Н.Л.Миронов "Эволюция высокоглиноземистых базальтов Ключевского вулкана  (Камчатка) по данным изучения магматических включений в минералах"

6. Условия кристаллизации и составы расплавов.

Перед тем как привести данные по условиям кристаллизации ВГБ Ключевского вулкана и эволюции составов расплавов, полученные в ходе наших исследований приведем данные других авторов, исследовавших возможную связь ВГБ и ВМБ [Арискин и др., 1995]. На основании данных по геохимии и минералогии лав Ключевского влк. ими была промоделирована схема формирования ВГБ магм в результате полибарического фракционирования расплавов, близких к ВМБ со скоростью декомпрессии -0.33 кбар на 1% кристаллизации при начальном содержании в расплаве около 2 мас.% H2O. Первыми ликвидусными минералами являются Ol (Fo_90-92) и Cpx (#Mg_89-91) (по природным данным в присутствии шпинели) при давлении около 19 кбар и Т=1350° С. Такие давления соответствуют глубине около 60 км, на которой по сейсмическим данным предположительно находится главный очаг Ключевского вулкана. К этим минералам при Р=15 кбар и Т=1260° С присоединяется Opx (#Mg_88-89). Накопление воды в расплаве при фракционировании может приводить к значительной задержке кристаллизации плагиоклаза (расширение полей кристаллизации Ol, Cpx и уменьшение Pl), что приводит к 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° С и содержании в расплаве H2O ок. 3 мас.%. К этому моменту спектр составов модельных жидкостей представляет полное разнообразие лав Ключевского вулкана, а дальнейшая кристаллизация приводит к быстрому насыщению системы водой с последующей дегазацией при давлениях около 1.5 кбар. Фракционирование первичных высокомагнезиальных расплавов с образованием высокоглиноземистых можно отразить следующей условной 3-х стадийной схемой с последовательной кристаллизацией минералов:

Составы минералов, содержащих исследованные нами РВ соответствуют 3-му и более позднему этапам фракционирования в приведенной выше схеме. Рассмотрим полученные нами данные по физико-химическим условиям заключительной стадии кристаллизации магм Ключевского вулкана.

6.1. Температура и давление.

Температуры кристаллизации, полученные для оливинов Fo_88-90 (см.табл.2) [данные Хубуная, Соболев, 1998] методом гомогенизации РВ - 1220-1200 ° С, ниже приведенных в схеме для соответствующих составов оливинов. Это может быть связано с тем, что реально кристаллизация оливинов происходила в менее глубинных условиях, чем указаны в схеме (19 - 15 кбар), что и приводило к меньшей температуре кристаллизации. Температура кристаллизации оливинов (Fo_71-79) и клинопироксенов (#Mg_70-81) была определена, исходя из равновесия расплав - минерал на основе изучения РВ в этих минералах. При этом для расплавов равновесных с плагиоклазом были учтены температурные линейные поправки [Арискин и др., 1995] на содержание воды (см. T_real в Табл.2). Для оливинов значения Т с учетом поправки варьируют от 1145 до 1034 ° С, для Срх от 1133 до 1040 ° С, причем для изученных Ol и Cpx зависимость составов минералов от Т проявлена слабо. Температурные интервалы кристаллизации Ol и Cpx близки, что отражает совместную кристаллизацию этих минералов. Это также подтверждается данными по изучению твердофазных включений.

Методически интересно отметить, что коррекция расчетных температур с учетом содержания воды по модели Данюшевского [Danyushevsky, 1998] дает для оливинов еще большее понижение температуры и в среднем ниже наших линейных поправок на 56 ° С. Это может быть связано с тем, что модель корректно работает для расплавов с низким содержанием воды (до 1 %) и для наших водонасыщенных расплавов дает заниженную оценку.

Большая часть закалочных температур для РВ в Ol (1145 ° С) и Срх (1125 - 1144 ° С), полученных в результате термометрических экспериментов близка по значению к полученным нами Т real, поэтому составы этих РВ могут быть использованы для правильной интерпретации эволюции системы.

Оценка давления по применявшимся расчетным методикам не является точной, однако, может дать ориентировочные значения. Данные барометрии по составу клинопироксена [Nimis, 1995] свидетельствуют о том, что кристаллизация и эволюция изученных расплавов происходила в приповерхностных условиях, при давлениях не превышающих 2.5 - 3 кбар. Усредненное значение давления кристаллизации клинопироксена в изученных образцах составляет около 1.3 кбар (см. рис.10). Учитывая тот факт, что клинопироксен является фазой постоянно присутствовавшей на ликвидусе изученных магм, то полученные оценки давления адекватно отражают условия кристаллизации расплавов во всем изученном интервале составов минералов.

Рис.10  Гистограмма для значений давления кристаллизации Срх Используемый клинопироксеновый барометр имеет небольшую точность (2 кбар), но при статистической обработке данных позволяет сделать оценку для  значения давления. На линни усреднения имеется четкий пик, характеризующий усредненное значения давления кристаллизации Срх (1.3 кбар)

Оценка давления кристаллизации по давлению насыщения расплава водным флюидом [Альмеев, Арискин, 1996] для расплавов, близких к насыщению или водонасыщенных (к таковым можно отнести и большинство наших расплавов) также показывает, что кристаллизация происходила при низких давлениях (Р_макс = 1.6 кбар, в среднем составляя 0.5 - 0.7 кбар).

6.2. Окислительно-восстановительные условия.

Окислительно-восстановительные условия были достоверно определены только для момента кристаллизации OL (Fo_84-88). Расчеты проводились, используя 2 независимые методики [Ballhaus et al., 1991]; [Danyushevsky, Sobolev, 1996] на основе данных о составах твердофазной шпинели (CRN_58-71) в оливине (Fo_84-88). Расчитанные по этим методикам значения fO2 дали хорошее соответствие между собой. Полученные данные говорят о достаточно окислительной обстановке в расплаве во время кристаллизации оливина, которая соответствует буферу NNO и даже выше (см. рис.11). О дальнейшем изменении окислительно-восстановительных условий говорить сложно, однако можно предположить, что значения фугитивности в процессе эволюции системы соответствовали буферу NNO или более высоким значениям fO2, что соответствует также экспериментальным данным [Кадик и др., 1990]. При моделировании процессов обратного фракционирования нами был использован именно этот буфер (NNO).

Рис.11 Диаграмма отражает окислительно-восстановительную обстановку во время кристаллизации OL (Fo88-84). Sp1 - среднее значение lgfO2, определенное по твердофазной шпинели в оливине по модели (Danyushevsky, Sobolev, 1996) Sp2 - по модели (Ballhaus et al.,1991)

6.3. Составы расплавов.

6.3.1. Главные элементы.

Составы расплавов, возникавших в процессе эволюции ВГБ были получены коррекцией составов РВ в оливинах, клинопироксенах и плагиоклазах (см. методику), а также по составам РВ после термометрических экспериментов. Спектр составов высокомогнезиальных (ВМ) и магнезиальных (М) расплавов был получен, исходя из составов РВ в оливинах (по данным Sobolev, Chaussidon, 1996; Хубуная, Соболев, 1998) (см. Табл.2).

Для того, чтобы проследить эволюцию расплавов ВГБ, связь этих расплавов с ВМ расплавами и выяснить особенности изменения химического состава всей системы, все составы расплавных включений были нанесены на ряд вариационных диаграмм, отражающих зависимость содержания основных петрогенных окислов от содержания MgO (см. рис.14).

Рис.14 A Диаграммы, отражающие закономерности и особенности эволюции базальтов Ключевского вулкана по данным изучения РВ в минералах. A,B,C,D,E,F,G - вариационные диаграммы, по содержанию MgO ; H - K2O-SiO2; I - AFM диаграмма (Irvine, Baragar,1971). Расплавные включения в минералах высокоглиноземистых базальтов (ВГБ) Ключевского вулкана (1-3) 1 - в оливинах 1a - Al2O3 > 17 %, 1b - Al2O3 < 16 мас.%; 2 - в клинопироксенах; 3 - в плагиоклазах ; 4 - расплавные включения в оливинах из магнезиальных и высокомагнезиальных базальтов Ключевского вулкана (данные Хубуная, Соболев,1998) 5 - средний состав высокоглиноземистого базальта Ключевского вулкана с 6 - РВ в оливинах ВГБ после термометрического эксперимента 7 - РВ в клинопироксенах ВГБ после термометрического эксперимента Также на диаграммы нанесены линии трендов изменения составов базальтов от ВМБ до ВГБ (по Арискину и др.,1995)

Рис.14 C

По мере изменения составов расплавов от ВМ к ВГ выявляются общие тренды закономерного изменения составов. С увеличением степени фракционирования (уменьшение MgO) увеличиваются содержания SiO2, TiO2, Al2O3, K2O, Na2O, происходит незначительный рост содержания FeOt и уменьшение CaO (см. рис. 14 диаграммы A - D-F-H). Эти закономерности связаны с кристаллизационной дифференциацией, происходящей в системе. При этом в процессе эволюции от ВМ через магнезиальные к ВГ расплавам особенности изменения составов расплавов четко контролируются процессами совместной кристаллизации Ol и Aug, сопровождающиеся накоплением воды, что приводит к задержке кристаллизации плагиоклаза и образованию ВГ расплавов с содержанием Al₂O₃ до 19.8 %, что соответствует данным [Арискин и др., 1995].

Рис.14 B

Рис.14 D

Рис.14 E

Рис.14 F

Рис.14 G

Рис.14 H

В ходе последующей эволюции самих ВГ расплавов наблюдается более сложная картина, связанная с увеличением количества кристаллизующихся фаз (прежде всего Pl и Ti-Mt), возможной вариацией давления кристаллизации и содержания воды. Наряду с этим на стадии формирования высокоглиноземистых продуктов, могли происходить процессы смешения различных расплавов и контаминации расплавов вмещающими породами.

Рассмотрим подробнее вариации химического состава для изученных расплавов ВГБ.

Составы расплавов по данным о составах РВ в оливинах.

Среди этих расплавов можно выделить 2 группы: 1 группа - (1а) высокоглиноземистая (Al₂O₃ > 17 %) и 2 - (1b) -умеренно глиноземистая (Al₂O₃ < 16 мас. %). 1 группа также характеризуется более высокими содержаниями CaO (в среднем 1а - 8.7, 1b - 7.3 мас.%) и более низкими содержаниями FeOt (1а - 9.7, 1b - 10.5 мас.%) и TiO2 (1а - 1.1, 1b - 1.4 мас.%)(см. табл.2, рис. 14). Такие различия могут быть связаны для ВГ группы (1а) - с накоплением воды, приводящем к задержке появления плагиоклаза и накоплению глинозема в расплаве (кристаллизующимися фазами являются Ol и Срх), а для группы 1b - с кристаллизацией плагиоклаза на ликвидусе, что смещает линии тренда и приводит к резкому падению содержания Al₂O₃, уменьшению содержания CaO небольшому накоплению железа и титана по сравнению с ВГБ при практически постоянном MgO.

Эти расплавы близки по составам расплавам группы 1b в оливине, и отражают состояние системы, когда Pl уже появляется в качестве кристаллизующейся фазы. Часть РВ в Срх имеет повышенные содержания калия (K₂O - до 3.6 %, см. диагр. G, H) и кремнезема (SiO₂ - до 66-67 мас. %)(см.рис. 14, диагр. A, H) и отражает конечные стадии эволюции ВГБ.

Часть составов ложится в область составов группы 1b и большинства РВ в Срх и имеет следующие средние содержания - SiO2 (55.4 мас. %), Al2O3 (15.5 %), MgO (4.1 мас. %). Эти составы отражают совместную кристаллизацию Ol, Cpx и Pl.

Большая же часть расплавов отражает конечные стадии эволюции системы, характеризующиеся более резким накоплением SiO2 (до 73 - 75 мас. %), K2O (до 3.7 %) и спадом содержаний FeOt, TiO2, CaO и MgO. Резкое обогащение расплава SiO2 и K2O и уменьшение FeOt и TiO2 могут быть объяснены кристаллизацией Ti-Mt в системе, что находит подтверждение по петрографическому изучению ВГБ (наличие мелкой вкрапленности Ti-Mt среди основной массы). Составы интерстициальных стекол ВГБ также отвечают высоким содержаниям SiO2 (до 76 %) и K2O (4.2 мас. %). Возможным объяснением образованию таких кислых и обогащенных K2O расплавов, помимо глубокого фракционирования системы с отсадкой магнетита, является выплавление кислых расплавов из вмещающих пород, за счет их взаимодействия с базальтовым расплавом. Такой процесс может реализовываться в природе, что подтверждается исследованиями других природных объектов [Соловова и др., 1998].

Все изученные составы расплавов были нанесены на диаграмму AFM (см. рис.14 - I). Видно, что первичные высокомагнезиальные расплавы немного смещены в область толеитовых составов, а все остальные расплавы лежат в известково-щелочной области. Это означает, что эволюция базальтов Ключевского вулкана от ВМБ до ВГБ отвечает тренду развития известково-щелочных серий.

Рис.14-I Диаграмма AFM по (Irvine, Baragar,1971), позволяющая выделять 2 области, отвечающих по составу 2 различным сериям базальтов - толеитовой и известково-щелочной.

6.3.2. Летучие компоненты.

Наличие флюидных включений в оливинах и клинопироксенах свидетельствует о том, что кристаллизация расплавов происходила в условиях насыщения флюидом. Наши данные свидетельствуют о том, что главным флюидным компонентом расплавов являлась вода, также в расплавах устанавливаются незначительные содержания серы и хлора.

Вода.

Количественные оценки воды в расплавах в данной работе были основаны на расчетных методах, описанных выше. Содержание воды в расплавах, определенное по составам РВ в оливинах варьирует от 0.9 до 4.8 мас.% (в среднем 2.7 мас.%), а по РВ в Cpx в целом ниже и варьирует от 0.1 до 2.1 мас.% (в среднем 0.9 мас.%) (см. табл.2). Более низкие содержания могут быть связаны с процессами дегазации во время кристаллизации данных клинопироксенов.

Непосредственные измерения содержания воды в РВ в оливинах Fo_87-90 (см. Табл.2) [Sobolev, Chaussidon, 1996] из ВМБ и МБ дают значения от 1.2 - 2.6 мас.% (в среднем 1.9 мас. %), что соответствует начальному содержанию воды в исходном высокомагнезиальном расплаве, которое принималось при моделировании процессов фракционирования (2 мас.%) [Арискин и др., 1995].

Также оказалось возможным оценить содержание воды по моделям плагиоклаз - расплав. Так согласно модели Плечова-Гери [Pletchov, Gerya, 1998] изученные кислые расплавы установленные в виде включений в плагиоклазе An59-83 могли быть в равновесии с минералом-хозяином в водонасыщенных условиях при давлении 1 кбар и температуре от 1000 до 900 ° С (см. рис.15). Содержания воды для данных условий, расчитанные по модели [Альмеев, Арискин, 1996] варьируют от 2.8 до 3.8 мас.%.

Рис.15 На диаграмме линиями отражена зависимость состава плагиоклаза от состава расплава при разной температуре (при Т =1200 зависимость близка к линейной) в условиях водонасыщеннсти, P=1 кбар.

Кроме этого составы сосуществующих расплавов и плагиоклазов были наненесены на диаграмму Ca/Na в расплаве - Ca/Na в плагиоклазе (см. рис.12) с нанесенными на ней линями Kd для разных содержаний воды по экспериментальным данным [Sisson, Grove, 1993]. Видно, что большая часть точек ложится в поле между линиями Kd - 5.5 и Kd - 3.4, что соответствует содержанию воды около 5 мас.% в условиях водонасыщенности при давлениях 1-2 кбар. Находка твердофазных включений амфибола в этих плагиоклазах может служить независимым подтверждением правильности сделанных оценок содержания Н2О, поскольку по экспериментальным данным [Sisson, Grove, 1993] амфибол появляется на ликвидусе ВГБ при давлениях Н2О около 2 кбар.

Рис.12 Диаграмма Ca/Na в плагиоклазе - Сa/Na в расплаве (ат.%), с нанесенными линиями Kd по экспериментальным данным (Sisson, Grove,1993). Kd 5.5 - 6 wt.% H2O at P 2 kbar (H2O - saturated) Kd 3.4 - 4 wt.% H2O at P 1 kbar (H2O - saturated) Kd 1.7 - 2 wt.% H2O at P 2 and 5 kbar

Часть РВ в ранних плагиоклазах (SiO2 -53-55 %, Al2O3 - 15-16 %, MgO - 4 мас. %) характеризуются низкими Kd~1.5, что соответствует содержаниям воды - 1-2 мас.%. Важно отметить, что эти расплавы по составу близки группе низкоглиноземистых РВ в Ol и Срх. Также близки оказались и оценки содержания воды в этих расплавах, оцененные с использованием полностью независимых методов.

Ориентировочная оценка содержания воды в расплавах при кристаллизации Ol и Cpx была получена в результате термометрических экспериментов при сравнении закалочных и расчетных "сухих" температур (см. рис.13). Видно, что закалочные температуры систематически ниже по сравнению с расчетными, что связано с наличием воды в стеклах РВ. По нанесенным на диаграмму линиям содержания воды содержание воды в стеклах РВ в Ol около 1.5 %, а в РВ в Срх - ок. 1 %. Следует отметить, что эта оценка является минимальной, поскольку в ходе эксперимента при длительном нагревании происходит диссипация водорода, приводящая к потере воды (об этом могут свидетельствуют пара точек на рис.13, для которых разница между Tq и Tcalc минимальная (3 ° С) - в этих РВ могла произойти полная потеря воды).

Рис.13 Диаграмма показывает отклонение закалочных температур (Tq) для РВ в ходе экспериментов от расчетных (Tcalc), связанное с содержанием воды в стеклах РВ. Пунктирами нанесены линии различного отклонени Tq от Tc в зависимости от содержания воды (темпреатурные поправки на H2O по Арискину и др.,1995 для OL - 17.5 C, для Срх - 27.4 С)

Интересно отметить положительную корреляцию между содержанием воды в РВ в оливинах и содержанием в них глинозема. Это может быть связано с формированием расплавов с различным содержанием Al₂O₃ при разных давлениях. В высокоглиноземистых расплавах (Al₂O₃ > 17 %) общее давление было выше и водонасыщенность достигалась при более высоком содержании воды. В умеренноглиноземистых (Al₂O₃ < 16 % - часть РВ в оливинах (1b) и все РВ в Срх ) давление в системе падало и происходила дегазация. Для магнезиальных расплавов, формировавшихся при более значительных давлениях условия водонасыщенности не достигались, с чем связано меньшее содержание воды (~ 2 мас.%) относительно высокоглиноземистых расплавов. Следует отметить, что к полученным данным по определению содержания воды нужно относиться с определенной осторожностью, поскольку они получены не прямыми аналитическими методами, а расчетными с некоторыми допущениями, например, таким что расплавы являются котектическими (Ol-Pl), что для части расплавов не очевидно. Но в целом данные достаточно корректны и могут быть использованы для правильной интерпретации флюидного режима системы.

Хлор и сера.

Содержание хлора и серы определялись аналитическими методами (микрозонд) в стеклах РВ в оливинах как из МБ (Fo_87-90) так и из ВГБ (Fo_65-81). Полученные данные хорошо отражают процессы дегазации расплавов (потеря хлора и серы) в ходе их эволюции от МБ к ВГБ. Содержание хлора изменяется от 0.11 до 0.05 мас.%, а серы от 0.28 до 0.06 мас.%.

В ходе эволюции системы от высокомагнезиальных расплавов (ВМ) к глиноземистым происходит изменение режима летучих (H₂O, S, Cl). Содержание воды увеличивается (в 1.5-2 раза), достигая максимальной величины (4.8 мас.%) в высокоглиноземистых расплавах (по данным изучения РВ в оливинах), затем когда в ходе кристаллизации плагиоклаза происходит уменьшение глинозема с образованием умеренноглиноземистых расплавов содержание воды резко уменьшается (до 0.3-0.1 мас.%), по-видимому в связи с процессами дегазации при начале извержения вулкана (см. рис.16-А)

Рис.16 А Диаграмма, отражающая изменение режима летучих (H2O) в системе в процессе эволюции расплавов от высокомагнезиальных (ВМ) до глиноземистых. 1 - ВМ расплавы (по данным изучения РВ в оливинах из ВМБ и МБ (Fo87-90) 2 - высокоглиноземистые расплавы (ВГ) (по данным изучения РВ в ВГБ (Fo71-79)) 3 - умеренноглиноземистые (образуются в ходе эволюции ВГ расплавов) расплавы (по данным изучения РВ в клинопироксенах (#Mg70-81) .

В процессе эволюции выявляются особенности поведения воды, хлора и серы, связанные с различной степенью сродства к флюиду (S > Cl > H₂O), что хорошо отражается на различном отношению летучий/калий в ходе уменьшения магнезиальности расплавов (см. рис. 16-B, -C, -D). На стадии от ВМ до ВГ дегазация расплавов происходит с обогащением флюида серой и хлором, вода же накапливается в расплаве. В дальнейшем при образовании умеренноглиноземистых расплавов флюид становится существенно водный и происходит обеднение расплава водой.

Рис.16 B Диаграммы (B,C,D), отражающая изменение режима летучих (H2O,S,Cl) относительно такого некогерентного элемента как К в системе в процессе эволюции расплавов от высокомагнезиальных (ВМ) до глиноземистых. 1 - ВМ расплавы (по данным изучения РВ в оливинах из ВМБ и МБ (Fo87-90) 2 - высокоглиноземистые расплавы (ВГ) (по данным изучения РВ в ВГБ (Fo71-79)) 3 - умеренноглиноземистые (образуются в ходе эволюции ВГ расплавов) расплавы (по данным изучения РВ в клинопироксенах (#Mg70-81)

Рис.16 C

Рис.16 D

Табл.2
Таблица составов представительных расплавных включений в оливинах (OLG213 - OLG278), клинопироксенах (PXG15 - PXG82), плагиоклазах (PLI45-PLI87) из высокоглиноземистых базальтов; cоставы РВ в Ol и Cpx после термометрических экспериментов (OLG293-OLG295; PXG94-PXG99); РВ в оливинах из магнезиальных базальтов Ключевского вулкана (L1-L16 данные Хубуная, Соболев,1998) и средние составы базальтов Ключевского вулкана (по Арискину и др.,1995)
При дорасчете составов OLG213 - OLG278 использовалась модель по Ford, 1983; составов PXG15 - PXG82 модель Арискина, 1986. P = 1 кбар, Ni-NiO буфер
Группа анализов OLG213 - OLG278 отсортирована по убыванию Al2O3 (1a - Al2O3 > 17 %, 1b - Al2O3 < 16 wt. %)
Все остальные анализы отсортированы по группам в порядке убывания содержания MgO
T calc - расчетная температура Tq - температура закалки в градусах Цельсия.
% Oliv, % Cpx - количество отсевшего на стенки включения минерала.
Fo, #Mg - магнезиальность Mg/(Mg+Fe) минерала-хозяина;
lgfO2 - расчетная фугuтивность кислорода для NNO буфера.
H2O calc - расчетные содержания воды по модифицированной модели Данюшевского для глиноземистых расплавов [см. методику и Danyushevsky, 1998]. H2O measur - содержания воды, определенные аналитически для L1 - L 16
T real - температура с учетом поправки на содержание воды, поправка принималась -17.5 +- 4.9 С для OL и -27.4 +- 6.5 С для Срх [по Арискину и др., 1995]

Первичные исходные данные по составам расплавных включений и минералов-хозяев см. в приложении (таблицы анализов) табл.3

вперед оглавление назад