Крупная магматическая провинция ( LIP ) — это чрезвычайно большое скопление магматических пород , включая интрузивные ( силлы , дайки ) и экструзивные ( потоки лавы , отложения тефры ), возникающие при движении магмы через земную кору к поверхности. Образование LIP по-разному приписывается мантийным плюмам или процессам, связанным с расходящейся тектоникой плит . [1] Образование некоторых LIP за последние 500 миллионов лет совпадает по времени с массовыми вымираниями и быстрыми климатическими изменениями , что привело к многочисленным гипотезам о причинно-следственных связях. LIP принципиально отличаются от любых других действующих в настоящее время вулканов или вулканических систем.
В 1992 году Коффин и Элдхолм первоначально определили термин «крупная магматическая провинция» как представляющий собой множество основных магматических провинций с площадным распространением более 100 000 км 2 , которые представляли собой «массивные коровые внедрения преимущественно основных (богатых магнием и железом) экструзивных и интрузивных пород, и возникшие в результате процессов, отличных от «нормального» распространения морского дна». [2] [3] [4] Это первоначальное определение включало континентальные потоки базальтов , океанические плато , крупные дайковые рои (размытые корни вулканической провинции) и вулканические рифтовые окраины . Базальтовые морские ложа и другие геологические продукты «нормальной» тектоники плит не были включены в определение. [5] Большинство из этих LIP состоят из базальта, но некоторые содержат большие объемы связанного риолита (например, базальтовая группа реки Колумбия на западе США); риолит обычно очень сухой по сравнению с риолитами островной дуги , с гораздо более высокими температурами извержения (от 850 °C до 1000 °C), чем обычные риолиты. Некоторые LIP географически нетронуты, например, базальтовые траппы Декана в Индии, в то время как другие были фрагментированы и разделены движениями плит, например, магматическая провинция Центральной Атлантики — части которой находятся в Бразилии, восточной части Северной Америки и северо-западной Африке. [6]
В 2008 году Брайан и Эрнст уточнили определение, несколько сузив его: «Крупные магматические провинции — это магматические провинции с площадными протяженностями >1 × 10 5 км 2 , магматические объемы >1 × 10 5 км 3 и максимальной продолжительностью жизни ~50 млн лет, которые имеют внутриплитные тектонические обстановки или геохимические связи и характеризуются магматическими импульсами короткой продолжительности (~1–5 млн лет), в течение которых большая часть (>75%) общего объема магматических пород была внедрена. Они являются преимущественно мафическими, но также могут иметь значительные ультрамафические и кремниевые компоненты, а некоторые из них преобладают кремниевым магматизмом». Это определение делает акцент на характеристиках высокой скорости внедрения магмы события LIP и исключает подводные горы, группы подводных гор, подводные хребты и аномальную кору морского дна. [7]
Определение с тех пор было расширено и уточнено и остается в процессе разработки. Некоторые новые определения LIP включают крупные гранитные провинции, такие как те, что обнаружены в Андах Южной Америки и на западе Северной Америки. Были разработаны комплексные таксономии, чтобы сосредоточить технические обсуждения. Была предложена подкатегория LIP на крупные вулканические провинции (LVP) и крупные плутонические провинции (LPP), а также включение пород, образованных обычными процессами тектоники плит, но эти изменения не являются общепринятыми. [8] LIP теперь часто используется также для описания объемных областей не только основных, но и всех типов магматических пород. Кроме того, минимальный порог для включения в качестве LIP был снижен до 50 000 км 2 . [8] Рабочая таксономия, в значительной степени сосредоточенная на геохимии, выглядит следующим образом:
Поскольку крупные магматические провинции создаются во время кратковременных магматических событий, приводящих к относительно быстрым и большим накоплениям вулканических и интрузивных магматических пород, они заслуживают изучения. LIPs представляют возможные связи с массовыми вымираниями и глобальными экологическими и климатическими изменениями. Майкл Рампино и Ричард Стозерс приводят 11 отдельных эпизодов излияния базальта , произошедших за последние 250 миллионов лет, которые создали вулканические провинции и океанические плато и совпали с массовыми вымираниями. [9] Эта тема развилась в широкую область исследований, соединяющую такие дисциплины геонауки, как биостратиграфия , вулканология , метаморфическая петрология и моделирование земной системы .
