Поднятая океаническая кора и офиолиты

Введение

Офиолит – это участок океанической коры Земли и лежащей в основании верхней мантии, который был поднят и обнажён, и часто внедрён в континентальные горные породы. Греческое слово ὄφις (ophis) – «змея» – присутствует в названии офиолитов из-за поверхностной текстуры некоторых из них, особенно серпентинит, напоминающей змеиную кожу. (Суффикс -lite происходит от греческого lithos, означающего «камень»). Некоторые офиолиты имеют зелёный цвет. Происхождение этих пород, встречающихся во многих горных массивах, оставалось неясным до развития теории тектоники плит. Их важное значение связано с тем, что они обнаруживаются в горных поясах, таких как Альпы и Гималаи, где они свидетельствуют о существовании древних океанических бассейнов, которые впоследствии были поглощены в зонах субдукции. Это понимание стало одним из основополагающих принципов тектоники плит, и офиолиты всегда играли центральную роль в этой теории и интерпретации древних горных поясов.

Псевдостратиграфия и определение

Стратиграфическая последовательность, наблюдаемая в офиолитах, соответствует процессам формирования литосферы на срединно-океанических хребтах. Сверху вниз слои в этой последовательности следующие:

Пелагические осадочные отложения: преимущественно кремнистые, известковые и красные глины, отложенные после формирования коры. Экструзивная последовательность: базальтовые подушечные лавы, демонстрирующие контакт магмы с морской водой. Комплекс сплошных дамб: вертикальные, параллельные дамбы, питавшие лавы вышележащих слоев. Интрузии высокого уровня: изотропный габбро, указывающий на фракционированную магматическую камеру. Слоистый габбро, образовавшийся в результате осаждения минералов из магматической камеры. Кумулированный перидотит: слои, богатые дунитом, состоящие из минералов, осевших из магматической камеры. Тектонизированный перидотит: мантийная порода, богатая гарцбургитом/лхерзолитом. Конференция Геологического общества Америки по офиолитам, состоявшаяся в 1972 году, определила термин "офиолит" как включающий все вышеперечисленные слои, включая осадочный слой, образовавшийся независимо от остальной части офиолита. Это определение подверглось критике в последнее время, поскольку новые исследования океанической коры, проведенные в рамках программы Integrated Ocean Drilling Program и другими исследовательскими экспедициями, показали, что океаническая кора in situ может значительно различаться по толщине и составу, и что в некоторых местах сплошные дамбы залегают непосредственно на тектонизированном перидотите, без промежуточных габбро.

Формирование и расположение

Офиолиты обнаружены в большинстве орогенных поясов мира. Однако два аспекта формирования офиолитов остаются предметом дискуссий: происхождение офиолитовой последовательности и механизм внедрения офиолитов. Внедрение – это процесс поднятия последовательности над менее плотной континентальной корой.

Происхождение как океанская литосфера

Несколько исследований подтверждают вывод о том, что офиолиты образовались как океаническая литосфера. Исследования структуры сейсмических скоростей дали большую часть современных знаний о составе океанической коры. По этой причине исследователи провели сейсмическое исследование офиолитного комплекса (Bay of Islands, Ньюфаундленд), чтобы провести сопоставление. Исследование привело к выводу, что океаническая и офиолитная структуры скоростей идентичны, что указывает на происхождение офиолитных комплексов из океанической коры. Последующие наблюдения подтверждают этот вывод. Породы, образовавшиеся на морском дне, демонстрируют химический состав, сопоставимый с ненарушенными слоями офиолитов, начиная с основных элементов состава, таких как кремний и титан, и заканчивая микроэлементами. Породы морского дна и офиолиты характеризуются низким содержанием минералов, богатых кремнезёмом; присутствующие в них имеют высокое содержание натрия и низкое содержание калия. Температурные градиенты метаморфизма офиолитных подушечных лав и даек аналогичны тем, которые наблюдаются сегодня под океаническими хребтами. Следовательно, офиолиты не могли пройти полный цикл Уилсона и считаются атипичной океанической корой.

