Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

Для исследования вопроса о возможности формирования ВГБ Ключевского вулкана в результате полибарического фракционирования высоко-Mg расплава мы провели серию вычислений, используя программу КОМАГМАТ-3.0. Эти расчеты проводились в следующей последовательности. Сначала были построены Р-Т диаграммы для главных типов пород в сухих условиях и проанализированы общие особенности трендов изобарической равновесной кристаллизации расплава среднего ВМБ при разных давлениях. Затем рассмотрено влияние переменного давления и присутствия воды на расчетные тренды фракционирования. И, наконец, построены траектории декомпрессионной фракционной кристаллизации исходного ВМБ расплава в недосыщенных по H₂O условиях. Сопоставление модельных линий фракционирования и природных петрохимических трендов позволило оценить условия полибарической кристаллизации исходной высокомагнезиальной магмы (Арискин и др., 1995).

Правомерность выбора среднего ВМБ в качестве родоначальной магмы (тип I в Табл. 5.1) доказывается совокупностью рассмотренных выше петрохимических и геохимических особенностей ключевских базальтов. Дополнительным подтверждением являются результаты расчета состава Ol на ликвидусе высоко-Mg базальтов. В частности, Хубуная с соав. (1993) применил геотермометры Форда (Ford et al., 1983) для расчета состава Ol в равновесии с расплавом базальта из прорыва Булочка (Табл. 5.2) и получил Fo_89.7. Близкие значения Fo_89.3-90.0 были получены нами при расчете состава Ol на ликвидусе среднего ВМБ в интервале давлений 1 атм - 15 кбар и условиях QFM. Эти оценки несколько "не дотягивают" до наиболее магнезиального Ol (Fo_91.5), обнаруженного в лавах Ключевского вулкана, но близки средним оценкам для высокомагнезиальных базальтов прорывов Булочка, Лучицкого и Малыш (Хубуная и др., 1993). Это позволяет предполагать, что несмотря на высокую вероятность существования более магнезиальной родоначальной (или первичной) магмы, средний состав ключевских ВМБ можно использовать при моделировании условий образования промежуточных и высокоглиноземистых базальтов.

Приступая к рассмотрению результатов моделирования, отметим, что недостатком программного комплекса КОМАГМАТ является отсутствие кристаллизации хромшпинелида, недостаточная устойчивость схемы при моделировании перитектических соотношений между Opx, Ol и Aug (особенно при повышенных давлениях) и отсутствие граната при высокобарических (15-20 кбар) расчетах. Тем не менее, учитывая специфику базальтов Ключевского вулкана, где резко преобладают фенокристаллы и сростки Ol, Cpx и Pl, применение высокобарной версии модели КОМАГМАТ, разработанной для толеитоподобных систем, представляется оправданным (Арискин и др., 1990, 1991; Ariskin et al., 1993).

На Рис. 5.6 показаны модельные P-T диаграммы фазовых отношений для 4-х главных петрохимических типов ключевских базальтов (Табл. 5.1), построенные по результатам моделирования траекторий равновесной кристаллизации в сухих условиях при давлениях от 1 атм до 20 кбар. Конструирование диаграмм проводилось путем соединения модельных точек появления твердых фаз в различных изобарических сечениях.

В отношении точности проведенных расчетов, проблематичной является линия кристаллизации ортопироксена. Это связано с тем, что в экспериментах с магнезиальными базальтами "выход" Opx на ликвидус не всегда диагностируется однозначно, что затрудняет разработку оптимальной модели в зависимости от давления. По этой причине барические коэффициенты в программе КОМАГМАТ были подобраны таким образом, чтобы Opx не появлялся на ликвидусе раньше оливина и клинопироксена, что отвечает данным петрологических наблюдений (см. выше). С учетом этой модификации можно сказать, что сконструированные диаграммы отражают известные особенности базальтовых систем, связанные с расширением полей кристаллизации пироксенов за счет Ol и Pl при увеличении общего давления.

