Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема образования позднекайнозойских вулканических бимодальных ассоциаций востока азии: результаты предыдущих исследований и постановка задачи данной работы 14
1.1. Краткая общая история исследования позднекайнозойских вулканических бимодальных комплексов Востока Азии 14
1.1.1. Вулканический ареал Чанбайшань 16
1.1.2. Вулкан Чанбайшань Тяньчи 21
1.2. Существующие представления о генезисе и эволюции магм вулканического ареала Чанбайшань 26
1.3. Постановка задачи исследования 27
Глава 2. Методы исследования 30
2.1. Аналитические методы 30
2.1.1. Методы валового химического анализа пород 30
2.1.2. Rb-Sr и Sm-Nd изотопный метод 31
2.1.3. Методы локального анализа 32
2.2. Методы исследования магматических включений в минералах 35
2.2.1. Классификация магматических включений 36
2.2.2. Представительность расплавов, захваченных минералами в виде включений 36
2.2.3. Экспериментальное исследование включений минералообразующих сред
2.2.3.1. Аппаратура 39
2.2.3.2. Методика 40
Глава 3. Петрографическая и минералогическая характеристика изученных вулканитов 43
3.1. Породы щитовой платформы 44
3.1.1. Базальтоиды 44
3.2. Породы, слагающие конус вулкана 49
3.2.1. Трахиты 49
3.2.2. Базальтоиды конуса и кальдеры 53
3.3. Породы кальдерного этапа формирования вулкана 57
3.3.1. Трахитовые пемзы извержения 1024 г.н.э 57
3.3.2. Комендитовые пемзы (обр. БТ-2б) 59
3.3.3. Пантеллериты 63
Глава 4. Химический и изотопный состав пород вулкана Чанбайшань Тяньчи 67
4.1. Химическая классификация пород 67
4.2. Химический состав пород
4.2.1. Петрогенные элементы 69
4.2.2. Микроэлементы 71
4.3. Изотопный (Sr-Nd) состав пород 73
Глава 5. Исследование магматических включений в минералах 75
5.1. Характеристика магматических включений и результаты их
термометрических и криометрических исследований 75
5.1.1. Трахиандезибазальты щитового вулкана 75
5.1.1.1. Кристаллические включения 75
5.1.1.2. Расплавные включения 76
5.1.2. Базальтоиды конуса и кальдеры 81
5.1.2.1. Флюидные включения 81
5.1.2.2. Расплавные включения 82
5.1.3. Трахиты конуса 85
5.1.3.1. Кристаллические включения 85
5.1.3.2. Флюидные включения 85
5.1.3.3. Расплавные включения 87
5.1.4. Оливины щелочных пемз извержения 1024 г.н.э 91
5.1.4.1. Кристаллические включения 91
5.1.4.2. Флюидные включения 94
5.1.4.3. Расплавные включения 94
5.1.5. Комендиты кальдеры 96
5.1.5.1. Кристаллические включения 96
5.1.5.2. Расплавные включения 99
5.1.6. Пантеллериты кальдеры 101
5.1.6.1. Кристаллические включения 101
5.1.6.2. Расплавные включения 101
Глава 6. Условия кристаллизации и состав магм вулкана Чанбайшань Тяньчи 103
6.1. Условия кристаллизации магм 103
6.1.1. Температура кристаллизации магм 103
6.1.2. Давление кристаллизации магм 104
6.1.3. Влияние окислительно-восстановительных условий на расслоение магм вулкана 106
6.2. Химический состав изученных расплавов и его особенности 111
6.2.1. Базитовые расплавы вулкана Чанбайшань Тяньчи 112
6.2.1.1. Базитовые расплавы щитового вулкана 112
6.2.1.2. Базальтовые расплавы, зафиксированные в качестве расплавных включений в оливине щелочных пемз извержения 1024 г.н.э 113
6.2.1.3. Базитовые расплавы конуса и кальдеры вулкана
6.2.2. Трахитовые расплавы конуса вулкана 118
6.2.3. Комендитовые и пантеллеритовые расплавы кальдеры 121
Глава 7. Происхождение и эволюция магм вулкана Чанбайшань Тяньчи 124
7.1. Характеристика источников магм 124
7.2. Роль магматических процессов в формировании пород вулкана 128
7.2.1. Дифференциация магм 128
7.2.1.1. Эволюция расплавов, ответственных за формирование всего спектра пород вулкана Чанбайшань Тяньчи 128
7.2.1.2. Эволюция изотопного состава стронция в расплавах вулкана Чанбайшань Тяньчи 1 7.2.2. Смешение магм 140
7.2.3. Общая схема эволюции расплавов 141
7.3. Петролого-геодинамическая модель образования вулкана Чанбайшань Тяньчи 142
Заключение 145
Список работ по теме диссертации 147
Список литературы
- Существующие представления о генезисе и эволюции магм вулканического ареала Чанбайшань
- Методы исследования магматических включений в минералах
- Породы, слагающие конус вулкана
- Влияние окислительно-восстановительных условий на расслоение магм вулкана
Введение к работе
Актуальность работы. При исследовании бимодальных магматических серий первостепенными являются вопросы о составе, эволюции и источниках базитовых и щелочно-салических расплавов, а также о генетической связи между ними. По современным изотопно-геохимическим представлениям источниками базитовых магм бимодальных серий могут быть деплетированная мантия типа PREMA и в разной степени обогащенная мантия (Коваленко и др., 2002). Считается, что щелочно-салические породы бимодальных магматических ассоциаций могли образоваться в результате следующих процессов: 1) кристаллизационной дифференциации первичных базальтовых магм (Макдональд, 1974; Civetta et al.; 1998, Коваленко и др., 2001); 2) частичного плавления щелочных базитов в нижних частях континентальной коры (Trua et al., 1999); 3) смешения корового и мантийного материала (Davies, Macdonald, 1987; Jarrar et al, 1992). Вместе с тем, единой модели образования бимодальных магматических ассоциаций до сих пор нет, в том числе и из-за противоречий в интерпретации исходных данных в части установления генетических связей между разными по составу породами этих ассоциаций. Важную информацию в таких исследованиях могли бы дать сведения о составе расплавов, участвовавших в формировании бимодальных серий пород, на основе метода изучения расплавных включений, который позволяет наиболее полно раскрыть особенности формирования «длинных» магматических серий.
Одним из наиболее ярких проявлений современного бимодального магматизма является вулкан Чанбайшань Тяньчи (корейское название – Пектусан), возникший в пределах кайнозойской внутриплитной провинции Центральной и Восточной Азии (Ярмолюк и др., 2011). Его продукты относятся к щелочнобазальт-трахит-пантеллерит-комендитовой серии и отвечают разным по составу расплавам, изливающимся из общего вулканического центра. Интерес к этому вулкану вызван еще и тем, что он, являясь действующим, знаменит своими катастрофическими извержениями, в частности, комендитовых и пантеллеритовых пеплов в историческое время. Так, мощнейшая эксплозия в истории вулкана произошла 1000 лет назад (1024 г. н.э.) (Wei et al., 2007б), когда из жерла было выброшено около 100 км3 тефры трахит-комендит-пантеллеритового состава, достигшей северных Японских островов (Сахно, 2008) и юга Приморья России.
В настоящее время в литературе накоплены данные, касающиеся возрастных характеристик основных этапов формирования вулкана Чанбайшань Тяньчи (Геология…, 1993; Liu, 1987; Liu et al., 1994; Wei et al., 2003; Liu et al., 1998; Wei et al., 2007б; Wei et al., 2007б; Сахно, 2008), петрохимического и изотопного состава пород вулкана (Zou et al., 2008; Kuritani et al., 2009; Kuritani et al., 2011; Сахно, 2007; Сахно, 2008; Попов и др., 2008). Что же касается вопросов изучения состава и эволюции магматических расплавов (по включениям минералообразующих сред) вулкана, то такая информация в литературе практически отсутствуют. Имеются лишь единичные данные исследования расплавных включений в минералах пород этого объекта. Так, в работе (Horn, Schmincke, 2000) приводятся результаты изучения расплавных включений во вкрапленниках комендитовой пемзы извержения 1024 г. н.э. Авторами охарактеризован состав расплава (петрогенные и летучие компоненты), отвечающего за образование этой породы, при этом редкоэлементный состав стекол таких включений остался практически не изучен (в публикации приведены лишь данные по содержаниям Zr и H2O). В другой работе, также посвященной исследованию расплавных включений в щелочных пемзах (Ni et al., 2008), приведены лишь результаты их термометрического изучения. Совершенно очевидно, что на основе таких фрагментарных данных невозможно проследить вещественную эволюцию магм вулкана Чанбайшань Тяньчи.
В этой связи, проведенное автором изучение включений минералообразующих сред во вкрапленниках главных типов пород вулкана в комплексе с геологическими, петрологическими и изотопно-геохимическими исследованиями этих пород – является первым, оригинальным и имеет ключевое значение для разработки модели эволюции магматических расплавов при формировании этого уникального объекта. Все выше сказанное определяет актуальность представленного исследования и его результатов.
Цели и задачи работы. Главная цель исследований заключалась в определении физико-химических условий кристаллизации, состава, генезиса и эволюции магматических расплавов в ходе формирования вулкана Чанбайшань Тяньчи на основе данных изучения расплавных включений в минералах-вкрапленниках пород вулкана. Для ее достижения предполагалось решение следующих конкретных задач:
-
Определение минерального, химического, изотопного составов главных типов пород вулкана;
-
Оценка физико-химических параметров (температура, давление, окислительно-восстановительный режим) минералообразования в различных по составу (как основных, так и кислых) породах вулкана;
-
Исследование химического состава расплавов, ответственных за формирование различных пород вулкана;
-
Характеристика источников магм вулкана, закономерностей их эволюции и выяснения генетической связи между базитовыми и щелочно-салическими образованиями;
-
Оценка роли природных процессов, приводящих к концентрированию редких и редкоземельных элементов в щелочно-салических породах бимодальной ассоциации вулкана Чанбайшань Тяньчи.
Научная новизна: 1. Определены температуры, давления и окислительно-восстановительные условия кристаллизации магм вулкана Чанбайшань Тяньчи; 2. Установлено, что характерной особенностью эволюции его магматической системы является резкое изменение окислительно-восстановительного режима при подъеме магм к поверхности, которое на определенном этапе вызывает расслоение магматического расплава на сульфидную и силикатную несмешивающиеся жидкости; 3. Определены составы (как главные компоненты, так и элементы-примеси) и особенности эволюции расплавов при формировании всей серии пород вулкана от базальтов до комендитов и пантеллеритов; 4. Выявлена генетическая связь между щелочно-салическими и базитовыми расплавами при формировании бимодальной серии пород вулкана; 5. Установлено, что ведущая роль при образовании пород вулкана принадлежит процессу кристаллизационной дифференциации магм в системе периферических внутрикоровых камер, в ходе которой принципиально допускается возможность накопления редких и редкоземельных элементов вплоть до рудных концентраций; 6. Получены геохимические и изотопные характеристики всего спектра пород вулкана Чанбайшань Тяньчи, позволяющие уточнить их мантийные источники.