Офиолитная локация

Пока не достигнуто единого мнения относительно механизмов внедрения – процесса поднятия океанической коры на континентальные окраины, несмотря на относительно низкую плотность последних. Тем не менее, все процедуры внедрения включают одни и те же этапы: инициацию субдукции, надвиг офиолита на континентальный край или накрывающую плиту в зоне субдукции и выход в атмосферу.

Расположение по нерегулярной континентальной границе

Гипотеза, основанная на исследованиях, проведенных в комплексе залива Островов в Ньюфаундленде, а также в комплексе Восточного Вардара в горах Апусени Румынии, предполагает, что неровный континентальный край, сталкивающийся с комплексом островных дуг, вызывает генерацию офиолитов в бассейне задней дуги и обдукцию вследствие компрессии. Континентальный край, с его выступами и заливами, присоединен к субдуцирующей океанической коре, которая уходит под островной дуговой комплекс. По мере протекания субдукции, плавучий континент и островной дуговой комплекс сближаются, первоначально сталкиваясь с выступами. Однако океаническая кора все еще обнажена между выступами, не будучи еще субдуцированной под островную дугу. Предполагается, что субдуцирующая океаническая кора отделяется от континентального края, облегчая субдукцию. Если скорость отступания зоны субдукции превышает скорость продвижения островного дугового комплекса, произойдет откат зоны субдукции, и, как следствие, произойдет растяжение налегающей плиты, чтобы островной дуговой комплекс мог соответствовать скорости отступления зоны субдукции. Это растяжение, создающее бассейн задней дуги, генерирует океаническую кору – офиолиты. Наконец, когда океаническая литосфера полностью субдуцируется, режим растяжения островного дугового комплекса сменяется компрессионным. Горячая, положительно плавающая океаническая кора, образовавшаяся в результате растяжения, не будет субдуцироваться, а вместо этого обдуцируется на островную дугу в виде офиолита. По мере сохранения компрессии офиолит внедряется на континентальный край. Океаническая кора, прикрепленная к континентальному краю, субдуцируется под островную дугу. Преофиолитическая океаническая кора генерируется в бассейне задней дуги. Столкновение континента и островной дуги инициирует новую зону субдукции в бассейне задней дуги, погружающуюся в противоположном направлении по отношению к первой. Образовавшийся офиолит становится вершиной передней части новой зоны субдукции и поднимается (над аккреционным клином) в результате отслоения и компрессии. Кроме того, порядок кристаллизации полевого шпата и пироксена (клино- и ортопироксена) в габбро обращен, а офиолиты также демонстрируют многофазную магматическую сложность, сопоставимую с зонами субдукции. Действительно, растет количество свидетельств того, что большинство офиолитов образуются в начале субдукции и, следовательно, представляют собой фрагменты литосферы передней дуги. Это привело к введению термина "офиолит надзоны субдукции" (SSZ) в 1980-х годах, чтобы признать, что некоторые офиолиты более тесно связаны с островными дугами, чем с срединно-океаническими хребтами. Следовательно, некоторые классические проявления офиолитов, считавшиеся связанными с разрастанием морского дна (Троодос на Кипре, Сэмаил в Омане), оказались офиолитами типа SSZ, образованными быстрым растяжением коры передней дуги во время начала субдукции. Расположение в передней дуге для большинства офиолитов также решает сложную проблему того, как океаническая литосфера может быть внедрена поверх континентальной коры. Похоже, что континентальные аккреционные осадочные породы, если они переносятся подсыхающей плитой в зону субдукции, могут заклинить ее и привести к прекращению субдукции, что приведет к отскоку аккреционной призмы с литосферой (офиолитом) на вершине. Офиолиты со составом, сопоставимым с вулканическими обстановками типа горячих точек или типичным базальтом срединно-океанических хребтов, встречаются редко, и эти примеры обычно сильно дислоцированы в аккреционных комплексах зон субдукции.