Данные расчетов для высоко-Mg базальта наиболее важны для последующего моделирования. Как видно из Рис. 5.6, при давлениях около 18 кбар исходный расплав оказывается насыщен оливином (Fo_90.3) и авгитом (MGN=89.8), т.е. фазами, отвечающими наиболее магнезиальной минеральной ассоциации, установленной в лавах Ключевского вулкана (Рис. 5.4 и 5.5). При этом давлении близко к ликвидусу располагается и поле модельного ортопироксена (MGN=89.7). Эти соотношения можно рассматривать как указание на то, что фракционирование исходной ВМБ магмы началось по меньшей мере при давлениях около 20 кбар, т.е. на глубинах, отвечающих геофизическим оценкам положения главного очага Ключевского вулкана (Горшков, 1956).

В этой связи представляет интерес проанализировать линии эволюции состава высокомагнезиального расплава, рассчитанные при различных давлениях. Эти данные для Al₂O₃, CaO и MgO показаны на верхней паре графиков Рис. 5.7. Характерная особенность модельных трендов - наличие точки перегиба в коородинатах CaO-MgO, связанной с началом кристаллизации клинопироксена. При давлениях около 20 кбар резкое обеднение расплава CaO отмечается с ранних стадий, фиксируя тот факт, что Cpx становится ликвидусной фазой. При анализе эволюции содержаний глинозема видно, что высоко-Al остаточные расплавы (> 18 мас.% Al₂O₃) появляются в этой системе при P ³ 10 кбар и в координатах Al₂O₃-MgO близки ключевским базальтам. Однако природный тренд эволюции содержания CaO не согласуется с результатами расчета изобарических траекторий.

Рис. 5.7. Модельные и экспериментальные линии эволюции состава расплава при равновесной кристаллизации высокомагнезиальных базальтов в интервале давлений 1 атм - 20 кбар Исходные составы: А - средний ВМБ Ключевского вулкана, Б - высоко-Mg базальт вулкана Окмок, Алеутские о-ва - экспериментальные данные (Draper, Johnston, 1992).

Как видно на правом верхнем графике, тренд ключевских базальтов "пересекает" рассчитанные тренды изобарной кристаллизации, что не позволяет определить давление, как это было сделано для океанических толеитов. Эта ситуация не меняется, если линии эволюции ВМБ расплава при равновесной кристаллизации заменить на траектории фракционирования. Маловероятно, что данное несоответствие связано с недостатками программы КОМАГМАТ, поскольку эволюцию содержаний CaO в зависимости от MgO наша модель предсказывает корректно (Рис. 4.25). С аналогичной проблемой столкнулись авторы экспериментального исследования фазовых отношений высоко-Mg базальта влк. Окмок на Алеутских о-вах (Draper, Johnston, 1992). Эти данные показаны на нижней паре графиков Рис. 5.7 и свидетельствуют о более резком понижении СаО в экспериментальных стеклах по сравнению с природными трендами.

По мнению (Draper, Johnston, 1992) эти расхождения можно было бы объяснить, если допустить, что оливин являлся ликвидусной фазой на всем интервале кристаллизации - вплоть до формирования ВГБ расплава. Однако экспериментальные данные по плавлению высокоглиноземистых базальтов показывают, что в сухих условиях для этих систем характерно присутствие ликвидусного Pl до давлений 15-17 кбар (Baker, Eggler, 1983; Johnston, 1986). Расчетные данные для среднего ВГБ Ключевского вулкана дают оценку 12 кбар (Рис. 5.6 - состав IV). В попытке разрешить это противоречие, было высказано 2 гипотезы: либо Ol находится в реакционных соотношениях с ВГБ расплавами (что недопускает его появление в качестве ликвидусной фазы), либо поле кристаллизации оливина расширяется за счет плагиоклаза в результате присутствия воды в системе (Draper, Johnston, 1992).

Анализ экспериментальных данных по плавлению ВГБ и ВМБ составов привел к выводу, что реакция Ol c расплавом в высокобарных условиях не в состоянии объяснить сокращение объема ликвидусного поля оливина и в любом случае необходимо некоторое количество воды, чтобы обеспечить формирование ВГБ при фракционировании фемических фаз (Myers, Johnston, 1996). Как будет ясно из последующего рассмотрения, этот вывод справедлив и в отношении ключевских базальтов, но с одним важным дополнением. Минералогические, петрохимические и геохимические данные указывают, что формирование серии лав Ключевского вулкана обусловлено кристаллизацией Ol и Cpx, которые находились в котектических соотношениях во всем интервале фракционирования исходной магмы.

