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 (15.2-17.7%) 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: