Петрогенезис игнимбритов Якутинской вулканоструктуры (Приморье)

Петролого-геохимическая эволюция игнимбритообразующих расплавов

Выявленная особенность состава пород, слагающих Якутинскую структуру, по мнению автора, прежде всего обусловлена извержением игнимбритообразующих расплавов из зональной магматической камеры. Как уже отмечалось выше, по химическому составу риолиты Якутинской вулканоструктуры могут быть подразделены на две группы. Первая группа включает игнимбритовые покровы 1, 3, 5 и дайки порфировых риолитов (экструзии 1) и может быть условно названа как "низко"-кремнеземистые породы. "Высоко"-кремнеземистые риолиты игнимбритов 2 и 4, и граниты штоков представляют вторую группу. Для того чтобы выявить характер перераспределения макро- и микро-элементов, которое происходило в магматическом очаге, был использован фактор обогащения (отношения концентраций элементов в породах, изверженных позднее, к концентрациям таковых в образцах из ранее изверженных единиц), предложенный Hildreth (1979). Большинство элементов распадается на две группы: (1) Li, Be, F, Na, Sc, Rb, Y, Nb, Sn, Sb, Cs, Sm, HREE, Ta, Pb, U и (2) Mg, K, Ca, Ti, Co, Fe, Sr, Zr, Ba, La, Ce, Nd, Eu. Элементы внутри каждой группы обычно имеют положительные корреляции друг с другом, но отрицательные с элементами противоположной группы.

Полученные данные позволяют предположить, что составы игнимбритов отражают расслоенность расплава в магматической камере сформированную до и в момент извержения. Поэтому первые порции игнимбритообразующего кислого расплава, поступавшие из верхней части вскрытого очага, соответствуют "высоко"-кремнеземистым игнимбритам 2 и 4-го потоков. Игнимбриты же первого, третьего и пятого потоков отражают состав менее дифференцированной порции магмы из нижней части магматической камеры.

Подобные вариации химического составов были установлены для Бандельер туфов, Нью-Мексико (Smith, 1979), для Бишоп туфов, Калифорния (Hildreth, 1979), Косо риолитов (Bacon et. al., 1981), для Пэинтбраш туфов, Невада (Lipman et. al., 1966), для извержений Кратера Лэйк, Орегон (Williams, 1942), и для Тоба туфов, Суматра, Индонезия (Chesner, 1998).

Данные по составу минералов-вкрапленников свидетельствуют об их крайне железистом составе. И хотя оба типа игнимбритов характеризуются близким минеральным составом, более железистый состав геденбергита (Ca₄₄Mg₂Fe₅₄) и биотита (Аннит_70-77), преобладание ортита и шариков самородного железа в "высоко"-кремнеземистых породах несомненно указывают на их различие. Такой минеральный контраст также подтверждает положение, что "высоко" и "низко"-кремнеземистые игнимбриты представляют различные стадии эволюции расплава.

Температуры кристаллизации магматических расплавов, рассчитанные согласно (Frost et al., 1988) для давлений в 2 kbar, близки к 710 ^oC для игнимбритов 2 и 4, и 770 ^oC - для более поздних - "низко"-кремнеземистых расплавов, и близки к солидусу водонасыщенных кремнекислых расплавов (Johanes & Holtz, 1996). Более низкие температуры кристаллизации "высоко"-кремнеземистых риолитовых магм также свидетельствуют о существовании в Якутинской магматической камере температурной зональности.

Фигуративные точки состава вулканических стекол игнимбритов вынесенные на экспериментально изученную систему Q-Ab-An-H₂O (Tutle & Bowen, 1958; Johannes & Holtz, 1996) располагаются вблизи котектических линий при Р_H2O от 1.5 до 2.5 kbar. Эти данные свидетельствуют о начале кристаллизации Якутинской магмы на глубине порядка 7 км. Составы гранитов вынесенные на эту же диаграмму предполагают их кристаллизацию на глубине около 3-4 км.

Различие состава железо-магниевых фаз может быть связано с вариациями фугитивности кислорода в "высоко"-кремнеземистых риолитовых магмах (Hildreth, 1981). Однако количественная оценка фугитивности кислорода, выполненная по методике Lindsley & Anderson (1983), показала близкие значения для обоих типов игнимбритов. Вызывает сомнение, что полученные данным путем величины фугитивности кислорода, соответствующие "магнетит-вюститовому" - "фаялит-магнетит-кварцевому" буферам могут объяснить отмеченную разницу в составах железо-магниевых силикатов.

Первичные ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr отношения также различны в каждой игнибритовой толще и кореллируют с железистоcтью биотитов. "Высоко"-кремнеземистые игнимбриты имеют наиболее высокие ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_I (0.70810 - 0.70738), тогда как "низкокремнеземистые, но более высокотемпературные" характеризуются более низкими ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_I (0.70659 - 0.70724).

Рассмотренные выше особенности минералогического и изотопного составов пород позволяют предположить, что образование игнимбритов могло осуществляться в результате последовательного извержения из единой магматической камеры, где произошло расслоение или дифференциация первично однородного магматического расплава. Процессы, которые могут быть ответственны за образование таких огромных объемов химически зональной магмы многократно обсуждались в зарубежной литературе (напр., Hildreth,1979). По мнению многих авторов, в большинстве магматических систем, в которых обнаружены доказательства зональности состава, имели место процессы кристаллизационного фракционирования (напр., Nakada, 1983).

Эта гипотетическая модель основана на предположении, что подобная зональность кремнекислых магматических очагов может быть вызвана двойной конвекцией, возникающей в результате кристаллизационного фракционирования (McBirney et al., 1985; Turner & Campbell, 1986). Чтобы проверить это предположение, были выполнены расчеты по фракционированию на отобранных образцах, охватывающих все типы магматических пород Якутинской вулканоструктуры. Использованные коэффициенты распределения взяты из работ Arth (1976), Mahood & Hildreth (1983). Проведенные расчеты показали, что магматическая зональность в пределах Якутинской вулканоструктуры могла быть вызвана только фракционированием калиевого полевого шпата. Однако, данные изотопии показывают значительную разницу ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_I отношений в каждой игнимбритовой фазе (табл. 1). Более того, фенокристаллы калиевого полевого шпата (первая ликвидусная фаза) являются наименее радиогенными, нежели остальные вкрапленники и основная масса, и имеют близкие первоначальные изотопные отношения в обоих типах пород. Очень важно заметить, что такие же ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_I характеристики имеет валовый состав игнимбрита -1 (0.70659). Тем более, что ни плагиоклаз, ни калиевый полевой шпат не имеют значительной зональности составов, а ортит (уд. вес 4) обогащает производные головной части магматической колонны и очень редок в ее нижней, более высокотемпературной части. Все это указывает на невозможность образования минералого-геохимической зональности в результате простого кристаллизационного осаждения минералов в расплаве.

Значительные вариации в первичных ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_I отношениях (0.70659 - 0.70810), отмеченных в игнимбритах Якутинской вулканоструктуры, могут быть объяснены интенсивной ассимиляцией пород кровли, обогащенных ⁸⁷Sr (Noble and Hedge, 1969). Фундамент пород Якутинской вулканоструктуры сложен готерив-альбскими аркозовыми песчаниками и алевролитами (Маркевич, 1979). К сожалению, данных по изотопии Sr в породах кристаллического основания южного Приморья не имеется. Однако, ассимиляция аркозовых песчаников и алевролитов в любом случае не может повысить SiO₂ (c 72 до 75 вес.%) и понизить содержания Sr (с 200 до 80 г/т) в расплаве, так как содержания этих элементов в осадочных породах флишевого комплекса не превышают 67 вес.% для SiO₂ и 250 г/т для Sr. Отмеченная вещественная зональность магматической камеры, на наш взгляд, может быть объяснена, главным образом, обогащением головной части магматической колонны летучими компонентами.

Внедрение базальтовой (?) магмы в верхние части коры приводит к частичному плавлению пород и образованию промежуточного очага кремнекислой магмы. Подобный очаг может иметь значительные размеры за счет постоянного подтока тепла и флюидов из глубинного очага базальтовой магмы. Поскольку градиент температур и состава летучих компонентов основан на взаимодействии между магмой и вмещающей породой, то насыщенная летучими компонентами зона формируется именно в верхней (головной) части магматической колонны. Уменьшение температуры снизу вверх, благодаря кондуктивной или гидротермальной конвекции, обычно компенсируется увеличением содержания летучих компонентов (Маракушев, 1992). Температура ликвидуса расплава понижается, приводя к уменьшению количества фенокристаллов по направлению вверх. Подобная зональность в ликвидусной температуре и в составе летучих компонентов неразрывно связана с обогащением расплава теми или иными элементами. По-видимому, крайне восстановленный характер флюидов формирует столь специфичные - крайне железистые парагенезисы минералов, которые логично объясняются их кристаллизацией из остаточного, флюидонасыщенного, относительно низкотемпературного, практически не содержащего магния расплава.

Особенности геохимического состава кислых пород Якутинской вулканоструктуры по нашему мнению обусловлены характером флюидного режима, а именно мобильным поведением щелочей и прежде всего Na и выносом отдельных элементов (в частности Eu, Ba, Sr) сквозьмагматическими кислотными флюидами из расплава, как это показано экспериментально (Жариков, 1996).

Как следует из хроматографического анализа (табл. 6), в составе газовой фазы изученных игнимбритов преобладает вода и водород при подчиненной роли углеродных газов (CO, CO₂, CH₄). Минералогические наблюдения показывают, что исходные магмы игнимбритов являются крайне восстановленными. Помимо преобладания двухвалентного железа над трехвалентным в минералах игнимбритов, практическое отсутствие магнетита, обилие ильменита, низкая степень окисленности вулканических стекол, крайне железистые составы пироксенов и оливинов; об этом же убедительно свидетельствует присутствие в стеклах типичных силикатных хондр с металлическим железом. Появление последних связано с явлением металлизации силикатного расплава, что для метеоритов экспериментально продемонстрировано А.А. Маракушевым (1992). Этим и другими исследователями показано, что данный процесс может быть обусловлен свободной фильтрацией водорода через силикатный расплав, скорость которой на несколько порядков выше скорости фильтрации H₂O, CO, CO₂, CH₄. Поэтому можно предположить, что находящийся в промежуточном очаге расплав крайне обогащен водородом и в зависимости от фугитивности кислорода, он будет значительно насыщаться водой при постепенном окислении водорода. При достижении определенного давления и температуры выше 700 ^o>С соотношение объемов водорода и кислорода может достигнуть 2:1, то есть соответствовать составу "гремучего газа", что должно привести к взрыву этой смеси во всем объеме промежуточного очага. Данный процесс будет протекать по типу цепной реакции (во всем объеме очага) и является экзотермическим, сопровождаясь громадным уменьшением объема газовой смеси (более чем в 3000 раз).

Можно полагать, что подобный взрыв приведет к частичному гидравлическому "выкачиванию" расплава по узкому каналу из глубинного очага. При этом громадное выделение тепла должно приводить к явлениям последующего спекания раздробленного материала, а изменение объема может сопровождаться образованием кальдер обрушения. Поскольку продуктом описанной реакции является вода, в составе анализируемых в настоящее время газов будет наблюдаться её преобладание, о чем свидетельствуют проведенные анализы газовой фазы изученных игнимбритов.

Конечно, предложенный механизм игнимбритовых извержений ещё далеко не ясен и может рассматриваться как гипотетический для Якутинской ВТС, но, несомненна, преобладающая роль окисления водорода во взрывных явлениях.

Таблица 6. Состав газовой фазы из породообразующих минералов магматических пород богопольского комплекса Якутинской вулканоструктуры и некоторые параметры флюидного режима при их кристаллизации

Анализ выделяющейся газовой смеси проводился на хроматографе ЛХМ-8МД (аналитик - Н.П. Коновалова) по методике Ф.А. Летникова и Т.А. Шкарупы (1977).