Особенности процесса кристаллизации и геохимии толеитовых магм западного окончания Африкано-Антарктического хребта (хребет Шписс) в районе тройного сочленения Буве

Геохимическая характеристика магм

Рис. 6. Изменение содержания Nb, Rb, Ba, Y, Sc и Zr в магмах хребта Шписс и сегмента 12-14о в.д. Американо-Африканского хребта.

Как уже упоминалось, по геохимическим параметрам базальты хребта Шписс принадлежат к обогащенным толеитам [Dickey et al., 1977; Le Roex et al., 1982]. Вместе с тем по степени обогащенности они занимают промежуточное положение между рифтовыми толеитами сегмента Африкано-Антарктического хребта, расположенного вблизи острова Буве и аномально обогащенными толеитами района 12-14^o в.д. того же хребта [Сущевская и др., 1998]. Определенные нами концентрации 28 редких элементов, а также изотопные данные впервые позволили более полно охарактеризовать специфику расплавов этого района. Данные приведены в табл. 4. На рис. 6 показаны вариации Nb, Rb, Ba, Y, Sc и Zr в стеклах и в ранее изученных базальтах хребта, а также сегмента аномалии 12-14^o в.д. [Le Roex et al., 1982, 1992]. Видно, что в целом существует корреляция этих элементов со степенью фракционирования, а интервалы увеличения их концентраций по нашим данным и данным Ле Руа близки. В тоже время два состава стекол из нашей коллекции (G9612/12 и G9612/16) являются более обогащенными в следствие сильного фракционирования (Zr 500 г/т, Y 75 г/т). Скандий имеет обратную корреляцию с цирконием, что связано с кристаллизацией клинопироксена, для которого коэффициенты распределения больше 1. Среди трех проанализированных стекол станции G9610 есть как деплетированные, так и обогащенные ТОР. При этом два обогащенных состава лежат вне трендов хребета Шписс. По содержаниям Sr, Rb, Ba они попадают в поля составов базальтов аномалии 12-14^o в.д., но отличаются более низкими концентрациями Y и Nb. В тоже время видно, что магмы района 12-14^o в.д. неоднородны, и лишь небольшая их часть идентична по всем параметрам лавам хребта Шписс. Используя рассчитанные пропорции кристаллизации фаз и коэффициенты распределения микроэлементов [Bindeman et al., 1998; Green, 1994], мы вычислили количества микроэлементов в расплавах, генерируемых из состава ТОР-1. На рис. 6 линией показано изменение содержания элементов в ходе 90% фракционирования первичного расплава. Модельный ход кристаллизации воспроизводит изменения концентраций в большинстве природных стекол.

Рис. 7. Распределение редких элементов в стеклах хребта Шписс

Вариации относительно более совместимых и несовместимых элементов, в стеклах хребта Шписс, нормализованных к примитивной мантии по [Sun, 1982], приведены на рис. 7. Можно видеть, в общем случае, относительно обогащенный спектр распределения литофильных элементов, который в целом выдерживается в процессе дифференциации и накопления этих элементов в расплавах. Необходимо также отметить небольшие специфические минимумы U, Th, Sr и максимумы Zr, Hf. Наиболее деплетированным является стекло станции G9610, распределение элементов в котором относительно близко к характерному для первичной мантии [Sun, 1982]. Схожий спектр распределения обнаружен для вебстерита из вулканического поля Сайма (Калифорния), представляющего собой один из многочисленных фрагментов, различающейся по геохимии, субконтинентальной мантии [Mukasa and Wilshire, 1997]. Два других стекла станции G9610 более дифференцированы и относятся к сильно обогащенным толеитам, обогащение которых значительнее, чем можно было ожидать исходя из фракционирования, с отмечаемыми небольшими максимумами Rb, Ba и Sr относительно расплавов хребта Шписс. Но в целом спектр распределения элементов для стекол станции G9610 сопоставим со спектрами дифференцированных расплавов хребта.

Рис. 8. Различие отношений несовместимых элементов в стеклах хребта Шписс и станции G9610.

Проведенное сравнение соотношений литофильных элементов в расплавах хребта Шписс и стекол станции G9610 показало, что по некоторым из них обнаруживаются различия. Так если значения отношений Th/U, Zr/Nb, Ba/Ce, Th/La, Nb/Th близки и лежат в интервалах 3.3-3.8, 6-12, 3.9-5, 0.09-0.13, 10-14 соответственно, то значения отношений Вa/Nb, Ba/Ce в стеклах станции G9610 выше, а Nb/La ниже, чем в расплавах хребта Шписс. Приведенные на рис. 8 графики для стекол изученных районов демонстрируют эти отличия, которые в свою очередь свидетельствуют о различиях примесных обогащенных компонентов по ряду элементов.

Определение характера примесного компонента сталкивается с рядом трудностей, поскольку с одной стороны для этого необходимо рассмотрение всех геохимических характеристик, а с другой сопоставление мантийного и корового компонента окружающих регионов. На сегодняшний день ограниченность аналитических данных не позволяет провести такой анализ. Некоторые отношения элементов, подобные индикаторному отношению Lu/Hf, отражают примесь пироксенитового компонента в источнике, поскольку коэффициенты распределения Hf в пироксенах выше по сравнению с Lu [Hirschmann and Stolper, 1996]. На рис. 8c видно, что расплавы хребта Шписс резко отличаются от производных деплетированной мантии, в которой отношение Lu/Hf достигает 0.3 при крайне низких концентрациях Hf. В тоже время показанные средние составы пироксенитов из альпинотипных массивов отличаются, при близких к деплетированной мантии отношениях Lu/Hf, повышенными содержаниями Hf. Среднее значение Lu/Hf для типичных пироксенитов субдуцированной океанической коры не только ниже чем для двух других мантийных резервуаров, но и имеют наиболее высокие концентрации Hf. Магмы хребта Шписс ближе тяготеют к пироксенитовой, обогащенной мантии. И хотя и отличаются от средних значений субокеанической субдуцированной коры, но среди последних были встречены эклогиты и пироксениты с близкими к базальтам хребта Шписс отношениями Lu/Hf.

Рис. 9. Корреляция степени обогащения расплавов некогерентными элементами и радиогенными изотопами...

В работе [Loubet et al., 1988] показано, что по соотношениям сильно несовместимых элементов, таких как Tа/La и Th/La, наблюдаются отличия для источника океанических базальтов, характеризующимися низкими отношениями Tа/La и Th/La равными 0.05 и обогащенными мантийными резервуарами, плавление которых приводит к образованию островов. Различая по совокупности геохимических данных два обогащенных источника для океанических островов, авторы делают вывод, что базальты острова Буве образуются при плавлении рецикличной океанической коры. На рис. 8d видно, что базальты хребта Шписс близки Tа/La и Th/La к средним значениям субдуцированной гетерогенной океанической литосферы.

Рис. 10. Вариации изотопных отношений в расплавах хребта Шписс и прилегающих участков АфАХ

Важнейшую информацию об источнике обогащения несет изотопная геохимия. Существует закономерное увеличение степени обогащения литофильными элементами и радиогенными изотопами со степенью деплетированности источника. Сравнение вариаций изотопных отношений ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd, ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr со степенью обогащения по некогерентным элементам (табл. 5) выявило такую зависимость для большинства составов по Sr (Nb более несовместимый элемент, чем Y, Zr и Ва) и отсутствие ее по соотношению ²⁰⁶ Pb/ ²⁰⁴ Pb (рис. 9). Надо отметить, что для станции G9610 существуют расплавы с относительно нормальными Y/Nb, Nb/Zr отношениями, но с повышенными значениями ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.7054). Показанные для сравнения базальты аномалии 12-14^o в.д. АфАХ разбиваются на два тренда - большинство составов относительно слабее обогащены радиогенным Sr, по сравнению с расплавами хребта Шписс, а также базальтами острова Буве [Kurtz et al., 1998]. В тоже время базальты 12-14^o в.д. АфАХ сопоставимы по отношениям ²⁰⁶ Pb/ ²⁰⁴ Pb и Ba/Nb с магмами хребта Шписс.

По полученным изотопным данным видно, что диапазон их значений для большей части стекол хребта небольшой: так по ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr он составляет 0.7033-0.7035, а по ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 0.51313-0.51295 (рис. 10а), что существенно меньше, чем для базальтов из прилегающих областей АфАХ [Kurtz et al., 1998; Roex et al., 1983]. От относительно деплетированного источника океанических толеитов он отличается достаточно резким сдвигом по ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr.Установленные минимальные значения для ТОР _инд. =0.7026, для ТОР _атл. =0.7022 [Балашов и др., 1987]. Приведенные на рис. 10 вариации изотопных отношений Sr и Pb для стекол хребта Шписс и прилегающих сегментов АфАХ по нашим и литературным данным показывают, что расплавы хребта Шписс менее обогащены радиогенными изотопами, чем базальты сегмента АфАХ, встречающиеся вблизи острова Буве. В основном, по соотношениям ²⁰⁶ Pb/ ²⁰⁴ Pb и ⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr, все они лежат на едином тренде смешения обогащенного источника, близкого по характеристикам к магмам острова Буве, с деплетированным океаническим источником, который наиболее четко проявлен в составах базальтов сегмента 4-7^o в.д. [Kurtz et al., 1998]. Исключение составляют обогащенные ⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr и литофильными элементами стекла станции G9610. Например, стекло G9610/37а достаточно магнезиальное по составу более обогащено такими элементами как Sr, Ba, Ce, P, Th и B, выпадая по этим компонентам из корреляционных зависимостей для базальтов хребта Шписс - острова Буве. В тоже время на графиках ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (рис. 10с) базальты острова Буве выпадают из общего тренда простого смешения двух источников, показывая относительно более сильное обогащение радиогенным ²⁰⁶Pbпо сравнению с ²⁰⁸Pb.