РАЗВИТИЕ МАРИАНСКОЙ ОСТРОДУЖНОЙ СИСТЕМЫ

РАЗВИТИЕ МАРИАНСКОЙ ОСТРОДУЖНОЙ СИСТЕМЫ

Марианская дуга, которая возможно представляет собой тип внутриокеанической островной дуги, наиболее всего изучена через морские геофизические исследования, драгирование в 1958-60-ых и DSDP в конце 1970-ых. С запада на восток дуга состоит из следующих особенностей:

(1) западный Филиппинский Бассейн
(2) хребет Кюсю-Палау (Kyushu-Palau Ridge) - (остаточная дуга)
(3) Сикоку (Shikoku) и Parece-Vela бассейны
(4) западный Марианский хребет (остаточная дуга)
(5) Mariana Trough
(6) активная Марианская дуга
(7) Марианская передняя дуга Fore-arc (сделанная из старой дуги)
(8) Марианский желоб (до 11 км глубиной)
(9) субдукцирующаяся тихоокеанская плита (юрский возраст)
(4) западный Марианский хребет (остаточная дуга)

Западный Филиппинский бассейн
Он может быть ''пойман'' и не сормирован в процессе спрединга back-arc. Бассейн предшествует хребту Кюсю-Палау. Магнитные аномалии свидетельствуют об активном спрединге в раннем третичном периоде(62-40 Ма) с СЗ-ЮВ по разлому Центрального Бассейна (Central Basin Fault) как экстенсионального центра. Хребет Oki-Daito на северо-западе Филиппинского моря параллелен им и расценен как остаток старой дуги: однако образцы морского бурения на Oki-Daito - щелочные (alkaline) базальты, и это не базальты островной дуги. Образцы западного Филиппинского бассейна - довольно типичны для MORB.
Филиппинский бассейн медленно субдукцируется на запад под Tайвань, и т.д. Норма субдукции намного медленнее чем субдукция Тихоокеанской плиты под Марианскими островами.

Хребет Кюсю-Палау
Этот хребет более чем 2000 км длиной и 2 км высотой над дном бассейна. Состоит из везикулярных потоков лавы, даек и силлов с подстилающими породами с вулканической брекчией, лежащих под оозами среднего олигоцена. Лавы все принадлежат островной дуге тоейлитового ряда (Tholeiite IAT), типичной для самых примитивных островных дуг. Это бездействующая остаточная дуга, которая была активна примерно 42 и 32 Ма.
Parece-Vela and Shikoku Basins: Magnetic anomaly patterns indicate back-arc spreading between 30 and 17 my in Parece-Vela and between 26 and 15 my in the Shikoku Basin in north. Basaltic sills common in sediments near basement, indicating high rates of sedimentation near near ridge axis. Basalts are vesicular. Similar to MORB.
Бассейны Parece-Vela и Сикоку
Магнитные аномалии показали существование спрединга back-arc между 30 и 17 Ма в Parece-Vela и между 26 и 15 Ма в бассейне Сикоку на севере. Базальтовые силлы обычны в отложениях около основания, что указывает на высокие нормы отложения осадков рядом с осью хребта. Базальты являются везикулярными. Подобны MORB.

Западно-Марианский хребет
Более низкий и моложе чем хребет Кюсю-Палау. Бурение проникло на глубину около 1000 м. Вулканический материал состоит из базальтов, базальтовых андезитов, редких андезитов и фенокристаллов плагиоклаза. Их характер является кальциево-щелочным (calc-alkaline), с сильно повышенным содержанием бария и Sr. Дуга была активна 17-8 Ма, а теперь это остаточная дуга. Дуга выросла при спрединге Parece-Vela и бассейна Сикоку.

