ПРОИСХОЖДЕНИЕ МАНТИЙНЫХ МАГМ НАД ЗОНАМИ СУБДУКЦИИ НА ПРИМЕРЕ ОФИОЛИТОВОГО КОМПЛЕКСА ТРОДОС, О.КИПР

Автор: Портнягин Максим Владимирович

9. Происхождение и эволюция превичных магм Тродоса.

    9.1 Эволюция Р-Т условий образования магм Тродоса.

  В большинстве моделей островодужного магматизма в качестве источника первичных магм предполагается мантийный источник толеитов океанических рифтов (например, [Plank, Langmuir, 1988]). В этом случае можно ожидать, что температуры и давления образования первичных магм Тродоса должны быть близки к таковым для нормальных океаничеких толеитов (1300-1400^oС, 5-15 кбар по [Falloon and Green, 1987]), что и предполагалось предыдущими исследователями (например, [Cameron, 1985]). По оценкам этой работы такому требованию вполне удовлетворяют первичные расплавы НПЛ, образованные при температурах ~1350^oС и давлении ~10 кбар. Близость мантийного источника НПЛ к источнику ТОР (либо толеитов окраинных морей) также подтверждается близким составом ликвидусного хромшпинелида и содержанием петрогенных элементов в примитивных расплавах.
    Установленные в настоящей работе температуры и давления образования первичных расплавов ВПЛ (1430-1500^oС, 15-20 кбар) значительно отличаются от таковых НПЛ и указывают на то, что при развитии магматизма на Тродосе условия магмогенерации эволюционировали от малоглубинных и низкотемпературных на раннем этапе к более высокотемпературным и глубинным на позднем. Установленные различия в температуре образования НПЛ и ВПЛ ~100-150^oС при разнице в давлении 5-10 кбар не могут быть объяснены в рамках существующих моделей надсубдукционного мантийного клина, его термальной структурой и эволюцией [Davies, Stevenson, 1992], если бы первичные магмы НПЛ и ВПЛ были образованы при прогрессивном плавлении одного мантийного источника, как это предполагалось ранее [Duncan, Green, 1987; Cameron, 1985]. Об этом же свидетельствует и близкое отношение Al₂O₃/TiO₂ в первичных магмах НПЛ и ВПЛ, отражающее близкую общую степень плавления мантии для ВПЛ и НПЛ. Эти данные свидетельствуют в пользу существования различных мантийных источников НПЛ и ВПЛ. Для образования последних необходимо вовлечение в зону магмогенерации независимого мантийного источника с потенциальной температурой >1400^oС, превышающей таковую для мантийного источника ТОР [McKenzie and Bickle, 1988]. Полученный результат совпадает с данными по первичным расплавам тихоокеанских бонинитов, для которых также предполагается температура образования выше 1450^oС [Sobolev, Danyushevsky, 1994]. В качестве мантийного источника высокотемпературных первичных магм ВПЛ можно предположить источник внутриплитовых магм, прошедший ранние стадии частичного плавления. Температуры этого источника по данным [Wyllie, 1988; Соболев, Никогосян, 1994] существенно выше 1400^oС, а характерные глубины первичного плавления превышают 60 км (более 20 кбар литостатического давления). Повторное плавление источника такого типа, вероятно, способно произвести ультрамафические расплавы с установленными для ВПЛ характеристиками.
  
    9.2 Характеристика независимых компонентов мантийных источников.