A hypothesis based on research conducted on the Bay of Islands complex in Newfoundland as well as the East Vardar complex in the Apuseni Mountains of Romania suggest that an irregular continental margin colliding with an island arc complex causes ophiolite generation in a back arc basin and obduction due to compression. The continental margin, promontories and reentrants along its length, is attached to the subducting oceanic crust, which dips away from it underneath the island arc complex. As subduction takes place, the buoyant continent and island arc complex converge, initially colliding with the promontories. However, oceanic crust is still at the surface between the promontories, not having been subducted beneath the island arc yet. The subducting oceanic crust is thought to split from the continental margin to aid subduction. In the event that the rate of trench retreat is greater than that of the island arc complex's progression, trench rollback will take place, and by consequence, extension of the overriding plate will occur to allow the island arc complex to match the trench retreat's speed. The extension, a back arc basin, generates oceanic crust: ophiolites. Finally, when the oceanic lithosphere is entirely subducted, the island arc complex's extensional regime becomes compressional. The hot, positively buoyant ocean crust from the extension will not subduct, instead obducting onto the island arc as an ophiolite. As compression persists, the ophiolite is emplaced onto the continental margin. Oceanic crust attached to a continental margin subducts beneath an island arc. Pre ophiolitic ocean crust is generated by a back arc basin. The collision of the continent and island arc initiates a new subduction zone at the back arc basin, dipping in the opposite direction as the first. The created ophiolite becomes the tip of the new subduction's forearc and is uplifted (over the accretionary wedge) by detachment and compression. Additionally, the crystallization order of feldspar and pyroxene (clino and orthopyroxene) in the gabbros is reversed, and ophiolites also appear to have a multi phase magmatic complexity on par with subduction zones. Indeed, there is increasing evidence that most ophiolites are generated when subduction begins and thus represent fragments of fore arc lithosphere. This led to introduction of the term "supra subduction zone" (SSZ) ophiolite in the 1980s to acknowledge that some ophiolites are more closely related to island arcs than ocean ridges. Consequently, some of the classic ophiolite occurrences thought of as being related to seafloor spreading (Troodos in Cyprus, Semail in Oman) were found to be "SSZ" ophiolites, formed by rapid extension of fore arc crust during subduction initiation. A fore arc setting for most ophiolites also solves the otherwise perplexing problem of how oceanic lithosphere can be emplaced on top of continental crust. It appears that continental accretion sediments, if carried by the downgoing plate into a subduction zone, will jam it up and cause subduction to cease, resulting in the rebound of the accretionary prism with fore arc lithosphere (ophiolite) on top of it. Ophiolites with compositions comparable with hotspot type eruptive settings or normal mid oceanic ridge basalt are rare, and those examples are generally strongly dismembered in subduction zone accretionary complexes.

Группы и сборки

Офиолиты широко распространены в орогенных поясах мезозойского возраста, таких как те, что образовались при закрытии океана Тетис. Офиолиты архейского и палеопротерозойского возраста встречаются редко. Большинство офиолитов можно разделить на две группы: тетианские и кордилерские. Тетианские офиолиты характерны для областей восточного Средиземноморья, например, Троодос на Кипре, и Ближнего Востока, таких как Семаил в Омане, которые состоят из относительно полных серий пород, соответствующих классическому офиолитному комплексу, и были внедрены на пассивный континентальный край практически неповрежденными (Тетис – название древнего моря, некогда разделявшего Европу и Африку). Кордилерские офиолиты характерны для горных поясов западной Северной Америки ("Кордильеры" или хребет континента). Эти офиолиты залегают на аккреционных комплексах зон субдукции (субдукционных комплексах) и не связаны с пассивной континентальной границей. К ним относятся офиолиты Берегового хребта Калифорнии, офиолиты Джозефины в горах Кламат (Калифорния, Орегон) и офиолиты южных Анд в Южной Америке. Несмотря на различия в механизмах внедрения, оба типа офиолитов имеют исключительно надсубдукционное (SSZ) происхождение. Основываясь на особенностях их проявления, неопротерозойские офиолиты демонстрируют характеристики как базальтов срединно-океанических хребтов (MORB), так и офиолитов типа SSZ и классифицируются от самых древних до самых молодых следующим образом: (1) нерасчлененные офиолиты MORB (MIO); (2) расчлененные офиолиты (DO); и (3) офиолиты, связанные с островными дугами (AAO) (El Bahariya, 2018). В целом, исследованные офиолиты Центрально-Восточной пустыни (CED) относятся как к офиолитам типа MORB/базальтов заднедуговых бассейнов (BABB), так и к офиолитам типа SSZ. Они пространственно и временно не связаны друг с другом, и поэтому представляется вероятным, что эти два типа не имеют петрогенетической связи. Офиолиты встречаются в различных геологических обстановках, отражая изменение тектонической обстановки офиолитов от MORB к SSZ с течением времени.

Ophiolites are common in orogenic belts of Mesozoic age, like those formed by the closure of the Tethys Ocean. Ophiolites in Archean and Paleoproterozoic domains are rare. Most ophiolites can be divided into one of two groups: Tethyan and Cordilleran. Tethyan ophiolites are characteristic of those that occur in the eastern Mediterranean sea area, e. g. Troodos in Cyprus, and in the Middle East, such as Semail in Oman, which consist of relatively complete rock series corresponding to the classic ophiolite assemblage and which have been emplaced onto a passive continental margin more or less intact (Tethys is the name given to the ancient sea that once separated Europe and Africa). Cordilleran ophiolites are characteristic of those that occur in the mountain belts of western North America (the "Cordillera" or backbone of the continent). These ophiolites sit on subduction zone accretionary complexes (subduction complexes) and have no association with a passive continental margin. They include the Coast Range ophiolite of California, the Josephine ophiolite of the Klamath Mountains (California, Oregon), and ophiolites in the southern Andes of South America. Despite their differences in mode of emplacement, both types of ophiolite are exclusively supra subduction zone (SSZ) in origin. Based on mode of occurrences, the Neoproterozoic ophiolites appear to show characteristics of both mid oceanic ridge basalt (MORB) type and SSZ type ophiolites and are classified from oldest to youngest into: (1) MORB intact ophiolites (MIO); (2) dismembered ophiolites (DO); and (3) arc associated ophiolites (AAO) (El Bahariya, 2018). Collectively, the investigated ophiolites of the Central Eastern Desert (CED) fall into both MORB/back arc basin basalt (BABB) ophiolites and SSZ ophiolites. They are spatially and temporally unrelated, and thus, it seems likely that the two types are not petrogenetically related. Ophiolites occur in different geological settings, and they represent change of the tectonic setting of the ophiolites from MORB to SSZ with time.

Происхождение и развитие понятия

Термин "офиолит" впервые появился в публикациях Александра Бронньяра в 1813 и 1821 годах. В первой из них он использовал термин "офиолит" для описания серпентинитов, обнаруженных в крупномасштабных брекчиях, называемых меланжами. Во второй публикации он расширил определение, включив в него различные магматические породы, такие как габбро, диабаз, ультрамафические и вулканические породы. Важным наблюдением Штайнмана стало то, что офиолиты связаны с осадочными породами, отражающими условия существования бывших глубоководных сред. Он полагал, что альпийские офиолиты представляют собой "подводные излияния, выходившие вдоль разрывных сдвигов в активный борт асимметрично сжимающегося геосинклиналя". Штайнман предположил, что кажущееся отсутствие офиолитов в Перуанских Андах объясняется либо предшествованием Анд мелководному геосинклиналю, либо тем, что Анды представляют собой лишь край геосинклиналя. В рамках новой концепции офиолиты были переинтерпретированы. Плутонические породы, обнаруженные в офиолитах, стали рассматриваться как остатки бывших магматических камер.