Специфика состава магм над зонами субдукции

В формировании магм, питающих субдукционный вулканизм, участвует вещество, которое отделяется от погружающейся океанской литосферы, от пород находящегося над ней астеносферного клина, а также от мантийных и коровых пород литосферы висячего крыла, которая служит фундаментом вулканического пояса. Важной специфической чертой магмообразования при субдукции считают перемещение вещества океанической коры, в том числе ее осадочного чехла, глубоко в мантию, что придает соответствующие геохимические особенности мантийным магмам.Большое количество привнесенной воды коренным образом меняет условия частичного плавления перидотитов над зоной субдукции. Из «обводненной» мантии возможно прямое отделение не только базальтового, но и андезитового расплавов.

Несмотря на разнообразие субдукционных вулканитов, где представлен широкий спектр пород толеитовой, известково-щелочной и шошонитовой серий, их геохимическая специфика во многих случаях позволяет отличить эти породы от сходных вулканитов иного происхождения.

Выразительны и изотопные характеристики вулканитов зон субдукции. Нормальная для других геодинамических обстановок комплементарность «мер изотопного состава» Nd и Sr здесь нарушается за счет привноса стронция морской воды в океанической коре. Вулканитам зон субдукции свойственны значения Nd около +8.

В тех зонах субдукции, где динамика взаимодействия литосферных плит благоприятна для поглощения свежих, не литифицированных океанских осадков, они могут быть затянуты до глубин магмообразования. Это показали исследования изотопа Bе. Ве образуется в атмосфере при воздействии космических лучей на кислород и азот, оттуда он попадает в океанские осадки, а с ними — в зону субдукции. В лавах Центрально-Американской, Алеутской и ряда других зон субдукции содержания этого изотопа много выше фоновых. Сравнительно короткий период полураспада 10Ве (около 1,5 Му) указывает на его поступление в глубинную область магмогенеза именно со свежими океанскими осадками. Вместе с тем длительность существования изотопа достаточна для перемещения на нужную глубину, что требует нескольких миллионов лет.

Геохимическая зональность вулканитов.

Сложный многоступенчатый процесс формирования магматических расплавов над зонами субдукции берет начало в погружающейся литосфере и зависит от глубины нахождения этой литосферы под вулканом. Наклон зоны субдукции предопределяет асимметрию формирующегося над ней вулканического пояса и его поперечную геохимическую зональность, наличие которой замечено в островных дугах и Андах. В 60-х годах А. Сугимура и X. Куно показали, что по мере удаления от глубоководного желоба по падению зоны Беньофа, нарастают содержания К, Rb, Sr, Ва и других литофильных элементов с большими ионными радиусами. Соответственно нарастают отношения калия к натрию, легких редкоземельных элементов к тяжелым. В том же направлении убывает отношение железа к магнию, нормативная насыщенность пород кремнезёмом. В полном виде эта латеральная зональность выражается фациальным замещением одних вулканических серий другими вкрест простирания пояса. Согласно схеме X. Куно, уточненной П.Якешем, А.Уайтом и Дж.Гиллом, в направлении от желоба толеитовая серия (толеитовый базальт — железистый дацит) сменяется известково-щелочной (высокоглиноземистый базальт — риолит), а затем, в тылу вулканического пояса, — шошонитовой (шошонитовый базальт — трахит).

Зависимость между содержанием в лавах калия и глубиной залегания под вулканом зоны Беньофа исследовали У. Дикинсон и Т Хазертон. Данные по большинству современных зон субдукции они суммировали на диаграммах, построенных для определенных содержаний кремнекислоты, а именно для 55; 57,5; 60%, что отражает относительно широкое распространение в субдукционных поясах андезитовых пород.В последующие десятилетия эти диаграммы нашли широкое применение при реконструкции зон Беньофа в древних субдукционных поясах по составу вулканитов.

Латеральная геохимическая зональность над зонами субдукции отчетливо проявляется и в размещении связанного с магматизмом оруденения. В частности, на центральном отрезке Андской активной окраины, согласно Р. Силлитое (1976), преимущественно медное оруденение сменяется по падению зоны Беньофа полиметаллическим (главным образом свинцово-цинковым, со значительным количеством серебра), далее следуют месторождения олова и вольфрама. Замечена и более дробная связь оруденения с зональностью субдукционных вулканоплутонических поясов и латеральной миграцией.

Состав вулканитов и строение надвинутой плиты (висячего крыла) зоны субдукции.

Состав вулканитов над современными зонами субдукции зависит и от строения и мощности земной коры в висячем крыле, где в фундаменте вулканического пояса завершается формирование магматических расплавов. Наибольшие различия наблюдаются между энсиалическими (японского типа) островными дугами и континентальными окраинами, с одной стороны, и энсиматическими (марианского типа) островными дугами — с другой. В первом случае происходит не только контаминация глубинных, преимущственнo базальтовых расплавов веществом сиалической коры, поступление последней с образованием дополнительных внутрикоровых очагов, питающих риолитовые, в том числе игнимбритовые, извержения. Контаминация наглядно проявляется увеличением содержания «легких» литофильных элементов (К, Rb, Sr) в прямой зависимости от мощности континентальной коры, ростом отношения 87Sr/86Sr (до 705—707×10-3), 207РЬ/204Рb; 18О/16О и снижением ЕNd до -5 и даже -10.

Влияние корового субстрата — одна из причин петрологического различия вулканических поясов, формирующихся над зонами субдукции разного типа. Как показал А. Миясиро, в энсиматических островных дугах представлены породы толеитовой и известково-щелочной серий, с преобладанием толеитовой (до 90% в Марианской дуге и почти 100% в дуге Тонга). В энсиалических островных дугах к ним прибавляется шошонитовая серия, преобладает известково-щелочная. При этом в соответствии с латеральной геохимической зональностью островной дуги вулканические серии образуют фациальный ряд. Наконец, на активных континентальных окраинах из латерального ряда выпадает толеитовая серия, среди оставшихся и здесь господствует известково-щелочная. Поскольку в толеитовых сериях преобладают их базальтовые члены, а в известково-щелочных — андезитовые, в Тихоокеанском кольце представлены как преимущественно базальтовые, так и преимущественно андезитовые вулканические пояса.

Состав вулканитов и скорость субдукции.

По сравнению с зонами спрединга в зонах субдукции зависимость состава вулканитов от скорости относительного движения плит завуалирована другими более значимыми факторами. Исследуя эту зависимость, Р. Сутисаки пришел к выводу, что с увеличением скорости конвергенции становится все больше базальтов и меньше андезитов, в тех и других снижается содержание щелочей, а также возрастает отношение железа к магнию (по А. Миясиро). Скорости конвергенции определяются параметрами движения крупных литосферных плит, не зависящими от возраста того или иного отрезка субдукционной границы.

Различия корового субстрата над зонами субдукции оказывают на состав вулканитов больше воздействия, чем вариации скоростей. Свидетельством служит сходство продуктов вулканизма энсиалических островных дуг и окраинно-материковых поясов даже при разнообразии скоростей конвергенции. При палеореконструкциях это затрудняет определение скорости субдукции по петрохимическим данным. Как показал С. Кейт (1982), полуколичественная оценка может быть получена исходя из корреляционной зависимости между этой скоростью и углом наклона зоны Беньофа, который восстанавливается по составу вулканитов.

Состав вулканитов и эволюция зоны субдукции.

Общая тенденция состоит в нарастании с возрастом щелочности вулканитов, уменьшении базальтов, увеличении количества андезитовых и дацит-риолитовых пород. Это объясняют тем, что на начальной фазе субдукции магмогенез вероятен уже на глубине 50—75 км, а затем, по мере погружения литосферы, геоизотермы смещаются вниз, магмогенерирующий отрезок зоны субдукции мигрирует по ее падению. Соответственно увеличиваются глубинность и щелочность исходных выплавок. Одновременно наращивается мощность коры, что повышает роль внутрикоровых процессов в формировании магм, долю вулканитов среднего и кислого состава.

В зависимости от того, идет ли субдукция под океаническую или под континентальную кору, а также от мощности последней формируются разные эволюционные ряды вулканитов. В энсиматических островных дугах ряд начинают толеитовые базальты, а также бониниты, для которых характерна высокая материальность при низкой титанистости. На примере дуги Фиджи Дж. Гилл показал, что от этих пород эволюция ведет к известково-щелочному и субщелочному шошонитовому магматизму. В Марианской дуге представлены две первые стадии: толеитовая и известково-щелочная. В дугах Тонга — Кермадек и Скотия подобный ряд находится все еще на стадии толеитового вулканизма, хотя уже появилось небольшое количество известково-щелочных пород. В вулканических поясах на континентальной коре, как это отмечают Т.И. Фролова и А.А. Цветков, ранние, толеитовые члены эволюционного ряда редуцированы или полностью отсутствуют, господствуют андезиты и более кислые породы известковощелочной серии с отчетливыми геохимическими признаками участия сиалической коры в их формировании. Более поздние члены ряда имеют субщелочной, а затем и щелочной состав.

Латеральная миграция вулканизма.

Активный вулканизм над современными зонами субдукции лишь продолжает длительное развитие того или иного вулканоплутонического пояса, образовавшегося в мезозое—кайнозое вслед за заложением самой зоны субдукции. Относительное размещение разновозрастных вулканитов в пределах такого пояса указывает на смещение магматической оси от глубоководного желоба или в обратном направлении: латеральная миграция — характерная черта развития вулканизма над зонами субдукции.

П. Коней и С Рейнольдс (1977) интерпретировали миграцию как свидетельство изменения угла наклона зоны Беньофа. Приняв некоторую постоянную глубину магмогенерирующего интервала зоны, они следовали тригонометрической зависимости между углом наклона и расстоянием вулкан — желоб.



С. Кейт (1978) предложил учитывать и петрохимические признаки смещения магмогенерирующего отрезка вниз или вверх по наклонной зоне субдукции, поскольку известна зависимость состава вулканитов от глубины до этой зоны. Он исследовал условия латеральной миграции вулканизма на южном отрезке Северо-Американской активной окраины, где с середины мела до палеоцена смещение шло от желобa со скоростью 3 см/год, а в олигоцене — раннем миоцене в обратном направлении со скоростью 4 см/год. Оказалось, что в начале (120—80 Ма) миграция протекала без значимого изменения угла наклона зоны субдукции и, судя по изменению состава лав, обусловлена нарастанием инициальных глубин магмогенеза. В последующее время миграция определялась суммированием этого процесса с изменением наклона субдуцирующей плиты, который сначала становился все менее пологим, а затем резко нарастал.

Увеличение глубин магмогенеза характерно для начальных фаз субдукции, поскольку продвижение в мантию холодной литосферы смещает геоизотермы вниз. Соответствующая эволюция состава лав - от толеитовых базальтов и бонинитов к известково-щелочным, обычная для низов разреза островных дуг,сопровождается латеральной миграцией вулканической оси от желоба.

М.Г. Ломизе (1980) включил в рассмотрение аккрецию и эрозию: аккреция островодужной или континентальной окраины сопровождается отодвиганием вулканических построек от желоба и от питавшей их глубинной зоны магмогенеза, над которой образуются новые центры извержения. Подобным образом при тектонической эрозии висячего крыла зоны субдукции отмирание вулканических построек и их отрыв от глубинных корней обусловлены смещением в сторону желоба. В обоих случаях глубинный источник магмы и расположенный над ним активный вулканический пояс остаются на месте (относительно желоба), а движется литосфера висячего крыла, смещая в сторону отмирающие вулканические постройки — от желоба при аккреции к желобу при эрозии.Относительная роль этих факторов мала.

На центральном отрезке Андской активной окраины происходила устойчивая миграция вулканизма от желоба, которую можно проследить с начала юры до настоящего времени. Особенно резкая миграция произошла в поздней юре и позднем миоцене, общая величина смещения составила 150—200 км, что соответствует средней скорости около 1 мм/год. Учитывая неравномерность процесса, реальные скорости могли достигать и больших значений. По изменению содержаний стронция в андезитах (от юрских до современных) была дана оценка все возраставших глубин до зоны Беньофа. Оказалось, что магмогенерирующий участок скользил по ее падению (сверху вниз и с запада на восток) в хорошем соответствии с наблюдаемой латеральной миграцией и в основном определял этот процесс. Подчиненным по своему значению фактором была коррозия края континента, выразившаяся срезанием крайних элементов латерального структурного ряда, что могло обусловить одну пятую всего смещения вулканического пояса.

Невелика относительная роль малых аккреционных призм на перуанском отрезке Андской активной окраины. Иной случай представлен эквадорско-колумбийским отрезком той же окраины, где мощная аккреция конца палеогена имела определяющее значение и привела к относительному смещению вулканического пояса далеко на запад.

Oстровные дуги и вулканизм