Геохимия магматизма вулкана Безымянный: признаки мантийного источника и условия фракционирования исходной магмы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Исследования кристаллизационных процессов, проходящих в подводящих каналах и магматических камерах островодужных вулканических систем, дают информацию для оценки термодинамических условий и определения динамических факторов, контролирующих формирование главных типов магматических серий. Эти данные составляют информационный базис современных моделей образования и эволюции субдукционных магм. В случае известково-щелочных серий эти модели обычно предполагают двухстадийные схемы формирования, которые включают выплавление первичных высокомагнезиальных (ВМБ) или высокоглиноземистых (ВГБ) расплавов с последующей эволюцией по линии образования андезитов, дацитов и риолитов. Главным фактором дифференциации при этом являются процессы кристаллизации исходных и производных расплавов, которые могут сопровождаться смешением магм и контаминацией коровым материалом. В этой связи представляется важным и актуальным всестороннее изучение ассоциаций основных, средних и кислых вулканитов, для которых можно предполагать единый родительский источник и общий кристаллизационный механизм образования магматической серии. Лавы вулканов Ключевской и Безымянный представляют уникальную возможность проследить петрологическую и геохимическую эволюцию однотипных исходных магм и их дериватов, поступавших из мантии в коровые очаги и на земную поверхность.

Цель исследования. В данной работе автор поставил задачу провести систематическое исследование составов пород и минералов вулкана Безымянный на основе современных прецизионных аналитических методов. Эта задача направлена на решение следующих генетических проблем: (1) Выяснение петрогенетических соотношений между породами различных временных этапов формирования вулкана - вулканическими образованиями терминальных извержений и продуктами ареального вулканизма, слагающими многочисленные экструзивные купола. (2) Выяснение относительной роли процессов фракционной кристаллизации, ассимиляции и смешения магм при образовании данной известково-щелочной серии; (3) Оценка состава исходных магм андезитового вулкана Безымянный и природы возможной генетической связи этих расплавов с близкими по составу продуктами эволюции базальтового магматизма вулкана Ключевской; (4) Определение термодинамических условий кристаллизации магм и разработка согласованной петролого-геохимической модели формирования андезито-базальт-дацитовой серии вулкана Безымянный.

Научная новизна работы. Впервые для камчатских вулканов получен геохимический материал, позволяющий проследить эволюцию макро- и микроэлементного состава пород и минералов в комбинированной магматической системе вулканов Ключевской-Безымянный, с момента формирования первичных высокомагнезиальных мантийных магм до образования крайних продуктов дифференциации - андезитов и дацитов. Обоснован вывод о геохимическом родстве пород ареальных образований (дацитов и андезитов экструзивных куполов) и пород терминальных извержений (двупироксеновых и роговообманковых андезитов) вулкана Безымянный. Определен состав исходной магмы вулкана Безымянный. Предложен метод учета влияния воды на фазовые равновесия, разработаны и интегрированы в программу КОМАГМАТ новые <известково-щелочные> версии геотермобарометров. Проведены расчеты фракционирования исходных водосодержащих магм вулкана Безымянный. Выявлены закономерности в поведении ряда микроэлементов, указывающие на возможную роль процессов подмешивания кислых остаточных расплавов из пограничного слоя кристаллизации к основному объему магматического резервуара.

Практическая значимость работы. На примере вулканов Ключевской и Безымянный получены петролого-геохимические данные об условиях эволюции магматической системы с момента формирования первичных высокомагнезиальных мантийных магм до образования андезитовых и дацитовых расплавов. Эти данные могут быть положены в основу разработки физико-химических и геодинамических моделей эволюции магматизма центральной Камчатки и других островодужных систем.

Фактическая основа работы. Результаты диссертационной работы основаны на изучении коллекции из 60 образцов пород вулкана Безымянный и 15 представительных базальтов Ключевского вулкана. Основную часть этой коллекции cоставляют образцы, любезно предоставленные А.Ю. Озеровым (ИВ ДВО РАН). 7 образцов отобраны автором при проведении работ на вулкане Ключевской в 1997 г. Андезитобазальт вулкана Камень и пять дополнительных образцов предоставил для исследования А.П. Максимов (ИВ ДВО РАН). 15 образцов базальтов Ключевского вулкана относятся к коллекции А.А. Арискина и Г.С. Барминой (ГЕОХИ РАН).

Постановка задачи и основной объем исследований проведены автором в коллективе лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН под руководством д.г.-м.н. А.А. Арискина. Аналитические исследования пород и минералов были проведены автором под руководством проф. Джун-Ичи Кимуры в геохимической лаборатории геологического факультета университета Шимане (Япония).

