Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ З
ГЛАВА 1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
Геологическое положение и изотопно-геохимическая специфика вулканов ключевской группы 10
Сравнительная характеристика магматизма вулканов Ключевской и Безымянный 17
Строение вулканов и различия в их эруптивной деятельности 17
Схема строения питающих систем 24
Химический состав вулканитов 27
1.3 Значение кристаллизационных процессов в образовании
андезитовых магм 32
Влияние НгО на фазовые равновесия: толеитовый и известково-щелочной характер эволюции расплавов 34
Экспериментальные исследования андезитов 3 5
Эксперименты с андезитами вулкана Безымянный 43
Образование ВГБ-магм 47
1.4 Гипотеза генетической связи магматизма вулканов 50
Фракционирование магм в изобарических и декомпрессионных условиях 51
Декомпрессионный механизм образования ВГБ вулкана Ключевской 53
ВГБ Ключевского как возможный источник андезитов вулкана Безымянный 55
1.5 Выводы 57
ГЛАВА 2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРОД 59
Методы аналитических исследований 60
Петрография и типизация вулканитов 64
Петрографическая характеристика лав 64
Выделение петрохимических типов 69
2.3 Вариации главных и примесных элементов 73
Главные компоненты 73
Примесные элементы 77
Изотопная систематика Sr, Nd и Pb 83
Геохимические построения 86
Аппроксимация составов расплавов валовыми составами пород 86
Оценка состава родительской магмы вулкана Безымянный 94
Роль процессов ассимиляции и контаминации в генезисе андезитов вулкана Безымянный 95
Геохимическая систематика экструзивных куполов и свидетельства различных режимов фракционирования магмы в камере 97
2.6 Выводы 105
ГЛАВА 3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЕНОКРИСТАЛЛОВ 107
3.1 Эволюция состава главных породообразующих минералов 107
Вариации составов твердых фаз - общие замечания 107
Оливин 114
Пироксены 119
Плагиоклаз 126
3.2 Роговая обманка, Fe-Ti оксиды и последовательность
кристаллизации минералов 130
3.2.1 Структурная формула амфиболов и проблема оценки содержания Fe3+ 131
о і ХОТ
Определение отношения Fe /Fe и типы замещений в роговых обманках вулкана Безымянный 135
Термобарометрия роговых обманок вулкана Безымянный 140
Fe-Ti оксиды 147
Составы сосуществующих фаз и последовательность кристаллизации минералов 149
Методы исследования микроэлементного состава фенокристаллов 151
Геохимия клинопироксенов из магматической системы Ключевской-Безымянный 153
Вариации содержаний совместимых элементов 153
Вариации содержаний несовместимых элементов и редких земель 158
Геохимическая эволюция плагиоклаза 166
Геохимическая эволюция составов роговых обманок 168
Выводы 172
ГЛАВА 4. ФРАКЦИОННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ИСХОДНОЙ МАГМЫ 176
4.1 Оценка интенсивных параметров кристаллизации 176
Давление кристаллизации 176
Оценки окислительного состояния расплавов 178
Концентрация Н^О в магмах 179
Анализ эволюционных трендов на фазовых диаграммах 183
Разработка модели фракционирования ВГБ-магм 189
Метод учета влияния НгО на фазовые равновесия 192
Эмпирическое уравнение растворимости Е^О 194
Влияние Н20 на температуры ликвидуса минеральных фаз' 195
Геотермометры минерал-расплав для известково-щелочных систем 197
Тестирование модели .. . 199
моделирование кристаллизационных трендов в отсутствии амфибола 203
Роль фракционирования роговой обманки в генезисе андезитов вулкана Безымянный 208
Геохимические свидетельства фракционирования роговой обманки 211
Геохимические эффекты связанные с кристаллизацией в пограничном слое (ЖР-кристаллизация) 215
4.6 Выводы 217
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 220
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 222
ПРИЛОЖЕНИЯ
Прилоэюение А Химические составы пород А1 -А 16
Прилоэюение В Фотографии образцов пород вулкана Безымянный В1-В5
Приложение С Микрофотографии шлифов пород вулкана Безымянный С1 -С 15
Введение к работе
Магматизм субдукционных зон характеризуется широкими вариациями химического состава вулканических пород. Это проявлено на примере многих вулканических центров, демонстрирующих непрерывный спектр составов от базальтов (SiO2~50%) до дацитов и, реже, риолитов (Si02~75%). Наблюдаемые вариации микроэлементных и изотопных составов, указывают, как на гомогенность или гетерогенность мантийного источника(ов), так и на последующую эволюцию производных магматических расплавов. Принято считать, что формирующееся при этом разнообразие островодужных ассоциаций отражает различные условия выплавления первичных мантийных магм и специфику процессов кристаллизационной дифференциации, включающих смешение магм, коровую ассимиляцию и другие явления, которые сопутствуют кристаллизации в коровых очагах или подводящих каналах.
