Πετρογένεση Πυριγενών Πετρωμάτων και Οφιολιθικών Συμπλεγμάτων Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Σχολή Θετικών επιστημών, Τμήμα Γεωλογίας & Γεωπεριβάλλοντος 1 Τομέας Ορυκτολογίας και Πετρολογίας 08.05.2017
Ο όρος οφιολιθικά πετρώματα αναφέρθηκε για πρώτη φορά από τον Γάλλο ορυκτολόγο Alexandre Brongniart (1813) για να περιγράψει ένα σύνολο πράσινων πετρωμάτων στις Άλπεις, χωρίς όμως να κάνει διαχωρισμό μεταξύ πυριγενών και μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Τα πετρώματα που περιέγραψε ήταν σερπεντινίτες μέσα σε σχηματισμούς mélange. Ο ίδιος αργότερα (Brongniart, 1827) έκανε τον διαχωρισμό αυτό χαρακτηρίζοντας ένα σύνολο πυριγενών πετρωμάτων (υπερμαφικά πετρώματα, γάββρους, διαβάσες και ηφαιστειακά πετρώματα) ως οφιόλιθους, με στενή σχέση μεταξύ τους. Γεωλόγοι του 19ου αιώνα όπως οι Lotti (1886), και Suess (1909) αναγνώρισαν και αυτοί με την σειρά τους την συνύπαρξη των πετρωμάτων αυτών στις Άλπεις και στα Απέννινα Όρη. 2
Για έναν περίπου αιώνα επικράτησε σύγχυση όσον αφορά στη χρήση του όρου ωσότου ο Steinmann (1905, 1927) όρισε την έννοια του όρου οφιόλιθος. Συγκεκριμένα ανέφερε ότι ο όρος οφιόλιθος πρέπει να χρησιμοποιείται για τους περιδοτίτες-σερπεντινίτες, τους διαβάσες και τους κερατόλιθους (τριάδα του Steinmann), που σχετίζονται με ιζηματογενή πετρώματα βαθιάς θάλασσας. Τόνισε την στενή συγγενετική σχέση που έχουν τα πετρώματα αυτά μεταξύ τους, ενώ θεώρησε ότι σχηματίζονται σε in situ διεισδύσεις ανάμεσα στους άξονες γεωσύγκλινων. Άρχισε να αναφέρεται από την επιστημονική κοινότητα κυρίως την περίδο 1955-1965, με την διευκρίνηση ότι σχετίζεται με διεργασίες εξάπλωσης του ωκεάνιου πυθμένα. Ο όρος αλπικός περιδοτίτης χρησιμοποιήθηκε από τον Benson (1926) για να περιγράψει τους τεκτονικά καταπονημένους και σερπεντινιωμένους περιδοτίτες. Σύμφωνα με τον Moores (1982, 2003) μέχρι και τις αρχές του 1960, πριν δηλαδή την θεωρία των λιθοσφαιρικών πλακών, υπήρχαν τρεις διαφορετικές σχολές για την δημιουργία των οφιόλιθων. 3
Κατά τον Juteau (2003) η Ευρωπαϊκή σχολή έδινε έμφαση στην σχέση ανάμεσα στους περιδοτίτες, τις pillow λάβες και στους κερατόλιθους, ενώ θεωρούσαν ότι τα οφιολιθικά πετρώματα δημιουργούνται από μεγάλες υποθαλάσσιες εκχύσεις βασικού ή υπερβασικού μάγματος με τη μορφή θύλακα (pouch), κατά μήκος της πυθμιαίας γραμμής των ευγεωσύγκλινων. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, κάτω από το στρώμα των ψυχόμενων ηφαιστειακών πετρωμάτων δημιουργείται η ακολουθία περιδοτιτών και γάββρων από μαγματική κρυστάλλωση, αποτελώντας δηλαδή τμήματα ενός συμμαγματικού συνόλου ή μιας πλουτώνιας μάζας. Η δεύτερη σχολή, η Αγγλόφωνη, επηρεασμένη από τις απόψεις του Hess (1955) θεωρούσε ότι οι αλπικού τύπου περιδοτίτες-σερπεντινίτες, δεν είχαν καμία γενετική σύνδεση με τα υπόλοιπα πετρώματα της «Τριάδας του Steinmann», ενώ δεν πίστευαν ότι οι σερπεντινίτες αντιπροσωπεύουν διεισδύσεις μάγματος μέσα σε γεωσύγκλινα καθώς δεν τα θεωρούσαν ως πυριγενή πετρώματα.. 4
Η τρίτη σχολή προσέγγισε διαφορετικά το πρόβλημα στηριζόμενη κυρίως στον Bowen με την ανάπτυξη της θεωρίας της κλασματικής κρυστάλλωσης (Bowen 1927; Bowen & Tuttle 1949). Ο Bowen διαφωνούσε ότι οι θερμοκρασίες σχηματισμού ενός πλούσιου σε ολιβίνη μάγματος είναι πολύ υψηλές για να εξηγήσουν τον σχηματισμό των περιδοτιτών και σερπεντινιτών από διείσδυση και κρυστάλλωση τέτοιων μαγμάτων στον φλοιό, καθώς και ότι οι περιδοτίτες προέρχονται από κλασματική κρυστάλλωση βασαλτικού μάγματος. Αντιπρότεινε την άνοδο πετρωμάτων πλούσιων σε ολιβίνη και πυρόξενο ήδη κρυσταλλωμένων σε μεγαλύτερα βάθη. Ο Hess και ο Bowen είχαν και οι δυο δυσκολίες στο να ερμηνεύσουν την προέλευση των σερπεντινιτών και την σύνδεση τους με την γεωτεκτονική εξέλιξη των υπερμαφικών πετρωμάτων (Dilek, 2003). 5
O De Roever (1957) υπήρξε ο πρώτος που πρότεινε την μανδυακή προέλευση των περιδοτιτών, την τεκτονική επώθηση των οφιόλιθων και τον συσχετισμό μεταξύ των μαφικών και υπερμαφικών ενοτήτων. Αργότερα, ο Brunn (1959) παρατήρησε των συχετισμό ανάμεσα στα πετρώματα της μεσοωκεάνιας ράχης και των οφιόλιθων. O Vuagnat (1963) διαπίστωσε μεγάλες διακυμάνσεις στην αναλογία μεταξύ υπερμαφικών και γαββρικών πετρωμάτων ανάμεσα σε διάφορες περιοχές. Υποστήριξε επίσης ότι επειδή η αναλογία αυτή είναι πολύ μεγάλη, δεν μπορεί να εξηγηθεί από διαφοροποίηση ενός βασαλτικού μάγματος κατά την υποθαλάσσια έκχυση του. Αντιπρότεινε ότι οι περιδοτίτες στους οφιόλιθους αποτελούν υπολείμματα μερικής τήξης του ανώτερου μανδύα., Hebert 2008, Ophiolites: From the beginning to modern times, Journal Geol Assoc Canada, v. 34, N.3-4 6
Από τη δεκαετία του 1960 αρχίζει να αναπτύσσεται η θεωρία των λιθοσφαιρικών πλακών όπου το πρόβλημα της γένεσης των οφιόλιθων μπήκε σε νέα διάσταση. Τέθηκαν ερωτήματα για την σχέση των ιζηματογενών πετρωμάτων με τους υπερκείμενους οφιόλιθους, ενώ διαπιστώθηκε ο σημαντικός ρόλος της τεκτονικής, καθώς βρέθηκαν σε πολλά συμπλέγματα έντονα θρυμματισμένα μυλονιτικά πετρώματα στη βάση των οφιολιθικών συμπλεγμάτων (Moores 1969). Ο Hess (1965) αποδέχτηκε ότι οι οφιόλιθοι είναι τμήματα ωκεάνιου φλοιού. Αργότερα οι Gass (1968), Moores & Vine (1969, 1971), μελετώντας με γεωφυσικές και πετρολογικες μεθόδους το οφιολιθικό σύμπλεγμα του Τροόδους στην Κύπρο, επεσήμαναν ότι αυτό ήταν τμήμα του ανώτερου μανδύα, υποκείμενο ενός ωκεανού ανάμεσα στην Ευρώπη και την Αφρική, σε περιοχές απόκλισης πλακών. 7
Σύγκριση του στρωματογραφικού πάχους των οφιολιθικών ενοτήτων από διάφορα οφιολιθικά συμπλέγματα με γεωφυσικές εκτιμήσεις (Modified after Coleman 1971). Πηγή:Hebert 2008, Ophiolites: From the beginning to modern times, Journal Geol Assoc Canada, v. 34, N.3-4 8
Το πρώτο μοντέλο μαγματικού θαλάμου από τον Greenbaum (1972). Το διάγραμμα περιγράφει μια υποθετική κατάσταση κάτω από από μια ωκεάνια ράχη αργής διάνοιξης. (Modified after Coleman 1977). Πηγή:Hebert 2008, Ophiolites: From the beginning to modern times, Journal Geol Assoc Canada, v. 34, N.3-4 9
Οι μελέτες αυτές στην Κύπρο, στο Βούρινο (Moores 1969), καθώς και στις οροσειρές του Ομάν (Reinhardt 1969) αποτελούν τους πρόδρομους της σύγκλισης του διεθνούς συνεδρίου «Penrose» της Αμερικανικής Γεωλογικής Εταιρίας (Anonymous 1972). Εκεί καθορίστηκε το πλαίσιο χρησιμοποίησης του όρου και η ερμηνεία ενός ιδανικού, πλήρως ανεπτυγμένου οφιολιθικού συμπλέγματος. Σε ένα τέτοιο σύμπλεγμα διακρίνονται από κάτω προς τα πάνω τέσσερα αθροίσματα μανδυακών και πυριγενών πετρωμάτων, οι τεκτονίτες, τα πετρώματα του θαλάμου το σμήνος μικρογαββρικών φλεβών και τα βασικής σύστασης ηφαιστειακά πετρώματα από υποθαλάσσιες εκχύσεις λάβας (συνήθως υπό την μορφή μαξιλαροειδών λαβών). Στο σύμπλεγμα αυτό συγκαταλέγεται και η υπερκείμενη ακολουθία ιζηματογενών πετρωμάτων πελαγικού ή αβυσσικού χαρακτήρα. 10
Μέχρι τη σύγκλιση του Συνεδρίου Penrose το 1972, οι επιστήμονες στην Βόρεια Αμερική παρέμεναν επιφυλακτικοί σε σχέση με τις νέες θεωρίες για τους οφιόλιθους, καθώς ήταν έντονα επηρεασμένοι από τις εργασίες του Bowen (1927) σχετικά με την κλασματική κρυστάλλωση. Ο Hess υποστήριζε πως η δημιουργία του οφιολιθικού συμπλέγματος οφείλεται στη διαφοροποίηση ενός υπερμαφικού μάγματος, όμως δυσκολευόταν να βρεί αποδείξεις στην ύπαιθρο που να υποστηρίζουν την θεωρία αυτή. Ούτε ο Bowen αλλά ούτε και ο Hess συμφωνούσαν με τους Ευρωπαίους συναδέλφους τους οι οποίοι υποστήριζαν την αλλόχθονη προέλευση των οφιολιθικών συμπλεγμάτων. Ο Coleman (1971) δημοσίευσε μια πολύ σημαντική εργασία σχετικά με την τεκτονική τοποθέτηση των οφιόλιθων σε ηπειρωτικά περιθώρια σε συγκλίνοντα όρια πλακών, μηχανισμός που είναι γνωστός ως επώθηση. Πηγή:Hebert 2008, Ophiolites: From the beginning to modern times, Journal Geol Assoc Canada, v. 34, N.3-4 11
Ο Moores (1982) συμπλήρωσε την παραπάνω στρωματογραφική ακολουθία με την προσθήκη τεκτονικής ενότητας από επωθημένα τμήματα ιζηματογενών πετρωμάτων ή/και από χαοτικό μίγμα ετεροειδών πετρωμάτων (mélange) καθώς και από μεταμορφωμένα πετρώματα υψηλής θερμοκρασίας στην βάση του όλου συμπλέγματος. Στις ιζηματογενείς ακολουθίες πρόσθεσε ακόμη ηπειρωτικές ή νηριτικές αποθέσεις, συχνά με παρουσία λατεριτών. Η παραπάνω στρωματογραφία αφορά ένα ιδανικό οφιολιθικό σύμπλεγμα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, όπως έχει αναφερθεί από πολλούς ερευνητές, τα οφιολιθικά συμπλέγματα βρίσκονται διαμελισμένα (dismembered), ενώ είναι δυνατόν να απουσιάζουν εντελώς κάποια μέλη από το ιδεατό οφιολιθικό σύμπλεγμα. Οι αιτίες που προκαλούν τα φαινόμενα αυτά είναι η διάβρωση, η αποσάθρωση, οι τεκτονικές διεργασίες ή απόθεση νεότερων πετρωμάτων (Magganas 2002). 12
Από το 1970 τέθηκαν ερωτήματα για το τεκτονικό περιβάλλον δημιουργίας των οφιολιθικών σχηματισμών, καθώς και για την τοποθέτησή τους. Πολλοί ερευνητές προσπάθησαν να ερμηνεύσουν την προέλευση των οφιολιθικών πετρωμάτων κυρίως με γεωχημικά κριτήρια. Ορισμένοι υποστήριζαν ότι προέρχονται από την διάνοιξη μεσοωκεάνιας ράχης (Alabaster et al., 1980; Jacobsen & Wasserburg, 1984) ενώ ο Miyashiro (1973) βασισμένος σε έρευνες σε βασαλτικά πετρώματα του οφιολιθικού συμπλέγματος της Τρόοδου στην Κύπρο, συμπέρανε ότι προέρχεται από περιβάλλον νησιωτικού τόξου (Island Arc tholeites, IAT.). Την ίδια περίοδο οι Pearce & Cann (1971, 1973) παρουσίασαν διαγράμματα όπου με βάση τα κύρια στοιχεία και τα ιχνοστοιχεία, για το σχηματισμό των οφιολιθικών συμπλεγμάτων, γινόταν διάκριση ανάμεσα σε περιβάλλοντα διάνοιξης μεσοωκεάνιας ράχης και σε νησιωτικού τόξου με παράλληλη ζώνη διάνοιξης (Supra Subduction Zone, SSZ). 13
Μετά το 1972 ξεκίνησε μια ακμάζουσα περίοδος με πληθώρα δημοσιεύσεων σχετικά με οφιόλιθους, τόσο στη ύπαιθρο όσο και από έρευνες στον πυθμένα του ωκεανού. Η χαρτογράφηση και η εφαρμογή γεωχημικών εργαλείων οδήγησε στην αναγνώριση της ποικιλομορφίας μεταξύ των οφιόλιθων και στη συνειδητοποίηση ότι οφιόλιθοι θα μπορούσαν να σχηματιστούν σε διαφορετικά γεωδυναμικά περιβάλλοντα, όχι μόνο σε μεσο-ωκεάνιες κορυφογραμμές, αλλά και σε νησιωτικά τόξα (Miyashiro 1973). Οι Sun και Nesbitt (1978) συζήτησαν την προέλευση των χαμηλού-ti βασαλτών (αργότερα αναφέρονται ως βονινίτες από τους Cameron et al. 1979) κάνοντας τη σύνδεση μεταξύ οφιόλιθων και ζωνών υποβύθισης. Αυτό οδήγησε στην ιδέα ότι οφιόλιθοι θα μπορούσαν να δημιουργηθούν σε κέντρα διάνοιξης πάνω από ζώνες υποβύθισης, το οποίο περιγράφτηκε από τους Alabaster et al. (1982) ως supra-subduction zone μοντέλο. Πηγή: Hebert 2008, Ophiolites: From the beginning to modern times, Journal Geol Assoc Canada, v. 34, N.3-4 14
Αυτή η έννοια αναπτύχθηκε περαιτέρω από τους Pearce et al. (1984), οι οποίοι τόνισαν την προνοητικότητα του Miyashiro (1973). Η ανακάλυψη φρέσκιας υέλου βονινιτικής σύστασης σε ηφαιστειακά πετρώματα της Τροόδου (Robinson et al. 1983) και η διάκριση ανάμεσα σε fore-arc και back-arc περιβάλλοντα (Moores et al. 1984) σηματοδότησε μια κρίσιμη καμπή στην κατανόηση της προέλευσης των οφιόλιθων. Οι Stern και Bloomer (1992) καθιέρωσαν τη σύνδεση μεταξύ της έναρξης της υποβύθισης, το σχηματισμό βονινιτικού μάγματος και το σχηματισμό οφιολιθικών συμπλεγμάτων. Το 1978, μετά την επιτυχή γεώτρηση στην Ισλανδία, μια διεθνή κοινοπραξία επιστημόνων από τον Καναδά, τη Δανία, το Ηνωμένο Βασίλειο, την Ισλανδία, τις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Δυτική Γερμανία, ενώθηκαν για να σχηματίσουν τη Διεθνή Ερευνητική Ομάδα Γεώτρησης Φλοιού (ICRDG). Η ICRDG πραγματοποίησε βαθειές γεωτρήσεις πεδίου από το 1980 έως το 1985 στο Οφιόλιθου σύμπλεγμα του Τροόδους (Κύπρος) για να γίνουν συγκρίσεις με πυρήνες από το πρόγραμμα γεωτρήσεων Deep Sea Drilling Project. Τα επιστημονικά αποτελέσματα συνοψίζονται στις εργασίες Geological Survey of Canada of Paper 85-29 (Robinson et al. 1987) and Paper 88-9 (Gibson et al. 1989). 15
Σύμφωνα με τον Robertson (2002), δύο είναι τα κύρια περιβάλλοντα γένεσης των οφιολίθων, το περιβάλλον της μεσοωκεάνιας ράχης ή απόκλισης (mid-ocean ridge or spreading ridge model) και της υποβύθισης (subduction-related model). Τις τελευταίες δεκαετίες η γένεση και εξέλιξη πολλών οφιολιθικών συμπλεγμάτων παγκοσμίως, ερμηνεύεται ότι έλαβε χώρα σε γεωτεκτονικά περιβάλλοντα περιθωριακών λεκανών (marginal basins) που υφίστανται απόκλιση και που βρίσκονται πάνω από υποβυθιζόμενη λιθόσφαιρα ωκεάνιου φλοιού (Supra Subduction Zone, SSZ) (Robertson 2002, 2004). Ορισμένες εργασίες που γράφτηκαν για οφιόλιθικά συμπλέγματα στην Ελλάδα, με έμφαση στα γεωχημικά τους χαρακτηριστικά (π.χ. Miyashiro 1977; Capedri et al., 1980, 1981; Noiret et al., 1981; Beccaluva et al., 1984) επηρέασαν σε μεγάλο βάθμο τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών των οφιόλιθων σε Ζώνη απόκλισης πάνω από υποβυθιζόμενη πλάκα (SSZ). 16
Η ανάπτυξη των παραπάνω προτύπων γένεσης στηρίχθηκε τόσο σε γεωλογικά και γεωχημικά δεδομένα των οφιολιθικών εμφανίσεων, όσο και σε μελέτες ενεργών περιθωριακών λεκανών (π.χ. δυτικός Ειρηνικός Ωκεανός, Ιαπωνική λεκάνη, λεκάνη των Φιλιππίνων Νήσων), οι οποίες υπέδειξαν ένα καθεστώς γενικής απόκλισης και υψηλής θερμικής ροής (Moores & Twiss, 1995; Taylor & Natland, 1995). Παρόμοια μοντέλα περιθωριακών λεκανών προτάθηκαν για τη γένεση κι εξέλιξη των οφιολίθων της ανατολικής Μεσογείου για πρώτη φορά από τους Spray (1983) και Robertson & Dixon (1984). 17
Πηγές: Perfit et al., 1994; Dick et al., 2006 18