Практическая значимость. С кислыми породами бимодальных серий нередко сопряжена разнообразная редкометальная и редкоземельная минерализации (РЗЭ, Zr, Nb, Ta, Li, Ве и др.). На основе данных изучения включений минералообразующих сред во вкрапленниках всего спектра пород вулкана, была показана схема эволюции магм, приводящая к возникновению редкометальной минерализации. Установленные в работе особенности эволюции магм вулкана, связанные с длительной кристаллизационной дифференциацией в системе малоглубинных магматических камер, являются основой для разработки новых критериев оценки потенциальной рудоносности магматических комплексов.
Фактический материал и методы исследований. В основу работы положен оригинальный материал, собранный автором в течение трех полевых сезонов на вулкане Чанбайшань Тяньчи в 2011-2012 и 2014 гг. Были изучены разрезы северного, западного и южного склонов, а также щитовой постройки вулкана. Полевыми работами были охвачены также районы вулкана Ван-Тянь и ряда проявлений кайнозойского магматизма в пределах рифтовой структуры Тань-Лу, материалы по которым были использованы в сравнительном плане.
Для характеристики магматизма вулкана Чанбайшань Тяньчи было отобрано 50 образцов главных типов пород, обработка и пробоподготовка которых осуществлялась автором. Кроме того, было изучено несколько проб из коллекций В.И.Финько и В.Г.Сахно. Полученные по ним данные находятся в полном соответствие с результатами по авторской коллекции, что позволило говорить о ее достаточной полноте для проводимых исследований.
Основным методом исследования служил метод изучения минералообразующих сред во вкрапленниках пород. Изучение состава пород вулкана проведено комплексом методов: петрографическим, РФА, ICP, изотопным (Sr, Nd) и методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) в лабораториях ИГЕМ РАН. За время работы было изучено 130 шлифов главных типов пород вулкана, более 800 включений минералообразующих сред во вкрапленниках этих пород, в том числе проведено более 600 термометрических и криометрических экспериментов с расплавными и флюидными включениями, выполнено около 1500 микрозондовых анализов, в числе которых изучение фазового состава негретых расплавных включений, гомогенизированных стекол этих включений, а также кристаллических включений, сингенетичных расплавным. Исследование состава дочерних фаз и стекол расплавных включений в минералах-вкрапленниках пород, а также самих минералов осуществлено методами рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и вторично-ионной масс-спектрометрии (SIMS) в лабораториях ИГЕМ РАН, ГЕОХИ РАН, ЯФ ФТИАН РАН. Подробная характеристика методов приведена во второй главе диссертации.
Защищаемые положения.
-
На основе метода изучения включений минералообразующих сред определен состав расплавов, участвовавших в формировании базальтов, трахиандезибазальтов, комендитов и пантеллеритов бимодального вулканического комплекса вулкана Чанбайшань Тяньчи, оценены физико-химические условия их образования. Показано, что эти расплавы кристаллизовались в широком интервале температур (от 1220 до 700oC), давления (от 3100 до 1000 бар) и окислительно-восстановительного потенциала (lgfO2 относительно буфера NNO: +0.92 – +1.42 для базальтовых, -1.61 – -2.09 для трахиандезибазальтовых, -2.63 – -1.89 для комендитовых и -2.09 – -3.15 для пантеллеритовых расплавов).
-
Установлено, что кислые породы по изотопному составу Nd идентичны базальтам вулкана, но отличаются от них по изотопному составу Sr. Вариации последнего коррелируют с величиной 87Rb/86Sr, что свидетельствует о накоплении радиогенного стронция в расплаве с высоким 87Rb/86Sr (1200-2700) за геологически короткий интервал времени.
-
Эволюция расплавов вулкана Чанбайшань Тяньчи определялась процессами кристаллизационной дифференциации родоначальных базальтовых магм. Возникновение щелочно-салических пород связано с системой малоглубинных магматических камер (13-3.4 км), в пределах которых расплавы испытали глубокую дифференциацию, приведшую к образованию пантеллеритов и комендитов, резко обогащенных редкими элементами (Th, Nb, Ta, Zr, REE).
-
Исходные магмы, ответственные за формирование серии пород вулкана Чанбайшань Тяньчи, сопоставляются с магмами базальтов океанических островов и были образованы в
результате плавления обогащенного мантийного протолита в зоне стабильности граната. Специфические геохимические особенности – базальтов (Ba до 1020 ppm и P2O5 до 1.4 мас.%) связываются со взаимодействием мантийного плюма с веществом субдуцированного слэба.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 статьях и тезисах докладов. Основные результаты были представлены на 14-ой международной конференции по термобарогеохимии, TBG-14, и III Азиатском симпозиуме по флюидным включениям, ACROFI-III (г. Новосибирск, Россия, 2010 г.), на конференции «Граниты и процессы рудообразования» (г. Москва, Россия, 2011 г.), на Европейском симпозиуме по флюидным включениям, XXI ECROFI (г. Леобен, Австрия, 2011 г.), на Европейском геологическом симпозиуме, EGU-2012 (г. Вена, Австрия, 2012 г.), на XV Всероссийской конференции по термобарогеохимии (г. Москва, Россия, 2012 г.), на международной конференции «Эволюция континентальной коры» (г. Портсмут, Великобритания, 2013 г.), на геологической конференции молодых ученых (г. Будапешт, Венгрия, 2014 г.), на международном геохимическом симпозиуме Goldschmidt-2015 (г. Прага, Чехия, 2015 г.).
Личный вклад автора. Все полученные результаты основаны на самостоятельно отобранном полевом материале. Изучение шлифов главных типов пород вулкана, детальные исследования расплавных и флюидных включений в минералах этих пород, проведение термометрических и криометрических экспериментов с расплавными и флюидными включениями, анализ и обобщение полученных результатов, разработка петролого-геодинамической модели формирования вулкана Чанбаньшань Тяньчи выполнены лично автором.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы (98 библиографических наименований) и приложений П1-П8. Общий объем составляет 178 страниц, включая 38 рисунков, 16 таблиц и 8 приложений.
Существующие представления о генезисе и эволюции магм вулканического ареала Чанбайшань
Лавы ранненеогенового комплекса представлены миндалекаменными мелкопорфировыми до субафировых базальтами, в которых доминируют вкрапленники плагиоклаза. Наблюдается параллель между базальтами района Онсупхен (Северная Корея) и породами северной периферии района Чанбайшань (Китай), где их возраст, определенный K-Ar методом, соответствует 20 – 15.1 млн. лет (Геология…, 1993; Сахно, 2008; Федорчук, Филатова, 1993; Zhou et al., 1988; Wei et al., 2007б). Считается, что базальты ареала Онсупхен относятся к умереннощелочной серии с доминирующими внутриплитными свойствами: повышенной щелочностью, сильно фракционированным распределением REE (Lan/Smn = 2.9-3.7; Lan/Ybn = 8.1-15.5), высоким содержанием некогерентных элементов (Федорчук, Филатова, 1993).
В среднем миоцене Корейско-Китайская окраина испытала слабопроявленный вулканизм, связанный с началом режима сжатия (Филатова, Федоров, 2003). Очередная вспышка вулканической активности в Китайско-Корейской истории пришлась на плиоцен и проявилась в форме трещинных излияний субщелочных базальтов плато Чанбайшань (5.82 – 4.26 млн. лет). Базальты были установлены в результате буровых работ Вулканической Обсерватории Тяньчи в г. Эрдао (скважина TVO) (Wei et al., 2007б).
Наиболее крупными постройками в Чанбайшаньском вулканическом ареале являются вулкан Чанбайшань Тяньчи (Китай-Северная Корея), Ван-Тянь (Китай), Северный Баотайшань (Северная Корея, корейское название – Намфотэ) и Южный Баотайшань (Северная Корея), а также группа вулканов лавового плато Лонгган. Многочисленные небольшие моногенные вулканы концентрируются в пределах плато Чанбайшань к северо-западу от стратовулкана Чанбайшань Тяньчи, но также прослеживаются вдоль Пэктусанского разлома (Геология…, 1993; Сахно, 2008; Андреева, 2014).
Группа вулканов плато Лонгган, расположенного западнее щита Чанбайшань, вытянута в северо-восточном направлении, что согласуется с генеральным простиранием разломной системы Таньлу (Сахно, 2008). В пределах области известно около 160 вулканических конусов, кратеров и мааров на площади в 1700 км2, базирующихся на лавовом плато. В истории четвертичных извержений вулканов области Лонгган выделяют три главных периода: период Сяойишань (соответствующий Раннему Плейстоцену: 2.15-0.75 млн. лет), период Лонгган (Средний-Поздний Плейстоцен: 0.68-0.05 млн. лет) и Джинлонгдинжи (Голоцен: 1600-1500 лет до н.э.) (Fan et al., 2002; Yu et al., 2005; Ou, 1984). Породы, участвующие в строении вулканической области Лонгган, представлены трахибазальтами, базанитами и, в меньшей степени, трахиандезибазальтами. В трахибазальтах присутствуют шпинель-лерцолитовые ксенолиты и ксенокристы титанистого амфибола (Hsu et al., 2000; Zhang et al., 2015). По своим геохимическим характеристикам базиты вулканической области Лонгган близки базальтам океанических островов (OIB). (La/Yb)N для них составляет 5.3-36.8 (Zhang et al., 2015). Следует отметить, что эти породы обогащены крупноионными литофильными элементами (LILE), особенно – Ba и Pb. Тем не менее, отрицательные Ti-Nba-аномалии, обычно связываемые с присутствием субдуцированного материала, в них зафиксированы не были (Zhang et al., 2015).
Вулкан Ван-Тянь, расположенный в 30 км южнее конуса Чанбайшань Тяньчи, представляет собой крупный вулканический центр, продукты извержения которого распространены на территории площадью в 4000 км2. Основываясь на петрологических исследованиях и данных K-Ar датирования, выделяют 3 периода в истории активности этого вулкана. Периоду Чанбай (2.87 млн. лет) соответствует стадия трещинных излияний, в результате которых была сформирована щитовая постройка вулкана, сложенная базальтами, трахибазальтами и трахиандезибазальтами. Период Ван-Тянь (2.69-2.41 млн. лет) отвечает стадии образования конуса, в строении которого принимают участие, главным образом трахиандезибазальты и, в меньшей степени, трахиты и трахириодациты. Период Хонгтоушань (2.12 млн. лет) ознаменовался формированием экструзивного купола риолитового состава, который располагается восточнее конуса Ван-Тянь (Fan et al., 1998). Серия пород вулкана Ван-Тянь, представляющая собой последовательность базальт-трахибазальт-трахиандезибазальт-трахит-щелочной риолит, носит бимодальный характер. Следует отметить, что как щит, так и конус вулкана сложены преимущественно базитами. Щелочно-салические породы принимают участие в строении конуса в резко подчиненном количестве. И только купол вулкана сложен непосредственно щелочными риолитами.
Дополнительная информация о составе пород вулкана Ван-Тянь была получена автором во время экспедиции в Северо-Восточный Китай, в ходе которой были отобраны и изучены образцы трахибазальтов, трахиандезибазальтов, трахитов, трахидацитов и щелочных риолитов из разреза этого вулкана.
Петрографически базиты представляют собой порфировидные породы с крупными вкрапленниками преимущественно плагиоклаза, в меньшей степени – пироксена и оливина. Базиты характеризуются высокими концентрациями щелочей (Na2O+K2O – от 4 до 8 мас.%), TiO2 (1.4 - 3.5 мас.%) и P2O5 (0.4 – 1.2 мас.%) при содержании SiO2 – 47.8 - 51.5 мас.%. В целом, базиты вулкана Ван-Тянь представляют собой слабодифференцированную группу пород, характеризующуюся высокими содержаниями редкоземельных элементов с некоторым преобладанием легких РЗЭ над тяжелыми (La/Yb)N = 7 – 14). По своим геохимическим характеристикам базиты вулкана Ван-Тянь схожи с базальтами океанических островов (OIB), но при этом обогащены Ba (до 880 ppm) и резко обеднены U.
Методы исследования магматических включений в минералах
Подготовка образцов к анализу состояла из запрессовки их в шашки из полистирола с последующей шлифовкой и полировкой на алмазных пастах для выведения объектов на поверхность. Подготовленные образцы подвергались напылению одновременно с эталонами.
Основной проблемой изучения стекол на электронно-зондовом микроанализаторе является неустойчивость их химического состава под действием электронного пучка. Чтобы свести этот эффект к минимуму, уменьшают ток зонда, время экспозиции, увеличивают диаметр зонда и измерение начинают с наименее устойчивых элементов. Самым эффективным является увеличение диаметра электронного пучка, но он ограничен размерами включений. Чтобы сравнивать химические составы стекол, измеренные при разных диаметрах зонда, необходимо знать, как будет отклоняться состав стекла от его истинного значения в зависимости от диаметра электронного пучка при тождественности других параметров анализа.
С этой целью автор совместно с С.Е. Борисовским (Борисовский, Андреева, 2014) изучили эталонные стекла разного состава: GOR-132-G (коматиит), GOR-128-G (коматиит), KL-2-G (базальт), ML3B-G (базальт), BM-90/21-G (перидотит), T1-G (диорит), StHs6/80-G (андезит), ATHO-G (риолит) (Jochum et al., 2006). Дополнительно были привлечены природные стекла базальтового, андезитового, дацитового и риолитового состава из коллекций сотрудников ИГЕМ РАН. Всего было изучено 11 образцов стекол на элементы Si, Ti, Zr, Al, Fe, Mn, Ca, Mg, K, Na, Cl, S, P, F, Ce. Исследование проводилось на рентгеновском микроанализаторе JXA-8200, оснащенном 5-ю волновыми спектрометрами, при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе зонда на цилиндре Фарадея 10 нА. Химический состав всех образцов стекол определялся для диаметров зонда 32, 16, 8, 4, 2, 1 микрон. Для каждого диаметра проводилось 5 замеров, и каждый замер осуществлялся на новом участке стекла. Повторные измерения показали хорошую воспроизводимость результатов. На основании полученных данных для всех изученных образцов стекол были построены графики отклонения концентраций элементов от их истинных значений в зависимости от диаметра электронного пучка. Далее, определяя состав стекла расплавного включения и сравнивая его с наиболее близким по составу эталонным стеклом, для каждого диаметра электронного пучка находили свой калибровочный коэффициент, с помощью которого и восстанавливали состав стекла во включении до его истинного значения.
В работе показано, что устойчивость стекол под электронным пучком находится в непосредственной зависимости от их химического состава. Определяющим фактором является концентрация SiO2: чем она выше, тем менее устойчив состав. Для стекол с содержанием SiO2 менее 55 мас. % калибровочные коэффициенты были близки к единице для всех элементов вплоть до диаметра зонда 4-8 микрон. Как и ожидалось, из всех элементов, присутствующих в стекле, наименее устойчивыми оказались одновалентные элементы Na и K. Не вызывает сомнения, что с увеличением SiO2 в стекле меняется ближний порядок расположения атомов, что и приводит к изменению поведения элементов под электронным пучком.
Кроме того, ряд определений составов кристаллических включений, минеральных фаз в расплавных включениях, а также остаточных и гомогенных стекол расплавных включений, проводились с помощью электронного микроанализатора «Cameca SX-100» в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН аналитиком Кононковой Н.Н. при следующих условиях: ускоряющее напряжение 15 кВ, ток 30 нА, развертка зонда в растр 12 х 12, 5 х 5 и 2 х 2 мкм при исследовании стекол, 5 х 5 и 2 х 2 мкм при определении дочерних минералов расплавных включений и кристаллических включений. Точность определения элементов при их содержаниях 10 мас. % составляла 2 отн. %, при содержаниях 5-10 мас. % - 5 отн. %, при содержаниях 5 мас. % - 10 отн. %. Вторично-ионная масс-спектрометрия (SIMS) Элементы-примеси в гомогенизированных расплавных включениях и вмещающих минералах определялись методом вторично-ионной масс 35 спектрометрии (SIMS) аналитиком С.Г. Симакиным на ионном микроанализаторе IMS-4f в Институте микроэлектроники и информатики (ЯФ ФТИАН РАН, г. Ярославль). Использовалась методика, описанная в работе А.В. Соболева и В.Г. Батановой (Соболев, Батанова, 1995). Характерный диаметр первичного пучка составлял 20 мкм. Стекла расплавных включений анализировались в одной точке в центре включения. Каждая точка представляла среднее из 5 аналитических циклов, проанализированных по вертикальному профилю глубиной 10-15 мкм с общим временем набора сигнала около 40-60 минут.
Как описано в работе А.В. Соболева (Соболев, 1996), для большинства элементов с содержанием более 0.1 ppm погрешность определения не превышает 10 отн.%. Для низких концентраций (менее 0.1 ppm) воспроизводимость снижается до 30-50 отн.%. Дополнительным критерием правильности полученных данных являлось сравнение результатов определения содержания Ti в стеклах в оливинах базальтов и Zr в стеклах полевых шпатов кислых пород, проанализированных методом SIMS и РСМА. H2O в стеклах включений определялась методом SIMS аналитиком С.Г. Симакиным по методике, описанной А.В. Соболевым (Соболев, 1996).
Магма представляет собой сложную смесь из расплава, растворенных в нем или отделяющихся от него на определенных этапах флюидов, а также уже существующих в этом расплаве минералов. В результате дефектов роста кристаллов в образующееся пространство полостей и каверн захватывается расплав или флюид, а также сосуществующие с растущим кристаллом твердые фазы. Информация, зашифрованная в захваченном материале, может стать ключом к пониманию тех процессов, которые происходили в момент кристаллизации магм.
В основу классификации включений минералообразующих сред, вопросы которой рассмотрены в ряде работ (Геохимические…, 1972; Магматогенная…, 1975; Термобарогеохимия, 1979; Сопутствующие…, 1982; Флюидные…, 1987), положены два главных принципа: 1) генетическое происхождение включений и 2) их фазовый состав. С точки зрения генетического происхождения включения можно разделить на первичные, первично-вторичные и вторичные. По фазовому составу выделяются стекловатые, частично или полностью раскристаллизованные расплавные включения, сопутствующие кристаллические включения, флюидные и комбинированные включения, состоящие из разных сочетаний указанных фаз.
В ходе исследования были выявлены и изучены следующие типы первичных магматических включений: 1) включения силикатного расплава либо стекловатые (стекло+газ), либо частично раскристаллизованные (стекло+газ+дочерние минералы); 2) кристаллические включения; 3) флюидные включения; 4) комбинированные включения, состоящие из силикатного расплава и малоплотной флюидной фазы. Расплавные включения, а также сопутствующие им кристаллические и флюидные включения изучались во вкрапленниках представительных образцов всего спектра пород вулкана Чанбайшань Тяньчи.
Породы, слагающие конус вулкана
Базальты, участвующие в строении конуса вулкана Чанбайшань Тяньчи, отмечаются в виде бомб, шлаков, а также небольших лавовых потоков, связанных с паразитическими шлаковыми конусами на склонах вулкана. Как упоминалось ранее, эти базальты относят к формации Лаохудонг. Возраст этих пород варьирует от 0.34 до 0.32 млн. лет. Кроме того, у южного края кальдеры вулкана встречаются шлаки трахиандезибазальтового состава, видимо, связанные с более поздними извержениями.
Изученные трахибазальты (обр. 21/4) развиты вблизи базальтовой трубки взрыва на северном склоне вулкана на высоте 2100-2300 м и, судя по всему, относятся к формации Лаохудонг. Трахиандезибазальты представлены шлаками, установленными в южном обрамлении кальдеры вулкана. Породы (21/4 и БТ-2) характеризуются порфировидной структурой, фотографии шлифов представлены на рисунке 7 а, б. В связи с тем, что трахибазальты конуса и трахиандезибазальты кальдеры близки по своим петрографическим характеристикам, они будут рассмотрены в этой главе вместе. В трахибазальте образца 21/4 изучен только состав вкрапленников, тогда как в трахиандезибазальте БТ-2 также изучен минеральный состав основной массы.
Среди вкрапленников в базальтоидах фиксируются оливин (Fo = 78.1 – 79.1), плагиоклаз (An74-78) (Таблица 3) и крайне редко – клинопироксен. Основная масса раскристаллизована и сложена параллельно ориентированными пластинчатыми кристаллами битовнита (An74), интерстиции между которыми заполнены пироксеном, оливином, магнетитом и апатитом. Оливин
Фенокристы оливина образуют гипидиоморфные кристаллы размером 0.1-0.3 мм. Они характеризуются достаточно магнезиальным составом (Fo = 78.1 – 79.1). Содержания MgO в них колеблются от 40.3 до 41.5 мас.%, FeO – 19.4 – 20.0 мас.%, MnO, в среднем, – 0.2 мас.%, CaO – 0.2 мас.%, NiO – 0.1 мас.% при содержании SiO2 – 38 мас.% (Таблица 3).
Фенокристы плагиоклаза представлены битовнитом (An74-78). Плагиоклаз в изученных породах присутствует в виде призматических кристаллов, осложненных полисинтетическими двойниками, чьи размеры варьируют от 0.5 до 1 мм в длину. По составу плагиоклаз характеризуется высокими концентрациями SrO (до 0.4 мас.%). Содержания Al2O3 в нем составляют 28-30 мас.%, FeO – 0.3-0.8 мас.%, CaO, в среднем, – 12 мас.%, SiO2 – 51-54 мас.% (Таблица 3). Минералогия основной массы трахиандезибазальта БТ-2
Основная масса трахиандезибазальтов частично раскристаллизована и состоит из пироксена, плагиоклаза, оливина и стекла. Составы минералов основной массы и стекла приведены в таблице 3.
Пироксен отвечает по составу титанавгиту, содержание TiO2 в нем достигает 5 мас.%, FeO – 12 мас.%, MgO – 11.3 мас.%, Al2O3 – 8.7 мас.%, CaO – 18.3 мас.%.
Установленный в числе минералов основной массы плагиоклаз (An = 61-74) отвечает по составу лабрадору и битовниту. Оливин основной массы (Fo = 44.6-45.5) представлен фаялитом и резко отличается по составу от фенокристов оливина (Fo = 78.1-79.1) в трахиандезибазальте образца БТ-2. Судя по всему, фаялит основной массы кристаллизовался из остаточного расплава, и потому обеднен в отношении MgO.
Стекло основной массы представляет собой остаточный расплав, по составу отвечающий трахиандезиту, отличающийся, однако, довольно высокими содержаниями TiO2 (0.4-0.6 мас.%) при содержании SiO2 – 56-61.5 мас.%, FeO – 1-1.9 мас.%, MgO – до 0.4 мас.%, Al2O3 – 23.6-25.4 мас.%, (Na2O+K2O) = 6-8 мас.%.
Среди акцессорных минералов основной массы отмечается титаномагнетит и ильменит, состав которых не удалось определить ввиду малых размеров фаз. Трахитовые пемзы, являющиеся продуктами вулкана Чанбайшань Тяньчи, отобраны на территории Южного Приморья В.И. Финько в районе поселка Посьет (Рисунок 8). местонахождения пемз Они слагают торфяно-пемзовый или песчано-пемзовый горизонт мощностью свыше 1 м, содержание обломков и кусков пемзы в котором колеблется от 5-6 до 30-40 об. %. Этот горизонт залегает на глубине 1-2 м или выходит на поверхность и прослеживается на протяжении около 50 км к северу от устья р. Тюмень-Ула (Наумов, Финько, 1976). Согласно данным (Horn, Schmincke, 2000; Сахно, 2008), пемзы и пеплы, выброшенные в результате извержения 1024 г.н.э., достигли Японских островов и юга Приморья России. Полученные в 70-е годы датировки этих пемз, отвечающие возрасту 1.5 млн. лет (Наумов, Финько, 1976), вряд ли удовлетворительны, поскольку началу формирования конуса вулкана Чанбайшань Тяньчи, согласно результатам K-Ar датирования (Wei et al., 200б), соответствует возраст 1.12 млн. лет, а образование кальдеры связывается именно с эксплозией 1024 г.н.э. (Wei et al., 2007б). Кроме того, в позднем кайнозое в дальневосточной части Евразиатского континента неизвестны другие вулканы, продукты извержения которых представлены кислыми щелочными породами. Поэтому мы полагаем, что трахитовые пемзы, собранные В.И. Финько в районе пос. Посьет, являются продуктами мощнейшего в истории формирования вулкана Чанбайшань Тяньчи извержения 1024 г.н.э.
Пемзы состоят из светло-серого стекла с показателем преломления 1.506±0,002 и небольшого количества (2-3 об.%) вкрапленников санидина, феррогеденбергита, магнетита, оливина, апатита, ильменита, циркона и чевкинита (Наумов, Финько, 1976; Андреева и др., 2011). По химическому составу пемзы отвечают трахитам. Содержание щелочей в них в сумме достигает 9.5 мас. %, с незначительным преобладанием натрия над калием. Пемзы характеризуются повышенными концентрациями ниобия, циркония и редкоземельных элементов. Необычность этих пемз заключается в том, что оливин в них является магнезиальным и отвечает составу Fo74 - Fo79. (Таблица 4). Сразу следует отметить, что оливин, наблюдающийся в щелочных пемзах в виде вкрапленников, является неравновесным минералом и, по-видимому, представляет собой кристаллический фрагмент базальтов (Андреева и др., 2011).
Далее будут рассмотрены и описаны только вкрапленники оливина из пемз трахитового состава, так как автору была передана для изучения монофракция этого минерала из коллекции В.И. Финько. Здесь и далее оливины из коллекции В.И. Финько обозначаются как оливины трахитовых пемз извержения 1024 г.н.э. Оливин в изученных пемзах образует гипидиоморфные кристаллы желтовато-оливкового цвета размером, как правило, 0.4-0.7 мм, некоторые из них, однако, достигают 1-1.5 мм. По составу оливин отвечает Fo74 - Fo79, содержание CaO в нем составляет, в среднем, 0.2 мас.% (Таблица 4). Следует подчеркнуть, что оливин подобного состава является крайне нетипичным для парагенезиса кислых щелочных пемз.
Влияние окислительно-восстановительных условий на расслоение магм вулкана
Все изученные базальтоиды, слагающие щитовую постройку, а также участвующие в строении конуса вулкана, представляют собой высокотитанистые (TiO2 – 1.9-3.6 мас.%) глиноземистые (Al2O3 – 16.3-19.5 мас.%) породы с высоким содержанием P2O5 (0.34-0.78 мас.%). Щелочность этих пород возрастает в ряду от базальтов к трахиандезибазальтам (от 4.4 до 7.5 мас.% соответственно). Изученные базальтоиды являются низкомагнезиальными. Максимальные концентрации MgO наблюдаются в базальтах щитовой платформы и составляют 5.6 мас.%. Следует отметить, что магнезиальность базальтоидов щитовой постройки, в целом, ниже таковой для базальтоидов конуса вулкана (Таблица П1).
На вариационных диаграммах (Рисунок 13), отражающих зависимость концентраций петрогенных элементов от содержаний SiO2, точки составов базальтоидов щитовой постройки и конуса вулкана Чанбайшань Тяньчи образуют единые согласованные тренды.
На продолжении этих трендов лежат точки составов щелочно-салических пород (Рисунок 13). Концентрации щелочей увеличиваются в ряду пород от базальтов к трахитам. Достигнув пика концентраций ((Na2O+K2O) – до 11.4 мас.%) на отметке, по содержанию SiO2 соответствующей 66.6-68 мас.%, при дальнейшем увеличении содержаний SiO2 концентрации (Na2O+K2O) уменьшаются (Рисунок 13). Так, при содержаниях SiO2 – 71.9 мас.%, концентрации щелочей в сумме не превышают 9.5 мас.% (Рисунок 13). Также наблюдается рост концентраций Al2O3 в ряду пород от базальтов к трахиандезибазальтам, и их уменьшение с увеличением содержаний SiO2 от трахитов к пантеллеритам и комендитам. Концентрации прочих петрогенных элементов (FeOобщ, MgO, TiO2, CaO, P2O5) уменьшаются с ростом содержаний SiO2 в ряду пород от базальтов к пантеллеритам и комендитам (Рисунок 13).
Содержания элементов-примесей в породах вулкана Чанбайшань Тяньчи (Таблица П1), нормированные на состав примитивной мантии и хондрита (Sun, McDonough, 1989), показаны на спайдердиаграммах (Рисунок 14).
Лавы из разреза щитовой постройки Чанбайшань Тяньчи представляют собой слабо дифференцированную группу основных пород, которые в целом близки по геохимическим характеристикам и имеют близкие спектры распределения элементов-примесей. Для них характерны низкие концентрации редкоземельных элементов со значительным преобладанием легких РЗЭ над тяжелыми ((La/Yb)N = 12 – 14). Все они отличаются наличием слабо проявленной положительной европиевой аномалии, обогащены Ba (до 810 ppm в базальтах и трахибазальтах и до 1020 ppm в трахиандезибазальтах) и обеднены U (Рисунок 14).
Трахибазальты и трахиандезибазальты конуса вулкана отличаются достаточно крутым наклоном спектров распределения редкоземельных элементов ((La/Yb)N = 12 – 17) при относительно низких содержания РЗЭ. Трахиандезибазальты обогащены барием (до 800 ppm) и обеднены торием и ураном, концентрации которых не превышают 10 ppm, по своим геохимическим параметрам они схожи с породами щитовой постройки (Рисунок 14).
Все щелочно-салические породы, слагающие конус вулкана Чанбайшань Тяньчи, имеют согласованные спектры распределения элементов-примесей. Отношение (La/Yb)N в них составляет 10 – 16. Также для них фиксируется отрицательная европиевая аномалия, различающаяся по глубине у трахитов, пантеллеритов и комендитов, соответственно (значения Eu/Eu варьируют от 0.03 до 0.75 в трахитах и от 0.020 до 0.026 в комендитах и пантеллеритах). Содержания редкоземельных элементов в этих породах высоки и в сумме достигают 1000 ppm. Также щелочно-салические породы отличаются высокими концентрациями циркония (до 2340 ppm) и низкими концентрациями бария (как правило, до 100 ppm) и стронция (не более 20 ppm) (Рисунок 14; таблица П1).
Спектры распределения содержаний редких и редкоземельных элементов в породах вулкана Чанбайшань Тяньчи. Нанесены составы пород вулкана и состав базальтов OIB-типа: 1 – щелочно-салические породы конуса и кальдеры вулкана Чанбайшань Тяньчи; 2 – базальтоиды конуса Чанбайшань Тяньчи; 3 – базальтоиды щита Чанбайшань Тяньчи; 4 – базальты OIB-типа; 5 – пантеллерит; 6 – комендиты; 7 – трахиты. Нормирование относительно примитивной мантии и хондрита (Sun, McDonough, 1989). В ряду пород от базальтов к пантеллеритам происходит обогащение РЗЭ, цирконием и обеднение барием, стронцием и европием. Отклонения, связанные с разным поведением Sr, Ей и Ва хорошо согласуются с фракционированием вначале плагиоклаза, а затем калиево-натриевого полевого шпата, в составе которых концентрируются указанные элементы.
Изучен изотопный состав трахиандезибазальтов, трахитов, комендитов и пантеллеритов, отобранных автором из разреза южного склона вулкана Чанбайшань Тяньчи. Данные о Sr-Nd изотопном составе пород приведены в таблице П2 и на рисунке 15.
Изотопный состав неодима во всех изученных породах оказался весьма стабильным. Диапазон вариаций его значений перекрывается в пределах ошибки (143Nd/144Nd = 0.512580±7). В отличие от неодима изотопный состав стронция в исследованных породах варьирует в широком интервале значений. Для трахиандезибазальтов диапазон изотопного состава стронция соответствует интервалу 0.704960±10 до 0.705025±7, для трахитов - 87Sr/86Sr = 0.705377±10 -0.707162±6, для комендитов и пантеллеритов - 0.706261±9 до 0.706995±10. Таким образом, в изученных трахиандезибазальтах изотопный состав неодима и стронция постоянен, тогда как в кислых породах вулкана при стабильном составе 143Nd/144Nd наблюдается широкий разброс значений 87Sr/86Sr.
Полученные нами изотопные составы Sr и Nd в базальтоидах вулкана хорошо согласуются с данными других исследователей (Kuritani et al, 2009; on о/: + Kuritani et al., 2011), по которым видно, что в координатах ( Sr/ Sr)t - ш (Рисунок 15) составы базальтоидов образуют единый тренд, располагаясь вдоль линии мантийной корреляции. Отличия в изотопном составе стронция в кислых породах отмечались и другими исследователями (Сахно, 2007, 2008; Попов и др., 2008). Причина отличия связывается авторами этих работ (Попов и др., 2008) с процессами контаминации мантийных расплавов нижнекоровым материалом. Однако, обогащенность кислых пород радиогенным стронцием может иметь и другое объяснение, которое будет рассмотрено в Главе 7.