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

ГЛАВА 2. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРОД

В Главе 2 представлены результаты изучения химического и изотопного состава пород вулканов Ключевской и Безымянный. Эти разделы предваряет обзор методов аналитических исследований, а также подробное петрографическое описание пород, включающее анализ результатов модального анализа пропорций вкрапленников и основной массы для 16 репрезентативных образцов. В работе предложена новая петрохимическая типизация пород вулкана Безымянный, основанная на результатах кластеризации химических составов в отношении главных петрогенных оксидов. Всего было выделено пять статистически значимых типов пород, отвечающих андезито-базальтам (В-1), двупироксеновым (2Рх-) андезитам (В-2), Орх-андезитам (В-3), Hbl-андезитам (В-4) и дацитам (В-5). Таким образом, петрохимические типы андезитов выделенные в настоящей работе, имеют ясную фазовую интерпретацию, связанную с условиями стабильности главных минеральных фаз. Предложенное деление отвечает смене набора кристаллизующихся минералов при эволюции андезитовых расплавов вдоль котектических и перитектических линий.

Рис. 1. Породы вулканов Ключевской и Безымянный на классификационных диаграммах: (а) Na2O+K2O - SiO2 (TAS-диаграмма, (Le Maitre et al., 1989)); (б) диаграмма K2O-SiO2 для разделения субщелочных пород; (в) FeO/MgO-SiO2 (Miyashiro, 1974) и (г) диаграмма AFM (Irvine and Baragar, 1971) разграничивающие поля дифференцированных толеитовых и известково-щелочных серий.

Вариации главных и примесных элементов

Согласно классификационным схемам, базальты вулкана Ключевской и андезито-базальты, андезиты и дациты вулкана Безымянный образуют типичную для островных дуг среднекалиевую известково-щелочную серию пород (Рис. 1). Валовые составы пород варьируют в широком диапазоне: 52-68 вес.% SiO₂, 12-0.9 вес.% MgO, 0.6-1.9 вес.% K₂O. Показатель магнезиальности пород (Mg#=Mg/(Mg+Fe)) уменьшается монотонно от значений 0.7 в ВМБ до 0.3 в дацитах. В <базальтовом> диапазоне составов, при переходе от ВМБ к ВГБ, при существенном понижении концентрации MgO, содержание кремнезема изменяется незначительно, FeO^tot остается практически постоянным, а концентрации Al₂O₃ и TiO₂ растут (Рис. 2). Переход от глиноземистых базальтов к более дифференцированным лавам происходит при содержании около 6% MgO и характеризуется изломом на линии эволюции SiO₂ (Рис. 2). Кремнеземистость пород начинает быстро нарастать на фоне резкого понижения содержаний TiO₂ и FeO^tot. Глинозем перестает расти, и далее его концентрации остаются практически постоянными.

В целом, вариации главных компонентов пород вулканов имеют две примечательные характеристики: сублинейность петрохимических трендов, особенно в отношении несовместимых компонентов (K₂O, Р₂O₅, Na₂O), и наличие перегиба эволюционных линий для минералообразующих оксидов. Если первое обстоятельство позволяет сделать предположение об общем источнике выплавления первичных магм базальтов и андезитов, то второе наблюдение уже имеет отношение к последующим процессам фракционирования, характер которых определяется кристаллизацией различных ассоциаций минералов.

Рис. 2. Вариации петрогенных оксидов (в вес.%) для известково-щелочной серии пород вулканов Ключевской и Безымянный.

С ростом индекса дифференциации пород когерентные микро-элементы обнаруживают аналогичные зависимости, выражающиеся в линейности и изломах геохимических трендов (Рис. 3). Наиболее эффективно Ni и Cr уменьшаются в области базальтовых составов при эволюции расплавов вдоль Ol+ Cpx+Spin котектики, где оливин демонстрирует максимум содержаний в кристаллизующейся ассоциации минералов. Относительные пропорции клинопироксена повышаются при переходе к андезито-базальтам и андезитам, что выражается в ускоренном обеднении Sc. Концентрации V, Y, и HREE (например Yb) на начальных стадиях эволюции растут, а при переходе к андезитам, наоборот, демонстрируют обеднение, указывающее на присутствие магнетита (V) и амфибола (Y, HREE) в качестве кристаллизующихся фаз. Поведение Sr и Ga контролируется процессами кристаллизации и возможной аккумуляции плагиоклаза.

