Введение
Извержение огромного объема базальтовой лавы
Потоковый базальт (или плато-базальт) – результат гигантского вулканического извержения или серии извержений, которые покрывают обширные участки суши или дна океана базальтовой лавой. Многие потоковые базальты связывают с началом активности горячей точки, достигающей поверхности Земли через мантийный плюм. Потоковые базальтовые провинции, такие как Деканские траппы в Индии, часто называют траппами, по шведскому слову *trappa* (означающему "лестница"), из-за характерного ступенчатого рельефа многих связанных ландшафтов. Майкл Р. Рампино и Ричард Стотерс (1988) упомянули одиннадцать различных эпизодов потокового базальта, произошедших за последние 250 миллионов лет, сформировавших крупные магматические провинции, лавовые плато и горные хребты. Однако было выявлено и больше таких, как обширное плато Онтонг-Ява и группа Чилкотин, хотя последняя может быть связана с базальтовой группой реки Колумбия. Крупные магматические провинции связывают с пятью массовыми вымираниями и, возможно, с ударами болидов.
Описание
Поводковые базальты — наиболее объемные из всех экструзивных магматических пород, формирующие огромные отложения базальтовой породы, встречающиеся в геологической летописи. Они отличаются от всех других форм вулканизма колоссальными объемами лавы, извергавшимися за геологически короткие промежутки времени. Одна поводковая базальтовая провинция может содержать сотни тысяч кубических километров базальта, извергнутого менее чем за миллион лет, при этом отдельные события извергают сотни кубических километров базальта каждое. Эта высокожидкая базальтовая лава может распространяться латерально на сотни километров от источников извержения, покрывая площади в десятки тысяч квадратных километров. Последующие извержения формируют мощные накопления почти горизонтальных потоков, извергающихся последовательно на обширных территориях, затопляя лавой поверхность Земли в региональном масштабе. Обычно они содержат около 52% диоксида кремния. Число магния (мол.% магния в общем содержании железа и магния) составляет около 55, по сравнению с 60 для типичного MORB. Распределение редкоземельных элементов указывает на то, что исходная (примитивная) магма образовалась из пород мантии Земли, которые были почти не обеднены; то есть это были мантийные породы, богатые гранатом, из которых ранее было извлечено немного магмы. Химический состав плагиоклаза и оливина в поводковых базальтах свидетельствует о том, что магма была лишь незначительно загрязнена расплавленными породами земной коры, но некоторые высокотемпературные минералы уже успели кристаллизоваться из породы до достижения ею поверхности. Иными словами, поводковый базальт умеренно эволюционировал, однако соотношение изотопов стронция предполагает, что разница может быть связана с большим количеством загрязнения магмы LPT расплавленной корой.
Формирование
Теории формирования базальтовых плато должны объяснять, как такие огромные объемы магмы могли быть сгенерированы и извергнуты в виде лавы за столь короткие промежутки времени. Они также должны объяснять сходный состав и тектонические обстановки базальтовых плато, извергавшихся на протяжении геологического времени, и способность лавы базальтовых плато преодолевать такие большие расстояния от извергающих трещин до затвердевания.
Создание плавильной массы
Для образования такого количества магмы за столь короткий промежуток времени требуется огромное количество тепла. Считается, что основным источником этого тепла являлся мантийный плюм, воздействующий на основание литосферы Земли – ее жесткую внешнюю оболочку. Плюм состоит из необычно горячей породы мантии астеносферы, пластичного слоя непосредственно под литосферой, которая медленно поднимается из глубин земных недр. Горячая астеносфера раскалывает литосферу над плюмом, позволяя магме, образовавшейся в результате декомпрессионного плавления головы плюма, находить пути к поверхности. Рои параллельных даек, обнаженных глубокой эрозией полей базальтовых излияний, свидетельствуют о значительном растяжении коры. Рои даек в западной Шотландии и Исландии демонстрируют растяжение до 5%. Многие базальтовые поля связаны с рифтовыми долинами, располагаются на пассивных континентальных окраинах или простираются в аулакогены (неудавшиеся рукава тройных пересечений, где начинается континентальный рифтинг). Базальтовые поля на континентах часто выровнены с вулканизмом горячих точек в океанических бассейнах. Ловушки Парана и Этендека, расположенные в Южной Америке и Африке по обе стороны Атлантического океана, сформировались около 125 миллионов лет назад, когда открывался Южный Атлантический океан, в то время как второй набор более мелких базальтовых полей образовался около границы триасового и юрского периодов в восточной Северной Америке при открытии Северного Атлантического океана. Однако базальтовые поля Северной Атлантики не связаны со следами горячих точек, а, по-видимому, были равномерно распределены вдоль всей дивергентной границы. Базальтовые поля часто перемежаются с осадочными породами, как правило, красноцветными. Отложение осадочных пород начинается до первых извержений базальта, поэтому проседание и истончение коры являются предшественниками базальтовой активности. Поверхность продолжает опускаться по мере извержения базальта, поэтому более древние слои часто находятся ниже уровня моря. Базальтовые слои на глубине (наклонные отражатели) были обнаружены сейсморазведкой вдоль пассивных континентальных окраин.