Проблема состоит в том, что это наблюдение необходимо как-то согласовать со структурой модельных Р-Т диаграмм (Рис. 5.6). В случае ВМБ состава при давлениях 8-18 кбар (т.е. условиях образования высоко-Al остаточных расплавов) отмечается широкое поле кристаллизации Ol. Это приводит к обогащению расплава CaO (Рис. 5.7). Возможное объяснение этих несоответствий связано с предположением, что процессы фракционирования исходной ВМБ магмы Ключевского вулкана протекали при высоких давлениях, но неизобарических условиях, когда давление падало по мере кристаллизации. Эта гипотеза согласуется со структурой Р-Т диаграмм, демонстрирующих понижение давления для котектики Ol-Aug при переходе от высоко-Mg к глиноземистым составам (Рис. 5.6).

Для исследования этой гипотезы было проведено 2 серии вычислений. Первая включает моделирование фракционной кристаллизации среднего ВМБ Ключевского вулкана в условиях отсутствия воды и декомпрессии исходного расплава при вариациях "скорости" понижения давления по мере фракционирования. Эти расчеты позволили определить значение  , при котором модельные тренды CaO-MgO наилучшим образом воспроизводят природные данные. Вторая серия полибарических расчетов была проведена в режиме определеной "скорости" понижения давления при вариациях содержания H₂O в исходном расплаве высоко-Mg базальта. Это позволило оценить концентрацию воды, при которой модельные тренды Al₂O₃-MgO совпали с наблюдаемыми. Таким образом были получены оценки важнейших параметров декомпрессионного фракционирования, отвечающие условиям формирования магматической серии Ключевского вулкана. Учитывая, что совокупность этих операций представляет новую методику генетической интерпретации изверженных пород, здесь необходимо дать некоторые комментарии.

Методические аспекты моделирования. Предложенный подход заключается в проведении серии расчетов фракционной кристаллизации исходного расплава по программе КОМАГМАТ при заданной "сетке" внешних условий (давление, f_O2, содержание H₂O) и поиске оптимального варианта, удовлетворяющего наблюдаемым геохимическим и минералогическим признакам базальтов. Главным критерием оптимальности модели (в смысле оценки условий фракционирования) является соответствие рассчитанных и природных трендов содержаний петрогенных и примесных элементов. Интерпретация полученных таким образом результатов базируется на двух основных допущениях.

Во-первых, в случае надежной идентификации исходного расплава сравнение составов модельных продуктов фракционирования, строго говоря, можно проводить только с составами природных закалочных стекол, афировых пород или расплавных включений в минералах. В этом отношении серия лав Ключевского вулкана представляет хотя и не идеальный, но приемлемый объект, поскольку суммарное количество сростков и фенокристаллов фемических минералов редко превышает в них 5-10 об.%.

Второе, рассчитанная последовательность кристаллизации и линии эволюции составов являются функцией степени фракционирования и времени (для динамических моделей), т.е. каждый последующий дифференциат может быть получен из предыдущего на строго определенной стадии. Извержения Ключевского вулкана, не дают четкой временной последовательности для базальтов разных петрохимических типов: при общей тенденции излияний все более кислых и высокоглиноземистых лав (Озеров, 1993) известны случаи, когда магнезиальные базальты поступали на поверхность после глиноземистых (Хренов и др., 1989). По этой причине мы не рассматриваем серию ключевских базальтов как результат простого одностадийного фракционирования одной и той же исходной магмы, но полагаем, что отсутствие значительного разброса составов относительно генеральных петрохимических трендов (Рис. 5.2) отражает стабильность составов первичных магм и условий их фракционирования на протяжении истории развития вулканического центра.

Эта позиция не отрицает важности смешения дифференциатов, отвечающих разным стадиям фракционирования или времени образования: в любом случае, валовые составы гибридных базальтов по петрогенным и примесным элементам также не должны сильно отклоняться от главной линии котектического контроля (Nielsen, 1990).