   В настоящее время общепринята поликомпонентная модель образования магм, связанных своим происхождением с плавлением мантии над зонами субдукции (например, [Hawkesworth et al., 1993]). В предельно упрощенной модели мантийный источник надсубдукционных магм можно представить как "смесь" обедненного, собственно мантийного, компонента (компонент "D") и обогащенного несовместимыми элементами компонента (компонент "E"), предположительно связанного своим происхождением с субдуцированной плитой. Корректная количественная оценка состава независимых компонентов является сложной геохимической задачей, поскольку состав ни одного из них a priori неизвестен. Традиционным подходом, который использовался ранее в ряде работ (например, [Stolper, Newman, 1994]) и применен в данной работе, является независимая оценка состава одного из конечных членов "смеси" - мантийного компонента. Когда такая оценка сделана, определение состава других компонентов значительно упрощается и становится возможным на основе расчета баланса масс.
    9.2.1 Мантийный компонент ("компонент D")
    Мантийный компонент источника магм Тродоса вероятно представляет собой ультраосновное вещество ряда лерцолит-гарцбургит. Судя по различиям в составах оцененных первичных расплавов, хромистости ликвидусных хромшпинелидов и Р-Т условиях образования первичных магм, состав этого компонента претерпевал существенные изменения в истории формирования Тродоса и его состав был, вероятно, различным для источника ВПЛ и НПЛ. Судя по значительной обедненности всех типов магм Тродоса несовместимыми элементами, можно с уверенностью утверждать, что мантийный компонент источника первичных магм был значительно обеднен базальтовым компонентом и уже испытывал предшествующие стадии плавления. На основе всего комплекса полученных в работе геохимических и минералогических данных, а также оцененных Р-Т условий образования первичных магм в качестве мантийного компонента источника НПЛ был принят состав обедненного лерцолита (Ol63Opx22Cpx12Sp2), представляющего собой рестит после 10% частичного плавления источника ТОР. В качестве мантийного компонента источника ВПЛ использовался состав обедненного лерцолита (Ol69Opx21Cpx8Sp2), представляющий собой рестит после 15% частичного плавления примитивной мантии.  
   9.2.2 Компонент, обогащенный группой наиболее несовместимых элементов и H2O (компонент "Е").    

Таблица 2 Состав обогащенного компонента

Для количественной оценки состава компонента "Е" нами использовался подход, близкий к изложенному в работе [Stolper, Newman, 1994]. Изначально было предположено, что источник магм Тродоса представлял собой смесь мантийного и обогащенного компонентов с концентрациями i-элемента - Со и СЕ, соответственно, который испытывал частичное плавление. Тогда концентрация i- элемента в первичном расплаве будет определяться уравнением: Ci={[1- ХЕ]*Co+ ХЕ*CЕ}/{Do+F*[1-P]/[1+ ХЕ]}, представляющим собой комбинацию уравнения частичного немодального плавления [Shaw, 1970] и уравнения баланса масс компонентов в источнике, где ХЕ - количество обогащенного компонента. Содержания 22-х элементов-примесей в аккумулированных первичных магмах были рассчитаны на основе 15 составов примитивных стекол, проанализированных высокоточным методом ICPMS-LAM, содержание H₂O - на основе составов расплавных включений. Для каждого состава первичного расплава была составлена система из 23 уравнений, включающая 22 уравнения баланса масс и уравнение суммы окислов элементов, равное 100 мас.%. Система содержала 24 неизвестных: неизвестные концентрации 22-х элементов в обогащенном компоненте, степень плавления (F) и количество обогащенного компонента в источнике (ХЕ). Постулировав содержание Ti в компоненте "Е" равным 0, система была решена аналитически для каждого состава первичного расплава. В работе показано, что расчетный состав обогащенного компонента слабо зависит от содержания в нем Ti, состава мантийного компонента, использованных коэффициентов распределения элементов и пропорций фаз в реакции плавления. Это объясняется в целом сильно несовместимым характером исследованных элементов, их высокими концентрациями в обогащенном компоненте, обедненным составом мантийного компонента и относительно высокими степенями плавления, необходимыми для образования магм Тродоса.
     Оцененный состав компонента "E" (Рис. 10, Таблица 2) характеризуется высоким содержанием H₂O, ее высоким отношением к легким РЗЭ, высоким содержанием Na2O, выраженными максимумами нормализованных концентраций LILE, B, Pb, Cl, слабо обогащенным спектром нормализованных содержаний РЗЭ. Составы компонента "Е" близки для НПЛ и ВПЛ. В целом же, обогащенные компоненты магм Тродоса демонстрируют характер спектров, близкий к "богатому H₂O компоненту" в магмах Марианского трога [Stolper, Newman, 1994]. Компонент "E" магм Тродоса отличается более резкими максимумами крупноионных литофильных элементов и пониженными концентрациями РЗЭ. Высокое нескомпенсированное хлором содержание Na в обогащенном компоненте может свидетельствовать о значительной доли карбонатной составляющей в нем (например, NaHCO3). Очевидно, что в компоненте "E" присутствовала и неучтенная в расчете силикатная составляющая предположительно полевошпатового состава, количество которой могло составлять по меньшей мере 1-3 мас. % [Eggler, 1987; Ayers et al., 1997].   

Рис. 10 Составы обогащенного компонента в мантийном источнике ВПЛ и НПЛ в сравнении с составом обогащенного компонента в источнике магм Марианского трога (МТ)

 К числу элементов, на содержание которых в интегральных магмах компонент "Е" оказывает доминирующее влияние (вклад >90%), относятся Cs, Cl, Rb, Ba, K, U, Th, B, Pb, Nb и H₂О. Большой вклад (80-40%) компонент "Е" вносит в содержание легких РЗЭ, Sr, Zr и Na. На содержание остальных элементов (средние и тяжелые РЗЭ, Y и Ti) обогащенный компонент оказывает малое влияние либо вообще влияния не имеет. Их содержание определяется главным образом мантийным компонентом. Принципиальная особенность оцененных составов компонента "Е" источника магм Тродоса заключается в разобщении H₂О с другими несовместимыми элементами. Данный факт установлен исходя из состава интегральных магм (стекла) и особенно ярко проявляется в составе дифференциальных магм (расплавные включения). При этом содержания несовместимых элементов в составах компонента "Е", оцененных на основании различных составов первичных магм, хорошо коррелируют между собой и обратно коррелируют с содержанием Н₂О. Основываясь на полученых зависимостях, состав компонента "Е" можно представить как смесь чисто водного компонента (обогащенный компонент "Е1"), с содержанием H₂О~100 мас.% и компонента, определяющего баланс других несовместимых элементов в источнике магм (обогащенный компонент "Е2"). Судя по составу расплавных включений, пропорции компонентов "Е1" и "Е2" в источнике первичных магм могли варьировать более чем в 100 раз.     

    9.3 Взаимодействие компонентов в мантийном источнике и его частичное плавление.

    9.3.1 Роль H₂О в образовании первичных магм.
    
    Парадокс образования первичных магм Тродоса состоит в том, что, с одной стороны, эти магмы были образованы при высоких температурах (>1300^oC) и при высоких степенях плавления мантийного источника и в то же время характеризуются высоким содержанием Н₂О. Если два первых свойства хорошо сочетаются и могут свидетельствовать о предшествующих процессах плавления мантийных источников лав Тродоса, то сохранение H₂O в столь высокотемпературном мантийном веществе, которое уже было ранее вовлечено в процессы частичного плавления, составляет непреодолимую трудность [Sobolev, Danyushevsky, 1994]. Разрешение этого парадокса заключается в том, что Н₂О была инъецирована из внешнего источника в "сухой" высокотемпературный источник непосредственно перед образованием первичных магм. Более того, логично предположить, что Н₂О-содержащий компонент и явился инициатором плавления, вследствие понижающего влияния Н₂О на температуру солидуса перидотита [Green, 1973; Tatsumi, 1989]. Если привнос H₂О был основной причиной частичного плавления мантийных источников магм Тродоса, то количество H₂О в источнике и степень плавления мантии должны быть взаимосвязанными параметрами. Это полностью подтверждается полученными данными. Для магм типа ВПЛ-1 расчетная степень плавления составляет 10-15% и количество H₂О в источнике 0.1-0.3 мас.%, для типа ВПЛ-2 - 15-20% и 0.3-0.6 мас.%, для типа ВПЛ-3 - >20% и более 0.6 мас.%, соответственно. Величина отношения степени плавления к количеству H₂О в источнике для магм Тродоса составляет от 40 до 100, что находится в соответствии с экспериментальными данными [Green, 1973; Hirose, 1997]. Это соответствие показывает, что доминирующей причиной плавления мантии Тродоса могло быть понижающее влияние H₂О на температуру солидуса перидотита. Такой процесс можно охарактеризовать как индуцированное компонентом плавление. Отметим, что этот процесс не требует существенного привлечения дополнительной энергии, например реализующейся при декомпрессии мантии, что предполагалось ранее для островодужных магм [Pearce, 1995; Plank, Langmuir, 1993].
     Выше отмечалось, что с уменьшением возраста степень обедненности ВПЛ увеличивается. Простой интерпретацией этого факта является то, что ВПЛ представляют продукты непрерывного прогрессивного плавления одного мантийного источника. В рамках модели индуцированного плавления это подразумевает постоянный привнос в источник H₂О, стимулировавшей продолжение плавления и образование магм все более и более обедненного состава.
   
     9.3.2 Механизм плавления мантии.

Рис. 11 Модель индуцированного плавления источников магм Тродоса.

Для объяснения геохимической гетерогенности первичных магм Тродоса и наблюдаемой последовательности излияния лав была применена количественная модель индуцированного плавления мантийного вещества [Ozawa, Schimizu, 1995]. Полученные результаты показали, что весь спектр первичных магм Тродоса может быть объяснен как результат плавления двух исходных мантийных источников (различных для НПЛ и ВПЛ) под воздействием H₂О-содержащего компонента (Рис. 11). Составы большинства ультраобедненных расплавов, показанных на Рис. 11, могут быть объяснены плавлением мантии под воздействием компонента Е1, то есть резко обедненного несовместимыми элементами относительно H₂О. Критическая масса расплава, которую мог удерживать рестит, оценена как 12%. Данные моделирования демонстрируют, что зона магмогенерации в надсубдукционных зонах может представлять собой проточную систему и быть постоянно открытой как для привноса H₂О-содержащего компонента, так и для частичного отделения новобразованного расплава от рестита. Составы пород являются продуктами смешения непрерывной серии первичных магм, образованных в результате различных стадий прогрессивного плавления мантийных источников. Смешение расплавов вероятно происходило в магматических камерах или в ходе транспорта магм от магмогенерирующего источника.

 9.4 Природа обогащенных компонентов.    

Геохимические особенности компонента "Е", такие как повышенные относительно HFSE и РЗЭ содержания H₂O, LILE, B, Th и U, низкое Th/U, повышенное отношение ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb [Rautenschlein et al., 1985], свидетельствуют, что наиболее вероятно его источником была субдуцированная океаническая плита с примесью осадочного материала. Этот вывод подтверждается экспериментальными данными подвижности различных элементов в процессе дегидратации субдуцированной океанической плиты [Kogiso et al., 1997]. Наиболее значительные вариации состава компонента-Е наблюдаются по содержанию H₂О относительно других несовместимых элементов. Эти вариации были охарактеризованы как результат смешения двух компонентов "Е1" и "Е2". Учитывая контрастность состава этих компонентов, очевидно, что они не могут происходить из источника одного состава, и в геохимическом смысле "Е1" и "Е2" могут быть охарактеризованы как независимые компоненты. Полученные данные по составу интегральных магм показывают, что количество привнесенных в мантийный источник компонентов "Е1" и "Е2" являются в целом скоррелированными параметрами и, следовательно, наиболее вероятно поступали в мантийный источник одновременно в составе единого обогащенного H2О и несовместимыми элементами компонента. Существенные вариации относительных пропорций "Е1" и "Е2" в составе этого обогащенного компонента, установленные в составе дифференциальных магм, могут быть объяснены, как результат просачивания водного флюида через гетерогенно-метасоматизированную компонентом "Е2" мантию на пути миграции к источнику магм Тродоса [Davies, Stevenson, 1992] либо как результат комбинированного транспорта флюида путем просачивания и по трещинам [Davies, Rawland, 1997]. Образующийся в этом процессе флюид/расплав будет содержать разные соотношения компонентов "Е1" и "Е2" в зависимости от степени метасоматоза мантийного вещества либо в зависимости от степени реакционного взаимодействия, которая определяется механизмом миграции флюида. Оцененные в работе средние составы H₂О-содержащего компонента "Е" отражают интегральный результат такого взаимодействия.

    9.5 Транспорт магм к поверхности.
   
    Обнаруженные в этой работе большая гетерогенность составов примитивных магм и, в том числе, ультраобедненные расплавы позволяют предположить, что эти расплавы избежали перемешивания и взаимодействия с вмещающими породами до захвата в виде включений в минералы и могут отражать состав первичных магм Тродоса. Смешение этих расплавов наиболее вероятно происходило уже в магматическом очаге и, следовательно, транспорт первичных магм из зон магмогенерации приемущественно осуществлялся по каналам с ограниченным взаимодействием с вмещающими породами. Подобный механизм миграции магм предполагает относительно быстрое их перемещение из зоны частичного плавления в коровые условия. Данные, полученные для современных островодужных магм на основе систематики Th-Ra изотопных отношений, свидетельствуют, что скорость перемещения магм составляла по меньшей мере 35-70 м/год [Turner, Hawkesworth, 1997], что согласуется с выводами данной работы. Очевидным фактором, стимулировавшим быстрый подъем магм из мантии, является высокое содержание в них H₂О, значительно понижающей вязкость силикатных расплавов [например, Кадик и др., 1971].

далее>>