Подъем на поверхность
Состав потоковых базальтов может отражать механизмы, посредством которых магма достигает поверхности. Исходный расплав, образовавшийся в верхней мантии (первичный расплав), не может иметь состав кварцевого толеита – наиболее распространенной и, как правило, наименее дифференцированной вулканической породы потоковых базальтов, поскольку кварцевые толеиты слишком богаты железом относительно магния, чтобы сформироваться в равновесии с типичными мантийными породами. Первичный расплав мог иметь состав пикритового базальта, но пикритовый базальт редко встречается в провинциях потоковых базальтов. Одна из возможностей заключается в том, что первичный расплав застаивается, достигнув границы между мантией и корой, где его подъемной силы недостаточно для проникновения в менее плотные породы коры. По мере дифференциации толеитовой магмы (изменения состава в результате кристаллизации высокотемпературных минералов и их отделения от магмы) ее плотность достигает минимума при значении числа магния около 60, что аналогично плотности потоковых базальтов. Это восстанавливает подъемную силу и позволяет магме завершить свой путь к поверхности, а также объясняет, почему потоковые базальты преимущественно представлены кварцевыми толеитами. Более половины исходной магмы остается в нижней коре в виде кумулятов в системе дамб и силлов. По мере подъема магмы падение давления также понижает температуру ликвидуса – температуру, при которой магма полностью расплавлена. Это, вероятно, объясняет отсутствие фенокристаллов в извергнутых потоковых базальтах. Резорбция (растворение обратно в расплав) смеси твердых оливина, авгита и плагиоклаза – высокотемпературных минералов, которые потенциально могут образовываться в виде фенокристаллов – также может способствовать приближению состава к кварцевому толеиту и поддержанию подъемной силы.
Извержение
Когда магма достигает поверхности, она быстро растекается по ландшафту, буквально затапливая местный рельеф. Это возможно отчасти благодаря высокой скорости экструзии (более кубического километра в день на километр длины разлома) и относительно низкой вязкости базальтовой лавы. Однако протяженность отдельных потоков базальтов поразительна даже для такой текучей лавы в таких объемах. Вероятно, лава распространяется посредством процесса инфляции, при котором она движется под твердой изолирующей коркой, сохраняющей ее горячей и подвижной. Исследования потока Гинкго на плато реки Колумбия, отличающегося большой толщиной, показывают, что температура лавы снизилась всего лишь на небольшую величину на определенном расстоянии. Это свидетельствует о том, что лава была изолирована поверхностной коркой и что поток был ламинарным, что уменьшало теплообмен с верхней коркой и основанием потока. По оценкам, поток Гинкго продвинулся на 500 км за шесть дней (со скоростью около 3,5 км в час). Извержения в базальтовых провинциях носят эпизодический характер, и каждый эпизод имеет свою уникальную геохимическую характеристику. В пределах одного эпизода извержения наблюдается некоторая тенденция к увеличению содержания кремнезема в лаве со временем, однако общая тенденция между эпизодами отсутствует.