Декомпрессионное фракционирование в сухой системе. Тот факт, что природные тренды CaO-MgO пересекают расчетные линии изобарной кристаллизации (Рис. 5.7), является указанием на более низкую пропорцию клинопироксена, кристаллизующегося в реальных условиях. Это может быть вызвано сокращением поля кристаллизации Cpx по мере фракционирования за счет понижения давления при движении магмы к поверхности. Мы провели расчеты, моделирующие кристаллизацию исходной ВМБ магмы в сухих условиях от давлений ~ 19 кбар, отвечающих пересечению ликвидусных поверхностей Ol и Aug (Рис. 5.6), до ~ 1-2 кбар. В процессе этих вычислений варьировалась скорость декомпрессии  , т.е. изменение давления на 1 мол.% кристаллизации расплава. Верхняя пара графиков на Рис. 5.8 представляет результаты сравнения рассчитанных линий декомпрессионного фракционирования и представительной серии составов лав Ключевского вулкана.

Рис. 5.8. Результаты ЭВМ-моделирования трендов эволюции состава жидкой фазы при декомпрессионном фракционировании сухого и водосодержащего ВМБ расплава Исходный состав отвечает среднему высоко-Mg базальту Ключевского вулкана. Вычисления проводились по модели КОМАГМАТ-3.0 с шагом кристаллизации 1 мол.% в условиях буфера QFM: Декомпрессионное фракционирование в сухой системе (начальное давление Pн=18 кбар; конечное давление Pк=1 кбар; параметр характеризует изменение общего давления при увеличении степени фракционирования расплава на 1 мол.%). Декомпрессионное фракционирование в присутствии воды (исходное давление Pн=19.3 кбар; скорость декомпрессии =-0.33 кбар/% крист.; цифры у линий указывают начальное содержание воды; при P~ 1.5 кбар и содержании в расплаве 3.6-3.8 мас.% H2O модель предсказывает насыщение расплава водой).

Анализ рассчитанных траекторий показывает, что при высокой скорости декомпрессии  =-0.6 кбар/%крист. (быстрое сокращение поля Cpx) модельные дифференциаты оказываются богаче CaO по сравнению с природными составами. При медленном сокращении поля кристаллизации Cpx в условиях  =-0.2 кбар/%крист. наблюдается обратная картина, когда содержание CaO падает быстрее, чем в ключевских базальтах.

При скорости декомпрессии  =-0.4 кбар/%крист. модельная эволюция состава расплава хорошо воспроизводит большую часть природных трендов Al₂O₃-MgO и CaO-MgO, однако на заключительных стадиях фракционирования вновь наблюдаются заметные отклонения, проявляющиеся в прекращении обогащения расплава Al₂O₃ и накоплении CaO (Рис. 5.8). Учет присутствия воды в исходном расплаве позволяет свести эти расхождения к минимуму.

Гипотеза декомпрессионного фракционирования водосодержащего расплава была исследована методом c использованием "водной" версии программы КОМАГМАТ. При поиске оптимальных условий фракционной кристаллизации расчеты проводились по гораздо более сжатой сетке параметров: -0.50  -0.30 (с шагом 0.02 кбар/%крист.) и исходных содержаниях 0.2 2.0 мас.% (с шагом 0.20 мас.%). В ряде случаев приходилось еще более сгущать сетку начальных условий, поскольку вследствие сложных реакционных соотношений между Ol, Aug и Opx при высоких давлениях система оказалась чрезвычайно чувствительна даже к минимальным изменениям входных параметров (что приводило к исчезновению в кристаллизационной последовательности одной из фаз). Это несколько снижает предсказательную силу модели и сама работа по ЭВМ-моделированию приобретает черты оптимизации с использованием сразу множества геохимических и минералогических критериев. Всего было проанализировано более 600 комбинаций параметров вычислений: принципиальные результаты этой работы показаны на нижней паре графиков Рис. 5.8.

Эволюция состава расплава для главных компонентов. По данным расчетов оптимальная модель фракционирования исходной ВМБ магмы отвечает начальному содержанию воды около 2.0 мас.% и скорости декомпрессии  =-0.33 кбар/%крист. При этих параметрах расчетные линии фракционирования на диаграммах Al₂O₃-MgO и CaO-MgO наилучшим образом описывают наблюдаемые петрохимические тренды. Линии эволюции состава при исходной концентрации воды <1 мас.% характеризуется небольшим, но систематическим отклонением от природного тренда CaO-MgO и заметно "не дотягивает" до типичных ВГБ по содержанию Al₂O₃.

