Игнимбрит: состав, формирование и модели осаждения.

Введение

Тип вулканической породы

Игнимбрит – это тип вулканической породы, состоящий из затвердевшего туфа. Игнимбриты формируются из отложений пирокластических потоков – это горячая взвесь частиц и газов, быстро вытекающая из вулкана благодаря большей плотности по сравнению с окружающей атмосферой. Новозеландский геолог Патрик Маршалл (1869–1950) предложил термин «игнимбрит», образованный от латинских слов *igni* [огонь] и *imbri* [дождь]. Игнимбриты состоят из очень плохо отсортированной смеси вулканического пепла (или туфа после литификации) и пемзовых лапиллей, часто с рассеянными литическими фрагментами. Пепел состоит из стеклянных осколков и кристаллических фрагментов. Игнимбриты могут быть рыхлыми и несцементированными или литифицированными (уплотненными) породами, называемыми лапилли-туфом. Вблизи источника извержения игнимбриты часто содержат мощные скопления литических блоков, а на расстоянии – многометровые залежи округлых гальки из пемзы. Цвет игнимбритов может варьироваться от белого, серого, розового, бежевого, коричневого до черного в зависимости от их состава и плотности. Многие светлые игнимбриты имеют дацитовый или риолитовый состав. Темноокрашенные игнимбриты могут представлять собой плотное сварное вулканическое стекло или, реже, быть мафическими по составу.

Депонирование

Для объяснения отложения игнимбритов из пирокластического плотностного потока было предложено две основные модели: отложение целиком (en masse) и модель прогрессивного нарастания.

Массовая модель

Модель массового извержения была предложена вулканологом Стивеном Спарксом в 1976 году. Спаркс объяснял плохую сортировку в игнбритах ламинарными потоками с очень высокой концентрацией частиц. Пирокластические потоки представлялись как подобные потокам обломков, при этом тело подвергается ламинарному течению и затем останавливается в массе. Поток перемещался бы как пробочный поток, с по существу недеформирующейся массой, движущейся по тонкой зоне сдвига, и массовое замерзание происходит, когда напряжение в потоке падает ниже определенного уровня. Это привело бы к образованию массивного слоя с обратно градированной основой. Существует несколько проблем с моделью массового извержения. Поскольку игнимбрит является отложением, его характеристики не могут полностью отражать течение, и отложение может лишь фиксировать процесс осаждения. Вертикальная химическая зональность в игнбритах интерпретируется как отражение постепенных изменений в процессе осаждения, и зональность редко коррелирует с границами потоковых единиц и может наблюдаться внутри них. Предполагалось, что химические изменения фиксируют прогрессивную аккумуляцию у основания потока из извержения, состав которого меняется со временем. Для этого основание потока не может быть турбулентным. Мгновенное осаждение всего объема материала невозможно, поскольку мгновенное смещение жидкости невозможно. Любое смещение жидкости мобилизовало бы верхнюю часть потока, и массовое осаждение не произошло бы. Мгновенная остановка потока вызвала бы локальное сжатие и растяжение, что проявилось бы в виде трещин растяжения и небольших надвигов, которых не наблюдается в большинстве игнбритов. Модификация теории массового отложения предполагает, что игнимбрит фиксирует прогрессивную аккумуляцию от устойчивого течения и что различия, наблюдаемые между игнбритами и внутри одного игнбрита, являются результатом временных изменений в характере потока, который его отложил. Вертикальные изменения в ориентации структур являются убедительным доказательством того, что послеотложная ремобилизация не отвечает за большинство структур, но необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, имеет ли большинство игнбритов эти вертикальные изменения, чтобы установить, какой процесс является наиболее распространенным. Модель, основанная на наблюдениях в туфе Wall Mountain в Национальном памятнике Florissant Fossil Beds в Колорадо, предполагает, что реоморфные структуры, такие как слоистость и пирокласты, образовались во время ламинарного вязкого течения, когда плотностной ток приходит в остановку. Переход от течения частиц к вязкой жидкости мог вызвать быстрое массовое охлаждение в последние несколько метров. Также предполагается, что трансформация происходит в пограничном слое у основания потока, и что все материалы проходят через этот слой во время осаждения. Другая предложенная модель заключается в том, что плотностной ток стал стационарным до формирования реоморфных структур. Структуры, такие как повсеместная слоистость, являются результатом уплотнения под нагрузкой, а другие структуры – результатом ремобилизации под нагрузкой и осаждения на наклонной поверхности. Туф, отложенный на горе Вагонтайр в Орегоне и туф Бишоп в Калифорнии, демонстрируют признаки вязкого течения на поздней стадии. Эти туфы имеют схожий химический состав и, следовательно, должны были подвергнуться одному и тому же процессу уплотнения, чтобы иметь такую же слоистость. Зеленый туф на Пантеллерии содержит реоморфные структуры, которые считаются результатом послеотложной ремобилизации, поскольку в то время считалось, что зеленый туф является отложением выпадения пепла, которое не подвергается латеральному переносу. Сходство между структурами в Зеленом туфе и игнбритами на Гран-Канарии предполагает послеотложную ремобилизацию. Эта интерпретация осаждения Зеленого туфа была оспорена, предполагая, что это игнимбрит, и что структуры, такие как перекрывающиеся пламмы, наблюдаемые в Зеленом туфе, являются результатом первичного вязкого течения на поздней стадии. Аналогичные структуры, наблюдаемые на Гран-Канарии, были интерпретированы как синдепозиционные потоки. Было оспорено, что сдвиг между плотностным током и формирующимся отложением достаточно велик, чтобы вызвать все реоморфные структуры, наблюдаемые в игнбритах, хотя сдвиг может быть ответственен за некоторые структуры, такие как перекрывающиеся пламмы.

