1. Резюме
2. Введение
3. Расплавные включения в минералах алливалитов
4. Оценка состава расплава по стекловатым расплавным включениям
5. Термометрический эксперимент
6. Обсуждение результатов
7. Выводы
8. Список литературы

Резюме.
    Проблема происхождения низкокремнеземистых (преимущественно оливин-анортитовых) включений в вулканических породах низкокалиевых толеитовых серий островных дуг широко дискутируется. Изучение расплавных включений в главных минералах алливалитов трех вулканов Курило-Камчатской островной дуги подтвердило предположения о генетическом родстве алливалитов с вмещающими эффузивами и их кумулятивной природе. Состав первичного расплава, равновесного с минералами включений, установлен двумя независимыми методами (расчетным и путем термометрического эксперимента). Температура совместной кристаллизации оливина и плагиоклаза алливалитов оценивается в 1050-1100° С при содержании воды в исходном расплаве 1.5-2 вес.%. Для различных вулканов получены близкие результаты, что является признаком соответствия состава данного расплава составу материнской магмы низкокалиевых толеитов Курило-Камчатского региона. По расчетам, к генерации базальтового расплава приводит удаление из первичной магмы 7-8% оливин-плагиоклазового кумулята.

Введение.
    В последние десятилетия большое внимание уделяется изучению полнокристаллических включений в различных вулканических образованиях. Очевидно, что понимание их генезиса способствует решению проблемы происхождения вулканических ассоциаций. Темой настоящего сообщения является происхождение низкокремнеземистых оливин-анортитовых включений с подчиненными пироксенами, широко распространенных в вулканитах низкокалиевых толеитовых серий островных дуг.

Расплавные включения в минералах алливалитов.
    Новый уровень изучения проблемы происхождения низкокремнеземистых включений в островодужных вулканитах связан с исследованием расплавных включений в минералах (РВ). Методики, основанные на данных по РВ, активно используются с конца 70-х гг. для расчета pT-параметров кристаллизации магм и для оценки состава расплавов на различных стадиях их эволюции [15,16]. Алливалиты из вулканов Курило-Камчатской дуги являются удобным объектом для подобных исследований, поскольку в их минералах в достаточных количествах сохранились стекловатые расплавные включения.
    Состав включений и вмещающих их минералов определялся в лаборатории микроанализа каф. петрологии МГУ (электронный микроскоп Camscan-4DV, анализатор LinkSystem-10000, аналитики Е.В. Гусева и Н.Н. Коротаева). Составы стекол определялись по максимальной площади РВ размером не менее 20 мкм, что позволяет пренебречь влиянием граничных эффектов [17]. Определения химического состава пород (петрогенные элементы и элементы-примеси) произведены в 1985 г. в лаборатории Копенгагенского университета под руководством доктора Дж. Бейли. Содержания петрогенных элементов определены методом XRF анализа стеклянных дисков с привлечением методов атомной абсорбции (Na, Mg) и "мокрой" химии (Fe). Для определения содержаний РЗЭ, Cs, U, Th, Hf, Co и Sc использован метод INAA, для остальных элементов-примесей - метод XRF (установка PW 1400).
    Расплавные включения обнаружены во всех породообразующих минералах оливин-анортитовых включений: оливинах, плагиоклазах и пироксенах. В настоящей работе представлены результаты изучения РВ в оливинах и плагиоклазах из алливалитов вулканов Мутновский, Ксудач и Головнина.
    Большинство РВ - стекловатые (природно закаленные), состоящие из светло-кремового стекла и газовой фазы, количество которой колеблется от 10 до 15% объема включения. В плагиоклазах включения содержатся в большем количестве, чем в оливинах, и обычно вытянуты вдоль удлинения кристаллов; в оливинах РВ чаще изометричные. В An_>91 и Fo_>79 резко преобладают частично раскристаллизованные РВ. Размеры изучавшихся включений - 10-40 мкм в плагиоклазах и 10-50 мкм в оливинах. В оливинах распределение РВ хаотичное, без видимой приуроченности к кристаллографическим направлениям, в плагиоклазах включения часто приурочены к зонам роста кристаллов. Перечисленные признаки, согласно Э.Реддеру [15], указывают на первичное происхождение РВ.
    Наряду со стекловатыми включениями в оливинах и плагиоклазах отмечены и частично раскристаллизованные РВ. Обилие в них рудной фазы, присутствие вторичных минералов, развивающихся по стеклу, приуроченность таких включений к линейным направлениям в кристаллах, значительные вариации морфологии и состава включений не позволяют использовать их для оценки состава исходного расплава.
    В минералах алливалитов (как в оливинах, так и в плагиоклазах) обнаружены единичные первичные флюидные включения, приуроченные к центральным частям зерен, что дает основание считать, что расплав, из которого кристаллизовались эти минералы, был флюидонасыщенным.

Оценка состава расплава по стекловатым расплавным включениям.
    Относительная простота минералогии алливалитов (существенное преобладание оливина и плагиоклаза выдержанного состава) позволяет использовать расчетные методы оценки состава родоначального расплава. Исходными данными являются составы первичных стекловатых включений (табл.4) в плагиоклазах (An_90-91) и оливинах (Fo_79-80). Поскольку после захвата включения на его стенки кристаллизуется некоторое количество минерала-хозяина, в оливинах первичные РВ обеднены оливиновой составляющей, а в плагиоклазах - плагиоклазовой. Таким образом, мы можем ввести некоторые граничные условия для состава расплава, из которого кристаллизовались алливалиты. Содержание MgO будет занижено во включениях из оливина и завышено во включениях из плагиоклаза, т.е. содержание MgO в расплаве соответствует интервалу 3.5 - 4.9 вес.%. Аналогичным образом можно оценить содержания Al₂O₃ (15.217.7%) и CaO (8.6-9.4%). Из состава стекол в сосуществующих минералах и из состава минералов геометрическим способом рассчитаны количества минерала-хозяина, кристаллизовавшегося на стенки после захвата включений (в среднем 4.5 и 18.7 вес.% для оливина и плагиоклаза соответственно).
    На основе данных о составе РВ и кристаллизующихся фаз рассчитана температура совместной кристаллизации оливина и плагиоклаза - 1050° -1100° С. Составы равновесных с расплавом плагиоклазов и температуры их кристаллизации рассчитывались на основе уравнений А.А. Арискина и Г.М. Барминой [18]. Расчетные составы плагиоклаза при этом имеют содержания анортита, заниженные относительно реальных на 7-10%. Повышенные содержания анортитовой молекулы в плагиоклазах алливалитов могут быть объяснены повышением содержания в расплаве воды, смещающей составы плагиоклаза в более основную область. Составы оливинов и температуры их кристаллизации рассчитаны по модели Форда [19]. Оценка содержания воды в исходном расплаве проводилась по несоответствию температур равновесия оливина и плагиоклаза [20] и по распределению кальция между расплавом и плагиоклазом [21]. Оценки, полученные первым методом (1.5%), близки минимальным оценкам, полученным вторым методом (1.65%).

Термометрический эксперимент.
    Для проверки полученных расчетных данных проведен ряд термометрических экспериментов, для которых отбирались зерна оливинов и плагиоклазов (по 100 зерен) с достоверно первичными стекловатыми РВ, содержащими газовую фазу и не несущими признаков перекристаллизации и вторичного изменения. Средний размер включений - 15-20 мкм. Эксперимент проводился в муфельной микропечи без визуального наблюдения в лаборатории магматической петрологии ИГЕМ при содействии А.Д. Бабанского.
    Гомогенизация включений осуществлялась в платиновом контейнере, заполненном порошком графита. Использовался метод ступенчатого нагрева через 20° С (точность измерений 10° С), начиная с 1000° С. После выведения образца в необходимый температурный режим препарат 2-3 минуты выдерживался при постоянной температуре, после чего образец извлекался из термокамеры и закаливался при комнатной температуре. Достижение гомогенизации фиксировалось визуально, по исчезновению флюидной фазы. Большинство РВ было гомогенизировано в пределах от 1050 до 1100° С. Немногочисленные включения, газовая фаза которых не исчезла при нагреве до 1200° С, отбракованы как негерметичные или образовавшиеся в результате гетерогенного захвата расплава и газово-жидкой фазы при образовании включения.

Обсуждение результатов.
    Составы расплавов, из которых кристаллизовались минералы алливалитов, оценивались двумя способами: (1) микроанализом искусственно закаленных в ходе термометрического эксперимента РВ, и (2) путем термодинамических расчетов (табл.4). Экспериментальные результаты обнаруживают хорошую сходимость (рис.2), что подтверждает их корректность. Близкие составы расплавов для разных объектов при значительной пространственной разобщенности изучавшихся вулканов согласуются с предположением о существовании единой родоначальной магмы низкокалиевых толеитов. Состав расплава, полученный расчетным путем, отличается от экспериментальных составов повышенной лейкократовостью, что, вероятно, связано с ограниченным выбором зерен (при расчетах использовались данные по стекловатым включениям в сосуществующих минералах, а в наиболее магнезиальных оливинах и кальциевых плагиоклазах резко преобладают частично раскристаллизованные включения; в результате расчеты проведены для парагенезиса Fo_78-79 An_90-91, тогда как для термометрических экспериментов использовались частично раскристаллизованные включения парагенезиса Fo_81-82 An_93-96). Пониженная железистость расчетных составов может быть результатом диффузионного перераспределения железа в оливине-хозяине в период внутрикамерной кристаллизации [22].
    На петрохимических диаграммах (рис.2) полученные путем термометрического эксперимента родоначальные расплавы занимают промежуточное положение между алливалитами и большей частью эффузивных пород, в начале эволюционного тренда низкокалиевых толеитовых серий (вулканиты с кремнекислотностью менее 50% встречаются нечасто, и их происхождение, вероятно, связано с локальной концентрацией ранних вкрапленников). Судя по направлению трендов, основным фактором дифференциации магм было фракционирование оливина и плагиоклаза. Таким образом, представленные материалы подтверждают предположение о кумулятивной природе алливалитов [1,8,14].
    Эволюционные тренды, рассчитанные из среднего состава экспериментальных расплавов с помощью программы COMAGMAT [4], близки к реальным трендам изверженных пород с кремнекислотностью до 58% (рис.2). Точки пород вулкана Менделеева на диаграммах расположены вблизи трендов, рассчитанных для фракционной кристаллизации при исходном содержании воды 2% и при фугитивности кислорода на 0.4-0.6 лог. ед. выше буфера NNO; для эффузивов вулканов Ксудач и Заварицкого предполагается эволюция при большей фугитивности кислорода (1.0-1.4 лог. ед. выше буфера NNO) и при меньшем содержании воды в родоначальном расплаве (1.0-1.2%). Для пород вулкана Мутновский и для эффузивных пород кислого состава наблюдается существенное отклонение от расчетных трендов, что указывает на то, что эволюция расплавов на этой стадии определяется не только кристаллизационным фракционированием. Свидетельством возможного участия в магмообразовании материала коры является устойчивое различие эффузивов Камчатки и Курильской гряды по уровню общей щелочности (рис.2в).
    При оценке баланса петрогенных элементов (исходный расплав = алливалит + базальт), выполненной методом простой пропорции, установлено, что для образования базальта, подобного базальтам Курило-Камчатской дуги, необходимо фракционирование из родоначального расплава 7-8% оливин-плагиоклазового кумулята.
    Наиболее обильны включения в длительно развивающихся вулканах, прошедших кальдерную стадию развития. Судя по разнообразию состава вулканитов и включений, питающая магматическая система под такими вулканами имеет вертикальную зональность по составу и температуре и представлена либо одним крупным расслоенным очагом, либо небольшими камерами на разных уровнях, выполненными расплавом разной степени дифференциации. Различия в составе между включениями и вмещающими их породами определяются в этом случае эволюцией магматической системы, а именно дифференциацией магматического расплава, сопровождающейся кумулятивными процессами с одновременным появлением наиболее кислых дифференциатов. Периодическое поступление новых порций горячей магмы приводит к конвекции и к поднятию из глубинных частей системы фрагментов как затвердевшего, так и более жидкого мафического материала в верхние горизонты и вынос его на поверхность в виде включений. Последние, таким образом, могут представлять собой кумуляты или же застывшие на разных уровнях интрузивные тела, образованные за счет ранних порций магмы.

Выводы.
    1. Стекловатые включения в алливалитах могут служить достоверными источниками информации о ранних расплавах магматических камер. Полученные составы ранних расплавов близки между собой и соответствуют материнскому расплаву, формирующему низкокалиевые толеитовые серии вулканов Курило-Камчатской островной дуги (Заварицкого, Головнина, Ксудач, Мутновский, Менделеева и др.).
    2. Данные по расплавным включениям подтверждают сделанные ранее выводы о кумулятивной природе алливалитов (что, впрочем, не исключает возможности присутствия в изученных эффузивах включений других генетических типов).
    3. Температура совместной кристаллизации оливина и плагиоклаза алливалитов оценивается в 1050-1100° С, содержание воды в исходном расплаве - в 1.5-2 вес.%.
    4. Постоянство состава расплавов, равновесных с минералами алливалитов различных вулканов Курило-Камчатской дуги, свидетельствует о том, что эти расплавы близки к родоначальной магме низкокалиевых толеитов данного региона.

Список литературы:

1. Фролова Т.И., Бейли Д.К., Бурикова И.А., Дриль С.И. О генетической общности низкокремнеземистых включений и вмещающих пород Курильской островной дуги // Тихоокеанская геология. 1988. 3. С. 27-35.
2. Irvine, T.N., Barager, W.R.A. A guide to the chemical classification of the common volcanic rocks // Can. Journ. of Earth Sci. 1971. V.8. P.523-548.
3. Myashiro, A. Volcanic rock series in island arcs and active continental margins // Am. J. Sci. 1974. V.274. P.321-355.
4. Ariskin, A.A., et al. COMAGMAT: a Fortran program to model magma differentiation processes // Computers and Geosciences. 1993. V.19. P. 1155-1170.
5. Pearce, J.A. Trace element characteristics of lavas from destructive plate boundaries // Andesites / Ed. R.S. Thorpe. London. 1982. P. 526-547.
6. Тейлор С.Р., Мак-Леннан С.М. Континентальная кора: ее состав и эволюция. М.: Мир, 1988. 379 с.
7. Bailey, J.C., Larsen, O., Frolova, T.I. Strontium isotope variations in Lower Tertiary - Quarternary volcanic rocks from the Kurile Island Arc // Contrib. Min. Petrol. 1988. 95. P.155-165.
8. Волынец О.Н., Щека С.А., Дубик Ю.М. Оливин-анортитовые включения вулканов Камчатки и Курил. В кн.: Включения в вулканических породах Курило-Камчатской дуги. М.: Наука, 1978, С. 124-167.
9. Ермаков В.А., Волынец О.Н., Колосков А.В. Включения в вулканических породах Курило-Камчатской островной дуги и их значение для понимания петрогенезиса. В кн.: Петрология и геохимия островных дуг и окраинных морей. М.: Наука, 1987, С. 293-312.
10. Фролова Т.И., Бурикова И.А., Дриль С.И., Бейли Д.К., Митрейкина О.Б. Природа низкокремнеземистых оливин-анортитовых включений и условия их формирования // Тихоок. геол. 1989. 6. С. 85-95.
11. Щека С.И. Базит-гипербазитовые интрузии и включения в эффузивах Дальнего Востока. М.: Наука, 1983. 165 с.
12. Arculus, R.D.J., Wills K.J.A. The petrology of Plutonic Blocks and Inclusions Island Arcs // Journ. Petrol. 1980. V.21. part 4. P. 743-799.
13. Conrad, W.C., Ray, S.M., Ray, R.W. Magma mixing in the Aleutian Arc: evidence from cognate inclusions and composite xenoliths // Volc. Geotherm. Research. 1983. V.18. 1-4. P. 279-296.
14. Фролова Т.И., Дриль С.А. Андезитовый вулканизм островных дуг и его геологическое значение // Тихоок. геол. 1993. 3. С. 3-14.
15. Roedder, E., Fluid inclusions. // Reviews in mineralogy. 1984. V. 12. Michigan: Book Crafters Inc.: Miner.Soc.Amer. 644.
16. Соболев А.В. Включения расплавов в минералах как источник принципиальной петрологической информации // Петрология. 1996. 4(3). С. 228-239.
17. Lu, F., Anderson, A.T., Davis, A.M. Diffusional gradients at the Crystal/Melt interface and their effect on the composition of melt inclusions // Journ. Geol. 1995. V.103. P.591-597.
18. Арискин А.А., Бармина Г.С. Термометрия равновесий плагиоклазов с расплавами базальтов и андезитов // Геохимия. 1990. 3. С. 441-447.
19. Ford, C.E., et al. Olivine-liquid equilibria: temperature, pressure and composition dependence of the crystal/liquid cation partition coefficients for Mg, Fe²⁺, Ca and Mn // Journal of Petrology. 1983. V.24. P. 256-265.
20. Danyushevsky, L. V. 1998. The effect of small amount of H2O on fractionation of mid-ocean ridge magmas // Abstr. AGU Spring Meeting. Eos 79, No.17/suppl., S375.
21. Pletchov, P.Yu., Gerya, T.V. Effect of H2O on plagioclase-melt equilibrium // Experiment in GeoSciences. 1998. 7(2). P. 7-9.
22. Danyushevsky, L.V., Della-Pasqua, Re-equilibration of melt inclusions trapped by magnesian olivine phenocrysts from subduction-related magmas: petlrological applications // Contrib. Min. and Petrol. 1998. (submitted).