Базальтовый поток ( или базальтовый плато [1] ) является результатом гигантского вулканического извержения или серии извержений , которые покрывают большие участки земли или дно океана базальтовой лавой . Многие базальтовые потоки были приписаны началу горячей точки, достигающей поверхности Земли через мантийный плюм . [2] Базальтовые потоки, такие как траппы Декана в Индии, часто называют траппами , от шведского слова trappa (что означает «лестница»), из-за характерной ступенчатой геоморфологии многих связанных с ними ландшафтов.
Майкл Р. Рампино и Ричард Стозерс (1988) привели одиннадцать отдельных эпизодов излияния базальтов, произошедших за последние 250 миллионов лет, в результате которых образовались крупные магматические провинции , лавовые плато и горные хребты . [3] Однако были выявлены и другие примеры, такие как крупное плато Онтонг-Джава [4] и группа Чилкотин , хотя последняя может быть связана с базальтовой группой реки Колумбия .
Крупные магматические провинции были связаны с пятью массовыми вымираниями [5] и могут быть связаны с ударами болидов [6] .
Базальтовые потоки являются наиболее объемными из всех излившихся магматических пород , [8] образуя огромные залежи базальтовых пород [9] [10], обнаруженные на протяжении всей геологической летописи. [9] [11] Они являются весьма отличительной формой внутриплитного вулканизма , [12] отличающейся от всех других форм вулканизма огромными объемами лавы, извергаемой за геологически короткие промежутки времени. Одна провинция базальтовых потоков может содержать сотни тысяч кубических километров базальта, извергаемого менее чем за миллион лет, при этом каждое из отдельных событий извергает сотни кубических километров базальта. [11] Эта очень текучая базальтовая лава может распространяться в поперечном направлении на сотни километров от своих источников, [13] покрывая площади в десятки тысяч квадратных километров. [14] Последовательные извержения образуют густые скопления почти горизонтальных потоков, которые извергаются в быстрой последовательности на обширных территориях, заливая поверхность Земли лавой в региональном масштабе. [9] [15]
Эти обширные скопления базальтов из потопов образуют крупные магматические провинции . Они характеризуются платообразными формами рельефа, поэтому базальты из потопов также описываются как базальты из потопов . Каньоны, прорезанные эрозией в базальтах из потопов, демонстрируют ступенчатые склоны, при этом нижние части потоков образуют скалы, а верхние части потоков или перемежающиеся слои осадков образуют склоны. Они известны на голландском языке как траппы или на шведском языке как траппы , что вошло в английский язык как трапповая порода , термин, в частности, используемый в карьерной промышленности. [15] [16]
Большая толщина базальтовых скоплений, часто превышающая 1000 метров (3000 футов), [16] обычно отражает очень большое количество тонких потоков, толщина которых варьируется от метров до десятков метров, или реже до 100 метров (330 футов). Иногда встречаются очень толстые отдельные потоки. Самым толстым базальтовым потоком в мире может быть поток Гринстоун полуострова Кивино в Мичигане , США, толщина которого составляет 600 метров (2000 футов). Этот поток мог быть частью лавового озера размером с озеро Верхнее . [13]
Глубокая эрозия базальтовых потоков обнажает огромное количество параллельных даек, которые питали извержения. [17] Некоторые отдельные дайки на плато реки Колумбия имеют длину более 100 километров (60 миль). [16] В некоторых случаях эрозия обнажает радиальные наборы даек диаметром в несколько тысяч километров. [11] Силлы также могут присутствовать под базальтовыми потоками, например, порог Палисейдс в Нью-Джерси , США. Пластовые интрузии (дайки и силлы) под базальтовыми потоками обычно состоят из диабаза , который близко соответствует составу вышележащих базальтовых потоков. В некоторых случаях химическая сигнатура позволяет связывать отдельные дайки с отдельными потоками. [18]
Базальтовый поток обычно демонстрирует столбчатую трещиноватость , образовавшуюся, когда порода охлаждалась и сжималась после затвердевания из лавы. Порода раскалывается на колонны, как правило, с пятью-шестью сторонами, параллельными направлению теплового потока из породы. Это, как правило, перпендикулярно верхней и нижней поверхностям, но дождевая вода, просачивающаяся в породу неравномерно, может образовывать «холодные пальцы» искаженных колонн. Поскольку тепловой поток из основания потока медленнее, чем из его верхней поверхности, колонны более регулярны и больше в нижней трети потока. Большее гидростатическое давление, из-за веса вышележащей породы, также способствует увеличению нижних колонн. По аналогии с архитектурой греческих храмов, более регулярные нижние колонны описываются как колоннада , а более нерегулярные верхние трещины как антаблемент отдельного потока. Колонны, как правило, больше в более толстых потоках, причем колонны очень толстого потока Гринстоуна, упомянутого ранее, имеют толщину около 10 метров (30 футов). [19]
