Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

1. Представлены новые данные по геохимии и минералогии лав Ключевского вулкана, на основании которых обоснован вывод о формировании высокоглиноземистых магм в результате высокобарного фракционирования исходных расплавов, близких по составу высокомагнезиальным базальтам (ВМБ).

2. В целях детализации механизма и условий протекания полибарического фракционирования на базе комплекса петрологических программ КОМАГМАТ разработана модель изобарной и декомпрессионной фракционной кристаллизации базальтовых магм в водосодержащих условиях.

3. "Водная" версия системы КОМАГМАТ использована для моделирования фракционной кристаллизации исходной ВМБ магмы Ключевского вулкана в изобарических и декомпрессионных условиях для интервала давлений 1 атм - 20 кбар и начальных содержаний Н₂О 0-2 мас.%. Установлено, что оптимальная модель образования данной магматической серии отвечает полибарическому фракционированию ВМБ магмы со скоростью декомпрессии кбар на 1% кристаллизации при содержании около 2 мас.% Н₂О в исходном расплаве. Эти оценки, полученные методами моделирования фазовых равновесий, близки результатам прямого определения содержания воды в расплавных включениях из оливинов ключевских базальтов (Sobolev, Chaussidon, 1996).

Согласно предложенной модели кристаллизация ключевской магмы начинается с выделения оливина и клинопироксена (по природным данным в присутствии шпинели) при давлении около 19 кбар и температуре ~ 1350^оС. К этим минералам при давлении около 15 кбар и температуре ~ 1260^оС присоединяется высокомагнезиальный Opx, однако его доля в составе кристаллизующейся ассоциации не превышает 2 мас.% и существенного влияния на линии котектического контроля он не оказывает. Накопление воды в расплаве приводит к значительной задержке кристаллизации плагиоклаза и образованию высокоглиноземистых продуктов дифференциации, содержащих более 18 мас.% Al₂O₃.

Линия накопления глинозема обрывается в момент появления на ликвидусе Pl при давлении около 7 кбар, температуре 1110^оС и содержании в расплаве ~ 3 мас.% Н₂О. К этому моменту спектр составов модельных жидкостей представляет полное разнообразие ключевских лав, а дальнейшая кристаллизация приводит к быстрому насыщению системы водой с последующей дегазацией при давлениях около 1.5 кбар.

Эта петрологическая схема (представленная на Рис. 5.11) не претендует на роль всеобъемлющей модели магматической эволюции Ключевского вулкана, поскольку не учитывает многостадийности процессов фракционирования, смешения магм, динамики дегазации и т.д. По своей сути она является термодинамической и показывает, при каких внешних условиях расплавная система из одного состояния (отвечающего наблюдаемым признакам высокомагнезиальных пород) переходит в другое состояние, отвечающее реальным составам высокоглиноземистых базальтов.

Динамика процесса фракционирования учитывается при этом в неявном виде - посредством параметра, характеризующего скорость декомпрессии  . Очевидно, что оптимальные значения  связаны со скоростью подъема магмы к поверхности, поэтому установленную степень понижения давления на 1% кристаллизации расплава необходимо учитывать при построении более строгих динамических и геофизических моделей развития этого вулканического центра.

Конкретные оценки термодинамических параметров получены методом ЭВМ-моделирования, поэтому с учетом неопределеностей расчетов (см. Главу 2) их следует воспринимать с известной долей осторожности. Тем не менее, сама постановка вопроса и разработка модели декомпрессионного фракционирования представляется актуальной и значимой. Мы надеемся, что результаты проведенной работы привлекут внимание петрологов к еще одному недостаточно изученному механизму полибарической фракционной кристаллизации и тем возможностям, которые открывает на пути исследований этого процесса использование современных компьютерных моделей фазовых равновесий.

Арискин А.А., Френкель М.Я., Цехоня Т.И. (1990) Фракционная кристаллизация толеитовых магм в условиях повышенных давлений. Геохимия. N 2. с. 172-183.

