Происхождение высококалиевых вулканитов Везувия (Италия)

Глава 5. Геохимические особенности высококалиевых вулканитов вулкана Везувий современного периода активности (1631-1944 гг.)

На протяжении современного этапа активности вулкан Везувий извергал недосыщенные кремнеземом высокощелочные лавы (Savelli, 2000). Степень недосыщенности кремнеземом и содержание калия в породах увеличиваются от древних пород к молодым, т.е. в ходе эволюции пород вулкана Везувий происходит смена калиево-натровой серии пород на калиевую и, затем, высококалиевую. В главе рассмотрены особенности химического и изотопного составов эффузивов и ультраосновных включений Везувия, соответствующих современному периоду активности вулкана (1631-1944 гг.).

Главные петрогенные элементы. Содержания таких элементов, как магний, железо, титан, натрий меняются закономерно. Так, содержание MgO (табл. 2) уменьшается от ультраосновных включений и основных эффузивов к более кислым (от базанитов к фонолитам), что свидетельствует о кристаллизационной дифференциации расплава. содержания TiO₂, несмотря на высокую щелочность (K₂O+Na₂O достигает 15 вес. %), остаются довольно низкими - от 0.5 до 1 вес. %, что является характерной чертой пород подвижных поясов. Породы Везувия характеризуются содержанием Al₂O₃ выше 17 вес. %. Для высококалиевых пород Везувия характерны самые высокие содержания CaO (по сравнению с другими сериями вулкана) - до 13 вес. %.

Рис.4

По сравнению с ультраосновными включениями эффузивы содержат меньше MgO, больше K₂O, Na₂O, FeO, TiO₂, P₂O₅; наиболее высокие содержания K₂O свойственны фонолитам, что объясняется кристаллизационной дифференциацией расплава. На диаграмме AFM (рис.4) четко выделяются два тренда эволюции вулканитов Везувия. Первый (а), связанный с накоплением железа и щелочей, отражает "отсадку" в вулканической камере высокомагнезиальных минералов (оливина Fo_84-88 и диопсида); второй (б) - увеличение щелочности за счет преобразований магмы в земной коре. Повышенные содержания щелочей (до 6 вес. %) в ультраосновных включениях, соответствующих наиболее раннему этапу кристаллизации расплава, подтверждают то, что уже на ранних этапах своего развития магма была обогащена щелочами. Как известно, породы раннего этапа активности вулкана имеют (по сравнению с породами современного периода) более высокие содержания Na₂O (до 4 вес. %) и более низкие содержания K₂O (от 4 вес. % в основных до 6 вес. % в кислых породах); относительно низкие содержания CaO (8 - 9 вес. %) и более высокие содержания SiO₂ (50 - 60 вес. %). Результаты такого сравнения позволяют говорить о том, что в ходе длительной эволюции пород вулкана Везувий в расплаве происходило увеличение содержаний таких элементов, как кальций, калий, железо и уменьшение содержаний кремнезема, натрия, что может быть связано с кристаллизационной дифференциацией и взаимодействием с вмещающими породами.

Малые элементы. Содержания малых элементов в породах являются четкими критериями петрогенеза. В настоящей работе проведено изучение изменения содержаний малых элементов в процессе эволюции пород вулкана Везувий на основе сравнения их с таковыми для примитивной мантии.

Ультраосновные включения вулкана Везувий содержат больше когерентных элементов - Cr, Ni, Сo, Cu (табл. 2) (их содержание резко падает в процессе дифференциации) по сравнению с эффузивами, что объясняется вхождением в состав включений оливина и клинопироксена, к которым эти элементы имеют повышенное сродство.

Рис.5

Сравнение содержаний малых элементов в вулканитах Везувия с составом примитивной мантии показало (рис. 5), что породы Везувия обогащены всеми группами малых элементов. Как известно (Wilson, 1988), содержания некогерентных элементов группы калия (K, Rb, Cs, Ba, Sr) отражают особенности состава мантийного источника. По сравнению с примитивной мантией вулканиты Везувия обогащены некогерентными элементами группы калия, что может свидетельствовать о том, что мантийный источник был метасоматизирован некогерентными элементами. Относительное общее понижение содержаний высокозарядных (Ti, Ta, Nb, Hf, Zr, Y) (ВЗЭ) является типичным для пород подвижных поясов (Фролова, Бурикова, 1997). Возрастание отношения КИРЭ/ВЗЭ отражает богатство вулканитов Везувия щелочами и более высокое содержание (по сравнению с примитивной мантией) летучих, к которым КИРЭ имеют высокое сродство. На рис. 5 видно, что вулканиты Везувия имеют "пиковый" характер распределения малых элементов, с многочисленными максимумами и минимумами, что является следствием влияния на состав пород помимо кристаллизационной дифференциации ряда процессов, в частности, взаимодействия расплава с коровым материалом (Wilson, 1988).

Рис.6

Породы Везувия имеют повышенные отношения Th/Yb (~10) (рис. 6), а также повышенные содержания U. Известно, что U и Th - типичные литофильные элементы, которые накапливаются в остаточном расплаве и прямо коррелируются с SiO₂ (табл. 2) (Когарко, Титаева, 1994). Увеличение содержания Th связано, вероятно, с высоким содержанием элементов группы калия. Установлено (Wilson, 1988), что такие отношения могут являться следствием коровой контаминации. Известно также (Ayuso et al, 1998), что по мере эволюции вулканизма Везувия происходило накопление таких элементов, как La, Th, Ta, что может являться следствием фракционирования первичной магмы (Wilson, 1988).

Рис.7

Высокие содержания легких РЗЭ в щелочных породах подтверждают метасоматическое изменение мантийного субстрата (Щелочные и эффузивные , 2002), что еще раз подчеркивает невозможность получения высококалиевых расплавов при частичном плавлении примитивных мантийных перидотитов. Закономерное повышение содержаний легких РЗЭ (рис. 7) от ультраосновных включений к базанитам, тефритам и фонолитам является доказательством кристаллизационной дифференциации расплава. Содержания тяжелых редкоземельных элементов приблизительно одинаковы в базанитах, тефритах и фонолитах (рис. 7). Это объясняется относительной инертностью тяжелых РЗЭ в магматическом процессе.

Режим летучих компонентов. Для высококалиевых вулканитов Везувия характерно высокое содержание флюидных компонентов (об этом свидетельствует наличие гидроксилсодержащего минерала флогопита в ультраосновных включениях, обогащенность вулканитов КИРЭ элементами, имеющих высокое сродство к летучим, и легкими редкоземельными элементами). О высокой фугитивности кислорода во флюиде свидетельствует появление рудных минералов (шпинели, титаномагнетита) в ранних парагенезисах. Существует много экспериментальных работ (Giannetti et al., 1993; Folley et al., 1985 и др.) по определению состава флюида и его давления. Изучение флюидных включений во вкрапленниках клинопироксенов (Belkin et al., 1993) показало, что флюид состоит, в основном, из углекислого газа и воды. Наличие в парагенезисах вкрапленников титаномагнетита говорит о высокой фугитивности кислорода во флюиде. "Водные условия", вследствие которых повышается степень окисленности магмы, подтверждаются и петрографическими особенностями, в частности ранней кристаллизацией оксидов железа. Установлено (Vagelli et al., 1993), что в составе флюида во время образования ультраосновных включений содержание воды достигало 70%. Кроме того, повышенные содержания воды в магме являются, наряду с кристаллизационной дифференциацией, одной из причин высокой глиноземистости (Йодер, 1955). Отсутствие в составе лав гидроксил-содержащих минералов (в противовес ультраосновным включениям) свидетельствует о низкой активности H₂O во флюиде при их формировании. Исследования флюидных включений в лейцитах (Belkin et al., 1993) показали, что содержание углекислоты в нем возрастает до 70%. Расчетное давление его кристаллизации составило 1-2 кбар, что соответствует условиям верхней магматической камеры Везувия, расположенной на глубине 1-4 км (Berrino et al., 1993).

В момент формирования включений во флюиде было высокое содержание воды (подтверждается экспериментальными данными), высокое парциальное давление флюида (как доказательство - кристаллизация флогопита), и произошло увеличение фугитивности кислорода (смена акцессорных минералов шпинель - титаномагнетит).

изотопные характеристики вулканитов Везувия. В главе рассмотрены изотопные отношения Sr, Nd, Pb и O для обеих групп изученных пород. В ультраосновных включениях отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr составляет 0.7060 - 0.7063, а отношения ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd колеблются от 0.51225 до 0.51230. отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в базанитах составляют 0.7065 - 0.7069, в тефритах и фонолитах - 0.7069 - 0.7071; отношения ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd лежат в пределах 0.51228 - 0.51251. Отношение ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb для везувианских пород находится в пределах 18.948 - 19.859, значения ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb - 15.617 - 16.712, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb - 38.984 - 39.252. Известно (Zindler & Hart, 1986; Рундквист и др. 2000), что существует несколько гипотетических мантийных резервуаров. При сравнении значений отношений Sr, Nd и Pb в породах Везувия и в предполагаемых мантийных резервуарах установлено, что вулканиты Везувия имеют сходные значения с резервуаром EMII. Тем самым подтверждается то, что вулканиты Везувия образовались из обогащенного мантийного источника. Установлено (Ayuso et al., 1998), что значения изотопных отношений ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, ¹⁸О, ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb увеличиваются от древних пород вулкана Везувий к более молодым, что говорит об усилении влияния корового материала на состав и эволюцию продуктов вулканизма Везувия. Были рассчитаны также значения Nd и Sr для пород Везувия. Значение Nd составляет от -6.0 до -2.7, а значения Sr - от 32.34 до 41.0, что отражает участие корового материала в магматическом процессе (Фор, 1989). Значения ¹⁸О в вулканитах Везувия варьируют от 7.3 до 11, что является завышенным по отношению к нормальным значениям для основных пород мантийного происхождения (6.5 - 5.5) и такие содержания ¹⁸О свидетельствуют о взаимодействии расплава с вмещающими породами.

Таким образом, анализ содержаний основных петрогенных и малых элементов в продуктах вулканизма Везувия свидетельствует о нижеследующем. мантийный источник имел обогащенный характер, о чем говорит повышенное содержание калия в ультраосновных включениях, обогащенность вулканитов КИРЭ-элементами и легкими редкими землями. На ход эволюции пород вулкана Везувий оказали влияние кристаллизационная дифференциация первичного расплава и взаимодействие расплава с материалом коры. По содержанию малых элементов породы Везувия показывают принадлежность к подвижным поясам Земли. Изучение геохимических особенностей ультраосновных включений и высококалиевых лав вулкана Везувий позволило сделать следующие выводы.

Глава 6. О происхождении высококалиевых вулканитов Везувия

Обогащенный мантийный источник

В настоящей работе доказано, что для образования высококалиевых вулканитов Везувия необходим метасоматизированный высокообогащенный мантийный источник. Это следует из обогащенности пород некогерентными элементами, которую нельзя получить в ходе только лишь кристаллизационной дифференциации или взаимодействия с корой. Наиболее вероятным мантийным субстратом для высококалиевой серии вулкана Везувий являлся флогопитовый лерцолит. На это указывают данные ряда экспериментальных работ (Рябчиков и др., 1997; Folley et al., 1985 и др.), в которых авторы показали возможность выплавления щелочных расплавов. Результатом частичного плавления такого субстрата (по экспериментальным данным степень плавления не превышает 3 %) является расплав, по составу отвечающий флогопитовым пироксенитам (Wilson, 1988). Тем самым доказано, что первоначальный расплав был обогащен калием (за счет наличия флогопита в источнике).

Парагенетический анализ продуктов вулканизма Везувия

Рис. 8

Как показано в главе 4, в ультраосновных включениях и эффузивах современного периода активности вулкана Везувий выделено несколько парагенезисов минералов (рис. 8, 9). В ультраосновных включениях: оливин + клинопироксен + шпинель; клинопироксен + флогопит + титаномагнетит; клинопироксен + флогопит + титаномагнетит + апатит. В эффузивах: оливин + клинопироксен + титаномагнетит; клинопироксен + лейцит + плагиоклаз + титаномагнетит; клинопироксен + лейцит + плагиоклаз + оливин + титаномагнетит + апатит. Из приведенных данных видно, что, за исключением самого раннего парагенезиса, минеральный состав включений и эффузивов сильно разнится, несмотря на то, что они комагматичны. Рассмотрим причину вариабильности парагенезисов.

Рис.9

Из составов парагенезисов видно, что в самом раннем парагенезисе флогопитсодержащих оливиновых пироксенитов присутствует шпинель, в то время как в раннем парагенезисе в эффузивах присутствует титаномагетит. Это свидетельствует об увеличении фугитивности кислорода при формировании раннего парагенезиса. Смена калиевых минералов в продуктах вулканизма (флогопита на ранних стадиях на лейцит на более поздних), а также увеличение содержания калия в расплавных включениях в клинопироксенах второй генерации (Belkin et al., 1993, 1998) указывает на то, что в ходе магматической эволюции происходило накопление калия. Подтверждением накопления калия в рассматриваемых породах может служить также увеличение содержания калия в лейцитах от первой ко второй генерации и флогопитах от первой ко второй генерации. Появление в составе парагенезисов эффузивов высококальциевого плагиоклаза и высококальциевого пироксена свидетельствует о накоплении кальция в ходе эволюции расплава. Кроме того, при сопоставлении составов клинопироксенов и плагиоклазов из вулканитов 1631 - 1944 с таковыми же из вулканитов 472 г. до н.э. - 79 г. н.э., оказалось, что в минералах из вулканитов современного периода содержится больше СаО. Появление большого количества глиноземсодержащих минералов (клинопироксен, флогопит, плагиоклаз, лейцит) говорит об увеличении содержания глинозема в ходе формирования поздних паргагенезисов высококалиевых пород вулкана Везувий.

Прекращение кристаллизации гидроксилсодержащего минерала флогопита и появление лейцита отразило резкую смену флюидного режима в процессе кристаллизации. Это подтверждается результатами исследований флюидных микровключений: ультраосновные включения формировались при существенно водном флюиде, а эффузивы - при возросшей концентрации углекислоты во флюиде. Причина такой резкой смены состава флюида в процессе кристаллизации будет рассмотрена ниже.

Различия в минеральном составе ультраосновных включений и эффузивов являются следствием различных физико-химических условий их эволюции после кристаллизации самого раннего парагенезиса.

Соотношение содержаний клинопироксена и лейцита в основной массе тефритов и базанитов (60% и 40% соответстенно) и высокая степень раскристаллизованности основной массы свидетельствуют о том, что состав расплава в конечном итоге соответствовал бинарной эвтектике диопсид - лейцит.

Исходя из анализа выделенных парагенезисов установлено несколько этапов эволюции расплава. Наиболее раннему этапу соответствует кристаллизационная дифференциация первичного расплава и формирование первого парагенезиса. На втором этапе расплав обогащается калием, глиноземом и кремнеземом. На третьем - образование наиболее поздних парагенезисов с накоплением кальция. Определив основные этапы эволюции расплава, рассмотрим возможные процессы, приведшие к такому изменению состава расплава, но сначала определим физико-химические условия на каждом этапе.

Физико-химические условия формирования пород.

С помощью оливин-клинопироксенового термометра Лакса (Loucks, 1996) в ультраосновных включениях и базанитах были рассчитаны температуры образования раннего парагенезиса. Эти температуры лежат в пределах 1220 50 С. При сравнении полученных результатов с литературными данными по расплавным включениям (Belkin et al., 1993, 1998; Vagelli et al., 1993) установлено, что рассчитанные температуры кристаллизации практически совпадают или чуть выше температур гомогенезации расплавных включений из минералов раннего парагенезиса. Фугитивность кислорода при формировании высококалиевых вулканитов возрастала от буфера QFM до буфера NNO (Belkin et al., 1985). Давление флюида на момент формирования ультраосновных включений составляло 3.5 кбар, а при формировании второго парагенезиса в эффузивах - 1-1.5 кбар (Belkin et al., 1993). Таким образом, формирование ультраосновных включений происходило на глубине порядка 10 км, т.е. в нижней магматической камере, а парагенезисов эффузивов, преимущественно, на глубине 2-4 км, т.е. в верхней магматической камере.

Кристаллизационная дифференциация.

Для высококалиевой серии вулкана Везувий на самом раннем этапе основным процессом эволюции расплава была кристаллизационная дифференциация. Это следует из минерального состава ультраосновных включений, в которых присутствуют оливин, клинопироксен и флогопит. Отсутствие калийсодержащих минералов в ранних парагенезисах в исследуемых породах объясняется некогерентностью калия, который, не входя в минеральные фазы накапливается в расплаве, что соответствует нормальному ходу кристаллизационной дифференциации. Этим же объясняется и накопление других некогерентных элементов (Rb, Cs, Ba) в более дифференцированных породах (от включений - к базанитам, тефритам и фонолитам). Так же с кристаллизационной дифференциацией отчасти связано увеличение содержания глинозема в расплаве (в раннем парагенезисе единственный глиноземсодержащий минерал - клинопироксен, а в более поздних - флогопит (во включениях), лейцит и плагиоклаз (в эффузивах)). Распределение малых элементов в вулканитах Везувия также подтверждает кристаллизационную дифференциацию: в ультраосновных включениях, по сравнению с эффузивами, содержится больше когерентных элементов (хрома, ванадия, никеля и др.) и меньше некогерентных (калия, рубидия, стронция и др.) (табл. 2).

Однако, увеличение содержания кальция и уменьшение содержания кремнезема в расплаве противоречат нормальному ходу кристаллизационной дифференциации. Как наиболее вероятный процесс, приведший к такому изменению состава расплава, рассмотрим взаимодействие расплава с вмещающими породами.

Взаимодействие с вмещающими породами.

Известно (Marzocchi et al., 1993), что вулкан Сомма-Везувий располагается на континентальной коре, сложенной толщей доломитов (мощностью 5 - 7 км) и залегающими ниже породами раннего этапа развития Средиземноморского подвижного пояса, метаморфизованными в фации слюдяных сланцев. Также установлено (Berrino et al., 1993), что под вулканом Везувий располагается несколько магматических камер. Можно предположить, что взаимодействие магмы с вмещающими породами привело к значительному изменению ее состава. Образование таких минералов, как флогопит в ультраосновных включениях и лейцит и плагиоклаз в эффузивах, и увеличение содержаний этих минералов может свидетельствовать о том, что в ходе взаимодействия с сиалическим фундаментом в магме возрастали содержания кремния, алюминия и калия.

После подъема магмы в верхнюю магматическую камеру произошла контаминация магмой доломитов. На это указывают также данные изотопных отношений Nd, Sr и ¹⁸О (Ayuso et al., 1998). Активное взаимодействие магмы с карбонатами (доломитами) явилось причиной обогащения ее кальцием с одновременной десиликацией. Такое изменение состава магмы привело к новообразованию клинопироксена, согласно реакции (Ритман, 1964):

CaMg(CO₃)₂+2SiO₂=CaMgSi₂O₆+2CO₂ (1)

В ходе реакции (1) флюид заметно обогащается углекислотой. Так, в ультраосновных включениях большинство флюидных микровключений состоит из воды и углекислого газа (в отношении 70 : 30) ( стекло), в то время как чисто углекислых включений ( стекло) крайне мало. В минералах из тефритов и базанитов большинство включений состоит почти целиком из углекислого газа (доля воды не превышает 30%), водно-углекислых включений очень мало (Belkin et al., 1985, 1993). Если на начальных этапах кристаллизации магмы флюид был существенно водный (доказательством служит образование флогопита), то при формировании эффузивов состав флюида меняется - в последних отсутствуют гидроксилсодержащие минералы.

Известно (Vezzoli, 1988), что при взаимодействии с магмой в подстилающей вулкан Везувий толще доломитов образовались магнезиальные скарны (выявлены такие минералы, как брусит, периклаз, форстерит, магнезиальная шпинель). При взаимодействии доломитов с магмой кальций становится очень подвижен и переходит из вмещающих пород в магму, в то время как магний связывается в минералы в скарнах (Жариков и др., 1982). Этим объясняется обогащение магмы исключительно кальцием при взаимодействии с вмещающими породами. Затем на более ранние магнезиальные скарны происходит наложение карбонатных скарнов (в постмагматическом процессе), состоящих из везувиана, эпидота, граната (андрадит-гроссулярового ряда), апатита, диопсида и др. Образование этих минералов в результате взаимодействия магма - карбонаты приводит к снижению содержания кремнезема в магме.

Кислотно-основное взаимодействие компонентов в расплаве

Рис.10

При возрастании содержания кальция в расплаве в результате взаимодействия с вмещающими породами возрастает его активность. Согласно теории Д.С. Коржинского (Коржинский, 1959; Жариков, 1976, 1999), одновременно увеличивается и активность калия в расплаве, как основного компонента. Таким образом, резкое появление большого количества калийсодержащих минералов на поздних стадиях кристаллизации расплава является следствием кислотно-основного взаимодействия в расплаве, вызванного контаминацией карбонатного материала. Схема миграции компонентов в ходе эволюции магматического расплава вулкана Везувий представлена на рис. 10.

В ходе проведенных исследований показано, что образование ультраосновных и основных высококалиевых пород в Романской щелочной провинции обусловлено несколькими процессами, и именно такое их сочетание обуславливает появление описанных вулканитов. Для возникновения такого рода пород необходим обогащенный мантийный источник (это доказано высоким содержанием и закономерностями распределения малых петрогенных элементов). Существенную роль в их формировании сыграла кристаллизационная дифференциация расплава в промежуточных магматических очагах, которая являлась главным процессом при формировании наиболее ранних продуктов кристаллизации - ультраосновных включений. На более поздних этапах важную роль в образовании минеральных парагенезисов высококалиевых эффузивов сыграло взаимодействие расплава с вмещающими слюдяными сланцами и доломитами, в ходе которого расплав обогатился кальцием, алюминием, калием и истощился кремнеземом. Увеличение содержания кальция привело к увеличению активности основных компонентов в расплаве, в том числе к увеличению активности калия и появлению калиевых минералов за счет кислотно-основного взаимодействия компонентов.