Рис. 3. Вариации совместимых микроэлементов (в частях на миллион) в породах вулканов Ключевской-Безымянный. Условные обозначения как на Рис. 2.

Рис. 4. Индикаторные отношения элементов-примесей в зависимости от индекса дифферен-циации (Th) в лавах вулканов Ключевской-Безымянный. Горизонтальные тренды свидетель-ствуют в пользу однотипности геохимических характеристик родительских магм вулканов. Понижение K/Rb и рост La/Yb отношений в лавах вулкана Безымянный указывает на возможное фракционирование амфибола. Для сравнения, приведены элемент-элементные отношения базальта типа N-MORB, (Sun and McDonough, 1989). Условные обозначения как на Рис. 2.

Содержания всех высоко несовместимых элементов (U, Th, Pb, Nb, Li, Rb, Zr, Hf, LREE и др.) растут в породах и демонстрируют <наследственность> геохимических характеристик в последовательности основных, средних и более кислых вулканитов. Концентрации этих элементов испытывают примерно 3-х кратное обогащение, при переходе от ВМБ к дацитам. В рамках концепции кристаллизационной дифференциации такое поведение можно связать с (70% фракционированием исходной родительской магмы.

Индикаторные отношения Nb/Ta, Ba/La, U/Th и др. образуют почти горизонтальные тренды, которые указывают на общность источника родительских магм для пород вулканов Ключевской и Безымянный (Рис. 4). Являясь ультранесовместимыми элементами, они накапливаются в расплавах, а их отношения практически не меняются в ходе эволюции магматических расплавов в закрытой системе. В противоположность этому, отношения La/Yb и K/Rb в лавах вулкана Безымянный непостоянны. Понижение K/Rb и рост La/Yb отношений указывает на возможное фракционирование амфибола, имеющего высокие коэффициенты распределения минерал-расплав (Di) для K и Yb (Глава 4, Рис. 14).

На Рис. 5 изображены хондрит-норма-лизованные спектры редких земель в лавах вулканов Ключевской и Безымянный. Близкий характер распределения REE в базальтах и андезитах отражает, во-первых, типичное для островных дуг обогащение LREE относительно HREE (см. сравнение с NMORB), а во-вторых, указывает на общность геохимического источника родительских магм. При общей согласованности можно отметить и более тонкие различия. Переход от ВМБ к ВГБ происходит на фоне простого увеличения содержания REE. В андезитах это повышение сопровождается изгибом спектров в сторону обогащения легкими и обеднения тяжелыми редкими землями. Эта тенденция еще более усиливается в дацитах, что может указывать на заметное увеличение доли роговой обманки в кристаллизующемся материале. Одним из важных следствий анализа спектров REE является отсутствие в породах вулканов Ключевской и Безымянный положительной Eu-аномалии, что свидетельствует о высоком потенциале кислорода в процессе кристаллизации, сопровождающейся фракционированием плагиоклаза.

Рис. 5. Спектры REE, нормализованные на С1-хондрит (Sun and McDonough, 1989) в лавах вулканов Ключевской и Безымянный.

На многоэлементной <спайдер>-диаграмме, лавы изученных вулканов демонстрируют однотипные геохимические спектры, характерные для острово-дужных вулканитов. По сравнению с МОRB породы обеднены HREE, Nb, Ta, и обогащены крупноионными литофильными элементами, образуя положительные пики для Pb, Ba, Sr и К. Согласованность этих микроэлементных спектров, прослеживается от наиболее примитивных ВМБ до андезитов и дацитов, и однозначно указывает на общую геохимическую родословную этих пород. Эти геохимические данные являются сильным аргументом в пользу существования единого мантийного источника, с которым связано формирование родительских магм для лав вулканов Ключевской и Безымянный.

Изотопная систематика Sr, Nd и Pb

Рис. 6. (а) и (б) 143Nd/144Nd и 87Sr/86Sr изотопные отношения в породах вулканов Ключевской-Безымянный: (а) общая характеристика пород Камчатки в сравнении с вулканитами дру-гих островных дуг; (б) трехкомпонентное смешение между источником базальтов срединно-океанических хребтов (MORB), флюидом субдуцирующей океанической литосферы и обога-щенным источником OIB, предложенное для объяснения вариаций изотопных отношений для вулканических пород различных вулканических зон Камчатки - Срединного Хребта (СХ), Центрально-Камчатской Депрессии (ЦКД) и Восточного Вулканического Фронта (ВВФ) (из (Churikova et al., 2001) с новыми данными). (в) и (г) - изотопные отношения 208Pb/204Pb, 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb в породах вулканов Ключевской и Безымянный.

На диаграмме ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd - ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr составы вулканитов Камчатки расположены вблизи поля типичных N-MORB, и по сравнению с другими островными дугами имеют несколько повышенные значения ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd и пониженные ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, образуя на диаграмме относительно компактное поле вариаций изотопных отношений (Рис. 6). В отличие от остальных вулканических пород этой провинции, лавы вулканов Ключевской и Безымянный, (как и другие вулканиты ЦКД, включая группу Шивелуча), характеризуются небольшим обогащением радиогенным стронцием (Рис. 6). Это может свидетельствовать о том, что в область мантийного источника под вулканами Ключевской группы могли попадать флюиды, образовавшиеся в результате дегидратации субдуцирующей океанической литосферы (Kepezhinskas et al., 1997; Churikova et al., 2001). Предполагается, что такие флюиды обогащены Sr, имеют более высокие отношения Sr/Nd, и, поэтому, могут влиять на геохимические характеристики вещества мантийного клина в отношении изотопов Sr при неизменных изотопных отношениях Nd (Ellam and Hawkesworth, 1988).

Изотопная систематика свинца также указывает на тип мантийного источника, близкий деплетированному источнику базальтов срединно-океанических хребтов. На диаграммах отношений ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb и ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, составы камчатских лав расположены в пределах поля тихо-океанских MORB и, наряду с вулканитами западных Алеутских островов, включая Командорские острова и подводный вулкан Пийпа (Рис. 6), характеризуются наиболее низкими изотопными отношениями свинца в сравнении с другими островными дугами. Низкие значения ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb и ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb указывают на незначительный вклад в область магмообразования материала океанических осадков субдуцирующей океанической литосферы, обогащенного радиогенным свинцом (Ellam and Hawkesworth, 1988).

Полученные нами геохимические и изотопные данные свидетельствуют об отсутствии признаков ассимиляции и существенной контаминации коровым материалом в процессе магмогенеза вулкана Безымянный.

Аппроксимация составов расплавов валовыми составами пород

Общее содержание фенокристаллов в изученных лавах варьирует от 7 до 24 об.%, причем модальные пропорции вкрапленников не коррелируют с концентрациями несовместимых главных и примесных элементов. Данные об этих пропорциях и средних составах фенокристаллов для заданных валовых составов пород были использованы для оценки составов магматических расплавов (основных масс), которые вынесли кристаллы к поверхности. Практически все расчетные составы основных масс располагаются на петрохимических трендах и имеют чуть более дифференцированный состав по сравнению с "исходной" породой (Рис. 7). Это однозначно указывает, что петро-химические тренды лав вулканов Ключевской и Безымянный действительно аппроксимируют крупномасштабную эволюцию реально существовавших магматических жидкостей. Соответствие рассчитанных составов для большинства основных масс и наблюдаемых петрохимических трендов свидетельствует в пользу того, что вулканические породы представляют собой смеси расплавов и кристаллов, которые находились в близких к котектическим пропорциях, а валовые составы пород хорошо аппроксимируют тренды расплавов, которые контролировались последовательной сменой котектических парагенезисов.

Петрохимические тренды и расплавные включения

На Рис. 7 представлено сравнение характеристик магматических расплавов как макросистем, представленных основной массой вулканитов, и расплавных включений в минералах, как микросистем, отражающих вариации состава жидкой фазы в масштабах нескольких десятков микрон. Расплавные включения в оливинах из ВГБ Ключевского вулкана (Миронов и др., 2001) демонстрируют заметно более высокую степень неоднородности захваченного материала, но группируются вблизи реальных котектических расплавов. Некоторые из этих включений по составу перекрываются с высокоглиноземистыми продуктами эволюции ключевских магм и андезито-базальтами вулкана Безымянный, что подтверждает существование высокоглиноземистых андезито-базальтовых расплавов в системах вулканов Ключевской и Безымянный. Это можно также рассматривать как дополнительное свидетельство в пользу генетической связи между породами двух вулканических центров.

Рис. 7. Сравнение составов основных масс, рассчитанных на основе результатов модального анализа с составами расплав-ных включений (РВ) из оливинов ВГБ Ключевского (Миро-нов и др., 2001) и из плагиоклазов андезитов Безымянного (Толстых и др., 1999). Составы основных масс изображены ромбами, соединенными линиями с составами пород.

Расплавные включения в плагиоклазах из Hbl-андезитов (Толстых и др., 1999) имеют явно выраженный кислый характер, и относительно петрохимического тренда лав резко отличаются по содержанию K₂O, поведению TiO₂ и Na₂O (Рис. 7). Авторы этих работ пришли к выводу о кумулятивном происхождении андезитов, представляющих взвесь кристаллов плагиоклаза в продуктах смешения расплавов дацитового и риолитового состава. Подобная интерпретация андезитов предполагает, что собственно андезитовых (тем более андезито-базальтовых) расплавов в истории вулкана Безымянный не существовало, а процессы магматической эволюции сводились к механическому смешению риолит-дацитовых жидкостей и вкрапленников плагиоклаза. При этом состав магматических жидкостей по своим петрохимическим характеристикам отличался от составов пород. Представленные в настоящей диссертации материалы показывают, что подобный взгляд на происхождение андезитовых магм поддержки не находит. Напротив, данные по геохимии пород и закономерной эволюции котектических парагенезисов в системах вулканов Ключевской и Безымянный указывают на формирование широкого спектра дифференциатов андезито-базальтовой магмы - от андезитов до дацитов.

Оценка состава родительской магмы вулкана Безымянный

Андезито-базальты вулкана Безымянный по содержаниям главных и совместимых примесных элементов близки ВГБ вулкана Ключевской. Они также имеют одинаковый нормативный состав и практически не различимы на псевдотройных фазовых диаграммах (Глава 4). Одновременно ВГБ являются наиболее дифференцированными продуктами фракционирования ключевской магмы. Таким образом, в пределах всей комбинированной вулканической серии, от ВМБ до дацитов, составы андезито-базальтов (как и ВГБ) маркируют точку излома петрохимических и геохимических трендов (Рис. 2 и 3). Из этого следует, что андезито-базальтовые расплавы могут представлять родительскую магму вулкана Безымянный (Табл. 1). Вместе с тем, по содержанию умеренно несовместимых и ультранесовместимых элементов, в сравнении с наиболее дифференцированными ВГБ Ключевского, андезито-базальтовые расплавы вулкана Безымянный представляют более примитивный материал, отвечающий меньшей степени фракционирования родительских ВМБ-магм.

