Несмотря на длительную историю изучения базальтового магматизма и большой объем экспериментальных исследований, посвященных проблеме происхождения базальтовых магм, основные вопросы этой проблемы до сих пор остаются дискуссионными. В большой степени это связано с отсутствием надежной геофизической и геохимической информации о химическом и минеральном составе верхней мантии и протекающих в ней процессах переноса тепла и вещества.

Х. С. Иодер в заключении монографии «Образование базальтовых магм» [1] обозначил ряд вопросов, на которые, по его мнению, не было адекватных ответов. Несмотря на то, что с момента публикации его книги прошло 30 лет, на многие из них нет ответов и в настоящее время, и поэтому мы считаем необходимым поставить их снова. Перечислим эти вопросы: 1. Что плавится, давая базальтовую магму? 2. На какой глубине начинается плавление? 3. Как начинается плавление? 4. Почему преобладают базальтовые расплавы? 5. Какие факторы определяют разновидности базальтов?

К этому перечню следует добавить еще ряд вопросов: 6. Чем объясняется постоянство состава основных типов базальтов? 7. Какова степень плавления исходного вещества? 8. Как отделяется расплав от субстрата? 9. Что происходит с расплавом при его подъеме из зоны генерации к поверхности?

 Из всех известных типов базальтов мы рассмотрим два наиболее распространенных: базальты срединно-океанических хребтов и океанических островов. Полагаю, что именно они являются первичными базальтами, образованными в результате частичного плавления вещества верхней мантии, и полагаю, что при образовании других типов действовали дополнительные внешние факторы, определившие их отличие от первичных базальтов. Рассмотрим, как можно ответить на поставленные вопросы.

Как и на какой глубине начинается плавление? До сих пор во всех моделях образования базальтовой магмы рассматривалась ситуация, когда на некоторой, подходящей по условиям плавления глубине, в результате подъема температуры выше температуры солидуса вещества верхней мантии, это вещество частично переходило в расплавленное состояние. При этом, никогда четко не регламентировался вопрос о том, каким образом происходит подъем температуры. Между тем в природе существуют только два способа переноса тепла в условиях верхней мантии: кондуктивный перенос и перенос тепла движущимся потоком вещества. Скорость переноса тепла первым способом определяется соотношением:

ℓ² = χt,

где ℓ – это расстояние, на которое прогревается вещество за время t при температуропроводности мантии χ. При значении χ ~ 5 × 10^-3 cм²/c [2] за 10⁶ лет теплота кондуктивным способом может быть перенесена на расстояние ~ 4 км. Из этого расчета следует, что этот способ переноса тепла можно во внимание не принимать. Второй способ предполагает, что тепло в область частичного плавления поступает вместе с веществом, например, при подъеме мантийного диапира и плавление начинается тогда, когда вещество диапира пересечет изобару солидуса.

Что плавится, давая базальтовую магму? В литературе обсуждаются разные источники базальтовой магмы: эклогиты, амфиболиты, вещество метеоритов и различные типы перидотитов. Определим главное требование, которое предъявляется к исходному веществу. Оно не только должно при частичном плавлении давать расплав базальтового состава, но отличаться стабильностью состава и быть постоянным источником базальтового расплава в течение, по крайней мере, 2–3 млрд лет. Ответ на этот вопрос имеет прямое отношение к первому вопросу и вопросу о том, чем определяется постоянство состава базальта. Если перенос тепла в область генерации базальтового расплава осуществляется потоком вещества, поступающего снизу, то очевидно, что плавится само это вещество. Это снимает проблему постоянства состава вещества, при частичном плавлении которого образуется базальтовая магма, так как мы вправе предположить, что вещество мантии, на той глубине, с которой оно поступает в зону плавления, имеет достаточно постоянный состав. В качестве модельного вещества мы можем принять пиролит Рингвуда, гранатовый перидотит или усредненный состав хондритового вещества. Экспериментально установлено, что при давлении 20–30 кбар, при частичном плавлении, из этих составов можно выплавить расплав, близкий к составу базальта [3], причем состав расплава остается практически постоянным при изменении температуры в пределах 75 ^°С и давления в интервале 20–30 кбар.

Что заставляет базальтовый расплав подниматься к поверхности и как расплав отделяется от рестита? К настоящему времени выполнено большое число экспериментальных исследований, в которых авторы пытались определить степень плавления, при которой расплав механически отделится от кристаллов. Предполагалось, что расплав должен отделиться благодаря его меньшей плотности. В опытах было установлено, что при частичном плавлении расплав образуется в межзерновом пространстве и при невысокой степени плавления, благодаря межфазному натяжению, отделение расплава от кристаллических зерен не происходит. Все эти эксперименты выполнены в статических условиях и, по нашему мнению, полученные в них результаты прямого отношения к природным условиям не имеют. Плавление поднимающегося мантийного вещества происходит не в статических, а в динамических условиях. При появлении в нем первых порций расплава объем вещества в зоне плавления возрастает, что приводит к локальному повышению давления. При полном плавлении базальта его объем увеличивается на 16 % [1]. На глубине 100 км, при увеличении объема на 1 % развивается избыточное давление равное около 30 МПа. Реальную величину избыточного давления можно оценить по высоте подъема магмы над уровнем моря в действующих вулканах. Лавовое озеро в кратере Ньиро-Гонго находится на высоте 3200 м, что при плотности расплава, равной 2.5 г/см³ дает значение 80 МПа. Под действием избыточного давления смесь, состоящая из расплава и кристаллов, начинает выдавливаться вверх. В процессе течения происходит разделение смеси на слои, одни из которых обогащены расплавом, другие кристаллическими зернами. Постепенно расплав полностью отделяется от кристаллического остатка и поднимается к поверхности.

Какова степень плавления мантийного вещества и чем определяется постоянство состава базальта? Рассмотрим более подробно механизм плавления вещества в поднимающемся с глубины мантийном диапире. Возьмем в качестве начального состояния невозмущенную мантию с некоторым средним для Земли градиентом температуры. При подходе диапира к поверхности его вещество пересекает изобару солидуса и начинает плавиться. Если латеральные вариации плотности литосферы выше изобары солидуса невелики, то плавление в диапире будет начинаться на одинаковой глубине и при постоянном давлении. Следующим параметром, который регламентирует процесс плавления, является величина избыточного давления, необходимого для того, чтобы смесь, состоящая из расплава и кристаллов, начала выдавливаться из диапира вверх. Она определяется двумя параметрами: литостатическим давлением и степенью плавления. Если выполняется условие однородности литосферы, то эта величина и, вместе с ней, степень плавления и состав расплава также будут достаточно постоянными. Тем более, как мы отметили выше, вариации давления в интервале 20–30 кбар не оказывают большого влияния на состав выплавляющегося расплава.

 По мере удаления расплава из зоны генерации на его место будет поступать свежий мантийный материал и процесс плавления будет происходить в стационарном режиме, при котором состав выплавляемого базальтового расплава поддерживается постоянным. Важно отметить, что температура ликвидуса базальта с падением давления уменьшается от 1530 ^°С при 30 кбар до 1415 ^°С при 15 и 1350 ^°С при 5 кбар [4]. Поэтому при подъеме расплава до уровня промежуточных камер кристаллизации изменение его состава происходить не должно. Скорее всего, расплав будет остывать и частично кристаллизоваться только в промежуточных камерах.

 

 

1.      Иодер Х. Образование базальтовой магмы. М.: Мир, 1979. 238 с.

2.      Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 416 с.

3.      Green D. H., Ringwood A. E. The genesis of basaltic magmas // Contrib. Miner. Petrol., 1967. V.15. Р. 103–190.

4.      Hirose K., Kushiro I. Partial melting of dry peridotites at high pressures: Determination of compositions of melts segregated from peridotite using aggregates of diamonds // Earth Planet Sci. Lett., 1993. V. 144. Р. 477–489.