The en masse model was proposed by volcanologist Stephen Sparks in 1976. Sparks attributed the poor sorting in ignimbrites to laminar flows of very high particle concentration. Pyroclastic flows were envisioned as being similar to debris flows, with a body undergoing laminar flow and then stopping en masse. The flow would travel as a plug flow, with an essentially non deforming mass travelling on a thin shear zone, and the en masse freezing occurs when the driving stress falls below a certain level. This would produce a massive unit with an inversely graded base. There are several problems with the en masse model. Since ignimbrite is a deposit, its characteristics cannot completely represent the flow, and the deposit may only record the depositional process. Vertical chemical zonation in ignimbrites is interpreted as recording incremental changes in the deposition, and the zonation rarely correlates with flow unit boundaries and may occur within flow units. It has been posited that the chemical changes are recording progressive aggradation at the base of the flow from an eruption whose composition changes with time. For this to be so, the base of the flow cannot be turbulent. The instantaneous deposition of an entire body of material is not possible because displacement of the fluid is not possible instantaneously. Any displacement of the fluid would mobilize the upper part of the flow, and en masse deposition would not occur. Instantaneously cessation of the flow would cause local compression and extension, which would be evident in the form of tension cracks and small scale thrusting, which is not seen in most ignimbrites. An adaptation of the en masse theory suggests that the ignimbrite records progressive aggradation from a sustained current and that the differences observed between ignimbrites and within an ignimbrite are the result of temporal changes to the nature of the flow that deposited it. A vertical variation in orientation of the structures is compelling evidence against post depositional re mobilization being responsible for the majority of the structures, but more work needs to be carried out to discover if the majority of ignimbrites have these vertical variations in order to say which process is the most common. A model based on observations at the Wall Mountain Tuff at Florissant Fossil Beds National Monument in Colorado suggests that the rheomorphic structures such as foliation and pyroclasts were formed during laminar viscous flow as the density current comes to a halt. A change from particulate flow to a viscous fluid could cause the rapid en masse cooling in the last few meters. It is also theorized that transformation occurs at a boundary layer at the base of the flow and that all the materials pass through this layer during deposition. Another model proposed is that the density current became stationary before the rheomorphic structures form. Structures such as pervasive foliation are a result of load compaction, and other structures are the result of remobilization by load and deposition on inclined topography. The tuff deposited at Wagontire Mountain in Oregon and Bishop Tuff in California show evidence of late stage viscous flow. These tuffs have a similar chemistry and so must have undergone the same compaction process to have the same foliation. The Green Tuff in Pantelleria contains rheomorphic structures which are held to be a result of post depositional re mobilization because at that time the Green Tuff was believed to be a fall deposit which has no lateral transport. Similarities between the structures in the Green Tuff and ignimbrites on Gran Canaria suggest post depositional re mobilization. This interpretation of the deposition of the Green Tuff has been disputed, suggesting that it is an ignimbrite, and structures such as imbricate fiamme, observed in the Green Tuff, were the result of late stage primary viscous flow. Similar structures observed on Gran Canaria had been interpreted as syn depositional flow. It has been disputed that the shear between the density current and the forming deposit is significant enough to cause all of the rheomorphic structures observed in ignimbrites, although the shear could be responsible for some of the structures such as imbricate fiamme.

