Андезиты
Андезиты — наиболее распространенная вулканическая порода орогенных областей. Во многих районах по объему они даже преобладают над базальтами. В геологическом прошлом андезитовый вулканизм проявлялся, по крайней мере один раз, почти на каждом крупном этапе орогенеза. Значение андезитов на более древних этапах геологического развития, как правило, не учитывалось, так как многие лавы основного состава и обломочные горные породы описывались ранее как базальты. В ряде случаев при более детальных исследованиях, например в области развития архейских пород на Канадском щите [171, было обнаружено, что вулканические породы соответствуют известково-щелочным сериям современных складчатых областей.
Андезитовые вулканы обычно формировались в подвижных, линейно вытянутых или дугообразных поясах в течение двух или трех последовательных тектонических этапов. Каждый из таких этапов (или некоторые из них) заканчивался внедрением интрузии сходного химического состава. Андезитовый вулканизм представлял собой важнейшую особенность кайнозойских горных цепей и островных дуг Тихоокеанского пояса. Он играл большую, хотя и не столь ярко выраженную, роль в некоторых внутриконтинентальных складчатых районах (Карпаты в Центральной Европе, плато Колорадо и западные области Скалистых гор в Северной Америке). Однако в глубоководных океанических бассейнах андезиты, по-видимому, отсутствуют. Некоторые океанические лавы со средним содержанием кремнезема были отнесены к андезитам, хотя они отличаются от андезитов орогенных областей высоким содержанием железа и малым количеством глинозема и скорее близки к айсландитам, крейгнуритам и другим породам среднего состава, которые, как полагают, являются продуктами дифференциации толеитовых базальтов. Выражение «андезитовая линия», предложенное Борном, часто употребляют в тех случаях, когда нужно провести границу между главной областью Тихого океана и складчатыми сооружениями Тихоокеанского кольца.
В настоящее время не вызывает сомнения то значение, которое имеют огромные массы андезитовых лав, однако единое мнение о составе и химических особенностях этих пород до сих пор отсутствует. Большинство петрографов полагают, что андезиты представляют собой эффузивные горные породы со средним содержанием кремнезема, цветовой индекс которых (процентное содержание темноцветных железомагнезиальных минералов) меньше 40. Кварц не является главным минералом этих пород. По мнению некоторых петрографов, андезиты содержат более натровый, чем лабрадор, плагиоклаз, хотя во многих районах для андезитов и даже для дацитов характерен очень известковистый плагиоклаз. В тех провинциях, где распространены андезиты с известковистым плагиоклазом, при разделении андезитов и базальтов часто используют цветовой индекс.
Средний состав андезита по Дэли также не точен, поскольку он рассчитан по данным для андезитов самых различных составов и формаций. Если при изучении такой разнообразной группы пород руководствоваться единым средним составом, можно не уловить многих петрологических особенностей, которые распознаются лишь при комплексном исследовании андезитов и родственных им пород разных провинций и вулканических эпох. Эти особенности хорошо видны при рассмотрении первых трех составов, приведенных в табл. 2. Каждый из этих составов представляет собой среднее для определенных пород внутри обширного комплекса, называемого большинством петрографов андезитовым. Средние составы заметно отличаются по содержанию СаО и щелочей, и хотя по содержанию SiO2 они почти одинаковы, они характеризуются различным количеством нормативного кварца.
Эти средние составы соответствуют известковой, известково-щелочной и щелочно-известковой сериям по Пикоку [13]. В известковой серии содержапие щелочей (в вес. %) превышает содержание СаО только в породах, содержащих более 61% кремнезема. Поэтому андезиты таких ассоциаций характеризуются очень известковистым плагиоклазом — битовнитом или даже анортитом, хотя они могут содержать от 15 до 20% нормативного кварца. Такие андезиты типичны для вулканических поясов, расположенных в пределах умеренно глубоких морей или вблизи областей с пониженной толщиной земной коры (Марианские, Японские и Антильские острова). Лавы внутриконтинентальных вулканов более изменчивы по составу во времени и пространстве, хотя в общем сохраняют щелочно-известковый состав; иными словами, содержание щелочей превышает количество СаО, когда содержание кремнезема равно 56% и даже меньше. Большинство андезитовых вулканов, расположенных вблизи окраин континентов, характеризующихся заметной мощностью сиалической коры, извергает лавы, относящиеся к более обычной известково-щелочной серии; в этих породах щелочи преобладают над СаО, когда содержание кремнезема превышает 56 вес. %.
Эти отличия, видимо, не связаны с мощностью или составом земной коры, поскольку в некоторых районах вдоль вулканических поясов отсутствуют заметные различия в составе вулканических продуктов. Примерами могут служить Алеутские или Курильские острова, где мощность и характер земной коры от одного конца островной дуги к другому [3, 6] заметно изменяются. Однако в Центральной Америке андезитовые лавы Никарагуа, поднимавшиеся к поверхности сквозь маломощную и, по видимому, сравнительно основную земную кору, характеризуются меньшим содержанием кремнезема, чем лавы из горных районов Гватемалы, залегающие над мощной толщей древних метаморфических и гранитных пород. В обоих районах вулканы располагаются на одинаковом удалении от Центрально-американского желоба и окраины континента.
При прослеживании лав поперек вулканического пояса в их составе обычно наблюдаются резкие изменения. Для Японских островов такие различия могут быть отмечены на расстоянии нескольких десятков километров [9]. По-видимому, сходная картина характерна для Курильских вулканов и вулканов Новой Зеландии.
Горшков [6] указывал, что характер андезитовых серий не обнаруживает существенной зависимости ни от местных тектонических условий, ни от структурных и литологических особенностей земной коры. Он пришел к выводу, что андезиты образуются ниже земной коры, а их химизм определяется скорее условиями, существующими в мантии, чем процессами ассимиляции пород коры.
Происхождение андезитов
Характер региональных и временных особенностей андезитовых серий далеко не постояпен. В результате деятельности отдельных вулканических цептров или групп вулканов выносятся большие объемы удивительно однородных андезитов с небольшим количеством базальтов или кислых дифферен-циатов. Некоторые вулканы извергают непрерывный ряд пород со всеми переходными разностями, тогда как другие дают преимущественно две группы лав: главную — андезитовую серию, за которой следует серия, состоящая из базальтов и дацитов (или риолитов), с одной стороны, и небольшого количества пород, характеризующихся промежуточным составом,— с другой. Последние могут и отсутствовать.
Так, в Каскадных горах выделяются две главные группы вулканов [10]. Одна из них характеризуется ассоциацией пород когерентного типа. Лавы этих вулканов имеют только андезитовый состав; в крайнем случае наблюдается ограниченный ряд пород, которые постепенно сменяют друг друга в течение активной жизни вулкана. Другая группа принадлежит к дивергентному типу. В этом случае однообразные по составу андезитовые лавы в основном слагают главный конус вулкана. За андезитами следовали более поздние излияния базальтов и кислых лав, главным образом из небольших побочных жерл. Различия между этими двумя группами вулканов хорошо видны на фиг. 1. Большинство вулканов когерентного типа располагается в центральной части Каскадных гор, где четвертичный вулканический пояс пересекает цепь третичных штоков. Вулканы дивергентного типа находятся на северной и южной оконечностях хребта. По-видимому, четкая связь с подстилающими породами основания здесь отсутствует.
В Японии среди некоторых хорошо изученных вулканических серий установлено две параллельные, но отличные друг от друга линии дифференциации. Например, для района Хаконе Куно [8] выделил две серии лав, которые он рассматривал в качестве продуктов дифференциации единой исходной магмы. Породы «пижонитовой серии» относительно обогащены железом и содержат в основной массе пижонит. Считают, что они возникли в результате фракционной кристаллизации толеитового базальта. Породы «гинерстеновой серии», характеризующиеся меньшим количеством железа и обильным гиперстеном как во вкрапленниках, так и в основной массе, рассматриваются как продукты контаминации той же исходной магмы сиалическими породами коры. Сходным образом щелочные дифференциаты — муджиериты и трахиты — образовались при фракционной кристаллизации щелочных базальтов внутренней зоны Японии, а формирование щелочноизвестковых андезитов, дацитов и риолитов происходило путем ассимиляции базальтовой магмой вещества коры [1].
Фракционная кристаллизация и ассимиляция — два основных процесса, которые чаще всего привлекают для объяснения химических и петрографических особеппостей андезитов. Кроме того, существует третья гипотеза, предполагающая наличие первичной андезитовой магмы, образующейся независимо в каком-то источнике в нижних горизонтах земной коры или в верхней мантии. Однако ни один из этих механизмов не может удовлетворительно объяснить характерные особенности всех андезитов.
Некоторые вышеприведенные факторы свидетельствуют о несостоятельности гипотезы фракционной кристаллизации как единственного эффективного механизма образования андезитов. В частности, отмечается отсутствие или незначительное распространение ассоциирующих с андезитами базальтов, которые должны представлять собой исходную магму, а также ограниченные пределы колебаний состава андезитов, встречающихся в многочисленных вулканических ассоциациях. Большинство рассчитанных составов минералов, которые необходимо выделить из базальтов, чтобы получить андезит, отличается как по составу, так и по количеству от вкрапленников в андезитах.
Для преодоления всех этих затруднений обычно обращаются к представлению о контаминации магмы сиалическими породами, однако четкие петрографические доказательства такой контамипации отмечаются редко. Хотя породы всех этапов контамипации должны пользоваться значительным распространением в огромном большинстве андезитов, ксенолиты либо редки, либо отсутствуют. Часто объем ассимилированного материала должен быть необычайно велик, а его состав должен отличаться от состава пород основания или любой фракции, которая могла бы выплавиться [15].
При изучении изотопных отношений рубидия и стронция в континентальных породах возник ряд новых проблем. При контаминации первичной базальтовой магмы древними сиалическими породами основания магма чрезвычайно сильно обогащается радиогенным стронцием. Это особенно характерно для тех районов, где кора сложена древними метаморфическими и гранитными породами с высокими содержаниями рубидия. Поскольку в ходе многих магматических процессов изотопы стронция ведут себя так же, как изотопы рубидия, то высокие значения отношения Sr87/Sr86, обусловленные распадом Rb87, в породах коры должны передаваться контаминируемым базальтам и андезитам. Такой процесс пока не обнаружен. В большинстве андезитов изотопные отношения рубидия и стронция близки или лишь немного превышают изотопные отношения этих элементов в ассоциирующих базальтах независимо от состава пород основания [14, 7].
Вероятно, наиболее серьезным доводом в пользу существования первичной андезитовой магмы могут служить огромные объемы и однообразие состава андезитов, изливавшихся в определенном районе в течение длительного периода вулканической деятельности. Результаты экспериментального изучения андезитов пе позволяют наметить механизм образования таких магм; сам процесс зависит от такого большого количества неясных физикохимических факторов, что их невозможно оценить.
Риолитовый вулканизм
Риолиты представляют собой наиболее кислые члены андезитовой серии. Однако они занимают небольшой объем среди многочисленных пород ороген-ных областей и поэтому имеют второстепенное значение. Риолитовые и риода-цитовые лавы, а также их туфы, извергаемые зрелыми вулканами, по-видимому, генетически связапы с более основными породами, с которыми они тесно ассоциируют. Сходным образом купола обсидиана в базальт-риолитовых сериях образовались, очевидно, из магмы более основного состава, однако не обязательно путем фракционной кристаллизации. Общий объем риолитов по сравнению с объемом игнимбритов очень невелик. Большинство игнимбритов поступало на поверхность через трещины, не связанные с вулканическими центрами.
Игнимбриты риолитового состава характерны для определенных этапов тектонических движений на континентах, особенно для эпейрогенических воздыманий, а андезиты приурочены к складчатым поясам, развитым по окраинам континентов. Распространение собственно риолитов послеархейского возраста ограничено областями, которые подстилаются мощным комплексом более древних сиалических пород основания. Риолиты, обнаруженные в океанических областях, неизменно характеризуются малым объемом и представлены комендитами или пантеллеритами с высоким содержанием Na20 и низким содержанием Al2O3. Они, по-видимому, являются продуктами дифференциации толеитовых базальтов.
Крайние (кислые) составы и большие объемы риолитовых игнимбритов ограничивают выбор возможного механизма их образования. Происхождение риолитовых игнимбритов путем фракционной кристаллизации следует вообще исключить, поскольку в этом случае потребовались бы огромные массы базальтовой магмы. Авторы многочисленных работ, посвященных этому вопросу, пришли к выводу, что единственная возможная причина появления описываемых пород — протекающее в больших масштабах плавление коры. Однако имеются данные, свидетельствующие о том, что по крайней мере некоторые риолиты, например древних кристаллических щитов, могли образоваться непосредственно из первичного материала мантии.
Мы располагаем значительным количеством экспериментальных данных, подтверждающих возможность возникновения больших объемов кислой магмы при частичном плавлении самых разнообразных пород коры. Об образовании кислых пород таким путем говорит и наличие в игнимбритах включений частично расплавленных пород фундамента, а также ксенокристаллов деформированного кварца и других минералов, свидетельствующих об их происхождении из более древних пород. Высокое содержание калия, алюминия и кремния в подавляющем большинстве риолитов также можно объяснить плавлением глинистых и обогащенных слюдой кварцсодержащих осадочных и метаморфических пород [2], хотя для объяснения содержания главных элементов в этих породах можно найти и другие причины. Результаты экспериментальных работ не позволяют однозначно решить эту проблему [11].
Решение вопроса о происхождении риолитов может быть найдено при изучении изотопов рубидия и стронция, содержащихся в этих породах. В игнимбритах отношения Rb/Sr и Sr87/Sr86 значительно выше, чем в вулканических породах среднего и основного составов и ближе соответствуют величинам, характерным для сиалического материала коры [7]. Результаты изучения риолитов Центральной Америки [14, 11] показали, что между содержанием радиогепного стронция в риолитовых игнимбритах и составом пород фундамента существует определенная зависимость: высокое значение отношения Sr87/Sr86 в риолитовых игнимбритах характерно только для тех районов, которые подстилаются палеозойскими метаморфическими и магматическими породами с высоким содержанием рубидия и высокой величиной отношения Sr87/Sr86. В этих риолитовых игнимбритах изотопный состав кислорода близок к изотопному составу кислорода из метаморфических и магматических пород. Они содержат намного больше О18 по сравнению с основными породами или риолитами, которые, по-видимому, являются продуктом дифференциации базальтовых магм.
Некоторые очень древние кислые вулканические породы, например лентиты Фенноскандии, представляют собой древнейшие породы коры в глубоко эродированных толщах докембрийского щита. Излияния этих лав происходили в то время, когда кора содержала еще мало сиалического материала. Эти магмы либо должны были образоваться из относительно основных пород, либо возникнуть непосредственно в магматическом очаге в верхней мантии. Доказано, что незначительная часть этих риолитов является эффузивным аналогом интрузивных пород гранитного состава. Предполагают, что они могли возникнуть на начальной стадии формирования континентальной коры [5, 16].