Другой распространенной мелкомасштабной особенностью базальтовых потоков являются пузырьки-стволы . Лава базальтовых потоков охлаждается довольно медленно, так что растворенные в лаве газы успевают выйти из раствора в виде пузырьков (везикул), которые всплывают на поверхность потока. Большая часть остальной части потока массивна и не содержит пузырьков. Однако более быстро охлаждающаяся лава вблизи основания потока образует тонкую охлажденную кромку стекловидной породы, а более быстро кристаллизующаяся порода чуть выше стекловидной кромки содержит пузырьки, захваченные при быстрой кристаллизации породы. Они имеют характерный вид, похожий на глиняный мундштук табачной трубки , особенно потому, что везикула обычно впоследствии заполняется кальцитом или другими светлыми минералами, которые контрастируют с окружающим темным базальтом. [20]
В еще меньших масштабах текстура базальтов извержений афанитовая , состоящая из крошечных взаимосвязанных кристаллов. Эти взаимосвязанные кристаллы придают трапповой породе ее огромную прочность и долговечность. [19] Кристаллы плагиоклаза встроены в кристаллы пироксена или обернуты вокруг них и ориентированы случайным образом. Это указывает на быстрое размещение, так что лава больше не течет быстро, когда она начинает кристаллизоваться. [13] Базальты извержений почти лишены крупных вкрапленников , более крупных кристаллов, присутствующих в лаве до ее извержения на поверхность, которые часто присутствуют в других извергающихся магматических породах. Вкрапленники более распространены в дайках , которые подавали лаву на поверхность. [21]
Базальты из потоков чаще всего представляют собой кварцевые толеиты . Оливиновый толеит (характерная порода срединно-океанических хребтов [22] ) встречается реже, и есть редкие случаи щелочных базальтов . Независимо от состава, потоки очень однородны и редко содержат ксенолиты , фрагменты окружающей породы ( вмещающей породы ), которые были вовлечены в лаву. Поскольку лавы содержат мало растворенных газов, пирокластические породы встречаются крайне редко. За исключением случаев, когда потоки входили в озера и становились подушечной лавой , потоки массивные (не имеющие особенностей). Иногда базальты из потоков связаны с очень небольшими объемами дацита или риолита (гораздо более богатой кремнеземом вулканической породы), которые образуются на поздних этапах развития крупной магматической провинции и знаменуют собой переход к более централизованному вулканизму. [23]
Базальты потопов демонстрируют значительную степень химической однородности в течение геологического времени, [11] в основном являясь богатыми железом толеитовыми базальтами. Их химия основных элементов похожа на базальты срединно-океанических хребтов (MORB), в то время как их химия следовых элементов, особенно редкоземельных элементов , напоминает химию базальтов океанических островов . [24] Они обычно имеют содержание кремния около 52%. Магниевое число ( мольный процент магния от общего содержания железа и магния) составляет около 55, [21] по сравнению с 60 для типичного MORB. [25] Редкоземельные элементы показывают закономерности распространенности, предполагающие, что исходная (примитивная) магма образовалась из породы мантии Земли , которая была почти неистощенной ; то есть это была мантийная порода, богатая гранатом , и из которой ранее было извлечено мало магмы. Химия плагиоклаза и оливина в базальтах извержений предполагает, что магма была лишь слегка загрязнена расплавленной породой земной коры , но некоторые высокотемпературные минералы уже кристаллизовались из породы до того, как она достигла поверхности. [26] Другими словами, базальт извержений умеренно эволюционировал . [24] Однако, по-видимому, из расплава кристаллизовалось лишь небольшое количество плагиоклаза. [26]
Хотя считается, что базальты-потоки образуют химически однородную группу, иногда они демонстрируют значительное химическое разнообразие даже в пределах одной провинции. Например, базальты-потоки бассейна Парана можно разделить на группу с низким содержанием фосфора и титана (LPT) и группу с высоким содержанием фосфора и титана (HPT). Различие было приписано неоднородности в верхней мантии, [27] но соотношения изотопов стронция предполагают, что различие может быть вызвано тем, что магма LPT была загрязнена большим количеством расплавленной коры. [28]
Теории формирования базальтовых потоков должны объяснить, как такие огромные объемы магмы могли быть сгенерированы и извергнуты в виде лавы за столь короткие промежутки времени. Они также должны объяснить схожие составы и тектонические условия базальтовых потоков, извергнутых в течение геологического времени, и способность лавы базальтовых потоков преодолевать такие большие расстояния от эруптивных трещин перед затвердеванием.