Изучение LIP имеет экономические последствия. Некоторые исследователи связывают их с захваченными углеводородами. [ требуется ссылка ] Они связаны с экономическими концентрациями меди, никеля и железа. [10] Они также связаны с образованием крупных минеральных провинций, включая месторождения элементов платиновой группы , а в кремниевых LIP — месторождения серебра и золота. [5] Месторождения титана и ванадия также связаны с LIP. [11]
LIP в геологической летописи отметили крупные изменения в гидросфере и атмосфере , что привело к крупным климатическим сдвигам и, возможно, к массовому вымиранию видов. [5] Некоторые из этих изменений были связаны с быстрым выбросом парниковых газов из литосферы в атмосферу. Таким образом, изменения, вызванные LIP, могут быть использованы в качестве примеров для понимания текущих и будущих изменений окружающей среды.
Теория тектоники плит объясняет топографию, используя взаимодействия между тектоническими плитами, на которые влияют вязкие напряжения, создаваемые потоком внутри подстилающей мантии . Поскольку мантия чрезвычайно вязкая, скорость потока мантии изменяется импульсами, которые отражаются в литосфере малоамплитудными, длинноволновыми волнами. Понимание того, как взаимодействие между потоком мантии и возвышением литосферы влияет на формирование LIP, важно для получения информации о прошлой динамике мантии. [12] LIP сыграли важную роль в циклах континентального распада, континентального образования, новых добавлений коры из верхней мантии и суперконтинентальных циклах . [12]
Земля имеет внешнюю оболочку, состоящую из дискретных, движущихся тектонических плит, плавающих на твердой конвективной мантии над жидким ядром . Поток мантии приводится в движение опусканием холодных тектонических плит во время субдукции и дополнительным подъемом мантийных струй горячего материала с нижних уровней. Поверхность Земли отражает растяжение, утолщение и изгиб тектонических плит по мере их взаимодействия. [13]
Создание океанических плит при подъеме глубинных вод, спрединге и субдукции являются общепризнанными основами тектоники плит, при этом подъем горячих мантийных материалов и погружение более холодных океанических плит приводят к мантийной конвекции. В этой модели тектонические плиты расходятся в срединно-океанических хребтах , где горячие мантийные породы поднимаются вверх, заполняя пространство. Процессы тектоники плит объясняют подавляющее большинство вулканизма Земли . [14]
Помимо эффектов конвективного движения, глубинные процессы оказывают и другие влияния на топографию поверхности. Конвективная циркуляция приводит в движение восходящие и нисходящие потоки в мантии Земли, которые отражаются на локальных уровнях поверхности. Горячие мантийные материалы, поднимающиеся в виде плюма, могут распространяться радиально под тектонической плитой, вызывая области подъема. [13] Эти восходящие плюмы играют важную роль в формировании LIP.
При создании LIP часто имеют площадь в несколько миллионов квадратных километров и объем порядка 1 миллиона кубических километров. В большинстве случаев большая часть объема базальтовой LIP размещается менее чем за 1 миллион лет. Одна из загадок происхождения таких LIP заключается в понимании того, как огромные объемы базальтовой магмы образуются и извергаются за столь короткие промежутки времени, со скоростью излияния на порядок большей, чем у базальтов срединно-океанических хребтов. Источником многих или всех LIP по-разному приписывают мантийные плюмы, процессы, связанные с тектоникой плит, или удары метеоритов .
