Автор: Миронов Никита Леонардович
Название работы: Происхождение и эволюция магм Ключевского вулкана, Камчатка, по данным изучения расплавных включений в оливине
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Ордена Ленина и Ордена Октябрьской революции Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
(ГЕОХИ РАН)
Руководитель:
доцент кандидат геолого-минералогических наук М.В. Портнягин;
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук О.А.Луканин;
кандидат геолого-минералогических наук А.Д. Бабанский;
Место защиты: Москва
Дата защиты: 20 мая 2009 года
Издательство: Москва
Количество страниц: 31
Язык: русский
Содержание работы:
1. Введение.
2. Результаты предыдущих исследований и обоснование задачи данной работы.
3. Методы исследования.
4. Состав пород и минералов Ключевского вулкана.
5. Магматические включения.
6. Состав расплавных включений в оливине.
7. Происхождение и состав родоначальных магм Ключевского вулкана.
8. Эволюция родоначальных магм и условия кристаллизации.
9. Петролого-геохимическая модель образования и эволюции родоначальных магм Ключевского вулкана.
Защищаемые положения.
Список работ по теме диссертации.
|
Реферат:
Актуальность темы исследования
Одной из главных геодинамических обстановок проявления вулканизма на Земле являются конвергентные границы литосферных плит, на которых происходит субдукция океанической плиты
в мантию. В этой обстановке происходит образование новой коры, по составу приближающейся к континентальной, и процессы фундаментального преобразования океанической плиты в
условиях высоких температур и давлений в мантии Земли. Ключевой задачей исследований вулканизма конвергентных границ литосферных плит, который проявлен в островных дугах и
активных континентальных окраинах, является реконструкция всего пути эволюции магм от момента образования до извержения на поверхность Земли. Несмотря на значительные усилия,
направленные на комплексное решение этой проблемы методами петрологии и геохимии, многие вопросы остаются недостаточно освещенными. Особенно дискуссионными остаются состав
и источники родоначальных островодужных магм [Соболев и др., 1993; Stolper, Newman, 1994; Kelemen et al., 2003; Portnyagin et al., 2007a], ранние этапы фракционирования магм
в коре [Pichavant et al., 2002; 2007], значение коровой ассимиляции в эволюции примитивных магм [Danyushevsky et al., 2004; Reubi, Blundy, 2008], флюидный и окислительно-восстановительный
режимы дифференциации магм [Sobolev, Chaussidon, 1996; Wallace, 2005; Rowe et al., 2009].
В данной работе была поставлена задача реконструкции всего пути эволюции островодужных магм с момента зарождения в мантии до извержения на поверхность для одного вулканического
центра вулкана Ключевской на Камчатке. В основу работы положено детальное изучение магматических включений в минералах, сохранивших информацию о различных этапах эволюции
магм и значительных вариациях составов расплавов, существовавших в природе. На основе полученных данных была создана модель эволюции магм Ключевского вулкана, согласованная
с геофизическими данными. Проведенное исследование служит фундаментальным вкладом в понимание комплексных процессов магматизма конвергентных границ литосферных плит.
Цель работы.
Цель настоящей работы состояла в решении следующих вопросов:
1. Развитие и совершенствование методики изучения магматических включений в минералах для решения петрологических задач в областях надсубдукционного магматизма.
2. Оценка состава родоначальных расплавов Ключевского вулкана и реконструкция составов и условий плавления их мантийных источников.
3. Выяснение происхождения микроэлементных и изотопных вариаций составов родоначальных магм Ключевского вулкана.
4. Определение физико-химических условий кристаллизации родоначальных расплавов и их изменения в процессе эволюции магм вплоть до момента вулканического извержения.
5. Построение согласованной с геофизическими данными петролого-геохимической модели образования и эволюции магм Ключевского вулкана.
Научная новизна
1. Установлены значительные вариации содержаний петрогенных элементов и элементов-примесей в расплавах Ключевского вулкана, значительно превышающие вариации составов пород
и свидетельствующие о большой гетерогенности составов исходных магм вулкана и об их эффективном смешении до извержения на поверхность.
2. Показано, что образование исходных магм Ключевского вулкана происходит в результате плавления литологически гетерогенного мантийного источника под воздействием H2O-CO2-содержащего
флюида, обогащенного также рядом микроэлементов (напр., K, Ba, Cl, B, Pb).
3. Продемонстрировано, что примитивные расплавы Ключевского вулкана характеризуются большим интервалом содержаний несовместимых элементов-примесей и изотопного состава кислорода,
что может объясняться взаимодействием исходных деплетированных мантийных магм с метасоматизированной литосферной мантией.
4. На основе прямых данных о составе расплавов проведена количественная оценка физико-химических условий декомпрессионной фракционной кристаллизации магм Ключевского вулкана.
Показано, что при подъеме магм к поверхности происходит увеличение параметра dF/dP, отражающего степень кристаллизации при уменьшении давления. Заключительные этапы кристаллизации
происходят в практически изотермических условиях в режиме интенсивной дегазации расплавов.
5. Проведена оценка флюидного режима (H2O, CO2, S, Cl, F) образования и эволюции магм Ключевского вулкана. Показано, что эволюция магм сопровождается дегазацией летучих компонентов
на всех этапах фракционирования. Ранняя флюидная фаза характеризуется водно-сульфатно-карбонатным составом. Заключительные этапы фракционирования сопровождаются отделением
преимущественно водного флюида. Частичное отделение хлора из расплава во флюидную фазу происходит в течение всего интервала кристаллизации. Оценено, что эмиссия летучих компонентов
в результате активности Ключевского вулкана может составлять до 1.5 % от средней ежегодной эмиссии летучих всеми островодужными вулканами Земли.
6. Построена согласованная с геофизическими данными петролого-геохимическая модель происхождения и эволюции магм Ключевского вулкана.
Практическая ценность
Работа является фундаментальным вкладом в решение основных вопросов надсубдукционного магматизма, включающих количественную оценку состава магм и их источников, оценку физико-химических
условий образования и эволюции родоначальных магм, происхождение островодужных вулканических серий, а также строение магматических питающих систем под вулканами.
Разработан комплекс методов для оценки состава, условий образования и кристаллизации родоначальных островодужных магм и их источников.
Оценена эмиссия летучих компонентов в результате деятельности Ключевского вулкана, которая может быть использована в масс-балансовых расчетах рециклинга вещества, происходящего
на конвергентных границах литосферных плит и для оценки воздействия вулканизма на климат.
Фактический материал
В основу работы положен фактический материал, полученный в результате исследования коллекции пород Ключевского вулкана, собранной в различные годы и предоставленный автору
А.А. Арискиным, Г. Вернером, Ф. Дорендорфом, П.Ю. Плечовым, В.В. Пономаревой, А.Ю. Озеровым и С.А. Хубуная. Для изученных образцов были исследованы шлифы, прозрачно-полированные
пластинки и мономинеральные фракции, также было приготовлено около 30 препаратов для оптического и аналитического исследования минералов и включений в них. В ходе работы было
проведено около 200 термометрических экспериментов с оптическим контролем с расплавными включениями в минералах.
В работе использовались следующие методы валового и локального количественного химического анализа: рентгено-флюоресцентный анализ (петрогенные и редкие элементы в породах
17 анализов); электронно-зондовый анализ (петрогенные элементы, Cl и S в расплавных включениях около 400 и минералах - около 2000 анализов), вторично-ионная масс-спектрометрия
(редкие элементы, F и H2О в стеклах расплавных включений - около 110 анализов), CO2 лазерная флюоринация (изотопный состав кислорода δ18O в оливине - 20 анализов).
При обработке и систематизации фактического материала использовались доступные литературные данные и неопубликованные материалы (Плечов П.Ю.) по составу пород, минералов и
включений в минералах Ключевского вулкана. В ходе работы была создана база данных, насчитывающая более 3000 анализов петрогенных и редких элементов в породах, минералах и
расплавных включениях Ключевского вулкана.
Личный вклад автора
1) Подготовка каменного материала для изготовления шлифов и проведения различного вида анализов, отбор мономинеральных фракций, изготовление прозрачно-полированных препаратов
для микрозондового и экспериментального изучения. 2) Оптическое изучение петрографии и минералогии объекта исследования, диагностика и классификация магматических включений.
3) Проведение экспериментальных исследований расплавных включений в минералах. 4) Совершенствование методики изучения расплавных включений. 5) Проведение электронно- и ионно-зондовых
анализов расплавных включений и минералов. 6) Оценка условий кристаллизации расплавов и моделирование магматических процессов. 7) Участие в создании базы данных составов пород,
минералов и расплавных включений Ключевского вулкана. 8) Анализ, систематизация и обобщение полученных результатов, сравнение их с литературными данными.
Апробация работы
По теме работы автором опубликовано 6 статей в международных и российских рецензируемых изданиях (Contributions to Mineralogy and Petrology, Earth and Planetary Science Letters,
Петрология, Геохимия).
Результаты исследований по теме диссертации представлены в 20 опубликованных тезисах докладов и докладывались автором на Семинарах по экспериментальной минералогии, петрологии
и геохимии (Москва, ГЕОХИ РАН, 2000, 2002, 2003 г.), 14-м Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, ИЭМ РАН, 2001 г.), совместном международном
Конгрессе Европейского Геофизического Союза, Американского Геофизического Союза и Европейского Союза по Наукам о Земле (EGU-AGU-EUG joint Assembly, Ницца, Франция, 2003 г.),
Рабочем совещании по теме Включения в минералах и процессы в мантии Земли (Рингберг, Германия, 2005 г.), Генеральной ассамблее IAVCEI 2008 (Международной Ассоциации Вулканологии
и Химии Недр Земли) (Рейкьявик, Исландия, 2008 г.) и 13-й международной конференции по термобарогеохимии и IV симпозиуме APIFIS (Москва, ИГЕМ РАН, 2008 г.).
Структура и объем работы
Работа состоит из 4 разделов, включающих 9 глав. Первый вводный раздел включает введение (Глава 1) и результаты предыдущих работ с постановкой задачи исследования (Глава 2).
Во втором разделе рассматриваются методы исследования (Глава 3) и фактический материал (Главы 4-6), включающий объект исследования, каменный материал, описание петрографии,
минералогии и петрохимии пород вулкана, характеристику типов магматических включений и состав расплавных включений в оливине. Третий раздел посвящен обсуждению полученных
результатов и касается вопросов о происхождении, составе родоначальных магм Ключевского вулкана (Глава 7), их эволюции и условиям кристаллизации (Глава 8). В четвертом заключительном
разделе приведена петролого-геохимическая модель происхождения и эволюции магм Ключевского вулкана (Глава 9). Главы 3-8 завершаются выводами. В конце работы приведен список
литературы, список опубликованных работ по теме диссертации, список рисунков и таблиц. Приложение к диссертационной работе включает фотографии шлифов и включений с кратким
описанием, таблицы с составами минералов, кристаллических и расплавных включений.
Текстовой и иллюстративный материал изложен на 325 страницах (255 основной текст, 70 приложение) и включает 132 рисунка, 8 фотографий, 34 таблицы в основном тексте и 71
фотографию и 6 таблиц в приложении; список литературы включает 203 наименования.
Благодарности
Автор выражает благодарность научному руководителю Максиму Владимировичу Портнягину за руководство работой, создание условий для ее проведения, терпение, поддержку и внимание.
При работе над диссертацией автор постоянно чувствовал заботу и поддержку коллег по лаборатории геохимии магматических и метаморфических пород, в том числе зав. лабораторией
чл.-корр. РАН А.В. Соболева, которым автор приносит свою искреннюю благодарность. Автор также выражает признательность и другим сотрудникам ГЕОХИ РАН: В.Б. Наумову за помощь
в исследовании флюидных включений, консультации и интерес к работе и А.А. Арискину за обсуждение материала диссертации и ценные советы.
Работа посвящена светлой памяти Л.В. Дмитриева.
Автор благодарит П.Ю. Плечова за руководство работой на начальном этапе, а также выражает признательность всем преподавателям кафедры петрологии геологического факультета
МГУ и ее заведующему проф. Л.Л. Перчуку за учебные годы студенчества и аспирантуры.
Выражаю признательность В.В. Пономаревой за открытие красоты Камчатского вулканического края и С.А. Хубуная за замечательные совместные поля, а также другим камчатским коллегам
за неизменно теплое общение: Г.П. Авдейко, А.Б. Белоусову, О.В. Дирксену, И.В. Мелекесцеву, М.М. Певзнер, Д.П. Савельеву, А.Ю. Озерову, О.А. Хлебородовой, Т.Г. Чуриковой и
многим другим.
Большую помощь в работе оказал С.Г. Симакин, выполнивший многочисленное количество высококачественных ионнозондовых анализов. Выражаю признательность Н.Н. Кононковой за помощь
в электроннозондовых исследованиях. Автор также благодарен И. Биндеману за высококачественный изотопный анализ кислорода в оливинах.
Работа выполнена в рамках проектов РФФИ ( 00-05-64384, 03-05-64629, 07-05-00807).
|
Библиография:
Статьи: 1. Churikova T, Woerner G., Mironov N., Kronz A. (2007) Volatile (S, Cl and F) and fluid mobile trace element compositions in melt inclusions: implications for variable fluid sources across the Kamchatka arc. Contributions to Mineralogy and Petrology, v.154(2), p.217-239 2. Portnyagin MV, Hoernle K, Plechov PY, Mironov NL, Khubunaya SA (2007) Constraints on mantle melting and composition and nature of slab components in volcanic arcs from volatiles (H2O, S, Cl, F) and trace elements in melt inclusions from the Kamchatka Arc. Earth and Planetary Science Letters, v. 255 (1-2), p. 53-69. 3. Портнягин М.В., Миронов Н.Л., Матвеев С.А., Плечов П.Ю. (2005) Петрология авачитов - высокомагнезиальных базальтов Авачинского вулкана (Камчатка): II. Расплавные включения в оливине. Петрология, т. 13, 4, с. 358-388. 4. Портнягин М.В., Плечов П.Ю., Матвеев С.В., Осипенко А.Б., Миронов Н.Л. (2005) Петрология авачитов - высокомагнезиальных базальтов Авачинского вулкана (Камчатка): I. Общая характеристика, состав пород и минералов. Петрология, т. 13, 2, с. 115-138. 5. Миронов Н.Л., Портнягин М.В., Плечов П.Ю., Хубуная С.А. (2001) Заключительные этапы эволюции магм Ключевского вулкана (Камчатка) по данным изучения расплавных включений в минералах высокоглиноземистых базальтов. Петрология, т. 9, 1, с. 51-69. 6. Плечов П.Ю., Миронов Н.Л., Плечова А.А., Хубуная С.А. (2000) Особенности химического состава и образования расплавных включений в плагиоклазах потока Апахончич, влк. Ключевской, Камчатка. Геохимия, 1, с. 39-47. Тезисы: 1. Миронов Н.Л., Портнягин М.В (2008). Динамика кристаллизации и транспорт магм Ключевского вулкана (Камчатка). Расширенные тезисы доклада на XIII международной конференции по термобарогеохимии и IV симпозиуме APIFIS, 22-25 сентября 2008 г., ИГЕМ РАН, Москва. Интернет-адрес публикации (pdf) http://www.minsoc.ru/2008-1-26-0 2. Mironov N.L., Portnyagin M.V. (2008) Dynamics of magma crystallization and transport at the Klyuchevskoy volcano (Kamchatka) revealed from melt inclusions study. IAVCEI 2008, General Assembly Understanding volcanoes, 18-22 August, Reykjavik, Iceland 3. Portnyagin M., Hoernle K., Plechov P., Mironov N. (2006) Effects of partial mantle melting and variable composition of slab components on the origin of across-arc geochemical zoning in Kamchatka arc, Geophysical Research Abstracts, 8, 04965 4. Mironov N.L., Portnyagin M.V. (2005) An origin and evolution of the Klyuchevskoy volcano magmas: insight from melt inclusion study, Workshop "Inclusions in minerals and processes in the Earth's mantle": Ringberg Castle (Bavarian Alps), Germany, 9-13 May 2005 5. Portnyagin M., Mironov N.L., 2005, Dramatic loss of H2O from melt inclusions in olivine after eruption, Workshop "Inclusions in minerals and processes in the Earth's mantle": Ringberg Castle (Bavarian Alps), Germany, 9-13 May 2005, MPI 6. Portnyagin M., Hoernle K., Avdeiko G., Mironov N., Saveljev D. (2004) The role of fluids and volatiles in the Kamchatka subduction system. 4th Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia, August 21-27, 2004 7. Portnyagin, M., Hoernle, K., Avdeiko, G., Mironov, N. and Saveljev, D. The Role of Fluids and Volatiles in the Kamchatka Subduction System. KOMEX-II workshop, Vladivostok, 2004, 27-30 May, pp.37-38 8. Churikova T., Woerner G., Mironov N., Kronz A., Pletchov P. and Portnyagin M.. Compositional changes in fluids across the Kamchatka arc, 4 th Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs, Petropavlovsk-Kamchatsky, August 21-27, 2004, http://www.kcs.iks.ru/ivs/conferences/kasp/tez/ab58en.doc 9. Mironov N., Portnyagin M., Pletchov P. (2003) The origin and composition of primitive melts of Klyuchevskoy volcano, Kamchatka - insight from melt inclusions study. EGS-AGU-EUG Joint Assembly, v.5, p. 01966. Geophysical Research Abstracts, Nice, France, 06 - 11 April 2003 10. Миронов Н.Л., Портнягин М.В., Плечов П.Ю. (2003) Происхождение и состав примитивных расплавов Ключевского вулкана, Камчатка - по данным изучения расплавных включений. Семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии - Хитариада, Москва, ГЕОХИ РАН, апрель 2003 года 11. Миронов Н.Л., Портнягин М.В., Плечов П.Ю. (2003) Происхождение и состав примитивных расплавов Ключевского вулкана, Камчатка - по данным изучения расплавных включений. Электронный научно-информационный журнал "Вестник Отделения наук о Земле РАН", 1(21). URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/informbul-1_2003/magm-15e.pdf 12. Churicova T., Woerner G., Kronz A., Pletchov P., Mironov N., Portnyagin M. (2003) S, Cl F and trace elements in melt inclusions in olivines from mafic Kamchatka rocks. Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 13291 (EGS-AGU-EUG Joint Assembly - Nice, France, 06 - 11 April 2003) 13. Миронов Н.Л., Портнягин М.В., Плечов П.Ю. (2002) Особенности состава магм Ключевского вулкана по данным изучения расплавных включений в оливинах, Семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии - Хитариада, Москва, ГЕОХИ РАН, 16-17 апреля 2002 года 14. Миронов Н.Л., Портнягин М.В., Плечов П.Ю. (2002) Особенности состава магм Ключевского вулкана по данным изучения расплавных включений в оливинах. Вестник Отделения наук о Земле РАН 1(20)' 2002 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2002/informbul-1/magm-11.pdf 15. Churikova T., Woerner G., Kronz A., Pletchov P., Mironov N., Portnyagin M. (2002) S, Cl, F and trace element composition of melt inclusions from Kamchatka olivines. 3-rd biennial workshop on subduction processes emphasizing the Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs, Fairbanks, Alaska, June 2002 16. Portnyagin M.V., Hoernle K., Avdeiko G., Mironov N., Werner G. (2002) The role of deep fluids in magma generation in the Kurile-Kamchatka arc: An overview of goals, aproaches and recent results of KOMEX Subproject 2. Climate Drivers in the North, May 2002, Kiel, Germany, Terra Nostra, pp.89-90 17. Portnyagin M.V., Pletchov P.Yu., Mironov N.L., Tetroeva S.A. (2001) Olivine hosted melt inclusions in Kamchatka lavas: Implications for the origin of high-Ca low-Si melt inclusions in island-arc setting. EUGXI, Strassbourg, France, 6-17 April 2001 18. Миронов Н.Л., Портнягин М.В., Плечов П.Ю. (2001) Эволюция примитивных расплавов Ключевского вулкана по данным экспериментального изучения расплавных включений. XIV Российское совещание по экспериментальной минералогии. Черноголовка, 2-4 октября 2001. 19. Миронов Н.Л., Плечов П.Ю., Портнягин М.В. (2000) Связь высокомагнезиальных и высокоглиноземистых базальтов Ключевского вулкана по данным изучения расплавных включений в минералах. Электронный журнал Вестник ОГГГГН РАН 5(15), URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/5-2000/magm21 20. Миронов Н.Л., Плечов П.Ю., Портнягин М.В. (2000) Связь высокомагнезиальных и высокоглиноземистых базальтов Ключевского вулкана по данным изучения расплавных включений в минералах. Семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии - Хитариада, Москва, ГЕОХИ РАН, апрель 2000 года
|
|