Главные методы исследования - обобщение и анализ литературных данных, прецезионные химические методы анализа пород и минералов (XRF, ICP-MS, TIMS, LA-ICPMS, ЕРМА - всего более 5000 элементо-определений), методы сепарирования минералов (тяжелые жидкости, магнитосепаратор), модальный и генетический анализ ассоциаций фенокристаллов, калибровки геотермометров минерал-расплав, модернизация ЭВМ-программ, моделирующих кристаллизационные процессы, а также проведение термодинамических расчетов кристаллизации исходных магм и сопоставление полученных результатов с данными природных наблюдений.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения и дополнительных материалов, включающих фотографии пород и шлифов (Приложения В и С), а также таблиц, содержащих результаты химических анализов (Приложение А). Основной материал работы изложен на 238 страницах, которые содержат 16 таблиц и 90 рисунков. Список цитируемой литературы включает 387 наименований.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 4 статьи. Результаты исследований докладывались на 6 отечественных и 11 международных совещаниях и конференциях, в том числе: XIII Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1995); Международной конференции посвященной 100-летию со дня рождения Н.А. Елисеева (Санкт-Петербург, 1998); Международном симпозиуме посвященном 100-летию академика Д.С. Коржинского (Москва, 1999); Ежегодном семинаре экспериментаторов (Москва, 1996); Конференции молодых ученых ГЕОХИ РАН (Москва, 1999); Научной школе 8 рейса НИС "Академик Иоффе" (2000); на симпозиумах Европейского союза наук о земле EUG-IX, EUG-X (Страссбург, Франция, 1997, 1999); на конференции <Минеральные равновесия и базы данных> (Эспуу, Финдляндия, 1997); на конференциях Европейского объединения экспериментаторов EMPG-VIII и EMPG-X (Бергамо, Италия 2000 и Франкфурт, Германия 2004); на XXXI Геологическом конгрессе (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2000); на рабочем совещании по программе бурения магматического канала вулкана Унзен (Шимабара, Япония, 2002); Объединенном совещании наук о Земле и Планетах (Токио, Япония, 2002); Гольдшмитовской конференции (Курашики, Япония, 2003), 1-ой Генеральной ассамблеи Европейского союза наук о земле EGU-2004 (Ницца, Франция, 2004).

Благодарности. Автор благодарит научного руководителя д.г.-м.н. А.А. Арискина за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Автор признателен А.Ю. Озерову за предоставленный каменный материал, без которого данная работа была бы невозможна, а также за незабываемые впечатления геологических работ на активных вулканах Камчатки. Хочется особо поблагодарить проф. Джун Ичи Кимуру за неоценимую помощь при проведении лабораторных исследований и обсуждение полученных результатов. Автор благодарен Н.Н. Кононковой, за помощь при проведении микрозондовых исследований на начальном этапе работы. Автор искренне признателен А.П. Максимову и А.Ю. Озерову за обсуждения и дискуссии, позволившие обозначить <белые пятна> геологической истории влк. Безымянный и во многом определившие идеологию последующих исследований. Самые теплые чувства связывают автора с друзьями и коллегами Г.С. Барминой и Г.С. Николаевым, которым хочется выразить признательность за помощь, внимание и теплую атмосферу, сложившуюся в нашей группе. Искренняя благодарность руководству и всему коллективу лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов, друзьям из лаборатории сравнительной планетологии и метеоритики. Автор выражает свою признательность многим коллегам за ценные комментарии и полезные замечания, полученные во время обсуждений различных материалов исследования. Среди них А.Б. Белоусов, А.А. Борисов, Р.Е. Бочарников, А.М. Бычков, Г. Вёрнер, Е.И. Гордеев, Л.В. Данюшевский, Дж. Девайн, Дж. Джилл, Х. Ивамори, В.В. Калугин, Е.В. Коптев-Дворников, Дж. Лиз, А.П. Максимов, Г.С. Николаев, А.Ю. Озеров, П.Ю. Плечов, М.В. Портнягин, Б. Розер, Х. Сато, С.А. Силантьев, Т. Сугавара, Ф. Хольтс, С.В. Хубуная, Т.Г. Чурикова, О.И. Яковлев. Автор благодарен Н.И. Андрееву за первые уроки геологических и минералогических исследований на Урале.

Во ВВЕДЕНИИ показана актуальность комплексного исследования пород вулканов Ключевской-Безымянный (Камчатка) в плане проблемы построения генерализованной модели образования известково-щелочных магм островных дуг, а также перечислены наиболее важные нерешенные на данный момент петрологические вопросы, касающиеся природы и масштабов процессов, происходящих в подводящих каналах вулканических систем. В целях развития обобщенной модели глубинной эволюции и магматизма вулканов Ключевской-Безымянный (Озеров и др., 1997) сформулированы задачи работы и обоснована необходимость получения новых геохимических данных, подчеркивающих кристаллизационную природу петрогенетических соотношений между породами этих двух вулканических центров, а также между породами различных временных этапов формирования вулкана Безымянный - вулканическими образованиями терминальных извержений и продуктами ареального вулканизма (дацитовые экструзивные купола).