Крупные магматические провинции
Большие магматические провинции (LIP) первоначально определялись как мощные излияния, преимущественно базальта, за геологически очень короткие промежутки времени. Это определение не устанавливало минимальный размер, продолжительность, петрогенез или обстановку формирования. Новая попытка уточнить классификацию сосредоточена на размере и обстановке. LIP обычно покрывают обширные площади, и основная часть магматизма происходит менее чем за 1 миллион лет. К основным LIP в океанических бассейнах относятся океанические вулканические плато (OP) и вулканические пассивные континентальные окраины. Океанические потоковые базальты – это LIP, которые некоторые исследователи отличают от океанических плато, поскольку они не формируют морфологических плато, не имея плоской вершины и не возвышаясь более чем на 200 м над дном океана. Примеры включают Карибскую провинцию, Науру, Восточно-Марианскую и провинцию Пигафетта. Континентальные потоковые базальты (CFBs) или плато-базальты являются континентальными проявлениями больших магматических провинций.
Влияние
Потоковые базальты в значительной степени способствуют росту континентальной коры. Они также являются катастрофическими событиями, которые, вероятно, внесли вклад во многие массовые вымирания в геологической летописи.
Формирование коры
Экструзия наводных базальтов, усредненная по времени, сопоставима со скоростью экструзии лавы на срединно-океанических хребтах и значительно выше, чем скорость экструзии у горячих точек. Однако экструзия на срединно-океанических хребтах относительно стабильна, в то время как экструзия наводных базальтов носит ярко выраженный эпизодический характер. Наводные базальты создают новую континентальную кору со скоростью в год, а извержения, формирующие океанические плато, производят коры в год. Большая часть новой коры, образовавшейся во время эпизодов извержения наводных базальтов, формируется в виде подкоры, при этом более половины исходной магмы кристаллизуется в виде кумулатов в силлов у основания коры. Аналогично, массовые вымирания на границе пермского и триасового периодов, на границе триасового и юрского периодов, а также в тоарский век юрского периода соответствуют возрасту крупных магматических провинций в Сибири, Центрально-Атлантической магматической провинции и наводных базальтов Кару-Феррар. О масштабе воздействия наводных базальтов можно судить, сравнив их с историческими крупными извержениями. Извержение Лакигаргара в 1783 году было самым крупным в исторической летописи, уничтожив 75% скота и четверть населения Исландии. Однако это извержение произвело всего лавы, что ничтожно мало по сравнению с формацией Роза на плато реки Колумбия, извергнувшейся в среднем миоцене, которая содержала не менее лавы. Каждый из этих потоков обычно имел диаметр более в диаметре. Каналы извержения выбросили до 160 триллионов тонн углекислого газа и 46 триллионов тонн метана. Пепел от горящих угольных пластов распространил токсичные хром, мышьяк, ртуть и свинец по северной Канаде. Слои испаритов, нагретые магмой, высвободили соляную кислоту, метилхлорид и метилбромид, которые повредили озоновый слой и снизили защиту от ультрафиолетового излучения на 85%. Также было выброшено более 5 триллионов тонн диоксида серы. Углекислый газ создал экстремальные парниковые условия, при этом глобальная средняя температура морской воды достигла 38 °C (100 °F) – максимального значения, когда-либо зарегистрированного в геологической летописи. Температура не опускалась ниже 32 °C (90 °F) в течение еще 5,1 миллиона лет. Такие высокие температуры смертельны для большинства морских организмов, а наземные растения испытывают трудности с продолжением фотосинтеза при температурах выше 35 °C (95 °F). Экваториальная зона Земли превратилась в мертвую зону. Однако не все крупные магматические провинции связаны с событиями вымирания. Формирование и последствия извержения наводных базальтов зависят от целого ряда факторов, таких как конфигурация континентов, широта, объем, скорость, продолжительность извержения, стиль и обстановка (континентальная или океаническая), ранее существовавший климат и устойчивость биоты к изменениям.
В других частях Солнечной системы
Поток базальтов является доминирующей формой магматизма на других планетах и спутниках Солнечной системы. Моря на Луне описываются как поточные базальты, состоящие из пикритового базальта. Отдельные эпизоды извержений, вероятно, были сопоставимы по объему с потоками базальтов Земли, но разделялись гораздо более длительными периодами затишья и, вероятно, формировались иными механизмами. Обширные поточные базальты могут присутствовать на Марсе.
Применение
Трапп – наиболее прочный строительный заполнитель среди всех пород, благодаря хаотичной ориентировке сцепленных между собой кристаллов.