Войти
Рис. 1. Возрастная динамика вулканических островов и подводных гор в горячей точке Гавайев Базальт океанических островов (OIB) представляет собой вулканическую породу, обычно базальтовую по составу, извергающуюся в океанах вдали от границ тектонических плит. Хотя базальтовая магма на океанских островах в основном извергается в виде базальтовой лавы, базальтовая магма иногда модифицируется магматической дифференциацией с образованием ряда других типов вулканических пород, например Например, риолит в Исландии и фонолит и трахит внутриплитного вулкана Фернандо де Норонья. В отличие от срединно-океанических хребтов базальтов (MORB), которые извергаются в центрах спрединга (расходящиеся границы плит ), и лав вулканической дуги, извергающихся в зоны субдукции (конвергентные границы плит ), базальты океанических островов являются результатом внутриплитного вулканизма. Однако некоторые местоположения базальтов на океанских островах совпадают с границами плит, например, Исландия, которая находится на вершине срединно-океанического хребта, и Самоа, которая расположена недалеко от зоны субдукции.
океанические бассейны, базальты океанических островов образуют подводные горы, и в некоторых случаях извергается достаточно материала, чтобы скала выступала из океана и образовывала остров, как, например, на Гавайях, Самоа и Исландии.. Однако со временем из-за термического оседания и потери массы из-за субаэральной эрозии острова становятся полностью подводными подводными горами или гайотами. Многие базальты океанических островов извергаются в вулканических горячих точках, которые, как полагают, являются поверхностным проявлением таяния термально плавучих восходящих каналов горячих пород в мантии, называемых мантийными шлейфами.. Каналы мантийных плюмов могут дрейфовать медленно, но тектонические плиты Земли дрейфуют быстрее, чем мантийные плюмы. В результате относительное движение тектонических плит Земли над мантийными плюмами создает возрастающие цепочки вулканических островов и подводных гор с самыми молодыми действующими вулканами, расположенными над осью мантийного плюма, в то время как более старые, бездействующие вулканы располагаются все дальше и дальше от моря. канал для плюма (см. рисунок 1). Цепи горячих точек могут фиксировать десятки миллионов лет непрерывной вулканической истории; например, самым старым подводным горам в цепи Гавайско-Императорской цепи более 80 миллионов лет.
Не все базальты океанических островов являются продуктом мантийных плюмов. Существуют тысячи подводных гор, которые явно не связаны с восходящими мантийными шлейфами, а есть цепочки подводных гор, которые не прогрессируют по возрасту. Подводные горы, которые явно не связаны с мантийным плюмом, указывают на то, что региональный состав мантии и тектоническая активность также могут играть важную роль в образовании внутриплитного вулканизма.
геохимия базальтов океанических островов полезен для изучения химической и физической структуры мантии Земли. Считается, что некоторые мантийные плюмы, питающие лавы горячих точек вулканизма, происходят на глубине границы ядро-мантия (глубина ~ 2900 км). Состав базальтов океанических островов в горячих точках дает представление о составе мантийных доменов в канале плюма, который плавился, давая базальты, что дает ключ к разгадке того, как и когда образовались различные резервуары в мантии.
Ранние концептуальные модели геохимической структуры мантии утверждали, что мантия была разделена на два резервуара: верхняя мантия и нижняя мантия. Считалось, что верхняя мантия геохимически истощена из-за извлечения расплава, который сформировал континенты Земли. Нижняя мантия считалась однородной и «примитивной». (Примитив, в данном случае, относится к силикатному материалу, который представляет собой строительные блоки планеты, который не был изменен извлечением из расплава или смешанным с субдуцированными материалами с момента аккреции Земли и образования ядра.) Сейсмическая томография показали субдуцированные плиты, проходящие через верхнюю мантию и входящие в нижнюю мантию, что указывает на то, что нижняя мантия не может быть изолирована. Кроме того, изотопная неоднородность, наблюдаемая в базальтах океанических островов, образованных шлейфом, свидетельствует против гомогенной нижней мантии. Тяжелые радиогенные изотопы являются особенно полезным инструментом для изучения состава мантийных источников, поскольку изотопные отношения нечувствительны к плавлению мантии. Это означает, что высокое соотношение радиогенных изотопов расплава, который поднимается вверх и становится вулканической породой на поверхности Земли, отражает соотношение изотопов мантийного источника во время плавления. Наиболее изученными системами тяжелых радиогенных изотопов в базальтах океанических островов являются Sr / Sr, Nd / Nd, Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb, Hf / Hf и, в последнее время, Os / Os. В каждой из этих систем радиоактивный родительский изотоп с длительным периодом полураспада (т.е. более 704 миллионов лет) распадается до «радиогенного» дочернего изотопа. Изменения в соотношении родитель / дочерний элемент, например, в результате плавления мантии, приводят к изменениям радиогенных изотопных отношений Sr / Sr, Nd / Nd, Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb, Hf / Hf и Os. /Операционные системы. Таким образом, эти радиогенные изотопные системы чувствительны к времени и степени измененного (или фракционированного) соотношения родитель / дочерний элемент родитель / дочерний элемент, что затем влияет на процесс (ы), ответственный за создание наблюдаемой радиогенной изотопной неоднородности в базальтах океанических островов. В геохимии мантии любой состав с относительно низким содержанием Sr / Sr и высоким содержанием Nd / Nd и Hf / Hf называется «геохимически обедненным». Высокое содержание Sr / Sr и низкое содержание Nd / Nd и Hf / Hf называют «геохимически обогащенным». Изотопный состав свинца (Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb) в породах мантийного происхождения описывается как нерадиогенный (для относительно низких значений Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb) или радиогенный (для относительно высоких значений Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb).
Эти изотопные системы предоставили доказательства гетерогенной нижней мантии. Есть несколько отчетливых «мантийных доменов» или концевых частей, которые появляются в базальтовой записи океанических островов. При нанесении на карту в многоизотопном пространстве базальты океанических островов имеют тенденцию образовывать массивы, простирающиеся от центрального состава к конечному элементу с экстремальным составом. Обедненная мантия, или DM, является одним из концевых элементов и определяется низким содержанием Sr / Sr, Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb и высоким содержанием Nd / Nd и Hf / Hf. Следовательно, DM является геохимически обедненным (как следует из названия) и относительно нерадиогенным. Срединно-океанический хребет пассивно отбирает образцы верхней мантии, а MORB обычно геохимически истощены, поэтому широко распространено мнение, что верхняя мантия состоит в основном из деплетированной мантии. Таким образом, термин истощенная мантия MORB (DMM) часто используется для описания верхней мантии, которая является источником вулканизма срединно-океанического хребта. Базальты океанических островов также являются образцом геохимически обедненных областей мантии. Фактически, большинство базальтов океанических островов геохимически истощены, и <10% of ocean island basalts have lavas that extend to geochemically enriched (i.e., Nd/Nd lower than the Earth’s building blocks) compositions.
существуют два геохимически обогащенных домена, названные обогащенной мантией 1 (EM1) и обогащенной мантией 2 (EM2). Хотя в целом они схожи, между EM1 и EM2 есть некоторые важные различия. EM1 имеет нерадиогенный Pb / Pb, умеренно высокий Sr / Sr и простирается на более низкие уровни Nd / Nd и Hf / Hf, чем EM2. Питкэрн, Кергелен - Херд, и Тристан - Гоф - типовые местонахождения EM1. EM2 определяется более высоким Sr / Sr, чем EM1, и более высокими значениями Nd / Nd и Hf / Hf при данном значении Sr / Sr и промежуточным Pb / Pb. Самоа и Общество являются архетипические локализации EM2.
Еще одна отличная область мантии - это мантия HIMU. В изотопной геохимии греческая буква µ (или mu) используется для описания U / Pb, так что «высокий µ» (сокращенно HIMU) описывает высокое отношение U / Pb. Со временем, когда U разлагается до Pb, материалы HIMU Earth вырабатывают особенно радиогенные (с высоким содержанием) Pb / Pb. Если земной материал имеет повышенное содержание U / Pb (HIMU), тогда он также будет иметь повышенное содержание U / Pb и, следовательно, будет производить радиогенные составы Pb как для изотопных систем Pb / Pb, так и для Pb / Pb (U распадается на Pb, U распадается до Pb). Точно так же земные материалы с высоким содержанием U / Pb также имеют тенденцию к высокому уровню Th / Pb и, таким образом, эволюционируют, чтобы иметь высокое содержание Pb / Pb (Th распадается до Pb). Базальты океанических островов с высоким содержанием радиогенных соединений Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb являются продуктами мантийных доменов HIMU. Св. Хелена и несколько островов вулканического линеамента Кука - Аустрал (например, Мангаиа ) являются типичными местами расположения базальтов океанических островов HIMU.
Последняя область мантии, обсуждаемая здесь, - это общий состав, к которому базальты океанических островов склоняются в радиогенном изотопном мульти-пространстве. Это также наиболее распространенный мантийный источник в базальтах океанических островов и имеет промежуточные значения для геохимически обедненных Sr / Sr, Nd / Nd и Hf / Hf, а также промежуточные Pb / Pb, Pb / Pb, Pb / Pb. Этот центральный домен мантии имеет несколько названий, каждое из которых имеет несколько разные значения. PREMA, или «преобладающая мантия», был первым термином, введенным Зиндлером и Хартом (1986) для описания наиболее распространенного состава базальтов океанических островов. Hart et al. (1992) позже назвал место пересечения базальтовых составов океанических островов в радиогенном изотопном множественном пространстве «Фокусной зоной» или FOZO. Фарли и др. (1992) в том же году описал компонент с высоким содержанием He / He (примитивная геохимическая характеристика) в шлейфах как «примитивная гелиевая мантия» или PHEM. Наконец, Ханан и Грэм (1996) использовали термин «C» (для общего компонента) для описания общего компонента смешения в породах, происходящих из мантии.
Присутствие особого мантийного домена в базальтах океанических островов из двух горячих точек., о чем свидетельствует определенный радиогенный изотопный состав, не обязательно указывает на то, что мантийные плюмы с аналогичным изотопным составом происходят из одного и того же физического резервуара в глубокой мантии. Вместо этого предполагается, что мантийные домены со сходным радиогенным изотопным составом, отобранные в разных точках, имеют схожую геологическую историю. Например, считается, что горячие точки EM2 Самоа и Общества имеют мантийный источник, содержащий переработанную верхнюю континентальную кору, идея, которая подтверждается наблюдениями за стабильными изотопами, включая δO и δLi. Изотопные сходства не означают, что Самоа и Общество имеют один и тот же физический источник мантии, о чем свидетельствуют их несколько отличные друг от друга массивы в радиогенном изотопном множественном пространстве. Таким образом, горячие точки, которые классифицируются как «EM1», «EM2», «HIMU» или «FOZO», могут каждый образец физически отличаться, но схожи по составу части мантии. Кроме того, в некоторых цепочках горячих точек присутствуют лавы с широким диапазоном изотопных составов, так что источник плюма, кажется, либо отбирает образцы нескольких доменов, образцы которых можно брать в разное время в процессе вулканической эволюции горячей точки.
Изотопные системы помогают деконволюции геологических процессов, которые способствовали, а в некоторых случаях и времени, формированию этих доменов мантии. Некоторые важные примеры включают присутствие коровых отпечатков пальцев в богатых источниках мантии, которые указывают на то, что материал с континентов Земли и океанов может погружаться в мантию и подниматься на поверхность в плавно поднимающихся мантийных плюмах. Изотопный анализ серы показал массово-независимое фракционирование (MIF) изотопов серы в некоторых лавах, образованных шлейфом. MIF изотопов серы - это явление, которое произошло в атмосфере Земли только до Великого окислительного события ~ 2,3 млрд лет. Присутствие переработанного материала с сигнатурами MIF указывает на то, что некоторые из привезенных переработанных материалов старше 2,3 млрд лет. образовался до Великого окислительного события и всплыл на поверхность в результате вулканизма мантийного плюма. Благородные газы изотопные системы, такие как He / He, Ne / Ne и Xe / Xe, были использованы для демонстрации того, что части нижней мантии относительно менее дегазированы и не были гомогенизированы, несмотря на миллиарды лет мантийного конвективного перемешивания. Некоторые большие горячие мантийные плюмы имеют аномально высокое содержание He / He. Поскольку Он постоянно вырабатывается на Земле в результате альфа-распада (U, Th и Sm), но он не вырабатывается в заметных количествах в глубинах Земли, отношение He к He уменьшается в недрах Земли. через некоторое время. Ранняя Солнечная система началась с высокого He / He, и поэтому Земля сначала аккрецировалась с высоким He / He. Таким образом, в лавах, образованных плюмом, высокое содержание He / He является «древним» геохимическим признаком, указывающим на существование хорошо сохранившегося резервуара гелия в глубокой мантии. Время образования этого резервуара ограничено наблюдаемыми аномалиями Xe / Xe в базальтах океанических островов, поскольку Xe образовывался только в результате распада I в течение первых ~ 100 млн лет в истории Земли. Вместе высокое содержание He / He и Xe / Xe указывает на относительно менее дегазированный примитивный домен благородных газов, который относительно хорошо сохранился со времен раннего хадейского.
Существуют различные источники, идентифицированные для базальтовая магма острова океана в мантии Земли. Эти мантийные источники выводятся из различий в соотношениях радиогенных изотопов, которые магмы наследуют от своей материнской породы. Источники были определены на основе комбинированного анализа изотопов стронция (Sr), неодима (Nd) и свинца (Pb). Источники, определяемые радиогенными изотопами, следующие:
| Обогащенные источники | ||
|---|---|---|
| EMI | Обогащенная мантия I | Вероятно, мантия загрязнена материалом, полученным из субдуцированных пелагические отложения. Альтернативное объяснение состоит в том, что этот источник происходит из субконтинентальной литосферы, которая также могла быть загрязнена субдуцированными пелагическими отложениями. |
| EMII | Enriched Mantle II | Вероятно мантия загрязнена материалом, полученным в результате переработки континентальной коры в мантию. |
| HIMU | Высокое отношение U / Pb | Вероятно, получено из субдуцированного океаническая кора, не гомогенизированная с остальной частью мантии. Отсутствие гомогенизации может быть связано с накоплением субдуцированной океанической коры в крупномасштабных «мегалитах» на сейсмическом разрыве 670 км или вблизи границы ядро-мантия. |
| Истощенные источники | ||
| PREMA | Преобладающая мантия | Возможно образована путем смешивания всех других источников мантии или источника, образовавшегося на раннем этапе истории Земли. |
| DMM | Истощенная мантия | |
| FOZO | Зона фокусировки | Источник, связанный с мантийными перьями. Имеет промежуточный состав между DMM и HIMU. Название Focus Zone происходит от очевидного разветвления композиций из этой зоны при отображении данных изотопного состава на тетраэдрической диаграмме. ФОЗО содержит высокое содержание гелия-3. Источник ФОЗО связан с глубинными мантийными плюмами. FOZO было предложено как материал плюма, который поднимается от границы ядро-мантия, или материал, который прикрепляется к плюму в виде листа, когда плюм поднимается от границы ядро-мантия. |