Наглядное представление о взаимосвязи трендов эволюции состава и условий фракционирования для оптимальной модели дает Рис. 5.9. Модельные траектории помечены значениями P-T параметров для нескольких стадий кристаллизации. Хорошо видно, что каждый состав на линии фракционирования отвечает определенной температуре и давлению - это принципиально отличает декомпрессионные модели от изобарических.

Приведенные данные показывают, что высокоглиноземистым базальтам Ключевского вулкана отвечают низкотемпературные расплавы (1110^оС), образующиеся при давлении около 7 кбар после 36% кристаллизации исходной ВМБ магмы. Результаты сопоставления модельной и наблюдаемой эволюции содержаний некоторых микроэлементов показаны на Рис. 5.10.

Эволюция содержаний примесных элементов. При заданных условиях декомпрессионного фракционирования модельные линии для микроэлементов хорошо воспроизводят спектр составов, характеризующий переход от высоко-магнезиальных к высокоглиноземистым базальтам. Резкое понижение содержания Sr на заключительных стадиях фракционирования связано с обильной кристаллизацией плагиоклаза. Точка перегиба на линии эволюции Sr является функцией исходного содержания воды и при детальном ЭВМ-моделировании может быть смещена в область более реалистичных значений. Накопление Cr и Sc к концу процесса обусловлено резким сокращением доли кристаллизующегося авгита при температурах ниже 1100^оС: этот результат, очевидно, является следствием несовершенности расчетов в низкотемпературной области. В случае Cu модельная линия описывает только часть природных составов, что вызвано отсутствием экспериментальных данных о влиянии летучести кислорода на распределение этого элемента между минералами и базальтовым расплавом.

Небольшой отскок с возвратом в средней части модельных трендов не несет в себе какой либо информации, поскольку связан с неустойчивостью вычислительной схемы при наличии реакционных взаимоотношений между минералами (см. выше).

Рассчитанная последовательность кристаллизации и изменение составов минералов по мере понижения температуры и давления при содержании 2 мас.% воды в исходной магме показаны на Рис. 5.11. В правой части этого графика приведены параметры состава остаточных расплавов, отвечающие разным стадиям фракционирования. Из этих данных следует, что кристаллизация исходной ВМБ магмы начинается с Ol-Aug котектики при давлении ~ 19 кбар и температуре около 1350^оС. Оливин и авгит выделяются в соотношении 1:1.5 вплоть до 1260^оС (~ 15 кбар, =15 мас.%), когда на ликвидусе появляется магнезиальный Opx состава MGN=87.8. Дальнейшее фракционирование этих минералов характеризуется нарастанием доли кристаллизующегося Aug до 90% при понижении пропорции Ol до 15-10 мас.%. Средняя доля Opx в составе кристаллизующейся ассоциации составляет около 2 мас.%. Интенсивное выделение Aug приводит к изгибу тренда CaO-MgO (Рис. 5.10) в сторону более резкого понижения содержания кальция.

При давлении ~ 7 кбар, температуре 1110^оС и содержании в расплаве около 3 мас.% воды начинается кристаллизация плагиоклаза. Степень фракционирования системы в этот момент составляет 36% от массы исходного расплава, а состав оливина несколько более магнезиальный (Fo₇₉), чем следует из данных микрозондовых исследований (Fo_75-77). Наиболее сильные отклонения модельных составов фемических минералов от природных данных проявляются при T<1150^oC. Это дает основания считать, что при низкотемпературных расчетах водосодержащих систем в модели КОМАГМАТ не удается добиться полного согласования составов сосуществующих оливина и пироксенов (в настоящий момент мы не учитываем также влияние воды на состав Pl). Тем не менее, главный вывод о формировании идентичного природным ВГБ расплава на высокобарной стадии представляется обоснованным (сравните составы среднего ВГБ и модельного высоко-Al расплава в Табл. 5.3). При уменьшении содержания воды в исходной ВМБ магме точка начала кристаллизации Pl смещается в область более низкого давления, но для оптимальных значений 1.5-2.0 мас.% Н₂О при скорости декомпрессии  =-0.33 кбар/%крист. никогда не составляет менее 5 кбар.

Табл. 5.3. Составы среднего ВГБ Ключевского вулкана и модельного высокоглиноземистого расплава

Представляет интерес, что в случае оптимальной модели "2% Н₂О" примерно при 1000^оС, давлении 1.6 кбар и содержании в андезитоподобном расплаве 3.6-3.8 мас.% Н₂О по результатам расчетов наступает насыщение системы водой.

Вывод о том, что наблюдаемая в лавах Ключевского вулкана ассоциация фенокристаллов, кристаллических сростков и минеральных включений представляет существенно высокобарные образования, является одним из главных результатов проведенного анализа. Этот вывод не зависит от точности или специфики используемой ЭВМ-модели, но основан на детальном анализе имеющихся экспериментальных данных по составам высокомагнезиальных клинопироксенов и оливинов, сосуществующих при давлениях более 10-15 кбар (Рис. 5.4). Достаточно высокие давления кристаллизации ключевских магм (5-9 кбар) получены методом графического прoектирования (Kersting, Arculus, 1994). Определение плотности углекислого флюида из включений, захваченных кристаллами магнезиальных оливинов, приводит к минимальным оценкам давления 5-6 кбар (Khubunaya et al., 1994). Существует, однако, одна особенность минералогии ключевских лав, которая ставит под сомнение вывод об их высокобарической природе.

В результате анализа значительного объема экспериментальных данных по составам авгитов, синтезированных в опытах с образцами базальтов и перидотитов, установлено, что высокобарные пироксены при давлениях более 5 кбар характеризуются значениями CAN=100*CaO/Al₂O₃ (мас.) < 400; низкобарные пироксены имеют CAN от 500 до 1000 (Нестеренко, Арискин, 1993). По этому признаку подавляющее большинство ключевских клинопироксенов имеют низкобарные характеристики: при средних содержаниях СаО 19.7 2.0 мас.% и Al₂O₃ 3.5 1.4 мас.% 558 (число анализов n=187) типичные значения CAN попадают в интервал 500-600). Представительные составы сосуществующих высокомагнезиальных Aug и Opx даны в Табл. 5.4 (Озеров, 1993).

В этой таблице приведены также составы экспериментального Aug и Opx, синтезированных при давлении 15 кбар и температурах 1125^оС (Meen, 1990) и 1250^оС (Draper, Johnston, 1992). Оба клинопироксена в этих экспериментах содержат более 7% Al₂O₃ и имеют CAN< 300. Пытаясь разрешить эту проблему мы обратились к базе данных ИНФОРЭКС, уделив особое внимание результатам экспериментов при высоких давлениях и присутствию летучих компонентов.

Таблица 5.4. Экспериментальные, природные и расчетные составы высокобарных расплавов и сосуществующих пироксенов

Дело в том, что разделение пироксенов по CANна "высокобарные" и "низкобарные" было проведено с использованием данных, полученных в сухих системах (Нестеренко, Арискин, 1993), тогда как результаты изучения расплавных и флюидных включений в минералах ключевских базальтов указывают на значительные количества воды и углекислоты в исходных магмах (Khubunaya et al., 1994; Sobolev, Chaussidon, 1996). Несмотря на то, что данные по составам Cpx, кристаллизующегося в водосодержащих расплавах, редки, нам удалось найти несколько таких экспериментов. Эти данные показывают, что в водонасыщенных условиях при высоком давлении в Cpx и Opx по сравнению с сухими системами резко падает содержание Al₂O₃: в результате - значительное увеличение параметра CAN. Типичные составы таких высокобарных пироксенов с низкобарными характеристиками приведены в Табл. 5.4 (Mysen, Boettcher, 1975). Как видно, по своим химическим признакам они близки реальным пироксенам, наблюдаемым в базальтах Ключевского вулкана. Более убедительным доказательством высокобарной природы ключевских пироксенов и справедливости выстроенной на этой основе петрологической схемы могло бы явиться сопоставление с данными экспериментов в водосодержащих системах (возможно в присутствии CO₂) при давлениях более 15 кбар и температурах 1300-1350^оС. К сожалению, информация такого рода в литературе практически отсутствует.