Для образования такого количества магмы за столь короткое время требуется колоссальное количество тепла. [11] Широко распространено мнение, что это было вызвано мантийным плюмом, падающим на основание литосферы Земли , ее жесткую внешнюю оболочку. [29] [30] [15] Плюм состоит из необычно горячей мантийной породы астеносферы , пластичного слоя, расположенного прямо под литосферой, который ползет вверх из глубины Земли. [31] Горячая астеносфера разрывает литосферу над плюмом, позволяя магме, образовавшейся в результате декомпрессионного плавления головы плюма, найти пути к поверхности. [32] [17]
Рой параллельных даек, обнаженных глубокой эрозией базальтовых потопов, показывает, что произошло значительное расширение земной коры . Рой даек западной Шотландии и Исландии показывает расширение до 5%. Многие базальтовые потопы связаны с рифтовыми долинами, расположены на пассивных континентальных окраинах плит или простираются в авлакогены (неудавшиеся рукава тройных стыков , где начинается континентальный рифтинг). Базальтовые потопы на континентах часто совпадают с горячими точками вулканизма в океанических бассейнах. [33] Траппы Парана и Этендека , расположенные в Южной Америке и Африке по разные стороны Атлантического океана, образовались около 125 миллионов лет назад, когда открылась Южная Атлантика, в то время как второй набор более мелких базальтовых потопов образовался вблизи границы триаса и юры на востоке Северной Америки, когда открылась Северная Атлантика. [15] [16] Однако североатлантические базальтовые потоки не связаны ни с какими следами горячих точек, а, по-видимому, были равномерно распределены вдоль всей дивергентной границы. [23]
Базальтовые потоки часто переслаиваются с осадками, обычно красными слоями . Отложение осадков начинается до первых извержений базальтовых потоков, поэтому оседание и истончение земной коры являются предшественниками активности базальтовых потоков. [11] Поверхность продолжает оседать по мере извержения базальтов, поэтому более старые слои часто находятся ниже уровня моря. [17] Базальтовые пласты на глубине ( падающие отражатели ) были обнаружены с помощью сейсмологии отраженных волн вдоль пассивных континентальных окраин. [31]
Состав базальтов извержений может отражать механизмы, посредством которых магма достигает поверхности. Первоначальный расплав, образованный в верхней мантии ( примитивный расплав ), не может иметь состав кварцевого толеита, наиболее распространенной и, как правило, наименее эволюционировавшей вулканической породы базальтов извержений, поскольку кварцевые толеиты слишком богаты железом по сравнению с магнием, чтобы образоваться в равновесии с типичной мантийной породой. Примитивный расплав мог иметь состав пикритового базальта , но пикритовый базальт редко встречается в провинциях базальтовых извержений. Одна из возможностей заключается в том, что примитивный расплав застаивается, когда достигает границы мантии и коры, где он недостаточно плавучий, чтобы проникнуть в коровую породу с более низкой плотностью. По мере дифференциации толеитовой магмы (изменения состава по мере кристаллизации и осаждения высокотемпературных минералов из магмы) ее плотность достигает минимума при магниевом числе около 60, аналогичном плотности базальтов извержений. Это восстанавливает плавучесть и позволяет магме завершить свое путешествие к поверхности, а также объясняет, почему базальтовые потоки в основном состоят из кварцевых толеитов. Более половины исходной магмы остается в нижней коре, накапливаясь в системе даек и силлов. [34] [21]
