Крупные изверженные провинции: формирование, характеристики и влияние.

Введение

Огромное региональное скопление магматических пород

Большая магматическая провинция (LIP) – это чрезвычайно обширное скопление магматических пород, включающее интрузивные (силли, дайки) и экструзивные (лавовые потоки, отложения туфа), образующееся при движении магмы через земную кору к поверхности. Формирование LIP связывают с мантийными плюмами или процессами, связанными с расходящейся тектоникой плит. Формирование некоторых LIP за последние 500 миллионов лет совпадает по времени с массовыми вымираниями и резкими изменениями климата, что породило множество гипотез о причинно-следственных связях. LIP принципиально отличаются от любых других современных активных вулканов или вулканических систем.

Определение

В 1992 году Коффин и Элдхолм первоначально определили термин «большая магматическая провинция» как совокупность различных мафических магматических провинций с площадью более 100 000 км², представляющих собой «массивные корыстные внедрения преимущественно мафических (богатых магнием и железом) эффузивных и интрузивных пород, образовавшихся в результате процессов, отличных от ‘нормального’ спрединга морского дна». Это первоначальное определение включало континентальные базальтовые плато, океанические плато, крупные дамбные поля (эрозионные корни вулканической провинции) и вулканические рифтовые окраины. Мафические базальтовые морские днища и другие геологические продукты ‘нормальной’ тектоники плит не включались в определение. Большинство из этих БМП состоят из базальта, но некоторые содержат значительные объемы ассоциированного риолита (например, базальтовая группа реки Колумбия на западе Соединенных Штатов); риолит обычно очень сухой по сравнению с риолитами островных дуг, с гораздо более высокими температурами извержения (850 °C – 1000 °C), чем у обычных риолитов. Некоторые БМП географически сохранились, такие как базальтовые Деканские траппы в Индии, в то время как другие были фрагментированы и разделены движениями плит, например, Центральноатлантическая магматическая провинция, части которой встречаются в Бразилии, восточной Северной Америке и северо-западной Африке. В 2008 году Брайан и Эрнст уточнили определение, чтобы несколько сузить его: «Большие магматические провинции – это магматические провинции с площадью >1e5, объемами магмы >1e5 и максимальным периодом существования ~50 млн лет, которые имеют внутриплитные тектонические условия или геохимическую аффинность и характеризуются магматическими импульсами короткой продолжительности (~1–5 млн лет), в течение которых была внедрена большая доля (>75%) общего объема магмы. Они преимущественно мафичны, но также могут содержать значительные ультрамафические и кремнеземные компоненты, а в некоторых доминирует кремнеземный магматизм». Это определение подчеркивает высокую скорость внедрения магмы, характерную для события БМП, и исключает подводные горы, группы подводных гор, подводные хребты и аномальную морскую кору. С тех пор определение было расширено и уточнено и остается в стадии разработки. Некоторые новые определения БМП включают крупные гранитоидные провинции, такие как те, что встречаются в Андах Южной Америки и на западе Северной Америки. Были разработаны всеобъемлющие таксономии для фокусировки технических дискуссий. Предлагалось подразделение БМП на крупные вулканические провинции (КВП) и крупные плутонические провинции (КПП), включая породы, образованные в результате нормальных тектонических процессов плит, но эти модификации обычно не принимаются. БМП теперь часто используется для описания обширных областей не только мафических, но и всех типов магматических пород. Кроме того, минимальный порог для включения в БМП был снижен до 50 000 км². Эта тема превратилась в широкую область исследований, объединяющую геонаучные дисциплины, такие как биостратиграфия, вулканология, метаморфическая петрология и моделирование системы Земли. Изучение БМП имеет экономическое значение. Некоторые исследователи связывают их с заключенными в ловушку углеводородами. Они связаны с экономическими концентрациями меди, никеля и железа. Они также связаны с образованием крупных минеральных провинций, включая месторождения платиновых металлов и, в кремнеземных БМП, месторождения серебра и золота. БМП в геологической летописи отмечают значительные изменения в гидросфере и атмосфере, приводящие к крупным климатическим сдвигам и, возможно, массовому вымиранию видов. БМП сыграли важную роль в циклах распада континентов, образования континентов, новых добавлений коры из верхней мантии и циклах суперконтинентов. Образование океанических плит при подъеме, спрединге и субдукции является общепринятым фундаментом тектоники плит, при этом восхождение горячих материалов мантии и погружение более холодных океанических плит приводят к конвекции мантии. В этой модели тектонические плиты расходятся на срединно-океанических хребтах, где горячая мантия поднимается вверх, чтобы заполнить пространство. Тектонические процессы плит составляют подавляющее большинство вулканизма на Земле. Помимо влияния конвективно-обусловленного движения, глубокие процессы оказывают и другое влияние на топографию поверхности. Конвекционное обращение вызывает восходящие и нисходящие потоки в мантии Земли, которые отражаются в местных уровнях поверхности. Горячие материалы мантии, поднимающиеся в плюме, могут распространяться радиально под тектонической плитой, вызывая области поднятия. Недавняя визуализация области под известными горячими точками (например, Йеллоустоун и Гавайи) с использованием сейсмической томографии предоставила все больше доказательств, подтверждающих относительно узкие, глубокие конвективные плюмы, которые ограничены по площади по сравнению с крупномасштабной циркуляцией тектонических плит, в которой они встроены. Изображения показывают непрерывные, но извилистые вертикальные пути с различным количеством более горячего материала, даже на глубинах, где прогнозируются кристаллические трансформации.

In 1992, Coffin and Eldholm initially defined the term "large igneous province" as representing a variety of mafic igneous provinces with areal extent greater than 100,000 km2 that represented "massive crustal emplacements of predominantly mafic (magnesium and iron rich) extrusive and intrusive rock, and originated via processes other than 'normal' seafloor spreading." That original definition included continental flood basalts, oceanic plateaus, large dike swarms (the eroded roots of a volcanic province), and volcanic rifted margins. Mafic basalt sea floors and other geological products of 'normal' plate tectonics were not included in the definition. Most of these LIPs consist of basalt, but some contain large volumes of associated rhyolite (e. g. the Columbia River Basalt Group in the western United States); the rhyolite is typically very dry compared to island arc rhyolites, with much higher eruption temperatures (850 °C to 1000 °C) than normal rhyolites. Some LIPs are geographically intact, such as the basaltic Deccan Traps in India, while others have been fragmented and separated by plate movements, like the Central Atlantic magmatic province—parts of which are found in Brazil, eastern North America, and northwestern Africa. In 2008, Bryan and Ernst refined the definition to narrow it somewhat: "Large Igneous Provinces are magmatic provinces with areal extents >1e5, igneous volumes >1e5 and maximum lifespans of ~50 Myr that have intraplate tectonic settings or geochemical affinities, and are characterised by igneous pulse(s) of short duration (~1–5 Myr), during which a large proportion (>75%) of the total igneous volume has been emplaced. They are dominantly mafic, but also can have significant ultramafic and silicic components, and some are dominated by silicic magmatism." This definition places emphasis on the high magma emplacement rate characteristics of the LIP event and excludes seamounts, seamount groups, submarine ridges and anomalous seafloor crust. The definition has since been expanded and refined, and remains a work in progress. Some new definitions of LIP include large granitic provinces such as those found in the Andes Mountains of South America and in western North America. Comprehensive taxonomies have been developed to focus technical discussions. Sub categorization of LIPs into large volcanic provinces (LVP) and large plutonic provinces (LPP), and including rocks produced by normal plate tectonic processes, have been proposed, but these modifications are not generally accepted. LIP is now frequently used to also describe voluminous areas of, not just mafic, but all types of igneous rocks. Further, the minimum threshold to be included as a LIP has been lowered to 50,000 km2. This theme has developed into a broad field of research, bridging geoscience disciplines such as biostratigraphy, volcanology, metamorphic petrology, and Earth System Modelling. The study of LIPs has economic implications. Some workers associate them with trapped hydrocarbons. They are associated with economic concentrations of copper–nickel and iron. They are also associated with formation of major mineral provinces including platinum group element deposits and, in the silicic LIPs, silver and gold deposits. LIPs in the geological record have marked major changes in the hydrosphere and atmosphere, leading to major climate shifts and maybe mass extinctions of species. LIPs have played a major role in the cycles of continental breakup, continental formation, new crustal additions from the upper mantle, and supercontinent cycles. Ocean plate creation at upwellings, spreading and subduction are well accepted fundamentals of plate tectonics, with the upwelling of hot mantle materials and the sinking of the cooler ocean plates driving the mantle convection. In this model, tectonic plates diverge at mid ocean ridges, where hot mantle rock flows upward to fill the space. Plate tectonic processes account for the vast majority of Earth's volcanism. Beyond the effects of convectively driven motion, deep processes have other influences on the surface topography. The convective circulation drives up wellings and down wellings in Earth's mantle that are reflected in local surface levels. Hot mantle materials rising up in a plume can spread out radially beneath the tectonic plate causing regions of uplift. Recent imaging of the region below known hotspots (for example, Yellowstone and Hawaii) using seismic wave tomography has produced mounting evidence that supports relatively narrow, deep origin, convective plumes that are limited in region compared to the large scale plate tectonic circulation in which they are imbedded. Images reveal continuous but convoluted vertical paths with varying quantities of hotter material, even at depths where crystallographic transformations are predicted to occur.

Разрыв пластины

Основной альтернативой модели мантийных плюмов является модель, в которой разрывы обусловлены напряжениями, связанными с движением литосферных плит, приводящими к разрушению литосферы и позволяющими магме достигать поверхности из неглубоких, неоднородных источников. Считается, что большие объемы расплавленного материала, формирующие крупные излияния базальтов (ЛИП), возникают из-за конвекции в верхней мантии, которая является вторичной по отношению к конвекции, движущей тектоническими плитами.

Ранние выливы из резервуаров

Было предложено, что геохимические свидетельства подтверждают существование резервуара, сформировавшегося на ранних этапах истории Земли и сохранившегося в её мантии около 4,5 миллиардов лет. Предполагается, что расплавленный материал образовался из этого резервуара и внес вклад в формирование базальтов наводнений острова Баффин около 60 миллионов лет назад. Базальты плато Онтонг-Ява демонстрируют схожие изотопные и геохимические характеристики, которые предполагаются для резервуара ранней Земли.

Связь с исчезновением

Извержения или внедрения крупных магматических провинций (LIP), по-видимому, в некоторых случаях происходили одновременно с океаническими аноксическими событиями и массовыми вымираниями. Наиболее известные примеры – Деканские траппы (мел-палеогеновое вымирание), Кару-Феррар (вымирание пленсбахианского-тоарского яруса), Центральноатлантическая магматическая провинция (триас-юрское вымирание) и Сибирские траппы (пермское-триасовое вымирание). Предложено несколько механизмов, объясняющих связь между LIP и событиями вымирания. Извержение базальтовых LIP на поверхность Земли высвобождает большие объемы сульфатного газа, который образует серную кислоту в атмосфере, поглощая тепло и вызывая значительное охлаждение (например, извержение Лаки в Исландии в 1783 году). Океанические LIP могут снижать содержание кислорода в морской воде либо посредством прямых окислительных реакций с металлами в гидротермальных флюидах, либо вызывая цветение водорослей, потребляющих большие объемы кислорода.

Примеры

Провинция Регион Возраст (миллион лет) Площадь (миллион км²) Объем (миллион км³) Также известно как или включает в себя Источник Плато Агульяс Юго-западная часть Индийского океана, Южная Атлантика, Южный океан 140–95 0.3 1.2 Юго-восточноафриканский LIP Мозамбикский хребет, Северо-восточный подъем Грузии, хребет Мод, хребет Астрид Базальты реки Колумбия Северо-западные США 17–60.16 0.175 Эфиопия Йеменские потоковые базальты Йемен, Эфиопия 31–25 0.6 0.35 Эфиопия Раджмахал Траппы Индия 116 Онтонг-Ява Тихоокеанский океан ок. 122 1.8 68.4 Плато Манихики и плато Хикуранги Параны и Этендека Бразилия, Намибия 134–129 1.5 >1 Экваториальная Атлантическая Магматическая Провинция Бразильское плоскогорье Сибирские траппы Россия 250 1.5–3.9 0.9–2.0

Крупные базальтовые провинции

В эту подкатегорию входят большинство провинций, включенных в первоначальную классификацию LIP. Она состоит из континентальных потоковых базальтов, океанических потоковых базальтов и диффузных провинций.