Mariana Trough
Это образование 1500 км длиной, 250 км шириной. Грубая топография, высокий тепловой поток. Магнитная линеация плохо развита, но предлагает back arc спрединг со времен 6 Ма - то есть ко времени, когда деятельность по Западно-Марианскому хребту прекратилась. Около Западно-Марианского хребта накопились метабазальты, габбро и анортозиты по данным бурения. Может ли это быть глубинная часть отделенной рифтом островной дуги (rifted-apart arc)? Базальты в Mariana Trough похдобны MORB, но имеют некоторые характеристики дуги. Они везикулярны. Сдинг этого района все еще продолжается. Дальше на север, на хребте Iwo-Jima начинается бассейн back-arc, который только начал формироваться - Bonin Trough.

Марианская активная дуга
Она состоит из многочисленных маленьких островов и морских возвышенностей на восточном краю обширной области передней дуги Fore-arc. Лавы главным образом базальтовые, представлены также базальтовые андезиты и андезиты.

Марианская передняя дуга
Область Fore-arc показывает историю непрерывного погружения. Ее основание эоценового возраста (как и в хребте Кюсю-Палау) и состоит из двух разных типов лав:
(1) Островодужные толейиты (похожие на таковые в Кюсю-Палау). Эти магмы легко отличать от кальциево-щелочных базальтов в более зрелых системах дуг.
(2) Boninites, или высоко-магнезиумные андезиты. Это необычные лавы, объединяющие высокое содержание кремния с высоким содержанием магния, никеля и хрома. Они, как полагают, сформировались при влажном расплавлении довольно невосприимчивой литосферы.
(3) Дациты (Dacites) также встречаются на Guam.

Бурение и драгирование в области глубоководного желоба со стороны передней дуги доставили главным образом вулканические материалы. Никаких отложений океанической плиты – все осадки субдукцировались и сама fore-arc перенесла тектоническую эрозию в результате действия трения идущей вниз плиты.


ТЕКТОНИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ МАРИАНСКОЙ ОСТРОВОДУЖНОЙ СИСТЕМЫ

Комбинируя данные о магнитных аномалиях, результаты бурения, драгирования и геохронологии, может быть получена геологическая история островодужной системы. В период, предшествующий развитию дуги, конфигурация плиты в восточной части Индийского океана и на западе Tихого океана было во власти быстрого движения Индии к северу. Существовали некоторые главные ориентированные на юг и север трансформные разломы примерно 60 Ма, тектоническая конфигурация была следующей:

Индия шла на столкновение с Азией, формируя Гималаи. Австралия только что отделилась от Антарктиды. Критическим пунктом в то время было наличие напряжения плиты, связанное с быстро движущейся индийской плитой. Дополнительно спрединг в северо-восточной части Tихого океана подталкивал плиту под Алеутские острова, что ослабило напряжения плиты примерно 40 Ма и Тихоокеанская плита изменила движение к северу на движение на запад (что видно в петле цепи Гавайи-Императорские горы). Последовательность событий может быть отслежена следующим образом:

(1) Хребет Кюсю-Палау, как считают, отмечает положение одного из этих главных трансформных разломов с более молодой, более теплой и более тонкой океанической литосферой на западе и более старой, более холодной и более плотной литосферой на востоке. Реконструкция показывает, что прежде чем началось движение плиты, вероятно, происходило следующее:


Можно легко предсказать, как восточная сторона была бы легко субдукцирована под новую молодую и теплую литосферу на западе, который недавно сформировался в спрединговом хребте. После изменения в направлении движения плитыическая географическая карта была следующей:

Новая вулканическая дуга формировалась в основном на самом восточном участке трансформации в северо-восточной части (Филиппины и т.д.), на месте перегиба дуги и многочисленные субдукционные куски как весьма толстые (типа плато) обломки океанического дна оказались не способными к субдукции. Таким образом новая зона субдукции развивается к северу от Австралии.

(2) Быстрое наращивание дуги Кюсю-Палау в позднем эоцене - олигоцене через значительные извержения на островах образовует толейитовую и высокомагниевую дугу из boninites. Эта деятельность продолжалась примкрно до 10 Ма. Что же произошло, что случилось, такая быстрая норма производства магмы? Возможно, что самые ранние стадии субдукции выглядели следующим образом:

Примечательно, что нисходящая плита не только имеет движение от "пояса конвейера", но также и сильную вертикальную компоненту и погружается в мантию. А горячая мантия астеносферы врывается, заменяя пустоту. Так в довольно быстро меняющемся пространственном тектоническом окружении влажная и метаморфизированная океаническая кора оказывается рядом с очень горячей мантией астеносферы. С изобилием воды и высокой температуры не удивительно, что производится огромные количества магмы. Эта тектоническая ситуация фактически даже более значительна в пространстве, чем в серединно- океанических хребтах, так что можно ожидать, что все особенности "типа" серединно-океанического хребта опять воспроизведены: шаровые лавы (pillow lavas), дайки (sheeted dykes), габбро, и т.д.

(3) Раскол Дуги Кюсю-Палау пополам около30 Ма сопровождался формированием бассейнов Parece-Vela и Сикоку при back-arc спрединге, который остановился 16 Ма.

(4) Происходит формирование западной Марианской дуги между 17 и 8 Ма за счет извержения щелочных кальциево-алкалийных базальтов и базальтовых андезитов.

(5) Западная Марианская дуги раскалывается 6 Ма и формирует Марианское корыто Mariana Trough при спрединге back-arc дуги и реликт островной дуги – Западно-Марианский хребет.

(6) Формирование новой Марианской дуги произошло 5 Ма. Теперь прорываются лавы со смешанным кальциево-алкалийным составом и образуют дугу тойлейитового состава.

Возможно Марианская дуга продолжит мигрировать в восточном направлении в Tихий океан.

Составы Магм

Магматическая дуга
Магмы, прорвавшиеся в Марианской дуге, показывают их постепенное развитие в составе с течением времени. Здесь целая дуга развилась полностью в пределах океанического режима (здесь нет никакой континентальной коры или близкой к континентальной вовлеченной литосферы).
Самые ранние лавы, найденные на хребте Кюсю-Палау, и Марианской передней дуге Fore-arc образуют дугу толейитов (IAT) и boninites. Они характерны для очень примитивных океанских островныхт дуг и обычно не прорываются на континентах или в более поздних стадиях развития дуги. IAT имеют подобие с базальтами серединно-океанических хребтов (MORB) в составе редко-земельных элементов (REE), но обычно содержат больше железа и меньше хрома и никеля, очень низкое содержание Nb и Ta, ние повышенное содержание K и высокое отношениеи K/Rb. Boninites - лавы с высоким содержанием магния, но имеют высокое содержание кварца, более типичное для андезитов; они имеют высокое содержание хрома и никеля, но имеют пониденное содержание титана. Очень высоко содержание калия, рубидия, бария и силура Sr по сравнению с породами с высоким содержаием магния. Бониниты, как полагают, происходят от обводненного расплавления довольно невосприимчивого богатого магнием клина мантии под развивающейся дугой с клином, загрязняемым элементами типа калия, рубидия, бария, силура, транспортированными от зоны субдукции в течение обезвоживания гидроидной океанической коры.

Толейиты IAT могли бы быть расплавлены в более плодородной магме астеносферы, поднимающиеся магмы могли бы прийти обширную кристаллическеренциацию на пути к поверхности. Или они могли бы представиться как порция расплавленной субдукцируемой океанической базальтовой коры в самой начальной фазе субдукции, когда океаническая литосфера опустилась в горячую мантию.

После открытия back-arc спрединга в бассейне Parece Vela бассейн, активность вулканической дуги была перемещена 17 область современного Западно – Марианского хребета и продолжала создавать эту дугу примерно до 9 Ма. Лавы прорывались, однако были главным образом кальциево-алькалийного базальтового щелочного (CAB) и базальтово-андезитового состава с более высоким содержанием алюминия, намного более высоким содержанием силура Sr, бария и легких редких земель. Эти лавы похожи на кальциево-алькалийные лавы, но прорвались на континентальной окраине (хотя здесь более преемлем андезит, а не базальтовый андезит).

Магмы (CAB), возможно, были получены из клина мантии. Возможно клин был обогащен барием, Sr, легкими редкоземельными элементами и т.д. в результате длительной жидкой транспортировки в обезвоженном клине субдукцирующейся плиты.

Современные лавы, прорвавшиеся в активной Марианской дуге, главным образом андезитового и базальтового андезитового состава и имеют характеристики между IAT и САВ. Есть доказательства, что малый компонент (примерно 0.5 %) субдукцированного глубоководного осадка вовлечен в эти исходные области.

Возможно самый интересный аспект Марианской дуги то, что три разных типа магмы, кажется, произведены в одной и той же зоны субдукции. Вся эта целая система островной дуги развивается полностью в пределах океанической окружающей среды.

Базальты Back-arc
Во многих отношениях базальты краевых бассейнов (MBB) похожи на базальты нормальных срединно-океанических хребтов (N-тип MORB). Однако в течение ранних стадий спрединга back-arc, когда поднимающийся из мантии диапир раскалывает вулканическую дугу, базальтовые магмы получаются из поддужной мантии. Эти базальты имеют тенденцию иметь подобное дуге геохимическое содержание. Таким образом в этом случае больше легкий редкоземельных элементов, они имеют более высокое содержание Ba, Sr, K и Rb, но низкое содержание Nb и Ta. Кроме того они имеют больше воды и являются везикулярными (vesicular) - последствие присутствия жидкостей, дистиллированных от субдукцирующейся плиты. Эти особенности - полезные дискриминанты в попытке охарактеризовать офиолиты как породы, получаемые или в ходе обдукции океанического этажа или из коры маргинальных бассейнов. См. Saunders и Tarney (1984; 1991).

Секущий Марианскую дугу профиль показывает поколения магмы, вовлеченные в ее формирование. Жидкости, выпущенные от субдукцирующейся плиты как "влажный" амфиболит перекристаллизовываются где-то на глубине 100 км в обезвоженный плотный эклогит. Жидкости мигрируют вверх в мантию, втискиваются и вызывают плавление поддужной литосферы. (Чем больше воды, тем больше потенциал плавления и выше производство магмы). Однако эта мантия варьирует в ее свойствах из-за предыдущих метасоматических событий, затрагивающих более глубокую литосферу.

Более активнй мантийный диапиризм происходит в области back-arc и это кончается намного большим количеством расплавленного материала и активного спрединга. Гидроидный флюид все еще вовлекается в эти магмы, но в меньшей степени чем в породах островной дуги.

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТИХООКЕАНСКОЙ ПЛИТЫ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ МАРИАНСКОЙ ДУГИ
Если считать, что движения плит в основном управляются ее ''''напряжением'''', то все, что уменьшает силу напряжения, поощрит изменения в направлении и скорости движения плиты. Известно, что в юго-восточном Tихом океане хребет Aluk (центр спрединга) стимулировал прогрессивную субдукцию по Антарктическому полуострову; в то же самое время хребет Kula в северо-западном Tихом океане создал зону субдукции под Алеутские острова - Камчатку. Результатом этого стало снятие напряжения в направлении с севера на юг (slab-pull), потому что недавно сформированная здесь горячая литосфера не очень плотна и не очень тверда для субдукции. В комбинации с другой плитой, имеющей широкое влияние на геологические события, это оказалось достаточным переориентировать движение Тихоокеанской плиты с северно-южного на западно-восточное (см. Richards и др., 1996)

Продолжение
Модель зоны субдукции
Bулканы, Марианские острова