По мере того, как магма поднимается, падение давления также снижает ликвидус , температуру, при которой магма полностью жидкая. Это, вероятно, объясняет отсутствие фенокристаллов в извергнутом базальте. Резорбция ( растворение обратно в расплав) смеси твердого оливина, авгита и плагиоклаза — высокотемпературных минералов, которые, вероятно, образуются в виде фенокристаллов — также может иметь тенденцию приближать состав к кварцевому толеиту и способствовать поддержанию плавучести. [26] [21]
Как только магма достигает поверхности, она быстро течет по ландшафту, буквально затапливая местный рельеф. Это возможно отчасти из-за быстрой скорости выдавливания (более кубического километра в день на км длины трещины [16] ) и относительно низкой вязкости базальтовой лавы. Однако латеральная протяженность отдельных потоков базальтового потока поражает даже для такой жидкой лавы в таких количествах. [35] Вероятно, что лава распространяется посредством процесса инфляции , в котором лава движется под твердой изолирующей коркой, которая сохраняет ее горячей и подвижной. [36] Исследования потока гинкго на плато реки Колумбия, толщина которого составляет от 30 до 70 метров (от 98 до 230 футов), показывают, что температура лавы упала всего на 20 °C (68 °F) на расстоянии 500 километров (310 миль). Это показывает, что лава, должно быть, была изолирована поверхностной коркой и что поток был ламинарным , что уменьшало теплообмен с верхней корой и основанием потока. [37] [38] Было подсчитано, что поток Гинкго продвинулся на 500 км за шесть дней (скорость продвижения около 3,5 км в час). [37]
Боковая протяженность потока базальтового потока примерно пропорциональна кубу толщины потока вблизи его источника. Таким образом, поток, который в два раза толще в своем источнике, может пройти примерно в восемь раз большее расстояние. [13]
Потоки базальтовых потоков преимущественно представляют собой потоки пахоэхоэ , потоки ааа встречаются гораздо реже. [39]
Извержение в провинциях базальтовых потоков является эпизодическим, и каждый эпизод имеет свою собственную химическую сигнатуру. Существует некоторая тенденция к тому, что лава в пределах одного извержения становится более богатой кремнием со временем, но нет никакой последовательной тенденции между эпизодами. [26]
Крупные магматические провинции (LIP) изначально определялись как объемные излияния, преимущественно базальта, в течение геологически очень коротких промежутков времени. Это определение не указывало минимальный размер, продолжительность, петрогенезис или обстановку. Новая попытка уточнения классификации фокусируется на размере и обстановке. LIP обычно охватывают большие площади, и основная масса магматизма происходит менее чем за 1 млн лет. Основные LIP в океанических бассейнах включают океанические вулканические плато (OP) и вулканические пассивные континентальные окраины . Океанические базальты-паводки — это LIP, которые некоторые исследователи отличают от океанических плато , поскольку они не образуют морфологических плато, не являются ни плоскими, ни поднятыми более чем на 200 м над морским дном. Примерами служат провинции Карибского бассейна, Науру, Восточно-Марианская и Пигафетта. Континентальные базальты-паводки (CFB) или платобазальты — это континентальные выражения крупных магматических провинций. [40]
Базальтовые потоки вносят значительный вклад в рост континентальной коры. Они также являются катастрофическими событиями, которые, вероятно, способствовали многим массовым вымираниям в геологической летописи.
