В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы

В начале мезозоя суперконтинент Пангея начал распадаться на части. Вдоль зон разрыва изливалась глубинная магма. Эти излияния были настолько мощными, что сформировали огромные магматические провинции площадью в миллионы квадратных километров. Считается, что зоны рифтогенеза, вдоль которых раскалывалась континентальная кора, закладывались над восходящими потоками горячего мантийного вещества, и изливающаяся в этих зонах базальтовая магма также имеет глубинный мантийный источник. Но недавняя статья с детальным анализом пород одной из таких провинций — провинции Карру, возникшей в области разделения Африки и Антарктиды, - показала, что источников может быть как минимум два.

Водопад Виктория в Южной Африке — выход на поверхность платобазальтов провинции Карру

Континентальные блоки земной коры находятся в постоянном движении. Сейчас, например, они «расплылись» по поверхности планеты, но раньше неоднократно собирались в огромные суперконтиненты. Это, по современным представлениям, происходило с периодичностью в 300–500 млн лет. Последний суперконтинент — Пангея — образовался 300 млн лет тому назад, в позднем палеозое, а 175 млн назад, в средней юре, начался его распад.

Периоды раскола суперконтинентов являются рубежными событиями в геологической истории. К ним приурочены гигантские по объемам излияния изверженных пород, которые приводили к существенным изменениям климата и состава атмосферы Земли и, вероятно, в результате, — к массовым вымираниям. Поэтому очень важно понять, какие глубинные причины приводили к расколу континентов с образованием крупных магматических провинций в местах их разделения.

Основных гипотез на сегодняшний день две. Первая - гипотеза мантийных плюмов. Это горячие потоки первичного мантийного вещества, поднимающихся от границы ядра и мантии к поверхности. Плюмы представляют собой узкие каналы в мантии или всплывающие гигантские «перевернутые капли» — мантийные диапиры. Всплывая к нижней границе литосферы, плюмы приподнимают континентальную плиту в виде свода. Из вещества плюма под образовавшимся сводом формируется огромный очаг магмы. Далее суперконтинент разрушается по сформировавшимся в районе свода трещинам, вдоль которых начинаются массовые излияния изверженных пород из очага.

Вторая гипотеза связывает образование магматических провинций с так называемым верхнемантийным нагревом. Согласно ей, образование магматических очагов под древними суперконтинентами вызвано постепенным повышением температуры верхней мантии под ними: непроницаемая для мантийного теплового потока толстая континентальная кора действует в данном случае как крышка пароварки, не дающая теплу (самому по себе и вместе с раскаленными газами) выходить наружу.

И в первом, и во втором случае фазе активного излияния предшествует этап формирования под областью раскола магматического очага. Но если в первом случае этот очаг формируется за счет расплавленных пород первичной, неистощенной (не претерпевшей дифференциацию) мантии, поступившей с самых глубинных горизонтов, расположенных на границе с ядром, то во втором случае источником магмы является так называемая истощенная (или деплетированная) верхняя мантия, к которой, к тому же, может примешиваться материал земной коры.

Геохимик Арто Луттинен (Arto V. Luttinen) из Финского музея естественной истории Хельсинского университета в течение нескольких лет изучал изверженные породы крупной магматической провинции Карру (Karoo magma province), сформировавшейся в средней юре в месте раскола суперконтинента Пангея на Африку и Антарктиду. В итоге, в настоящее время породы этой провинции, представленные сходными по составу одновозрастными платобазальтами и пикритами, выходят на поверхность на юге Африки и в Восточной части Антарктиды.

Выход на поверхность платобазальтов провинции Карру в Антарктиде

Арто Луттинен решил разобраться в том, какой из двух механизмов образования крупного магматического очага («плюмовый» или «верхнемантийный нагрев») действовал в зоне Карру в средней юре. Автор обобщил анализы более 800 образцов платобазальтов и пикритов провинции Карру (как собственных, так и взятых из опубликованных ранее работ), изучив в их составе изотопные и элементные отношения Nb, Zr, Ti, Y и других геохимических маркеров, и выяснил, что источником магматических пород северной субпровинции Карру была неистощенная по Nb мантия глубинного плюма, а южной субпровинции — истощенная по Nb верхняя мантия. Также отчетливо на две группы делятся магматические породы провинции и по обогащенности титаном (породы Северной субпровинции бедны оксидом титана TiO₂, а породы южной субпровинции богаты им), а также по соотношениям элементов Nb/Y и Zr/Y. На рисунке видно, что большинство образцов платобазальтов из северной субпровинции попадают в коридор значений, характерных для мантийного «плюмового» магматизма, а образцы из южной субпровинции — в поле значений, характерных для истощенной (деплетированной) мантии.

Соотношение Nb, Zr и Y в платобазальтах северной (красные точки) и южной (синие точки) субпровинций Карру

Все геохимические маркеры указывают на то, что магматические породы провинции Карру имеют два разных источника: у пород северной субпровинции это «плюмовый» магматизм, а породы южной субпровинции произошли из верхнемантийного источника с определенной долей корового материала. Причины такой ситуации становятся понятны после анализа результатов палеотектонических реконструкций.

Палеотектоническая реконструкция региона образования магматической провинции Карру (Karoo LIP — large igneous province) в средней юре. Показано распределение континентальных платобазальтов (CFB — сontinental flood basalt) провинции Карру, источником которых была Nb-неистощенная (красные пятна) или Nb-истощенная (синее пятно) мантия. Темно-зеленым показаны платобазальты соседней магматической провинции Феррар (Ferrar LIP), источником которых была Nb-истощенная мантия. Красным пунктиром обозначен контур так называемой Африканской низкоскоростной мантийной провинции (Africa LLSVP). Черным пунктиром со стрелками показана плоскость и направление субдукции, а светло-зеленым цветом — область, где в формировании магматических очагов участвовал коровый материал субдуцирующей плиты

Область северной субпровинции Карру попадает в контур «горячего поля» так называемой Африканской низкоскоростной мантийной провинции, где велика роль мантийных плюмов, а источником расплавов служит первичная неистощенная мантия. Южная субпровинция, так же как и соседняя магматическая провинция Феррар, расположена над зоной субдукции. Формирующиеся в этой зоне магматические очаги включали материал как верхней деплетированной мантии, так и переплавленной коры погружающейся плиты.

Подтверждением формирования базальтов в той или иной геотектонической обстановке служит их геохимический тип, коих выделяют три. Для магматических областей, сформировавшихся в результате воздействия мантийных плюмов, характерны базальты типа OIB (ocean island basalt — базальты океанических островов). Это типичные изверженные породы «горячих точек», источником которых была неистощенная мантия. Базальты типа MORB (mid-ocean ridge basalt — базальты срединно-океанических хребтов) образовались из деплетированной верхней мантии. А источником базальтов типа IAB (island arc basalt — островодужные базальты) была деплетированная мантия с определенной примесью континентального корового материала. Платобазальты северной субпровинции Карру относятся к типу OIB, а южной субпровинции — к типам MORB и IAB.

Эта работа показывает, что даже в пределах одной магматической провинции близкие по составу и одновозрастные магматические породы могут иметь различный источник в зависимости от геотектонической позиции очага.