Петрология

Игнимбрит в основном состоит из матрицы вулканического пепла (тефры), которая состоит из осколков и фрагментов вулканического стекла, фрагментов пемзы и кристаллов. Кристаллические фрагменты обычно разлетаются при взрывном извержении. Большинство из них – это фенокристаллы, выросшие в магме, но некоторые могут быть экзотическими кристаллами, такими как ксенокристаллы, происходящие из других магм, магматических пород или вмещающих пород. Матрица пепла обычно содержит различное количество обломков пород размером от гороха до гальки, называемых литическими включениями. В основном это фрагменты более древних затвердевших вулканических пород, вырванные из стенок каналов или с поверхности земли. Реже класты представляют собой когноматный материал из магматической камеры. Если частицы игнимбрита достаточно горячи при отложении, они могут спекаться, и отложение превращается в "сварной игнимбрит", состоящий из эвтакситового туфа лапилли. В этом случае лапилли из пемзы обычно уплощаются и проявляются на поверхности породы в виде темных линзовидных образований, известных как fiamme. Интенсивно сварной игнимбрит может иметь стекловидные зоны у основания и вершины, называемые нижним и верхним "витрофирами", а центральные части – микрокристаллические ("литоидные").

Минералогия

Минералогия игнимбрита определяется главным образом химическим составом исходной магмы. Типичный набор фенокристов в игнимбритах включает биотит, кварц, сандидин или другой щелочной полевой шпат, иногда роговую обманку, редко пироксен, а в случае фонолитовых туфов – минералы группы полевых шпатов, такие как нефелин и лейцит. В большинстве фелсических игнимбритов кварцевые полиморфы кристобалит и тридимит обычно встречаются в сварных туфах и брекчиях. В большинстве случаев, эти высокотемпературные полиморфы кварца, по-видимому, образовались после извержения в результате аутогенной постмагматической перекристаллизации в метастабильной форме. Таким образом, хотя тридимит и кристобалит являются распространенными минералами в игнимбритах, они могут не быть первичными магматическими минералами.

Геохимия

Большинство игнёмбритов имеют кремнезёмистый состав, обычно с содержанием SiO2 более 65%. Химия игнёмбритов, как и всех фелсических пород, и обусловленная этим минералогия фенокристальных ассоциаций в них, в основном связана с различным содержанием натрия, калия, кальция, а также с меньшими количествами железа и магния. Некоторые редкие игнёмбриты имеют андезитовый состав и могут даже формироваться из насыщенных летучими веществами базальтов, в этом случае игнёмбрит будет обладать геохимией обычного базальта.

Изменение

Большие горячие игнибриты могут создавать ту или иную форму гидротермальной активности, поскольку они, как правило, покрывают влажную почву и засыпают ручьи и реки. Вода из таких пород выйдет на поверхность через фумаролы, гейзеры и подобные образования, что может занять несколько лет, например, после извержения туфа Новарупта. В процессе выкипания этой воды слой игнимбрита может подвергаться метасоматизму (изменению состава). Это приводит к образованию дымоходных структур и карманов пород, измененных до каолина.

Сварка

Сварка – распространенная форма изменения игнимбрита. Существует два типа сварки: первичная и вторичная. Если плотностный поток достаточно горяч, частицы агглютинируют и спекаются на поверхности отложения, образуя вязкую жидкость; это и есть первичная сварка. Если же во время переноса и отложения температура низкая, то частицы не агглютинируют и не спекаются, хотя сварка может произойти позднее, если уплотнение или другие факторы снижают минимальную температуру сварки до значения ниже температуры стекловидных частиц; это вторичная сварка. Вторичная сварка наиболее распространена и указывает на то, что температура большинства пирокластических плотностных потоков ниже температуры размягчения частиц. Интенсивность сварки определяется литостатической нагрузкой, поскольку игнимбрит Тириби наиболее сильно сварен в местах наибольшей толщины. Однако эта зависимость не абсолютна, и другие факторы также могут оказывать влияние. Существует два аргумента в пользу относительно небольшой роли литостатической нагрузки в определении интенсивности сварки: латеральные изменения степени сварки вне зависимости от толщины и случаи, когда степень сварки коррелирует с химическим зонированием. Сварка определяется сочетанием факторов, включая изменения в составе, содержание летучих веществ, температуру, гранулометрический состав и содержание литов. Кроме того, как и в гранитном рельефе, формы рельефа в игнимбритах могут зависеть от систем трещин.