Таблица 1. Средний состав андезито-базальтов влк Безымянный, принятый в качестве состава родительской магмы в сравнении с составом первичной ВМБ-магмы и средним составом ВГБ.
Порода	Образец	SiO2	TiO2	Al2O3	FeO	MnO	MgO	CaO	Na2O	K2O	P2O5	Mg#
ВМБ	KL-03	51.82	0.83	13.34	8.85	0.16	11.86	10.27	2.17	0.58	0.12	0.70
ВГБ	средний состав	54.46	1.12	17.59	8.55	0.15	5.13	8.09	3.47	1.22	0.21	0.51
Андезито-базальт	средний состав	53.16	1.08	17.90	9.15	0.17	5.47	8.89	3.10	0.92	0.18	0.52
Микроэлементы
Порода	Образец	Cr	Ga	Ni	Pb	Sc	Sr	V	Ba	Hf	Ta	Tl	Pb	td	U
ВМБ	KL -03	760	14	186	3.4	35	242	236	202	1.6	0.1	0.05	2	0.4	0.2
ВГБ	средний состав	39	19	29	3.3	26	368	266	393	2.6	0.2	0.08	3	0.7	0.5
Андезито-базальт	средний состав	22	18	19	2.9	30	302	282	290	2.3	0.2	0.08	4	0.5	0.3
REE
Порода	Образец	La	Ce	Pr	Nd	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
ВМБ	KL-03	4	10	1.6	8	2.2	0.8	2.7	0.4	3	0.6	1.6	0.2	1.6	0.2
ВГБ	средний состав	7	18	2.7	13	3.4	1.1	3.8	0.6	4	0.8	2.1	0.3	2.2	0.3
Андезито-базальт	средний состав	5	14	2.3	11	3.1	1.1	3.7	0.6	4	0.8	2.3	0.4	2.4	0.4

Геохимическая систематика экструзивных куполов и свидетельства различных режимов фракционирования магмы в камере

Вулканиты разных временных этапов, а именно, породы ареальных образований, формировавшихся до возникновения собственно вулкана Безымянный (большинство экструзивных куполов), и породы терминальных извержений вулкана Безымянный (лавовые и пирокластические потоки), а также породы экструзивных куполов, образовавшихся синхронно с вулканом имеют систематические различия в отношении P₂O₅ и Zr. По содержанию P₂O₅ и Zr лавы этапов формирования вулкана <Пра-Безымянный> и <Безымянный> имеют близкие концентрации в начале и в конце петрохимических трендов, для, соответственно, наиболее примитивных и наиболее дифференцированных составов (Рис. 8). Вулканиты первой временной группы, с ростом SiO₂ демонстрируют повышение концентрации P₂O₅ и Zr до значений SiO₂ ~64 вес.% и ~67 вес.% соответственно, после чего испытывают резкое обеднение этим компонентом. Породы второй временной группы демонстрируют постоянное поведение P₂O₅ или менее заметное увеличение Zr с ростом индекса дифференциации, и лежат на линии, соединяющей родительские андезито-базальтовые и наиболее дифференцированные дацитовые расплавы. В случае остальных некогерентных элементов (La, Cs, Th, U, Hf, Li и др.) все лавы вулкана Безымянный лежат на продолжении тренда Ключевского вулкана, независимо от времени излияния. Подобное резкое изменение направленности петрохимических трендов для P₂O₅ и Zr (лавы этапа <Пра-Безымянный>), естественно связать с присутствием апатита (P₂O₅) и циркона (Zr) в составе кристаллизующихся минеральных ассоциаций.

Рис. 8. Вариации содержаний P2O5 и Zr в породах вулкана Безымянный, представляющих различные временные этапы его формирования (Брайцева и др., 1990). Незакрашенными символами обозначены лавы этапа <Пра-Безымянный>, включающие породы экструзий Плотина (номер 1 на рисунке), Ступенчатый (2), Двуглавый (3), Гладкий и Правильный (4), а также близкий к ним в геохимическом отношении, но относящийся к этапу (В) купол Треугольный Зуб (8). Залитыми символами изображены породы этапа становления вулкана (<Безымянный>) начиная с периода активизации (п.а.) В - и заканчивая В-III: экструзии Экспедиции (6) и Экструзивный Гребень (9) (п.а. В), лавовые потоки II (п.а. В-I), экструзивный купол Лохматый (7) и лавовые потоки IV (п.а. В-II), и, наконец, лавовые потоки VI и пирокластический поток 1997 г. (п.а. В-III). Дациты купола Расчлененный (5), обозначенные серыми треугольниками, принадлежат к первому этапу формирования вулкана.

Выявленные закономерности в поведении P₂O₅ и Zr указывают на возможную роль процессов подмешивания кислых остаточных расплавов из пограничного слоя кристаллизации к основному объему магматического резервуара (boundary layer fractionation, BLF). Эти явления могут сопровождать и оказывать определенное влияние на процесс крупномасштабного фракционирования магмы в камере (см. ниже).