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.
Рис.2. Стандартные
дискриминационные петрохимические диаграммы для
эффузивов и оливин-анортитовых включений:
а) AFM [2], б) SiO2
- (0.9Fe2O3
+ FeO) / MgO [3], в) SiO2
- K2O + Na2O.
1-4 - тренды дифференциации
для вулканов (для рис.2а): 1 - Менделеева, 2 - Заварицкого, 3 - Ксудач;
4-7 - точки составов эффузивов вулканов
(для рис 2б,в): 4 - Менделеева, 5
- Заварицкого, 6 - Ксудач, 7
- Мутновский; 8-10 - составы оливин-плагиоклазовых
включений (8 - вулк. Менделеева, 9
- вулк. Заварицкого, 10 - вулк. Ксудач);
11 - составы первичных расплавов алливалитов,
полученные в результате термометрического эксперимента; 12
- состав первичного расплава алливалитов вулк. Мутновский, полученный расчетным
способом; 13-14 - тренды дифференциации,
рассчитанные по программе COMAGMAT [4]
для первичного расплава алливалитов при литостатическом давлении 1 кбар
(13 - при содержании воды 2% и фугитивности
кислорода на 0.4-0.6 лог. ед. выше буфера NNO, 14 - 1.0 - 1.2%
воды, фугитивность кислорода на 1.0-1.2 лог. ед. выше буфера NNO);
15 - граница полей толеитовой (Т) и известково-щелочной
(ИЩ) серий.
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
(An90-91)
и оливинах (Fo79-80).
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
Fo78-79 An90-91,
тогда как для термометрических экспериментов использовались частично раскристаллизованные
включения парагенезиса Fo81-82
An93-96).
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.
Back to main page |