Выдавливание базальтов из затоплений, усредненное по времени, сопоставимо со скоростью выдавливания лавы в срединно-океанических хребтах и намного выше скорости выдавливания горячими точками. [41] Однако выдавливание в срединно-океанических хребтах относительно стабильно, в то время как выдавливание базальтов из затоплений носит весьма эпизодический характер. Базальты из затоплений создают новую континентальную кору со скоростью от 0,1 до 8 кубических километров (от 0,02 до 2 кубических миль) в год, в то время как извержения, которые формируют океанические плато, производят от 2 до 20 кубических километров (от 0,5 до 5 кубических миль) коры в год. [16]
Большая часть новой коры, образованной во время излияний базальта, принимает форму андерплейтинга , при этом более половины первоначальной магмы кристаллизуется в виде кумуляций в силлах у основания коры. [34]
Извержение базальтовых потоков было связано с массовыми вымираниями. Например, траппы Декана , извергнувшиеся на границе мела и палеогена , могли способствовать вымиранию нептичьих динозавров. [42] Аналогично, массовые вымирания на границе перми и триаса , на границе триаса и юры и в тоарском веке юры соответствуют возрасту крупных магматических провинций в Сибири, Центрально-Атлантической магматической провинции и базальтовых потоков Кару-Феррар . [ 15]
Некоторое представление о влиянии базальтовых потоков можно получить, сравнив их с историческими крупными извержениями. Извержение Лакагигара в 1783 году было крупнейшим в истории, унеся жизни 75% скота и четверти населения Исландии. Однако извержение произвело всего 14 кубических километров (3,4 кубических миль) лавы, [43] [15] что является крошечным по сравнению с извержением вулкана Роза на плато реки Колумбия, которое извергалось в середине миоцена и содержало не менее 1500 кубических километров (360 кубических миль) лавы. [10]
Во время извержения Сибирских траппов около 5–16 миллионов кубических километров (1,2–3,8 миллиона кубических миль) магмы проникло в земную кору, покрыв площадь в 5 миллионов квадратных километров (1,9 миллиона квадратных миль), что составляет 62% площади смежных штатов Соединенных Штатов. Горячая магма содержала огромное количество углекислого газа и оксидов серы и выделила дополнительный углекислый газ и метан из глубоких нефтяных резервуаров и молодых угольных пластов в регионе. Выделившиеся газы создали более 6400 труб , похожих на диатремы , [44] каждая, как правило, более 1,6 километра (1 миля) в диаметре. Трубы выделили до 160 триллионов тонн углекислого газа и 46 триллионов тонн метана. Угольная зола от горящих угольных пластов распространила токсичный хром , мышьяк , ртуть и свинец по всей северной Канаде. Эвапоритовые пласты, нагретые магмой, высвободили соляную кислоту , метилхлорид , метилбромид , которые повредили озоновый слой и снизили защиту от ультрафиолета на целых 85%. Также было выброшено более 5 триллионов тонн диоксида серы . Диоксид углерода создал экстремальные парниковые условия, при этом глобальная средняя температура морской воды достигла пика в 38 °C (100 °F), самого высокого значения, когда-либо наблюдавшегося в геологической летописи. Температура не опускалась до 32 °C (90 °F) в течение еще 5,1 миллиона лет. Такие высокие температуры смертельны для большинства морских организмов, а наземные растения испытывают трудности с продолжением фотосинтеза при температуре выше 35 °C (95 °F). Экваториальная зона Земли стала мертвой зоной. [45]
Однако не все крупные магматические провинции связаны с событиями вымирания. [46] Формирование и последствия извержения базальта зависят от ряда факторов, таких как конфигурация континента, широта, объем, скорость, продолжительность извержения, стиль и обстановка (континентальный или океанический), существовавший ранее климат и устойчивость биоты к изменениям. [47]
Представительные континентальные базальты и океанические плато, расположенные в хронологическом порядке, вместе образуют список крупных магматических провинций : [48]
Базальтовые потоки являются доминирующей формой магматизма на других планетах и лунах Солнечной системы. [61]
Моря на Луне были описаны как базальтовые потоки [62], состоящие из пикритового базальта. [63] Отдельные извержения, вероятно, были аналогичны по объему базальтовым потокам на Земле, но были разделены гораздо более длительными интервалами покоя и, вероятно, были вызваны другими механизмами. [64]
На Марсе присутствуют обширные залегания базальтов. [65]
Трапповая порода является наиболее прочным строительным агрегатом из всех типов горных пород, поскольку взаимосвязанные кристаллы ориентированы случайным образом. [15]
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )