Гетерогенность мантии

Чтобы охарактеризовать области мантийных источников базальтовых лав, геохимик использует различные геохимические трассеры. Такими трассерами являются изотопные отношения дочерних элементов радиоактивных нуклидов и отношения концентраций несовместимых редких элементов. Расплав копирует эти индикаторные отношения из источника и переносит их к поверхности с небольшими изменениями или без искажений. Мы фокусируемся здесь на океанических базальтах [базальты срединно-океанических хребтов (N-MORB), базальты океанических островов (OIB)], а не на вулканитах островных дуг и континентальных областей, потому что океанические базальты представляют относительно большие объемы мантии и несут минимальный риск контаминации при транспорте магмы через кору к поверхности.

Для сравнения общего содержания редких элементов в базальтах используются мультиэлементные спектры или спайдер-диаграммы с нормированием (делением на концентрацию соответствующего элемента в некотором эталоне, обычно ПМ) по примитивной мантии, на которых элементы располагаются в порядке уменьшения степени несовместимости слева направо.

Рис. 1. Нормированные к примитивной мантии распределения редких элементов в базальтах океанических хребтов (N-MORB – красная кривая), океанических островов (OIB- зеленая кривая) и в континентальной коре (синяя кривая).

При частичном плавлении мантийного вещества в образующихся базальтах уровень концентраций элементов пропорционален степени их несовместимости. Поэтому, если базальты образуются в результате частичного плавления ПМ, то на спайдер-диаграмме точки нормированных на ПМ концентраций элементов должны ложиться на линию, которая располагается выше единицы и наклонена вниз слева направо. На диаграмме видно, что N-MORB и OIB обогащены несовместимыми элементами относительно ПМ (нормированные концентрации выше 1), так как это расплавы, а они концентрируют несовместимые элементы из мантии. Но в N-MORB большинство сильно несовместимых элементов (например, Rb, Ba, Th, легкие REE – они располагаются слева) относительно деплетированы (обеднены) в сравнении с умеренно несовместимыми элементами (например, Sm, Hf, Zr, Ti, Y, тяжелыми REE –они располагаются справа), то есть наблюдается другая форма кривой.

Это означает, что они образовались не из примитивной мантии, а из мантийного источника обедненного сильно несовместимыми элементами. Общие коэффициенты распределения наиболее высоко несовместимых элементов увеличиваются примерно в таком порядке BaRbTh<UK<La<Ce. Поэтому отношения Ba/La, Rb/La, Th/U и Th/La в базальтах обычно выше (или равны при высокой степени плавления) чем соответствующие отношения в источнике. Таким образом, когда эти отношения меньше величины для примитивной мантии, они отражают предшествующее деплетирование пород источника. Это эффект приводит к понижению левосторонней ветви для MORB на мультиэлементном спектре.

По сравнению с N-MORB OIB более обогащены несовместимыми элементами и для большинства элементов наблюдается прямая корреляция между степенью их обогащения и степенью их несовместимости.

Редкоэлементные и изотопные различия между N-MORB и OIB указывают на их образование из разных мантийных источников. На основании этого в 70-е годы геохимики развили идею о химически расслоенной мантии с верхним деплетированным (верхняя мантия) и нижним недеплетированным близким по составу к примитивной мантии (нижняя мантия) слоями. Деплетированная мантия- область в мантии, которая деплетирована (обеднена) несовместимыми элементами относительно примитивной мантии (деплетированный изотопные характеристики - самые низкие 87Sr/86Sr и наиболее высокие 143Nd/144Nd). Ее формирование обусловлено образованием континентальной океанической коры в течение всего геологического времени, то есть выплавлением базальтов в срединно-океанических хребтах. Деплетированная мантия является источником N-MORB. OIB поднимаются из более глубинного недеплетированного слоя близкого по составу к примитивной мантии (нижняя мантия). Эта геохимическая модель получила поддержку из геофизических данных, показывающих резкое увеличение скорости сейсмических волн на глубине 660 км, то есть, что мантия состоит из двух слоев. Последующее изучение показало большее, чем в начале было установлено, разнообразие составов и MORB и OIB, что привело к усложнению этой простой модели. Стало ясно, что в мантии существуют и обогащенные мантийные резервуары по сравнению с примитивной мантией (обогащенные Rb, Sm, U (и Th) относительно Sr, Nd, Pb соответственно по сравнению с первичными мантийными отношениями этих элементов). Появление обогащенной мантии связано с субдукцией, которая вводит: 1) океаническую кору, 2) литосферную океаническую мантию и 3) малые количества континентальных осадков различного состава в мантию. Погружение происходит до границы верхней-нижней мантии.

Состав и строение земной коры

Строение ЗК по вертикали; типы ЗК

Представление о ЗК.

По современным представлениям под ЗК понимается твердая верхняя оболочка Земли, ограниченная поверхностью суши и дном Мирового океана и геофизической границей – разделом Мохоровичича. Она представляет верхнюю часть литосферы или литосферных плит и подстилается литосферной мантией.

Такое определение границ несколько отличается от принятого в классических геохимических работах В.И. Вернадского, Ф. Кларка, В. Гольшмидта, А.П. Виноградова и других, что связано с развитием знаний о строении Земли. Понимание термина “земная кора” как относящегося к верхним 16 км разреза континентов было принято Кларком, считавшим, что доступный для исследования материал относится к этой части наружной оболочки Земли. Такое понимание удобно, так как исключает из рассмотрения вещество глубинных зон, представление о котором является гипотетическим и до наших дней. Такое же понимание ЗК было принято и В.И. Вернадским, который включал также в состав ЗК гидросферу и атмосферу. Поскольку до начала 60-х годов кора океанов оставалась не изученной, то старое понимание ЗК соответствует современному понятию континентальная ЗК, а точнее ее верхней части или гранитно-метаморфическому слою. К этому объекту и относятся величины распространенности химических элементов, принятые в работе А.П. Виноградова и других.

Типы земной коры.

Весь комплекс современных геологических и геофизических данных свидетельствует о гетерогенности ЗК как по горизонтали, так и по вертикали.

Прежде всего, существует принципиальное различие в геологическом строении, составе вещества и истории ЗК континентов и океанов, соответственно выделяются океанический (ср. мощность 8 км) и континентальный типы ЗК (средняя мощность – 40 км). Современная океаническая кора имеет трехслойное строение, что подтверждено непосредственными наблюдениями с подводных аппаратов, бурением и геофизическими исследованиями. Первый слой представлен маломощным слоем глубоководных осадков (до 1 км). Второй слой сложен базальтовыми лавами различной морфологии и комплексом параллельных даек (2км). Третий слой состоит из пород расслоенного габбро-ультрамафитового комплекса (5 км). Океаническая кора подстилается тектонизированными и серпентинизированными перидотитами реститовой природы.

Геофизические данные указывают на закономерное изменение физических свойств вещества ЗК континентов с глубиной, что обычно интерпретируется как соответствующее изменение химического состава ЗК по вертикали. Это послужило основой для принятия слоистой модели ЗК, включающей “гранитный” или гранитно-метаморфический и “базальтовый” или гранулит-базитовый слои. Но вертикальная расслоенность ЗК наиболее четко выражена в пределах древних платформ, кора более молодых складчатых зон имеет блоковое строение и не обнаруживает отчетливого слоистого строения. Более того, и в пределах платформ устанавливается сложное строение коры с частой перемежаемостью пластин различного состава и не всегда отвечает направленному изменению ее состава с глубиной. Тем не менее и в современных моделях принимается упрощенная модель двухслойного строения континентальной ЗК. Слои именуются нижней и верхней континентальной корой.

В строении континентов выделяется ЗК двух подтипов:

1 - крупные устойчивые платформы с дорифейским кристаллическим основанием; или докембрийские кратоны, составляющие около 70% площади континентов. В строении кратонов выделяются слабо деформированный чехол или осадочная оболочка, представляющая собой тонкую пленку, и кристаллический фундамент, обнажающийся на приподнятых щитах, который может быть параллелизован с гранитно-метаморфической оболочкой.

2 - протяженные орогенические или складчатые пояса неогея (верхний докембрий и фанерозой), имеющие значительно более сложное строение. Ронов и Ярошевский подчеркивают, что в них менее распространены на поверхности выходы пород кристаллического основания, а подавляющая часть объема верхней части коры сложена мощными толщами в разной степени измененных и метаморфизованных вулканогенных и осадочных пород, что предполагает заметное отличие общего химического состава коры от таковой кратонов. По современным представлениям эти пояса имеют аккреционное происхождение и представляют собой смесь гранитно-метаморфических пород микроконтинентов (в подчиненном количестве), магматических пород древних океанов, островодужных систем и осадочных образований преддуговых и задуговых бассейнов и пассивных окраин континентов.