Распространение

Игнимбриты встречаются по всему миру, связанные со многими вулканическими провинциями, характеризующимися магмой с высоким содержанием кремнезема и, как следствие, взрывными извержениями. Игнимбрит очень широко распространен в нижнем Хантерском регионе штата Новый Южный Уэльс (Австралия). Игнимбрит, добываемый в регионе Хантера в таких местах, как Мартинс-Крик, Брэнди-Хилл, Сиэм (Boral) и в заброшенном карьере в Реймонд-Террас, представляет собой вулканическую осадочную породу карбонового периода (280–345 миллионов лет). Его происхождение было крайне бурным. Этот материал накапливался на значительной глубине и, вероятно, потребовались годы для полного остывания. В процессе этого материалы, составлявшие смесь, спеклись в очень прочную породу средней плотности. Игнимбрит также встречается в регионе Коромандель (Новая Зеландия), где впечатляющие оранжево-коричневые скалы из игнимбрита формируют характерную черту ландшафта. Ближайшая вулканическая зона Таупо покрыта обширными плоскими слоями игнимбрита, извергнутого из вулканов-кальдер в плейстоцене и голоцене. Открытые скалы из игнимбрита в Хинуэре (Уайкато) отмечают границы древнего русла реки Уайкато, которая протекала по долине до последнего крупного извержения Таупо 1800 лет назад (извержение Хатепе). Западные скалы разрабатываются для получения блоков камня Хинуэра, так называется спекшийся игнимбрит, используемый для облицовки зданий. Камень светло-серый с примесью зеленого и слегка пористый. Огромные отложения игнимбрита образуют значительную часть горной системы Сьерра-Мадре-Оксиденталь на западе Мексики. В западной части Соединенных Штатов массивные залежи игнимбрита толщиной до нескольких сотен метров встречаются в провинции Бассейн и Хребет, преимущественно в Неваде, западной Юте, южной Аризоне, севере центральной и южной части Нью-Мексико, а также в равнине реки Снейк. Магматизм в провинции Бассейн и Хребет включал в себя мощную фазу образования игнимбрита, начавшуюся около 40 миллионов лет назад и в основном завершившуюся 25 миллионов лет назад: магматизм последовал за окончанием орогенеза Ларамида, когда деформация и магматизм происходили далеко к востоку от границы тектонических плит. Дополнительные извержения игнимбрита продолжались в Неваде примерно до 14 миллионов лет назад. Отдельные извержения часто были огромными, иногда объемом до тысяч кубических километров, что соответствовало 8-му баллу по Индексу вулканической взрывоопасности, сравнимому с извержениями Йеллоустонской кальдеры и озера Тоба. Последовательности игнимбритов составляют значительную часть постэрозионных пород на островах Тенерифе и Гран-Канария.

Ignimbrites occur worldwide associated with many volcanic provinces having high silica content magma and the resulting explosive eruptions. Ignimbrite occurs very commonly around the lower Hunter Region of the Australian state of New South Wales. The ignimbrite quarried in the Hunter region at locations such as Martins Creek, Brandy Hill, Seaham (Boral) and at abandoned quarry at Raymond Terrace is a volcanic sedimentation rock of Carboniferous age (280–345 million years). It had an extremely violent origin. This material built up to considerable depth and must have taken years to cool down completely. In the process the materials that made up this mixture fused together into a very tough rock of medium density. Ignimbrite also occurs in the Coromandel region of New Zealand, where the striking orange brown ignimbrite cliffs form a distinctive feature of the landscape. The nearby Taupō Volcanic Zone is covered in extensive flat sheets of ignimbrite erupted from caldera volcanoes during the Pleistocene and Holocene. The exposed ignimbrite cliffs at Hinuera (Waikato) mark the edges of the ancient Waikato River course which flowed through the valley before the last major Taupō eruption 1,800 years ago (the Hatepe eruption). The west cliffs are quarried to get blocks of Hinuera Stone, the name given to welded ignimbrite used for building cladding. The stone is light grey with traces of green and is slightly porous. Huge deposits of ignimbrite form large parts of the Sierra Madre Occidental in western Mexico. In the western United States, massive ignimbrite deposits up to several hundred metres thick occur in the Basin and Range Province, largely in Nevada, western Utah, southern Arizona, and north central and southern New Mexico, and the Snake River Plain. The magmatism in the Basin and Range Province included a massive flare up of ignimbrite which began about 40 million years ago and largely ended 25 million years ago: the magmatism followed the end of the Laramide orogeny, when deformation and magmatism occurred far east of the plate boundary. Additional eruptions of ignimbrite continued in Nevada until roughly 14 million years ago. Individual eruptions were often enormous, sometimes up to thousands of cubic kilometres in volume, giving them a Volcanic Explosivity Index of 8, comparable to Yellowstone Caldera and Lake Toba eruptions. Successions of ignimbrites make up a large part of post erosional rocks in Tenerife and Gran Canaria islands.

Использование

Хранилище Юкка-Маунтин, являющееся терминальным хранилищем Министерства энергетики США для отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных отходов, расположено в отложении игнимбрита и туфа. Слоистая структура игнимбрита используется при обработке камня, поскольку он иногда расслаивается на удобные плиты, пригодные для мощения и ландшафтного дизайна садовых бордюров. В регионе Хантер, штат Новый Южный Уэльс, игнимбрит служит отличным заполнителем или "голубым металлом" для дорожного покрытия и строительных работ.