкий диапазон дат. Самый старый имеет возраст 17,67±0,32 млн лет, а более молодые лавовые потоки достигают 15,50±0,40 млн лет. Хотя базальт Имнаха залегает над базальтом Нижнего Стенса, было высказано предположение, что он переплетается с базальтом Верхнего Стенса. [31]
Следующий по возрасту поток, от 17 миллионов до 15,6 миллионов лет назад, составляет базальт Гранд Ронд. Подразделения (зоны потока) в пределах базальта Гранд Ронд включают хребет Мейер и подразделения Сентинел Блаффс. Геологи подсчитали, что базальт Гранд Ронд составляет около 85 процентов от общего объема потока. Он характеризуется рядом даек, называемых дайковым роем Чиф Джозеф около Джозефа , Энтерпрайза , Троя и Уолла Уолла, через которые происходил подъем лавы (оценки варьируются до 20 000 таких даек). Многие из даек представляли собой трещины шириной от 5 до 10 м (от 16 до 33 футов) и длиной до 10 миль (16 км), что позволяло подниматься огромному количеству магмы. Большая часть лавы текла на север в Вашингтон, а также вниз по руслу реки Колумбия в Тихий океан ; огромные потоки создали плато реки Колумбия . Вес этого потока (и опустошение нижележащего магматического очага) вызвали опускание центральной части Вашингтона, что привело к образованию обширного бассейна Колумбия в Вашингтоне. [32] [33] Типичным местом формирования является каньон реки Гранд-Ронд . Базальтовые потоки и дайки Гранд-Ронд можно также увидеть в обнаженных 2000-футовых (610 м) стенах каньона Джозеф вдоль Орегонского маршрута 3. [ 34]
Базальтовые потоки Гранд Ронд затопили русло древней реки Колумбия к западу от Каскадных гор . Их можно найти обнаженными вдоль реки Клакамас и в государственном парке Силвер Фоллс , где водопады падают на несколько слоев базальта Гранд Ронд. Доказательства наличия восьми потоков можно найти в горах Туалатин на западной стороне Портленда. [35]
Отдельные потоки включали большое количество базальта. Поток McCoy Canyon группы Sentinel Bluffs высвободил 4278 км 3 (1026 кубических миль) базальта в слоях толщиной от 10 до 60 м (от 33 до 197 футов). Поток Umtanum оценивается в 2750 км 3 (660 кубических миль) в слоях глубиной 50 м (160 футов). Поток Pruitt Draw группы Teepee Butte высвободил около 2350 км 3 (560 кубических миль) со слоями базальта толщиной до 100 м (330 футов). [36]
Базальт Ванапум состоит из группы гор Эклер (15,6 млн лет назад), группы Френчмен-Спрингс (15,5 млн лет назад), группы Роза (14,9 млн лет назад) и группы Прист-Рапидс (14,5 млн лет назад). [37] Они образовались из жерл между Пендлтоном, штат Орегон , и Ханфордом, штат Вашингтон .
Frenchman Springs Member тек по тем же путям, что и базальты Grande Ronde, но может быть идентифицирован по другим химическим характеристикам. Он тек на запад к Тихому океану и может быть найден в ущелье Колумбия, вдоль верховьев реки Клакамас, холмов к югу от города Орегон . [38] и на запад до мыса Якина-Хед около Ньюпорта, штат Орегон — расстояние 750 км (470 миль). [39]
Базальт Сэдл-Маунтинс, который можно увидеть в горах Сэдл-Маунтинс , состоит из потоков группы Уматилла, потоков группы Уилбур-Крик, потоков группы Асотин (13 миллионов лет назад), потоков группы Вайсенфельс-Ридж, потоков группы Эскуатцель, потоков группы Элефант-Маунтин (10,5 миллионов лет назад), потоков группы Буджфорд, потоков группы Айс-Харбор (8,5 миллионов лет назад) и потоков группы Нижний Монументаль (6 миллионов лет назад). [40]
Кэмп и Росс (2004) заметили, что Орегонские высокие лавовые равнины являются дополнительной системой распространяющихся риолитовых извержений с той же точкой происхождения. Оба явления произошли одновременно, причем высокие лавовые равнины распространялись на запад с ~10 млн лет назад, а равнины реки Снейк распространялись на восток. [41]
В этой статье использованы материалы из общедоступного источника "Columbia River Basalt Group Stretches from Oregon to Idaho". Cascades Volcano Observatory . United States Geological Survey .