Хотя большая часть вулканической активности на Земле связана с зонами субдукции или срединно-океаническими хребтами, существуют значительные регионы долгоживущего, обширного вулканизма, известные как горячие точки , которые лишь косвенно связаны с тектоникой плит. Гавайско-Императорская подводная горная цепь , расположенная на Тихоокеанской плите , является одним из примеров, отслеживая миллионы лет относительного движения, когда плита движется над горячей точкой Гавайев . Многочисленные горячие точки разного размера и возраста были обнаружены по всему миру. Эти горячие точки медленно движутся относительно друг друга, но движутся на порядок быстрее относительно тектонических плит, что свидетельствует о том, что они напрямую не связаны с тектоническими плитами. [14]
Происхождение горячих точек остается спорным. Горячие точки, которые достигают поверхности Земли, могут иметь три различных происхождения. Самые глубокие, вероятно, происходят из границы между нижней мантией и ядром; примерно 15–20% имеют такие характеристики, как наличие линейной цепи морских гор с увеличивающимся возрастом, LIP в точке происхождения трека, низкая скорость сдвиговой волны, указывающая на высокие температуры ниже текущего местоположения трека, и соотношения 3 He к 4 He , которые считаются соответствующими глубокому происхождению. Другие, такие как горячие точки Питкэрна , Самоа и Таити , по-видимому, возникают на вершине больших, временных, горячих лавовых куполов (называемых суперсвеллами) в мантии. Остальные, по-видимому, возникают в верхней мантии и, как предполагается, являются результатом распада субдуцирующей литосферы. [15]
Недавняя съемка региона под известными горячими точками (например, Йеллоустоун и Гавайи) с использованием сейсмоволновой томографии дала все больше доказательств, которые поддерживают относительно узкие, глубоко залегающие, конвективные струи, которые ограничены в регионе по сравнению с крупномасштабной тектонической циркуляцией плит, в которую они погружены. Изображения показывают непрерывные, но извилистые вертикальные пути с различным количеством более горячего материала, даже на глубинах, где, как прогнозируется, происходят кристаллографические преобразования. [16] [ необходимо разъяснение ]
Главной альтернативой модели плюма является модель, в которой разрывы вызваны напряжениями, связанными с плитами, которые разломили литосферу, что позволило расплаву достичь поверхности из неглубоких гетерогенных источников. Предполагается, что большие объемы расплавленного материала, которые образуют LIP, вызваны конвекцией в верхней мантии, которая является вторичной по отношению к конвекции, движущей движение тектонических плит. [17]
Было высказано предположение, что геохимические данные подтверждают существование раннеобразованного резервуара, который сохранился в мантии Земли около 4,5 миллиардов лет. Предполагается, что расплавленный материал возник из этого резервуара, способствуя образованию базальта Баффиновой Земли около 60 миллионов лет назад. Базальты с плато Онтонг-Джава показывают схожие изотопные и следовые элементы, предполагаемые для раннего резервуара Земли. [18]
Было отмечено семь пар горячих точек и LIP, расположенных на противоположных сторонах Земли; анализы показывают, что это совпадающее антиподальное расположение вряд ли является случайным. Пары горячих точек включают большую магматическую провинцию с континентальным вулканизмом напротив океанической горячей точки. Ожидается, что океанические удары крупных метеоритов будут иметь высокую эффективность преобразования энергии в сейсмические волны. Эти волны будут распространяться по всему миру и сходиться близко к антиподальной позиции; ожидаются небольшие изменения, поскольку сейсмическая скорость меняется в зависимости от характеристик маршрута, по которому распространяются волны. Поскольку волны фокусируются на антиподальной позиции, они подвергают кору в фокальной точке значительному напряжению и, как предполагается, разрывают ее, создавая антиподальные пары. Когда метеорит ударяется о континент, более низкая эффективность преобразования кинетической энергии в сейсмическую энергию, как ожидается, не создаст антиподальную горячую точку. [17]
Была предложена вторая модель, связанная с ударом, образования горячей точки и LIP, в которой незначительный вулканизм горячей точки был сгенерирован в местах удара крупных тел, а вулканизм базальтовых потоков был вызван антиподально сфокусированной сейсмической энергией. Эта модель была оспорена, поскольку удары обычно считаются слишком неэффективными с сейсмической точки зрения, а траппы Декана в Индии не были антиподальными (и начали извергаться за несколько миллионов лет до) удара Чиксулуб в Мексике. Кроме того, ни в одном известном земном кратере не было подтверждено ни одного четкого примера вулканизма, вызванного ударом, не связанного с расплавленными слоями. [17]