Арискин А.А., Цехоня Т.И., Френкель М.Я. (1991) ЭВМ-барометрия и генетическая интерпретация базальтовых стекол Центральной Атлантики. Геохимия. N 7. с. 1038-1047.

Арискин А.А., Бармина Г.С., Озеров А.Ю., Нильсен Р.Л. (1995) Генезис высокоглиноземистых базальтов Ключевского вулкана. Петрология. Т. 3. N 5. с. 42-67.

Бабанский А.Д., Рябчиков И.Д., Богатиков О.А. (1983) Эволюция щелочно-земельных магм. М.: Наука. 96 с.

Бармина Г.С., Арискин А.А. (1992) Декомпрессионный механизм образования высокоглиноземистых лав Ключевского вулкана. Тез. докл. 10-й Межд. школы по Морской Геологии. Геология океанов и морей. Геленджик. Т. 2. с. 151-152.

Богоявленская Г.Е., Брайтцева О.А., Жаринов Н.А. и др. (1985) Ключевской вулкан. В кн.: Активные вулканы и гидротермальные системы Камчатки. Петропавловск-Камчатский: с. 6-69.

Большое трещинное Толбачинское извержение (1975-1976 гг., Камчатка). Под ред. С.А.Федотова. М.: Наука, 1984. 637 с.

Горшков Г.С. (1956) О глубине залегания магматического очага Ключевского вулкана. ДАН СССР. Т. 106. N 4. с. 703-705.

Ермаков В.А., Фирстов П.П., Широков В.П. (1971) Петрогенезис Ключевской группы вулканов. В кн.: Вулканизм и глубины Земли. М.: Наука. с.152-156.

Кадик А.А., Розенхауэр М., Луканин О.А. (1989) Экспериментальное исследование влияния давления на кристаллизацию магнезиальных и глиноземистых базальтов Камчатки. Геохимия. N 12. с. 1748-1762.

Кадик А.А., Луканин О.А., Лапин И.В. (1990) Физико-химические условия эволюции базальтовых магм в приповерхностных очагах. М.: Наука. 346 с.

Леонова Л.Л., Кирсанов И.Т. (1974) Геохимия базальтов Ключевского вулкана. Геохимия. N 6. с. 875-874.

Мелекесцев И.В., Хренов А.П., Кожемяка Н.Н. (1992) Тектоническое положение и общий очерк вулканов Северной группы и Срединного хребта. В кн. Действующие вулканы Камчатки. М.: Наука. Т. 1. c. 74-78.

Нестеренко Г.В., Арискин А.А. (1993) Глубины кристаллизации базальтовой магмы. Геохимия. N 1. с. 77-87.

Озеров А.Ю. (1993) Динамика извержений и петрохимические особенности глиноземистых базальтов Ключевского вулкана. Дисс. ... канд. геол.-мин. наук. М.: Институт литосферы. 229 с.

Озеров А.Ю., Арискин А.А., Бармина Г.С. (1996) К проблеме генетических взаимоотношений высокоглиноземистых и высоко-магнезиальных базальтов Ключевского вулкана (Камчатка). Докл. РАН. Т. 350. N 1. с. 104-107.

Озеров А.Ю., Арискин А.А., Кайл Ф., Богоявленская Г.Е., Карпенко С.Ф. (1997) Петролого-геохимическая модель генетического родства базальтового и андезитового магматизма вулканов Ключевской и Безымянный, (Камчатка). Петрология. Т. 5. N 6. с. 614-635.

Соболев А.В., Данюшевский Л.В., Дмитриев Л.В., Сущевская Н.М. (1988) Высокоглиноземистый магнезиальный толеит - один из первичных расплавов базальтов срединно-океанических хребтов. Геохимия. N 10. с. 1522-1528.

Федотов С.А., Хренов А.П., Жаринов Н.А. (1987) Ключевской вулкан, его деятельность в 1932-1986 гг. и возможное развитие. Вулканология и сейсмология. N 4. c. 3-16.

Федотов С.А., Жаринов Н.А., Горельчик В.И. (1988) Деформация и землетрясения Ключевского вулкана, модель его деятельности // Вулканология и сейсмология. N 2. с. 3-42.

Хренов А.П., Антипин В.С., Чувашова Л.А., Смирнова Е.В. (1989) Петрохимические и геохимические особенности базальтов Ключевского вулкана. Вулканология и сейсмология. N 3. с. 3-15.

Хубуная С.А., Богоявленский С.О., Новгородцева Т.Ю., Округина А.И. (1993) Минералогические особенности магнезиальных базальтов как отражение фракционирования в магматической камере Ключевского вулкана. Вулканология и сейсмология. N 3. с. 46-68.

Ariskin A.A. (1999) Phase equilibria modeling in igneous petrology: use of COMAGMAT model for simulating fractionation of ferro-basaltic magmas and the genesis of high-alumina basalt. J. Volcanol. Geotherm. Res. V. 90. p. 115-162.

Ariskin A.A., Frenkel M.Ya., Barmina G.S., Nielsen R.L. (1993) COMAGMAT: a Fortran program to model magma differentiation processes. Computers and Geosciences. V. 19. p. 1155-1170.

Baker D.R.., Eggler D.H. (1983) Fractionation paths of Atka (Aleutians) high-alumina basalts: constraints from phase relations. J. Volcanol. Geotherm. Res. V. 18. p. 387-404.

Brophy J.G. (1988) Basalt convection and plagioclase retention: a model for the generation of high-alumina basalt. J. Geol. V. 97. p. 319-329.

Brophy J.G. (1989) Can high-alumina arc basalt be derived from low-alumina arc basalt?: evidence from Kanaga Island, Aleutian Arc, Alaska. Geology. V. 17. p. 333-336.

Brophy J.G., Marsh B.D. (1986) On the origin of high-alumina arc basalt and the mechanics of melt extraction. J. Petrol. V. 27. p. 763-789.

Crawford A.J., Falloon T.J., Eggins S. (1987) The origin of island arc high-alumina basalts. Contrib. Mineral. Petrol. V. 97. p. 417-430.

Draper D.S., Johnston A.D. (1992) Anhydrous PT phase relations of an Aleutian high-MgO basalt: an investigation of the role of olivine-liquid reaction in the generation of arc high-alumina basalts. Contrib. Mineral. Petrol. V. 112. p. 501-519.

Ford C.E., Russel D.G., Craven J.A., Fisk M.R. (1983) Olivine-liquid equilibria: temperature, pressure and composition dependence of crystal/liquid cation partition coefficients for Mg, Fe2+, Ca and Mn. J.Petrol. V. 24. p. 256-265.

Fournelle J., Marsh B.D. (1991) Shisalkin Volcano: Aleutian high-alumina basalts and the question of plagioclase accumulation. Geology. V. 19. p. 234-237.

Gust D.A., Perfit M.R. (1987) Phase relations on a high Mg basalt from the Aleutian Island Arc: implications for primary island arc basalts and high-Al basalts. Contrib. Mineral. Petrol. V. 97. p. 7-18.

Johnston A.D. (1986) Anhydrous P-T phase relations of near-primary high-alumina basalt from the South Sandwich Islands: implications for the origin of island arcs and tonalite-trondhjemite. Contrib. Mineral. Petrol. V. 92. p. 24-38.

Kay S.M., Kay R.W. (1985) Aleutian tholeiitic ans calc-alkaline magma series. I: the mafic phenocrysts. Contrib. Mineral. Petrol. V. 90. p. 276-296.

Kelemen P.B., Ghiorso M.S. (1986) Assimilation of peridotite in zoned calc-alkaline plutonic complexes: evidence from the Big Jim complex, Washington Cascades. Contrib. Mineral. Petrol. V. 94. p. 12-28.

Kelemen P.B. (1990) Reaction between ultramafic rock and fractionating basaltic magma I: phase relations, the origin of calc-alkaline magma series, and the formation of discordant dunite. J. Petrol. V. 31. p. 51-98.

Kersting A.B., Arculus R.J. (1994) Klyuchevskoy volcano, Kamchatka, Russia: the role of high-flux recharge, tapped, and fractionated magma chamber(s) in the genesis of high-Al2O3 from high-MgO basalt. J. Petrol. V. 35. P. 1-41.

Kersting A.B., Arculus R.J. (1995) Pb isotope composition of Klyuchevskoy volcano, Kamchatka and North Pacific sediments: implications for magma genesis and crustal recycling in the Kamchatkan arc. Earth Planet. Sci. Lett. V. 136. p. 133-148.

Khubunaya S.A., Sobolev A.V., Novgorodtseva T.Yu. (1994) Petrology of basalts from Klyuchevskoi flank eruptions (Kamchatka). Abst. Intern. Volcanological Congress. Ankara.

Kuno H. (1960) High-alumina basalt. J. Petrol. V. 1. p. 121-145.

Meen J.K. (1990) Elevation of potassium contents of basaltic magma by fractional crystallization: the effect of pressure. Contrib. Mineral. Petrol. V. 104. p. 309-331.

Myers J.D., Johnston A.D. (1996). Phase equilibria constraints on models of subduction zone magmatism. In: Subduction top to bottom. Geophys. Monograph Series (Eds. Bebout G.E., Scholl D.W., Kirby S.H., Platt J.P.). Washington: AGU. GMS 96. p. 229-249.

Mysen B.O., Boettcher A.L. (1975) Melting of a hydrous mantle: II. Geochemistry of crystals and liquids formed by anatexis of mantle peridotite at high pressures and high temperatures as a function of controlled activities of water, hydrogen, and carbon dioxide. J. Petrol. V. 16. p. 549-593.

Nielsen R.L. (1990) Simulation of igneous differentiation processes. In: Modern methods of igneous petrology: Understanding magmatic processes (Eds Nicholls J., Russell J.K. ). Reviews in Mineralogy. V. 24. p. 63-105.

Nye C.J., Reid M.R. (1986) Geochemistry of primary and least fractionated lavas from Okmok volcano, central Aleutians: implications for arc magma genesis. J. Geophys. Res. V. 91. p. 10271-10287.

Perfit M.R., Gust D.A., Bence A.E., Arculus R.J., Taylor S.R. (1980) Chemical characteristics of island-arc basalts: implications for mantle sources. Chem. Geol. V. 30. p. 227-256.

Plank T., Langmuir C.H. (1988) An evaluation of the global variations in the major element chemistry of arc basalts. Earth Planet. Sci. Lett. V. 90. p. 349-370.

Sachtleben T., Seck H.A. (1981) Chemical control of Al-solubility on orthopyroxene and its application on pyroxene geothermometry. Contrib. Mineral. Petrol. V. 78. p. 157-165.

Sakuyama M. (1981) Petrological study of the Myoko and Kurohime volcanoes, Japan: crystallization sequence and evidence for magma mixing. J. Petrol. V. 22. p. 553-583.

Sobolev A.V., Chaussidon M. (1996) H₂O concentrations in primary melts from supra-subduction zones and mid-ocean ridges: implications for H₂O storage and recycling in the mantle. Earth Planet. Sci. Lett. V. 137. p. 45-55.

Tilley C.E. (1950) Some aspects of magmatic evolution. Quart. J. Geol. Soc. London. V. 106. p. 37-50.

Uto K. (1986) Variation of Al2O3 content in Late Cenozoic Japanese basalts: a reexamination of Kuno's High-Alumina Basalt. J. Volcanol. Geotherm. Res. V. 29. p. 397-411.

Yoder H.S., Tilley C.E. (1962) Origin of basalt magmas: an experimental study of natural and synthetic rock systems. J. Petrol. V. 3. p. 342-352.