Таким образом, исследования магматизма зон субдукции сконцентрированы на
решении двух главных петрологических вопросов, касающихся: (1) происхождения
первичных магм и (2) механизмов формирования и эволюции производных
магматических расплавов. Среди моделей образования субдукционных магм в
литературе конкурируют представления о зарождении первичных расплавов в области
субдуцирующей океанической литосферы, в пределах мантийного клина, а также
схемы, предполагающие сложную природу мантийно-корового источника (см. обзор
(Myers and Johnston, 1996)). Для каждого типа перечисленных моделей представлены
общие (обычно двухстадийные) схемы формирования магматических серий,
включающие выплавление первичных высокомагнезиальных или
высокоглиноземистых расплавов с последующей дифференциацией по линии образования андезитов, дацитов и риолитов.
Как правило, эти построения базируются на геохимических данных. Во многих случаях они подтверждены результатами прямых физико-химических экспериментов по кристаллизации-плавлению пород, что позволяет ограничить конкретные P-T-fQ -
области генерации и дальнейшей эволюции субдукционных магм. При этом общим для большинства сценариев магматической эволюции является условие формирования андезитовых и более кислых расплавов из базальтового источника. Эти представления являются классическими в петрологии (Воwen, 1928), а их современная трактовка сводится к оценке конкретных термодинамических условий и главных фаз,
контролирующих формирование известково-щелочных серий. Одним из непременных условий реализации этой типоморфной тенденции эволюции островодужных магм является присутствие растворенной воды, поэтому принципиальное значение приобретает выяснение режима и характера летучих (прежде всего НгО) в конкретной петрологической и геодинамической обстановке.
Несмотря на огромное количество петрологических, геохимических и экспериментальных данных, полученных к концу XX века, остается много нерешенных вопросов, касающихся природы и масштабов процессов, происходящих в подводящих каналах вулканических систем. Геологические аспекты этих проблем включают размеры и строение отдельных магматических очагов, а также конфигурацию питающих систем и областей разгрузки магматического материала. Каким образом происходит питание эруптивной системы, реализующейся на поверхности серией независимых вулканических излияний (ареальный вулканизм): это один общий очаг, или каждая отдельная вулканическая постройка имеет собственную питающую камеру? Являются ли несколько вулканических камер в пределах одного вулканического центра связанными между собой или же изолированными друг от друга? В последнем случае надо установить, питает ли эти относительно мелкомасштабные очаги одна и та же родительская магма? С решением этой проблемы неизбежно возникает вопрос об особенностях магматических процессов в изолированных камерах: протекают ли они по единому сценарию и какова роль термодинамических параметров (температура, давление, режим летучих) и динамических факторов (кристаллизация в пограничном слое, осаждение кристаллов, конвекция и т.д.), контролирующих эволюцию производных магматических расплавов? Наконец, немаловажна временная составляющая (шкала) этих процессов, которая определяет взаимосвязи между строением (состоянием) магматической камеры (системы) и последовательностью эруптивных событий.
Решение поставленных вопросов требует всестороннего изучения ассоциаций основных, средних и кислых вулканитов, для которых можно предполагать единый родительский источник и общий кристаллизационный механизм образования магматической серии. В этой связи лавы вулканов Ключевской и Безымянный представляют уникальную возможность проследить петрологическую и геохимическую эволюцию однотипных исходных магм и их дериватов, поступавших из мантии в коровые очаги и на земную поверхность. Расположенные в непосредственной близости
друг от друга (~10 км) вулканы резко отличаются морфологически, по вещественному составу продуктов излияний и характеру эруптивной деятельности. Это, возможно, определило специфику предшествующих петрологических исследований - эволюция базальтового магматизма вулкана Ключевской и существенно андезитового магматизма вулкана Безымянный традиционно рассматривалась раздельно. Серия лав вулкана Ключевской представляла самостоятельный петрологический интерес - особенно в плане изучения непрерывного перехода от высокомагнезиальных к более глиноземистым разностям. Эту последовательность пород связывают с процессами фракционирования и образования высокоглиноземистых базальтов, как одного из главных типов островодужных магм. С другой стороны и сами ВМБ привлекают внимание как источник информации о составе и процессах плавления мантийного вещества. Андезитовый магматизм вулкана Безымянный, напротив, в большей мере связывался с кристаллизационными процессами, протекающими в приповерхностном коровом магматическом очаге. Несмотря на экспериментальные доказательства возможности формирования андезитов и дацитов из базальтовой магмы, высказывались весьма осторожные предположения о возможной генетической связи пород этих крупных вулканических центров.
В 1997 г. Озеров и Арискин (Озеров и др., 1997), на основе анализа литературных геологических и геофизических наблюдений о строении и особенностях магматизма вулканов Ключевской и Безымянный, а также новых геохимических данных, предложили обобщенную модель глубинной эволюции и питания этих вулканических центров. В этой работе обоснован вывод о генетическом родстве двух «укороченных» известково-щелочных серий: существенно базальтовой (влк. Ключевской) и андезитобазальт-дацитовой (влк. Безымянный). Резкий контраст в продуктах извержений этих вулканов интерпретировался как результат кристаллизационного фракционирования родительских магм в принципиально различных геодинамических и термодинамических условиях - «декомпрессионных», протекающих по эволюционной линии высокомагнезиальный базальт —» высокоглиноземистый базальт (влк. Ключевской), и преимущественно «изобарических» - с образованием андезитов и дацитов из высокоглиноземистой магмы (влк. Безымянный). При этом был сделан важный вывод, что ВГБ-матмы, как конечные продукты дифференциации вулкана Ключевской, в геохимическом отношении
однотипны и родственны предполагаемым родительским ЯГі>-магмам вулкана Безымянный.
Декомпрессионный этап фракционирования высокомагнезиальных магм вулкана Ключевской последовательно освещен в литературе и подтвержден соответствующими кристаллизационными моделями на основе расчетов фазовых равновесий в водосодержащих базальтовых системах (Арискин и др., 1995; Арискин и Бармина, 2000). Напротив, петролого-геохимическая схема изобарического фракционирования в гипотетической камере вулкана Безымянный носит качественный характер и должна базироваться на более представительном геохимическом материале1. Следует отметить, что петролого-геохимические исследования пород вулкана Безымянный, в основном, были сконцентрированы на изучении продуктов современных извержений. Имеющиеся в литературе данные по составам вулканитов -продуктов ареального вулканизма крайне скудны (Горшков и Богоявленская, 1965; Брайцева и др., 1990) и на сегодняшний день также не могут считаться представительными (они были получены методом «мокрой химии»). Что касается довольно ограниченных геохимических данных, опубликованных в (Озеров и др., 1997), то до последнего времени они представляли едва ли не единственное геохимическое исследование пород вулкана Безымянный, выполненное на современном аналитическом уровне.
В настоящей работе автор поставил задачу провести систематическое исследование составов пород и минералов вулкана Безымянный на основе современных прецизионных аналитических методов. Эта задача направлена на решение следующих генетических проблем:
(1) Выяснение петрогенетических соотношений между породами различных временных этапов формирования вулкана - вулканическими образованиями терминальных извержений и продуктами ареального вулканизма, слагающими многочисленные экструзивные купола. При этом на первый план выходит вопрос об относительной роли процессов фракционной кристаллизации, ассимиляции и смешения магм при образовании пород данной известково-щелочной серии.
1 В своих выводах авторы (Озеров и др., 1997) опирались на геохимические данные, полученные в результате изучения 12 образцов Ключевского вулкана и 10 образцов вулкана Безымянный.
(2) Оценка состава исходных магм андезитового вулкана Безымянный и
природы возможной генетической связи этих расплавов с близкими по составу
продуктами эволюции базальтового магматизма вулкана Ключевской.
(3) Определение предэруптивных характеристик для магм различных
минеральных типов (стадий извержений) и разработка согласованной петролого-
геохимической модели формирования андезитобазальт-дацитовой серии вулкана
Безымянный.
Фактический материал диссертационной работы основан на изучении коллекции из 60 образцов пород экструзивных куполов, вулканических лав и пирокластических потоков вулкана Безымянный. Основную часть этой коллекции представляют образцы, предоставленные А.Ю. Озеровым (ИВ ДВО РАН). Семь образцов были отобраны автором в ходе проведения совместных с Институтом вулканологии полевых работ в районе вулкана Ключевской в 1997 г. Андезитобазальт вулкана Камень и пять дополнительных образцов предоставил для исследования А.П. Максимов (ИВГГ ДВО РАН). 15 образцов представительных базальтов Ключевского вулкана относятся к коллекции А.А. Арискина и Г.С. Барминой (ГЕОХИ РАН).
Постановка задачи и основной объем исследований проведены автором в коллективе лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН под руководством д.г.-м.н. А.А. Арискина. Аналитические исследования пород и минералов были проведены автором под руководством проф. Джун-Ичи Кимуры в геохимической лаборатории геологического факультета университета Шимане (Япония). На начальном этапе исследований составы минералов и включений в них (андезиты извержения 1956 г.) были определены Н.Н. Кононковой (ГЕОХИ РАН).
Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения и дополнительных материалов, включающих фотографии пород и шлифов (Приложения В и Q, а также таблиц, содержащих результаты химических анализов (Приложение А). Основной материал работы изложен на 238 страницах, которые содержат 16 таблиц и 90 рисунков. Список цитируемой литературы включает 387 наименований. Главные методы исследования - обобщение и анализ литературных данных, прецизионные химические методы анализа пород и минералов (микрозонд, XRP, ICP-MS, Laser Ablation ICP-MS, TIMS), методы сепарирования минералов (тяжелые жидкости,
магнитосепаратор), разработка ЭВМ-программ, проведение термодинамических расчетов и сопоставление полученных результатов с данными природных наблюдений.
По теме диссертации опубликовано 4 статьи. Результаты исследований докладывались на 6 отечественных и 11 международных совещаниях и конференциях, в том числе: XIII Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1995); Международной конференции посвященной 100-летию со дня рождения Н.А. Елисеева (Санкт-Петербург, 1998); Международном симпозиуме посвященном 100-летию академика Д.С. Коржинского (Москва, 1999); Ежегодном семинаре экспериментаторов (Москва, 1996); Конференции молодых ученых ГЕОХИ РАН (Москва, 1999); Научной школе 8 рейса НИС "Академик Иоффе" (2000); Генеральной ассамблеи IAVCEI (Пуэрто-Валларта, Мексика, 1997); на симпозиумах Европейского союза наук о земле EUG-IX, EUG-X (Страссбург, Франция, 1997, 1999); на конференции «Минеральные равновесия и базы данных» (Эспуу, Финдляндия, 1997); на конференциях Европейского объединения экспериментаторов EMPG-VIII и EMPG-X (Бергамо, Италия 2000 и Франкфурт, Германия 2004); на XXXI Геологическом конгрессе (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2000); на рабочем совещании по программе бурения магматического канала вулкана Унзен ( Шимабара, Япония, 2002); Объединенном совещании наук о Земле и Планетах (Токио, Япония, 2002); Гольдшмитовской конференции (Курашики, Япония, 2003), 1-ой Генеральной ассамблеи Европейского союза наук о земле EGU-2004 (Ница, Франция, 2004).
Автор благодарит научного руководителя д.г.-м.н. А.А. Арискина за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Автор признателен А.Ю. Озерову за предоставленный каменный материал, без которого данная работа была бы невозможна, а также за незабываемые впечатления геологических работ на активных вулканах Камчатки. Хочется особо поблагодарить проф. Джун Ичи Кимуру за неоценимую помощь при проведении лабораторных исследований и обсуждение полученных результатов. Автор благодарен Н.Н. Кононковой, за помощь при проведении микрозондовых исследований на начальном этапе работы. Автор искренне признателен А.П. Максимову и А.Ю. Озерову за обсуждения и дискуссии, позволившие обозначить «белые пятна» геологической истории влк. Безымянный и во многом определившие идеологию последующих исследований. Самые теплые чувства связывают автора с друзьями и коллегами Г.С. Барминой и Г.С. Николаевым, которым хочется выразить признательность за помощь,
внимание и теплую атмосферу, сложившуюся в нашей группе. Искренняя благодарность всему коллективу лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов, друзьям из лаборатории сравнительной планетологии и метеоритики.
Автор выражает свою признательность многим коллегам за ценные комментарии и полезные замечания, полученные во время обсуждений различных материалов исследования. Среди них А.Б. Белоусов, А.А. Борисов, Р.Е. Бочарников, A.M. Бычков, Г. Вёрнер, Е.И. Гордеев, Л.В. Данюшевский, Дж. Девайн, Дж. Джилл, X. Ивамори, В.В. Калугин, Е.В. Коптев-Дворников, Дж. Лиз, А.П. Максимов, Г.С. Николаев, А.Ю. Озеров, П.Ю. Плечов, М.В. Портнягин, Б. Розер, X. Сато, С.А. Силантьев, Т. Сугавара, Ф. Хольте, СВ. Хубуная, Т.Г. Чурикова, О.И. Яковлев. Автор благодарен Н.И. Андрееву за первые уроки геологических и минералогических исследований на Урале.