Аэрально обширные дайковые рои , провинции силлов и крупные слоистые ультрамафические интрузии являются индикаторами LIP, даже когда другие доказательства сейчас не наблюдаются. Верхние базальтовые слои более старых LIP могли быть удалены эрозией или деформированы столкновениями тектонических плит, произошедшими после формирования слоя. Это особенно вероятно для более ранних периодов, таких как палеозой и протерозой . [7]
Гигантские дайковые рои длиной более 300 км [19] являются обычным свидетельством сильно эродированных LIP. Существуют как радиальные, так и линейные конфигурации дайковых роев. Известны радиальные рои с площадной протяженностью более 2000 км и линейные рои, простирающиеся более 1000 км. Линейные дайковые рои часто имеют высокую долю даек относительно вмещающих пород, особенно когда ширина линейного поля составляет менее 100 км. Дайки имеют типичную ширину 20–100 м, хотя сообщалось о ультраосновных дайках шириной более 1 км. [7]
Дайки обычно субвертикальные или вертикальные. Когда восходящая (дайкообразующая) магма встречает горизонтальные границы или слабые места, например, между слоями в осадочных отложениях, магма может течь горизонтально, создавая порог. Некоторые провинции порогов имеют площадные протяженности >1000 км. [7]
Серия связанных силлов, которые были сформированы по существу одновременно (в течение нескольких миллионов лет) из связанных даек, составляют LIP, если их площадь достаточно велика. Примеры включают:
Вулканические рифтовые окраины находятся на границе крупных магматических провинций. Вулканические окраины образуются, когда рифтинг сопровождается значительным плавлением мантии, при этом вулканизм происходит до и/или во время континентального распада. Вулканические рифтовые окраины характеризуются: переходной корой, состоящей из базальтовых магматических пород, включая потоки лавы, силлы, дайки и габбро , большими объемами базальтовых потоков, падающими в сторону моря рефлекторными последовательностями базальтовых потоков, которые вращались на ранних стадиях распада, ограниченным пассивным проседанием окраины во время и после распада и наличием нижней коры с аномально высокими скоростями сейсмических P-волн в телах нижней коры, что указывает на более низкую температуру, плотную среду.
Ранняя вулканическая активность основных горячих точек, предположительно вызванная глубокими мантийными плюмами, часто сопровождается излияниями базальтов. Эти извержения базальтов привели к образованию больших скоплений базальтовых лав, которые извергались со скоростью, значительно превышающей скорость, наблюдаемую в современных вулканических процессах. Континентальный рифтинг обычно следует за излияниями базальтов. Провинции базальтов также могут возникать в результате первоначальной активности горячих точек в океанических бассейнах, а также на континентах. Можно проследить горячую точку до излияний базальтов крупной магматической провинции; в таблице ниже крупные магматические провинции соотносятся с траекторией определенной горячей точки. [20] [21]
Извержения или размещение LIP, по-видимому, в некоторых случаях происходили одновременно с океаническими аноксическими событиями и событиями вымирания . Наиболее важными примерами являются траппы Декана ( мел-палеогеновое вымирание ), Кару-Феррар ( плинсбахско-тоарское вымирание ), магматическая провинция Центральной Атлантики ( триасово-юрское вымирание ) и сибирские траппы ( пермско-триасовое вымирание ).
Для объяснения связи LIP с событиями вымирания предлагается несколько механизмов. Извержение базальтовых LIP на поверхность Земли высвобождает большие объемы сульфатного газа, который образует серную кислоту в атмосфере; это поглощает тепло и вызывает существенное охлаждение (например, извержение Лаки в Исландии, 1783). Океанические LIP могут снижать содержание кислорода в морской воде либо путем прямых реакций окисления с металлами в гидротермальных жидкостях, либо вызывая цветение водорослей, которые потребляют большое количество кислорода. [28]
Крупные магматические провинции связаны с несколькими типами рудных месторождений, включая:
Обогащение ртутью относительно общего содержания органического углерода (Hg/TOC) является распространенным геохимическим показателем, используемым для обнаружения массивного вулканизма в геологической летописи, хотя его надежность была поставлена под сомнение. [29]
Эти LIP состоят в основном из фельзических материалов. Примеры включают:
Эти LIP состоят в основном из андезитовых материалов. Примеры включают:
Эта подкатегория включает большинство провинций, включенных в исходные классификации LIP. Она состоит из континентальных трапповых базальтов, океанических трапповых базальтов и диффузных провинций.
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )