Крупные магматические провинции известны давно, но большая часть из них изучается на континентах, поскольку океанское дно стало нам доступно сравнительно недавно. На континентах крупные магматические провинции привлекают большое внимание геологов, геофизиков, геохимиков, поскольку они являются не только уникальным геологическим объектом в плане масштабов, размеров магматизма, но и в плане концентрации в их недрах полезных ископаемых. Сибирские траппы, Норильский рудный район — это самые крупные месторождения меди, металлов платиновой группы, редкоземельных элементов.
Основными критериями крупных магматических провинций является их большой масштаб и объем. Магматическая провинция считается крупной, если она занимает площадь более одного миллиона квадратных километров. Также она считается крупной, если ее объем достигает больше 500 тысяч кубических километров. Главный критерий крупных магматических провинций — это то, что они формируются за очень короткий интервал геологического времени, порядка первых миллионов лет, а как показали последние исследования, и гораздо меньше.
Нашей группе довелось работать на нескольких крупных магматических провинциях. В первую очередь это сибирская трапповая провинция. Ее возраст оценивается примерно в 251 миллион лет. Это самая крупная континентальная магматическая провинция на Земле. Ее образование практически в пределах погрешности методов совпадает с самым известным на Земле вымиранием живых организмов — пермским вымиранием. Не первое столетие стоит вопрос, что явилось причиной этого вымирания: излияния сибирских траппов на сибирской крупной магматической провинции или что-то еще. Мы много работали над этим, используя палеомагнитный метод, используя свойство магнитного поля Земли изменять свою конфигурацию с течением времени. Как мы знаем, сейчас магнитные Северный и Южный полюсы смещаются каждую секунду, каждый день, каждый год. За последние двести лет они сместились примерно на десять градусов — это порядка тысячи километров. Используя способность магнитного поля Земли изменяться во времени, а именно то, что называется вековыми вариациями магнитного поля Земли, мы можем оценивать продолжительность формирования крупных магматических провинций.
Наш коллектив недавно сделал это на примере сибирских траппов, сибирской трапповой провинции. И проблема заключалась в том, что современные методы геохронологии, которые позволяют определить изотопный возраст пород, даже на таком довольно небольшом отдалении от современности — 250 миллионов лет — дают погрешность первые сотни тысяч лет. И разрешения этих методов не хватает для четкого определения продолжительности формирования мощных лавовых толщ. Лавовые толщи в Норильском районе достигают 3,5 километров. Можете себе представить, какой вклад, какой импакт, как говорят, в биосферу могло внести их извержение, если это происходило довольно быстро.
Если разделить весь объем сибирских траппов на время формирования, предполагаемое с точки зрения геохронологии — примерно 1 миллион лет, получается, что сибирские траппы извергались с той же интенсивностью, с которой на Земле сейчас происходит магматизм. Извержения 5, 10, 15 кубических километров в год не вызывают никакого катастрофического воздействия на биосферу. В то же время если предположить, что сибирские траппы извергались в виде вулканических пульсов — очень мощных, ярких извержений, между которыми были продолжительные периоды затишья, — то пермо-триасовое вымирание, то есть позднепермское вымирание, произошло в результате извержения сибирских траппов.
Мы исследовали каждый лавовый поток, который могли найти, отбирали из него до 25 палеомагнитных образцов. Это трудоемкая, кропотливая работа, она потребовала порядка десяти лет напряженной работы большого коллектива. Мы смогли получить новые оценки продолжительности и интенсивности формирования сибирских траппов, главным выводом которых стало то, что сибирские траппы сформировались в результате очень резких, импульсивных всплесков вулканизма продолжительностью в первые сотни лет. В общей сумме магматизм, сформировавший эту мощную толщу лав до 3,5 километров, длился не более десяти тысяч лет. Между этими вспышками вулканизма, между магматическими пульсами были периоды покоя, тишины, когда извержений не было. Но эти вспышки могли спровоцировать биологический кризис вследствие того, что очень большой объем лавы извергался за короткое время. Выделялись различные газы: CO, CO2, SO2, метан. И они могли менять климат на Земле и привести к вымиранию организмов.
Наша группа также долго работала по вулканическим, магматическим провинциям континентов, от которых уже не осталось лавового чехла. Дело в том, что те крупные магматические провинции, которые формировались на протяжении последних двухсот миллионов лет и в более позднее, близкое к нам время, представлены двумя формациями — это эффузивные толщи, а именно лавы, и интрузивные породы, то есть подводящие к вулканам каналы — силлы и дайки. Дело в том, что со временем эрозия стирает лавовый покров с поверхности Земли, от крупной магматической провинции остаются только ее корни, подводящие каналы к вулканам, которые поставляли магму к вулканам, извергавшим лаву в ходе формирования этой провинции. Практически все магматические провинции, возраст которых больше чем 300 миллионов лет, лишены своей лавовой, или эффузивной, части и представлены исключительно интрузивной частью. Интрузии — это в основном дайки или силлы основных пород, которые обнажаются на различных древних платформах в различных их частях.
Изучая лавовые толщи, мы знаем, что каждый вышележащий лавовый поток извергался позднее нижележащего. Мы знаем стратиграфическую последовательность, временную последовательность извержения этих потоков, формирования этой толщи. Когда мы рассматриваем дайки или силлы, мы не знаем, какая дайка сформировалась раньше, а какая позже. В этом случае палеомагнитный метод тоже работает и позволяет решать довольно интересные задачи. И одна из интересных задач, которую мы решили в последнее время, касается изучения новой крупной магматической провинции на севере Сибирской платформы, в ее полярной части. Дело в том, что в тех местах — это район Хатанги, река Котуй и Котуйкан — давно известны интрузии основных пород, те самые дайки и силлы.
Особо интересным вопросом в теме крупных магматических провинций является вопрос о механизме их формирования. Очень долго механизм формирования крупных магматических провинций оставался большим вопросом, потому что они располагаются чаще всего в пределах древних платформ, где не стоит ожидать проявления активного магматизма. В то же время огромные объемы магматического материала, который извергается, позволяют предполагать некие уникальные эндогенные процессы, формирующие магматические провинции. Выход был найден примерно в 70-х годах XX века в связи с выдвижением так называемой плюмовой гипотезы. Согласно ей с границ ядра мантии — это глубина 2900 километров — из слоя D′′ время от времени поднимаются струи разогретого вещества мантии. Нельзя говорить, что это струи. Это твердое вещество мантии, но оно относительно более теплое, чем окружающая мантия, и вследствие теплового неравновесия оно всплывает, и всплывает относительно быстро, примерно 1–10 метров в год, достигает границы верхней и нижней мантии. Чаще всего или прожигает и проходит ее, или растекается по ней. Достигает литосферы и как бы подогревает ее, вызывает частичное плавление под литосферной мантией и тем самым появление большого количества базальта, который и формирует крупные магматические провинции.
С момента зарождения этой теории было как много критики против нее, так и большое количество доводов в ее пользу. До сих пор этот вопрос остается остро дискуссионным, поскольку даже высокоразрешающая сейсмическая томография до сих пор не позволяет определить плюмы именно в той конфигурации, в которой мы их представляем в моделях. В моделях мы представляем в виде струи, которая поднимается, растекается под литосферой и образует такую шляпку. Плюмовая шляпка до сих пор в природе нигде еще не зафиксирована, поэтому эта гипотеза пока еще остается гипотезой.
Крупные магматические провинции до сих пор являются объектом пристального внимания всех геологов. В том числе это происходит потому, что остается множество нерешенных вопросов, связанных с механизмом формирования крупных магматических провинций. На примере сибирских траппов остается непонятным, как такое огромное количество магматического материала, лавы, было извержено за такой короткий промежуток времени, какие механизмы внутри Земли могли способствовать этому. Ответ на этот вопрос до сих пор неизвестен. Многие группы ученых работают в поисках ответа на него. Сибирские траппы огромны, занимают территорию от Лены до Енисея и дальше до Уральских гор, от Хатанги до Иркутска. Большое внимание уделяется пониманию того, откуда берутся крупные месторождения полезных ископаемых в пределах магматических провинций и что способствует их локализации. Самые крупные и ценные месторождения сконцентрированы только в Норильском районе. Ответ на вопрос, почему уникальные месторождения расположены именно там, до сих пор неясен.
