Содержание к диссертации
Введение
1. Геологическогое строение центральной части большого кавказа 10
1.1. Очерк геологического строения Центральной части Большого Кавказа 10
1.2. Коллизионный этап развития Кавказа 12
1.3. Основные этапы развития новейшего магматизма в пределах коллизионной структуры Кавказа 13
2. Геологическогое строение и история изучения эльбрусского вулканического района 17
2.1. Вещественный состав основания и глубинное строение района 17
2.2. История изучения вулкана Эльбрус 23
3. Строение вулканических построек и эрозионных останцов 32
3.1. Эльбрус-Кюкюртлинская вулканическая постройка 34
3.2. Вулканические постройки и эрозионные останцы вулканов-сателлитов 47
3.3. Корреляция разрезов вулканитов по результатам ЭПР датирования породообразующего кварца 48
4. Вещественный состав и его эволюционные изменения 56
4.1. Петрографическая характеристика пород 56
4.2. Петрогеохимические особенности пород 75
4.3. Ксенолиты и включения основного состава 84
4.4. Расплавные включения в минералах из лавовых потоков и ксенолитов 94
4.5. Породообразующие минералы вулканитов 100
4.6. Ассоциации минералов-вкрапленников и условия их образования 115
4.7. Петрогенетическая интерпретация неравновесных минеральных ассоциаций и представления о генезисе пород 119
5. Потенциальная рудоносность новейших вулканитов большого кавказа 126
5.1. Гидротермальные образования и редкие минеральные виды 126
5.2. Рудно-магматические системы Эльбрус-Кюкюртлинской вулканической постройки 134
5.3. Неметаллические полезные ископаемые 146
6. История развития эльбрусского вулканического центра 148
7. Катастрофические события, связанные с активностью эльбрусского вулканического центра 156
7.1. О возможности возобновления активности вулкана Эльбрус и ее катастрофические последствия 161
Заключение 166
- История изучения вулкана Эльбрус
- Вулканические постройки и эрозионные останцы вулканов-сателлитов
- Петрогеохимические особенности пород
- Рудно-магматические системы Эльбрус-Кюкюртлинской вулканической постройки
Введение к работе
В XX столетии произошли катастрофические извержения длительное время безмолвствующих вулканов: Ксудач (1907), Безымянный (1956) и Шивелуч (1964) на Камчатке, Сент-Хеленс (1980) в США, Эль-Чичон (1982) в Мексике, Пинатубо (1991) на Филиппинах, Хадсон (1991) в Чили и др. В 1998 году после 28 тыс. лет покоя, возобновилась вулканическая активность в «древней» кальдере Академии Наук, на Камчатке. Одним из важных методов изучения и оценки потенциальной опасности длительное время "спящих" вулканических объектов является детальное изучение истории их развития и современного состояния. Однако эти исследования осложняются многообразием региональных и локальных факторов, влияющих на процессы магмообразования, возникновения, активизации и затухания вулканов. Кроме того, сложной проблемой является определение реальной последовательности событий в интервале от десятков до первых сотен тысяч лет на высокогорных объектах в связи отсутствием почвенно-растительного слоя с древними захороненными углями или детритом, пригодными для радиоуглеродного датирования. Настоящая работа посвящена расшифровке истории развития Эльбруса, эволюции его вещественного состава, оценке потенциальной рудоносности новейших вулканитов, прошлым извержениям и их катастрофическим последствиям в связи с потенциальной вулкано - и сейсмоопасностъю в пределах западной части коллизионной структуры Большого Кавказа.
Обьекты исследований. В основу диссертации легли материалы, собранные автором по изучению вулканитов Эльбрусского вулканического района. Выбор их в качестве объекта исследований обусловлен тем, что на сегодняшний день получены надежные данные о наличии в его недрах еще не остывшего корового магматического очага/очагов, связанных с мантийной астенолинзой, а последние извержения вулкана Эльбрус произошли в историческое время. Кроме того, это район, где новейшая вулканическая активность впервые проявилась около двух миллионов лет тому назад и периодически возобновлялась через длительные промежутки времени, когда вулкан находился в состоянии покоя. Эльбрус неоднократно изучался с применением различных методов, однако работы по комплексному геолого-петрографическому, минералогическому, петрогеохимическому, изотопному и геофизическому изучению нами были выполнены впервые. Цель и задачи исследований. Цель исследования — расшифровка истории развития и эволюции расплава Эльбрусского вулканического центра (ЭВЦ). Для этого решались следующие задачи:
- составление геологической карты масштаба 1:50000 и на основании полевых, геолого-петрографических, минералогических, петрохимических и изотопных исследований, восстановление стратиграфической последовательности вулканитов и расшифровка истории геологического развития;
- детальные петрографо-минералогические и изотопные исследования для реконструкции условий образования расплава и эволюции вулканитов;
- установление характера рудно-геохимической специализации изученных вулканитов;
- реконструкция палеокатастрофических событий, связанных с извержениями вулкана и оценка возможных сценариев катастроф в случае возобновления вулканической активности.
Фактический материал и методы исследований. В основу диссертации положены материалы, собранные соискателем за полевые сезоны 1999-2003 гг.
Лабораторные исследования включали: 1) микроскопическое изучение шлифов (около 600 шт.); 2) определение содержаний петрогенных и малых элементов весовым (140 анализов в ИГЕМ РАН) и рентгенофлюоресцентным методами (700 анализов) на квантометре СРМ-25, спектрометре "Респект-100" (в ИГЕМ РАН) и на рентгеновском анализаторе VRA-20R (в ЦХЛ ОИГГМ СО РАН, г. Новосибирск); 3) определение содержания редкоземельных элементов в 815 образцах инструментальным нейтронно-активационным методом (в Лаборатории ядерно-физических исследований ИГЕМ РАН); 4) исследование состава породообразующих, сульфидных и акцессорных минералов (более 1000 анализов) на сканирующем электронном микроскопе Camscan-4DV с энергодисперсионным анализатором Link-10000 в Лаборатории локальньк методов исследования вещества МГУ, на сканирующем электронном микроскопе ffiOL-scanning JSM-5300 с системой Link ICIS SATW и микроанализаторе "Camebax SX-50" фирмы "Cameca" в ИГЕМ РАН; 5) исследование составов и температур гомогенизации расплавных включений (43 анализа) на электронном микроанализаторе «Camebax Microbeam» (в ГЕОХИ РАН); 6) исследование флюидных включений (7 пластинок) на термокриокамере "LinkamHMSG 600" (в ИГЕМ РАН); 7) диагностику жильных и метасоматических минералов (20 проб) методом ДТА и РСА (в ИГЕМ РАН); 8) определение 87Sr/36Sr (14 анализов) и 143Nd/I44Nd (4 анализа) в породе на масс-спектрометре Sector 54 Micromass (в ИГЕМ РАН); 9) датирование (15 проб); Аг/Аг, U/Pb; С14 методами (в Стенфордском университете США, в ГИН РАН); 11) регистрацию спектров А1, Ті и Ge в кварце (65 проб) на ЭПР спектрометре Varian Е-115 (в МГУ); 12) создание компьютерного банка петрохимических и геохимических данных и их обработку на ЭВМ с помощью различных петрологических и геохимических программ. Научная новизна. В результате проведенных исследований:
- Существенно уточнена стратиграфическая последовательность вулканитов ЭВЦ;
- в пределах ЭВЦ выявлена стратовулканическая постройка вулкана Кюкюртли ранне-средненеоплейстоценового возраста;
- выделены кальдерный (вулкан Кюкюртли) и посткальдерные (вулкан Эльбрус) породные комплексы;
- составлена новая геологическая карта ЭВЦ, карта проявлений гейзернтовой минерализации и геохимических аномалий;
- впервые выделены две рудно-магматические системы (РМС) — Кюкюртлинская и Ирикская; изучена их металлогеническая специализация, свидетельствующая о перспективности новейших вулканитов Большого Кавказа на эпитермальное полиметаллическое оруденение;
- для возрастной корреляции пространственно разобщенных вулканитов показана перспективность метода ЭПР датирования по породообразующему кварцу
- реконструированы условия генерации исходных расплавов и их эволюция;
- выявлены типы и оценены масштабы палеокатастрофических событий, связанных с прошлой активностью ЭВЦ.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы: при изучении и картировании сложных стратовулканических построек; при оценке потенциальной рудоносности аналогичных объектов; при проектировании поисковых работ на Pb, Zn, Си, Мо и т.д.; при прогнозе катастрофических событий, связанных с вулканами, не проявлявшими активность длительный период времени; отложения подпруженных горных озер с запасами — 4000000 м , могут быть использованы при местных строительных работах в качестве природно подготовленных полуфабрикатов бетонных смесей. Решена важная научная проблема - расшифрована история геологического развития и эволюция вещественного состава Эльбрусского вулканического центра. Результаты комплексного изучения спящего вулкана "Эльбрус" могут быть использованы при организации системы мониторинга вулканической опасности на Северном Кавказе (Эльбрусский, Казбекский и Кельский вулканические центры) Основные защищаемые положения.
1. Существенно уточнено геологическое строение Эльбрусского вулканического центра (ЭВЦ). Впервые в его составе выделена стратовулканическая постройка ранне-средненеоплейстоценового вулкана Кюкюртли. Выделены кальдерный и посткальдерный вулканические комплексы. Составлена геологическая карта масштаба 1:50000. Показано, что формирование кальдерного комплекса сопровождалось тектоническими подвижками, внедрением экструзивных и субвулканических тел и метасоматическими процессами.
2. На основании детального петрографического, петрохимического и минералого-геохимического изучения вулканитов существенно уточнены условия формирования дацитов Эльбрусского вулканического района, слагающих основной объем вулканических построек структурно-формационной зоны Главного хребта. Выделены ассоциации минералов, кристаллизовавшихся в исходных расплавах разного состава, а также ассоциации, возникшие на последующих стадиях при разогреве расплава в результате конвективного теплообмена и декомпрессии, при подъеме к поверхности, в приповерхностных условиях и при застывании лав на поверхности, Показано, что наиболее распространенные в пределах ЭВЦ лавы дацитового состава возникли в результате смешения магм риодацитового и трахиандезитового составов.
3. Показано, что субинтрузивные фазы ЭВЦ являются потенциально рудоносными. На основании изучения составов акцессорных апатитов установлено, что содержания летучих (F, CI, S) в расплавах на ранних стадиях кристаллизации апатитов сопоставимы с концентрациями летучих в магмах молибден- и меднопорфировых систем. Получены данные о близких температурах формирования постмагматической сульфидной минерализации (170-213 С) и гидротермально-метасоматических образований (110-199 С), развитых на одном гипсометрическом уровне, в пределах Ирикской и Кюкюртлинской РМС. Связь аномально повышенных содержаний, в первую очередь РЬ и Zn, с разрывной тектоникой и зонами аргиллизации позволяет предполагать, что в зоне монтмориллонит-гидрослюдистых изменений, на глубине нескольких сотен метров от современного эрозионного среза РМС, возможно обнаружение свинцово-цинкового, а на более глубоких уровнях - Cu-Мо-порфирового оруденений.
4. Показано, что с вулканической активностью Эльбруса, в том числе в историческое время, были связаны различные катастрофические события - землетрясения, аэральный перенос пеплового материала при взрывных извержениях, формирование катастрофических лахаров, образование и сброс подпруженных озер и т.д. Оценены масштабы этих явлений и разработан прогнозный сценарий развития подобных явлений в будущем. Апробация работы.
Результаты исследований докладывались: на IX Международной конференции по люминесценции и ЭПР датированию (Рим, Италия, 1999); Конференции по коллизионной стадии развития складчатых поясов (Екатеринбург, 2000); II Международной конференции выставке "Малые спутники, новые технологии, миниатюризация. Области эффективного применения в XXI веке" (Королев, 2000); XXV Генеральной ассамблее (NH6) по вулканическим опасностям (Ницца, Франция, 2000); XXI Европейском совещании по исследованиям флюидных включений (Порто, Португалия, 2001); XII и XIII научных чтениях памяти профессора И.Ф.Трусовой (Москва, 2002;2003); III Международном минералогическом семинаре (Сыктывкар, 2002); II Всероссийском симпозиуме по вулканологии и палеовулканологии (Екатеринбург, 2003), а также на заседаниях лаборатории и ученого совета ИГЕМ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликована одна коллективная монография и 12 статей.
Обьем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения общим объемом 181 страница, включая 31 таблицу, 32 рисунка и 1 приложение. Список цитируемой литературы включает 191 наименования.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю диссертации к. г.-м.н. А.Г. Гурбанову и заведующему лабораторией Петрографии ИГЕМ РАН академику О.А. Богатикову за создание условий для проведения работы, ее поддержку и полезные советы. Автор искренне признателен С.С. Абрамову, С.Н. Бубнову, И.И. Грекову, А.Я. Докучаеву, Д.Г. Кощугу, И.С. Красивской, И.В. Мелекесцеву, В,Б. Наумову, А.А. Носовой, Л.В. Сазоновой, А.В. Самсонову, А.Н. Сысоеву, Р.В. Шабалину, а также П. Липману (P. Lipman), Дж. Ловернштерну (J. Lowemstern) и Д. Миллеру (D. Miller) из Геологической службы США за консультации и практическую помощь во время работы над диссертацией. Большой объем аналитических исследований пород выполнен Е.О. Грозновой, А.Л. Керзиным, О.Г. Унановой, И.М. Марсий, Т.М. Марченко и А. И. Якушевым. Считаю приятным долгом выразить всем вышеуказанным товарищам глубокую и искреннюю признательность.
История изучения вулкана Эльбрус
История изучения вулкана Эльбрус начинается с 1829 года экспедицией генерала Эммануэля, научный руководитель которой, академик Купфер, пришел впоследствии к заключению о вулканическом происхождении горы. В 1852 г. появляется первая публикация академика Г. Абиха, посвященная геологическому описанию Эльбруса и районов, прилегающих к нему с севера. В последующие 50 лет XIX века производятся главным образом петрографические описания лав, собранных на Эльбрусе различными путешественниками: Tschermak (1872), A. Lagorio (1878), Т.С. Воппеу (1887), L. Ammon (1897), A.Dannenberg (1890). С XX века начинается период интенсивного изучения вулкана и прилегающих к нему площадей. В первой половине XX века здесь проводят геологические изыскания А.П. Герасимов (1910, 1911, 1914, 1927-1929, 1936), В.В.Дубянский (1907-1913), С.С. Соловьев (1931-1932), М.В. Муратов и М.В. Гзовский (1948). А.П. Герасимов обнаружил в истоках р. Малка древнейшие туфовые толщи делленитового состава и определил их возраст как послеакчагыльский (апшеронский), он также изучил и описал лавы северного окончания вулканической постройки, впервые обратив внимание на наличие разных генераций вкрапленников плагиоклаза с прямой и обратной зональностью. Все гляциальные отложения, развитые по северному склону Эльбруса, он связывает с вюрмским оледенением. В.В. Дубянский (1914) подробно описал петрографические и петрохимические особенности эльбрусских лав, привел многочисленные химические анализы, сделанные автором и предшествующими исследователями, составил схематичную геологическую карту южной и вершинной части вулканической постройки. СП. Соловьев (1931) в верховьях Баксана разделил лавы Эльбруса на две генерации: молодые и древние, а также обнаружил небольшой выход более древних липаритов в районе перевала Ирик-чат. М.В. Муратов и М.В. Гзовский (1948), изучив северные склоны Эльбруса, на основе соотношений между лавовыми потоками и разновозрастными моренами расширили представления о четвертичной истории вулкана. Выделив морены рисской и вюрмской стадий оледенения, они разделили четвертичные лавовые потоки на три комплекса - древний, средний (рисс-вюрмские) и послевюрмский. (Рис. 2.2). Останавливаясь на результатах первых десятелетий исследования Эльбруса можно отметить, что, хотя предлагаемые стратиграфические схемы разрабатывались на локальных участках, они правильно отражали возраст и эволюцию вулкана, но в целом оставались неполными.
В начале второй половины XX века начинают работать геологическая экспедиция МГУ и ЦКГЭ СКТГУ, проводятся детальные площадные геологические съемки Кавказа, с широким применением аэрофото- и геофизических методов. Детальное изучение Эльбруса, начавшееся в 50-е годы, развивается по нескольким направлениям, которые мы далее рассмотрим. Следует отметить, что изучение строения Эльбруса затруднено его огромной ледовой шапкой, из под которой обнажаются лишь фрагменты ряда лавовых потоков. Поэтому неполнота его изучения и противоречия в схемах имеют объективный характер. Строение вулканической постройки Эльбруса и историю его формирования рассматривают в разные периоды времени К.Н. Паффенгольц (1956, 1959), Е.Е. Милановский (1956, 1958, I960), Н.В. КороновскиЙ (1959, 1960, 1961, 1962), Ю.П. Масуренков (1964, 1965, 1971), Е.К. Станкевич (1976). К.Н. Паффенгольц приходит к выводу, что вулканический массив сложен двумя комплексами эффузивов: нижним -дислоцированным и верхним - вершинным. Он составляет первую геологическую карту Эльбруса. Е.Е, Милановский и Н.В. КороновскиЙ на основе геолого-геоморфологического метода разрабатывают стратиграфическую схему и составляют детальную геологическую карту. Согласно их схеме, существует пять возрастных комплексов эффузивов и, возможно, существовал шестой, но пока наблюдаемый лишь в обломках, в составе древней морены.
Ю.П. Масуренков пытался проанализировать объем изверженного материала в районе Эльбруса. По его представлениям, общий объем изверженного, главным образом, эксплозивного материала риолитового и риодацитового составов, в верхнем плиоцене мог достигать ПО км3. В плейстоцене и голоцене, согласно его данным меняется тип вулканизма, а состав вулканитов становится преимущественно дацитовым, андезитовим, андезибазальтовым и распределяется во времени следующим образом: Qi - 25 км3, ( - 55 км3, Q3 - 20 км», Q4 - 35 км3. Е.К. Станкевич, указывая на ограниченность геолого-геоморфологического метода определения возраста лавовых потоков в районах с активной тектоникой, использует петрографо-минералогические критерии и возвращается к представлениям о трех основных возрастных комплексах вулканитов.
Таким образом, к рубежу 70-80 годов XX века были опубликованы основные стратиграфические идеи, рассматривавшие образования Эльбрусской вулканической постройки и ее сателлитов. За исключением схемы К.Н. Паффенгольца, они представляют дальнейшую разработку взглядов А.П. Герасимова и СП. Соловьева. Однако следует отметить, что стратиграфические схемы К.Н. Паффеигольца и Н.В. Короновского, лежащие в основе составленных ими геологических карт, часто противоречат друг Другу не только в представлениях о возрасте вулканитов, но и в последовательности излияния потоков, распространенных в разных долинах рек.
Возраст. За длительную историю изучения вулкана Эльбрус, начиная со времени его посещения Г. Абихом (1852), одной из наиболее сложных и дискуссионных являлась проблема определения возраста вулканитов. На ранних этапах исследований время образования вулкана и возраст пород разных периодов его активизации оценивались по геологическим данным, затем геоморфологическим методом [Герасимов, 1911; Паффенгольц, 1959; Муратов, Гзовский, 1948 Масуренков, 1961; Милановский, Короновский, 1961, 1968]. К.Н, Паффенгольц (1959) делает попытку ревизии существующих представлений А.П. Герасимова, М.В. Муратова, М.В. Гзовского о позднеплиоцен-четвертичном возрасте вулканитов. Все лавы Эльбруса, на основе ошибочных представлений об олигоценовом возрасте липаритовой вулканогенной толщи в районе с. Заюково, он относит к третичному времени. Е.Е, Милановский и Н.В. Короновский возвращаются к представлениям о позднеплиоцен-четвертичном возрасте вулканитов. По их представлениям, вулканическая деятельность, начавшись в акчагыле (N2 ак), продолжается в апшероне (N2 ар), и на рубеже апшерона и нижнечетвертичного времени (N2 ap-Qi) среди четвертичных образований они выделяют среднеплейстоценовые (Q2), верхнеплейстоценовые (Q3) и голоценовые (Q4) эффузивы, последние извержения вулкана происходили около 3 тысяч лет назад. Позже Е.К.Станкевич (1976) провел геохронологические исследования К-Аг, иониевым (Io/234U) и Pa/235U методам (Табл. 2.1). На основании этих исследований он пришел к выводу, что активность Эльбруса продолжалась в течение плейстоцена и завершилась в голоцене, а все изученные породы характеризуются прямой магнитной полярностью вектора (In) и соответствуют эпохе магнитной полярности Брюнесса 0-0.7 млн. лет. Результаты проведенного в последние годы [Чернышев и др., 2001] К-Аг датирования ряда лавовых потоков и игнимбритов в верховьях рек Баксан, Малка и Бийтиктебе показали, что общая продолжительность периода вулканической активности Эльбруса составляла не более 250 тыс. лет. Первый этап активности приходится на временной интервал 250-160 тыс. лет, а второй — на конец позднего неоплейстоцена (менее 70 тыс. лет тому назад) и, возможно, он продолжался и в голоцене.
Вулканические постройки и эрозионные останцы вулканов-сателлитов
Кыртык-Сыатранская вулканическая постройка. В 18 километрах к востоку от вулкана Эльбрус, на водоразделе рек Кыртык и Сылтран-су, располагается эрозионный останец площадью 8-9 км , ориентированный вдоль широтного Сылтранского разлома. В долине р. Кыртык основание вулканической толщи залегает субгоризонтально и подстилается реликтами гляциальных отложений на относительной высоте 300-400 м над днищем долины р. Кыртык [Короновский, 1968]. В долине р. Сылтран-су основание серии из четырех лавовых потоков зависает над современным руслом на высоте 100-150 м, а их мощность соответственно составляет 150, 100, 80 и 200 м. Вулканиты р. Сылтран-су, «низвергаются» под углом от 15 до 40 и местами образуют типичные w "лавопады". Представлены они преимущественно буровато-серыми лавами дацитового м состава. В северо-западной части вулканической постройки, вдоль ее основания на протяжении 1-1,5 км, прослеживается полого залегающая экструзия, сложенная светлосерыми пористыми слабо раскристаллизованными дацитами видимой мощностью 60-80 м. Характер контактов остается не вполне ясным ввиду плохой обнаженности. Восточное ограничение вулканической постройки смещено по субмеридиональному разрывному нарушению с вертикальной амплитудой 60-80 м. Эрозионный останец Таш-Тебинского вулканического потока. Северо-западнее вулкана Эльбрус, в левобережье р. Тохана, расположен пологий эрозионный останец мелкого вулкана г. Таш-Тебе (2482,3 м) площадью до 3 км2. Кроме него в верховьях р. Худее присутствует группа мелких останцов, ранее представлявших единый поток с останцом вулкана г. Таш-Тебе и сложенных лавами андезидацитового состава. Единый поток вытягивался в северо-западном направлении более чем на 8 км и заполнял древнюю долину р. Худее. Максимальное возвышение лавовых останцов над современным руслом р. Худее составляет 70-100 м. Севернее урочища Тютджен-Тохана в запрудном озере, образованном этим потоком, был накоплен озерный материал (до 11 м), представленный чередованием вулканогенно-осадочных и пешю-пемзовьгх прослоев андезитового состава [Пурига и др., 2002]. Радиоуглеродный возраст (С14) углефицированных остатков из аллювиальных отложений в основании одного из останцов составил 33,1±0,7 тыс. лет (Табл. 3.1, проба гині 1586). Тызьтьские вулканические постройки. В долине р. Тызыл в 36 и 45 километрах к северо-западу от вершинной части Эльбруса присутствуют останцы двух вулканических построек. Первая из них сложена серией из 3-4 лавовых потоков андезибазальтового состава. Потоки образуют самостоятельные экскарпы, при общей мощности вулканического разреза до 200 м. Вторая постройка (в правом борту р. Тызыл) расположена выше по руслу на 9 км и сложена лавами андезидацитового состава. По данным Ю. П. Масуренкова, время образования вулканических построек относится к рисс-вюрмскому времени (верхний плейстоцен). Это предположение основано на положении основания вулканических построек (200 м над руслом реки) относительно выделенных в этом районе денудационных уровней (уступ рисского трога расположен на высоте 200-300 м?) [Масуренков, 1961]. Некки и дайки. В СФЗ Главного хребта, к западу от Эльбрус-Кюкюртлинской вулканической постройки и к востоку от Кыртык-Сылтранской вулканической постройки, присутствуют две группы некков и даек, представляющих собой, скорее всего, подводящие каналы эродированых к настоящему времени вулканов (Рис. 3.1). Щ Западная группа ориентирована вдоль нечетко проявленного разрывного нарушения ССЗ направления и включает пять тел. Восточная группа, в левом борту р. Баксан, k ориентирована вдоль ССВ нарушения и включает четыре тела. Сложены некки и дайки стекловатыми и фельзитовидными риодацитами и дацитами. 3.3. Корреляция разрезов вулканитов по результатам ЭПР датирования породообразующего кварца Сложность соотношений неоплейстоценовых потоков Эльбруса, распространенных в долинах рек Малка, Азау и Бийтиктебе, привела к появлению разных стратиграфических представлений и схем строения вулкана Эльбрус [Паффенгольц, 1959; Короновский, 1968; Станкевич, 1976]. Например, на карте К.Н. Паффенгольца (1959) потоки верховьев рек Азау и Бийтиктебе объединены в единый комплекс, а потоки верховьев р. Малки - отнесены к более поздним образованиям. На карте Н.В. И Короновского (1968) потоки р. Азау имеют более древний возраст, а потоки верховьев рек Малка, Бийтиктебе объединены в единый, более молодой комплекс. Предложенная нами стратификация вулканических толщ отличается от обозначенного выше. В верховьях р. Бийтиктебе вторая и третья толща, р. Малка вторая, третья и четвертая толщи, р. Азау четвертая толща (Приложение 1). Для решения вопроса о стратиграфических взаимоотношениях разобщенных лавовых потоков, обнажающихся в разных частях ЭВЦ нами впервые в геологической практике по вулканическому объекту была предпринята попытка применить методику ЭПР (спектроскопия электронного парамагнитного резонанса) датирования по породообразующему кварцу [Богатиков и др., 2002]. Данный метод позволяет определять возраст в диапазоне от первых тысяч лет до первых миллионов лет. Важно отметить, что в этом временном интервале существенно затруднено надежное датирование радиоуглеродным (древнее 40-50 тыс. лет) и калий-аргоновым и аргон-аргоновым (моложе 250 тыс. лет) методами. Возможность ЭПР датирования обоснована в 1960-х годах [Duchesne, 1961; Zeller, 1968]. Метод основан на накоплении радиационных парамагнитных центров в твердых телах под воздействием природного ионизирующего излучения. Процесс накопления радиационных центров в природе описывается уравнением (1) dn/dt = MCp-n) (1) где п - концентрация радиационных центров; 3.=//» — эффективность образования таких центров, / - радиационная чувствительность, р - интенсивность ионизирующего излучения; Ср - концентрация предцентров; t- время. Концентрация радиационных центров тем ближе к величине Ср чем больше времени прошло с момента закрытия системы. При этом количество образовавшихся центров пропорционально палеодозе Р, то есть произведению мощности радиационного фона D на продолжительность воздействия ионизирующего излучения t. В этих условиях "возраст" минерала (время, прошедшее с момента закрытия системы) определяется соотношением (2) і(лет) = палеодоза/радиационный фон= Р(Гр)/ 0(Гр/год) (2) В работе использованы величины палеодоз, измеренные методом регенерации. Метод регенерации предусматривает отжиг образца после измерения в нем природной концентрации парамагнитных центров. В процессе отжига все парамагнитные центры в образце разрушаются. Затем отожженный образец облучают рядом лабораторных у-доз до достижения природной концентрации центров. Эта доза лабораторного облучения принималась равной палеодозе. Недостатком метода является то, что после отжига может измениться радиационная чувствительность минерала [Grim, 1989]. Кроме того, необходимо знать истинные размеры зерен кварца в породе (распределение парамагнитных центров в кристалле неравномерно по объему). Полученные ЭПР датировки, по-видимому, в ряде случаев не соответствуют истинному возрасту пород, но отражают временную последовательность накопления вулканитов. Для использования полученных результатов при геологической интерпретации они должны соответствовать следующим условиям: 1) сопоставимость материалов опробования; 2) сопоставимость результатов пробоподготовки различными методами; 3) воспроизводимость результатов при повторном опробовании; 4) получение более молодых датировок вверх по разрезу в условиях нормального налегания лавовых потоков и туфовых горизонтов; 5) подтверждение ЭПР результатов другими методами. Наиболее простым и легко извлекаемым минералом в нашем случае является кварц, который выделялся в ручную под бинокуляром, а также методом флотации из крупнообъемных (до 20 кг) минералогических проб. Пробы, отобранные по разным методикам, обогащаются зернами кварца разного размера.
Петрогеохимические особенности пород
Эффузивные, эксплозивные и экструзивные образования, развитые в пределах СФЗ Главного хребта, имеют близкий петрохимический состав, соответствующий риодацитам, дацитам и, реже, трахидацитам. Основные петрохимические показатели и геохимические параметры пород близки к гранитоидам орогенного 1-типа [Chappell, White, 1974; Frost et al., 2001; Розен, Федоровский, 2001]. Более основные вулканиты, как отмечалось выше, присутствуют лишь на севере Эльбрусского района на удалении в десятки км от Эльбруса, уже в пределах Бечасынской СФЗ и СФЗ Передового хребта и имеют трахиандезитовый, реже андезибазальтовый состав. Основная часть вулканитов развита в СФЗ Главного хребта в пределах ЭВЦ, где нами выделены пять разновозрастных вулканических толщ. Для вулканитов (риодациты, дациты, трахидациты) характерны повышенные содержания щелочей (в сумме их оксиды составляют 6,83-8.15%) и достаточно высокие отношения K20/Na20, что приближает породы к калиевым субщелочным разностям. На классификационных диаграммах FeOo6lu./(Fe006W.+MgO) - Si02 и (Na20+K20-CaO) - Si02 (Рис A3) фигуративные точки занимают область схождения полей островодужных и постколлизионных гранитоидов, что указывает на их переходное положение от собственно коллизионных образований к постколлизионным.
В вулканитах ЭВЦ (от первой к пятой толще) содержание Si02 в целом изменяется в пределах от 70.5% до 64% (Рис 4.4). Более высокие содержания кремнезема отмечаются в игнимбритах и лавах первой и второй толщ, где они варьируют в пределах от 66 % до 70.5 %, в то время как в более поздних вулканитах эти значения обычно не выходят за пределы 65%-67.5%, и только в лавах, слагающих Восточную вершину (пятая толща), количество Si02 опускается до 64.2%. Таким образом, можно отметить, что в вулканитах ЭВЦ от первой к пятой толщам отмечается слабо выраженная антидромная тенденция. Наблюдается корреляция между содержаниями петрогенных элементов и кремнезема в вулканитах Эльбрусского вулканического района и ЭВЦ (Рис. 4.4, толщи 1-5). С уменьшением содержания Si02 в вулканитах увеличивается содержание Ti02, FeO, MgO, CaO, P2Os и уменьшается содержание К20. Менее отчетливо выражена тенденция в изменении содержаний Na20 А120з с изменениями содержаний Si02, Сравнения относительной роли К и Na в составе кислых пород (главным образом, в полевошпатовой части) методом И.В. Носырева [Беляев, Рудник, 1978], представленного в графическом выражении (Рис. 4.5) диаграммой в координатах N и К (ат. %), где N=Na20/[(Al203+Fe203)-(K2CH-CaO)], а К КгО/КАЬОз+РегОзНЫааСЖ О), показало, что точки составов вулканитов распространены в поле значений N K и редко на линии N=K- Линия равных значений N и К соответствует породам кислого состава, в которых компоненты А12Оз, СаО, Na20, К20 находятся в эвтектических соотношениях, а 100% эвтектической смеси отвечает точка с координатами N=K=1. Составы пород ЭВЦ (от первой к пятой толще) последовательно смещаются в сторону координаты N. Это указывает на увеличение относительной роли Na в расплавах в процессе их эволюции.
Геохимическая характеристика вулканических образований - составная часть вещественной информации, необходимой для расшифровки эволюции расплавов, а также и для их сравнения с другими аналогичными вулканическими постройками. В процессе маршрутных пересечений вулканических построек Эльбрус-Кюкюртли, Кыртык-Сылтран-су, Таш-Тебе, и Тызыла отбирались разнообразные пробы. Результаты аналитических исследований были собраны в виде единого банка данных, включающего 810 анализов пород, где сгруппированы в выборки по месту отбора, по возрасту, по составу и т.д. Полученные выборки, из множества аналитических определений содержаний различных элементов, включали в себя значения геохимических показателей, характеризующих совокупность вулканических пород. Для сравнения выборок нами была использована идея элементарной формулы, характеризующей степень аномальности концентрации элементов в данной разновидности вулканитов, выраженную в кларковых долях [Козлов, 1985; Богатиков и др., 2002]. В числителе формулы записываются накапливающиеся, а в знаменателе - рассеивающиеся элементы с концентрациями ниже кларкового уровня. Элементы с концентрациями близкими к кларковому уровню (0.7-1.3) из формулы исключены. В связи с тем, что вулканиты имеют дацитовый (СФЗ Главного хребта) и андезитовый (Таш-Тебе, Тызыл, Худее) составы, при расчете формул были использованы кларки "кислых" и "средних " пород, по А.П. Виноградову (1967). Для исключения возможных "ураганных" значений использовался метод "трех сигм": данные, превышающие модуль среднего значения на величину утроенного стандартного отклонения, в расчетах не участвовали. Элементарные формулы вулканитов 1 Игнимбриты и туфы риодацитового и дацитового состава (Вторая толща, 89проб) Se-31: Ag-25: Мо-11: As-5.9: Hf-5.3: Cs-3.1: Sb-2.6: Ni-2.2: Sc-2.1: W-1.7: (Au. UV1.6: Th-14 (їді, Tb)-0,2; Та, Yb)-0.4; Ba-0.5; Sm-0.6; (Cu, Y)-0.7 2 - Лавы риодацитового состава (Вторая толща, 23пробы) Se-24: Ag-19: As-10.5: Мо-6.3: Hf-5.7: Cs-3.0: Sb-2.9: Ni-2: Sc-2.1: Au-1.8: OJ. ТЮ-14 (Lu, Tb)-0.2; Ta-0.3; Yb-0.4; (Ba, Sm)-0.6; (Cu, Y, Eu, La)-0.7 3 - Лавы дацитового состава (Третья толща, 171 проба) fSe. Аеї-22: Мо-7.2: Hf-б: As-5.1: Sc-2.7: Ni-2.6: Au-2.4: Sb-1.9: fW. CsVl.8: Co-1.7: Cr-1.6: (Zr. ThVl.3 Lu-0.2; (Tb, Ta)-0.3; Yb-0.4; Ba-0.5; (Cu, Y)-0.5; ( Sm, Rb)-0.7 4 - Лавы дацитового состава (Четвертая толща, 151 проба) Se-22.7: Ае-21: Мо-7.4: Hf-5.6: As-4: Ni-3: Sc-2.6: Co-1.8:: Sb-1.7: (Cr. CsV1.6: Th-1.4 (Lu, Tb)-0.2; Ta-0.3; Yb-0.4; Ba-0.5; Sm-0.6; (Rb, Au, Y)-0.7 82 5 - Лавы дацитового состава (Пятая толща, 173 пробы) Se-22.8: Ае-21.2: Mo-8: Hf-5.5: Sb-5.7: As-3.9: Ni-3: Sc-2.7: Sb-2.0: Co-1.8: (Cs. СгМ.б: fW. AuH.5: fPb. Th. ZrH.3 (U, Tb)-0.2; Ta-0.3; Yb-0.4; Ba-0.5; Sm-0.6; (Rb ,C« ,Y)-0.7 6 - Лавы дацитового состава Сылтранская вулканическая постройка (44 пробы) Se-22: Ag-20.5: Мо-6.1: Hf-5.8: As-2.6: Sc-2.5: W-2.3: Ni-2.1: Sb-2: Cr-1,7: Au-1.6: Co-1.5: (Cs. Zr. ZnM.4 (Lu, Tb)-0.2; Ta-0.3; Yb-0.4; Y-0.4; (Ba, Y)-0.5; Sm-0.6 7 - Лавы андезитового состава, Таштюбинская вулканическая постройка (13 проб) Se-21.9: Ае-20.7: As -8.4: Мо-7.3: Hf-6.5: Sc-3.6: Th-2.9: Pb-2.7: W-2: Ta-1.5 Sr-0.5 ; Cu-0.7 Элементарные формулы, полученные в результате обработки выборок, характеризуются однотипным набором элементов, как в их числителе, так и в знаменателе, при устойчивой последовательности элементов. Некоторые отличия наблюдаются в их правой части, приближенной к кларковому уровню. Из анализа формул следует, что для вулканитов в целом, по сравнению с кларкамн кислых пород, характерны высокие содержания Se, Ag, Mo, Hf и As. Кроме того, в заметно повышенных концентрациях присутствуют Sbt Ni, Sc, Cs, Co, Cr. В тоже время они резко обеднены (менее 0.5 кларк) Lu, Tb, Та, Yb, Y. Из анализа приведенных формул следует, что в последовательном ряду вулканитов постепенно повышаются содержания Ni, Сг, Со и уменьшаются содержания Cs и U, что скорее всего прямо связано с антидромной эволюционной тенденцией вулканитов ЭВЦ.
Изотопные исследования были одной из составных частей геохимического изучения вулканических образований Эльбрусского района, необходимых для расшифровки как генетических аспектов так и эволюции расплавов. Нами были сделаны определения величин изотопных отношений (87Sr/86Sr) в вулканитах, которые были дополнены данными из литературных источников [Лебедев и др., 2000; Чернышев и др., 2001, 2002] (Табл. 4.9). Значения измеренных изотопных стронциевых отношений (87Sr/86Sr) в породах района изменяются от 0.705107 до 0.707339 и, по данным В.А. Лебедева с соавторами [Лебедев и др., 2000], даже до 0.7077.
Рудно-магматические системы Эльбрус-Кюкюртлинской вулканической постройки
Рудио-магматические системы Эльбрус-Кюкюртлинской вулканической постройки В последние годы при прогнозной оценке территорий на металлические полезные ископаемые важная роль отводится рудно-магматическим системам (РМС), под которыми понимается совокупность вулканитов, интрузивов и вмещающих их пород, а также возникших в них геохимических полей концентрирования [Таусон, 1987]. Выявление подобных РМС весьма актуально для оценки потенциальной рудоносности новейшего вулканизма Большого Кавказа. В пределах ЭКВП нами впервые выделены две самостоятельные РМС [Газеев и др., 2003], связанные с кальдерным этапом развития вулканической системы. Это Кюкюртлинская РМС и Ирикская РМС. Кюкюутлинская РМС расположена на юго-западе вулканической постройки. В ее строении принимают участие вторая и третья толщи вулканического разреза, прорванные экструзией Кюкюртли, с которой пространственно совпадают поля площадной (монтмориллонит + карбонат + гематит + гетит ± пирит) и локальной (галлуазит+ каолинит + халцедоновидный кварц + карбонат + пирит + марказит + гематит ± натроярозит) аргиллизации. Участок локальной аргиллизации каолинит-галлуазитового типа отмечен в центральной части стены экструзии ІСюкюртли и ориентирован вдоль тектонического нарушения ССВ простирания, к которому приурочены и вторичные кварциты. Характер площадного распределения элементов изучен с помощью геоинформационной системы (Arcview 3.0). Участки аномальных содержаний (Рис. 5.1) определялись путем последовательного подбора пограничных значений, при последующем удалении точек с низкими и средними содержаниями элементов. В пределах РМС были выявлены геохимические аномалии As, Zn и Pb, в 5 и более раз превышающие кларк для кислых пород. Аномалия мышьяка площадная, распространена и за пределами экструзии. Содержания As варьируют от 15 до 322 ррт. Аномалии свинца и цинка более локальны и приурочены ко вторичным кварцитам и ветвящимся зонам осветления пород (Табл. 5.3). Содержания Zn варьируют от 100 до 497 ррт, РЪ от 2-3 до 378 ррт. Отмечено повышение содержаний золота в пиритизированых зонах до 2,8 Кк (кларк -концентраций) Рассеянная рудная минерализация, отмечаемая в экструзии и в зонах вторичных изменений (Табл. 5.4), представлена ильменитом, магнетитом, рутилом, гематитом, пиритом, марказитом, пирротином и редкими халькопиритом и галенитом. Ильменит, магнетит и рутил являются наиболее ранними акцессорными (магматогенными) минералами. Иногда они включены в более поздние пирит-марказитовые агрегаты. характерны для близповерхностных месторождений, где минералообразование происходило из газовых конденсатов при повышенном давлении флюидов в микрообъемах замкнутых систем.
В пустотках сульфиды и нерудные минералы образуют корочки на стенках или же их полностью заполняют. Установлена следующая последовательность нарастания минералов на стенки пор: кварц + пирит ± марказит — халцедон — гипс, ярозит, гидроокислы железа, сульфатные минералы. Наиболее крупные сульфидные скопления обычно наблюдаются в экзоконтактах кварцевых микропрожилков, где они не только сопровождаются, но и корродируются кварцем более поздней генерации. Галенит отмечается в виде единичных зерен размером 10-30 мкм, в кварце из зонок окварцевания и реже в марказите. Под стеной экструзии часто встречаются обломки вторичных кварцитов (они присутствуют в средней части стены на высоте 100-15 Ом от ее видимой подошвы) -продукты окварцевания, пиритизации и гематитизации исходных вулканических пород. Температура гомогенизации ФВ в мелкозернистом кварце из прожилков во вторичном кварците составляет 110-115 С (Табл. 5.2, Обр. 147). Преобладающим сульфидным минералом вторичных кварцитов является пирит, присутствующий в виде шаровидных скоплений метакристаллов (фрамбоиды) и их агрегатов, реже он образует рассеянную вкрапленность кубических и кубооктаэдрических кристаллов в кварце. В ассоциации с пиритом встречается марказит. Гематит развивается по пириту, содержит его реликты либо образует полные псевдоморфозы.
Для оценки температур образования сульфидной минерализаци в экструзии использованы температуры термометрического уравнения распределения кобальта [Урусов, 1997] между пиритом и пирротином, халькопиритом и пирротином в ассоциации с пиритом. В результате установлено, что образование сульфидной минерализации (Табл. 5.5) происходило в интервале температур 170-213 С. Ирикская PMC расположена на востоке вулканической постройки в районе перевала Ирик-чат. В ее строении принимают участие породы вулканического цоколя и игнимбриты, по которым развиты монтмориллонитовые аргиллизиты и отмечаются редкие кварц-альбит-монтморшшонит-гидрослюдистые прожилки (Рис 5.3, обр 648). Игнимбриты, в которых отмечены ксенолиты шзднешшоценовых гранодиоритов, прорваны мелкими дайками фельзит-порфиров риодацитового состава, с которыми пространственно связаны: эксплозивные брекчии (Рис 5.3, обр 646) с гидротермальным (кварцевым) цементом и обломками фельзит-порфиров и аргиллизитов; кварц карбонатные прожилки с мелкими полостями в которых горный хрусталь и гипс; кварц-сульфидные прожилки. Выходы РМС практически полностью перекрыты ледником. Во вкрапленниках кварца из игнимбритов (Табл. 5.2, обр. 221-3, 4) вместе с расшивными включениями были встречены и двухфазные флюидные включения, локализованные вдоль залеченных трещин, т.е. вторичные ФВ. Газовая фаза включений не превышает 15-20 % объема, температура гомогенизации (Тг) их составляет 127-152С. Температуры плавления эвтектики находятся в пределах от 21.5 до -23.4С, что несколько ниже Тпл.э. системы NaCl-НгО [Борисенко 1974]. Следовательно, основным компонентом растворов ФВ является NaCl, но возможно предположить наличие в растворах К+, поскольку по имеющимся данным Тпл.э. системы NaCl-KCl- Н2О равняется -23.5С. Концентрация растворов варьирует в достаточно широком интервале от 5.0 до 14.2 мас.% экв. NaCl. В пределах РМС были выявлены геохимические аномалии Mn, Zn, Pb, Sb U, Cs, Mo и As. Максимальные содержания отмечены в зонах вторичных изменений (мощностью до 5-10см), которые, как и дайки фельзит-порфиров, имеют СВ простирание и выполнены бурыми, охристыми или светлыми порошковатыми и пленочными образованиями. По данным РСА, в зонах гидротермальных изменений установлены альбит, гётит, гематит, гипс, гаусманит, англезит и смитсонит. Содержания цинка варьируют от 87 до 3116 ррт, мышьяка - от 2,6 до 257,7 ррт, сурьмы - от 44 до 1419 ррт, свинца - от 72 до 690 ррт, молибдена - от 4,8 до 63 ррт. В дайках отмечены несколько повышенные содержания золота (до 0,023 ррт).
Отметим, что похожие изменения вулканитов с повышенными содержаниями марганца описаны Ю.П. Масуренковым вблизи среднеплиоценовых эруптивных апаратов Нижнечегемского вулканического района [Масуренков,1961]. Потенциальная рудоносностъ субвулканических и гипабисалъных образований. По существующим представлениям, оптимальные по рудной продуктивности РМС должны образовываться в связи с гипабисальными интрузиями, кристаллизующимися на глубинах 3-5 км. В этом случае магмы, насыщенные летучими компонентами, получают возможность достаточно глубокой кристаллизационной дифференциации [Таусон, 1987]. Становление же выявленных нами субвулканических тел происходит на глубинах от нескольких сотен метров до одного-двух километров. Основные различия в их становлении, в сравнении с более глубинными плутонами, касаются содержания летучих компонентов и поведения последних в процессе кристаллизации расплава: на больших глубинах они удерживаются длительное время, а на малых глубинах возникают условия резкого перепада температур и особенно давления, к тому же неравномерного [Рудич, 1971]. Формирование экструзий происходит в непосредственной близости к магмовыводящим каналам, Они, как правило, фиксируют крупные разломы, которые часто являются и путями движения рудоносных растворов [Коптев-Дворников, 1967].
