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

ГЛАВА 3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЕНОКРИСТАЛЛОВ

В Главе 3 впервые для лав вулкана Безымянный представлены детальные исследования химического состава фенокристаллов всего спектра пород в отношении как главных (микрозонд) так и примесных элементов (La-ICPMS).

В целом, эволюция составов породообразующих минералов согласуется с гипотезой фракционной кристаллизации, как главного механизма формирования данной вулканической серии. При переходе от наиболее <примитивных> для серии вулкана Безымянный андезито-базальтов к дифференцированным дацитам, с увеличением кремнекислотности пород, все породообразующие минералы испытывают эволюцию составов в направлении более <продвинутых> по степени кристаллизации составов: уменьшение параметра магнезиальности (оливин, пироксены и роговая обманка), понижение анортитового минала в плагиоклазе и ульвошпинелевого компонента в титаномагнетите. Вместе с тем, генеральные особенности распределения составов породообразующих минералов (напр. наличие бимодальности) и широкие вариации в пределах одного образца позволяют сделать заключение, что в магматической камере вулкана Безымянный, на фоне последовательной кристаллизационной дифференциации системы, имели место неравновесные процессы смешения жидких дериватов и выделившихся на более ранних этапах относительно тугоплавких (высокотемпературных) кристаллов. Как и в случае Ключевских базальтов (Хубуная, 1993; Арискин и др., 1995; Озеров и др., 1996; Ozerov, 2000), широкие вариации составов минералов в пределах одного образца указывают на неравновесность ассоциации минералов, сосуществующих с расплавом. Это подводит к выводу, что вулканические породы Безымянного представляют смеси относительно низкотемпературных дериватов общей исходной магмы и фенокристаллов, отвечающих разным стадиям фракционирования. При этом сублинейные тренды вариаций петрогенных оксидов и примесных элементов в породах (Рис. 2 и 3), а также относительно невысокие объемные пропорции фенокристаллов в лавах позволяют заключить, что отмеченные эффекты смешения реализуются на составах, "принадлежащих" общим геохимическим трендам, направленность которых определяется фракционной кристаллизацией системы. Наиболее вероятным механизмом возврата части дифференцированных расплавов в главный объем конвектирующей магмы является BLF-кристаллизация. При общем остывании системы этот процесс должен происходить непрерывно - по мере продвижения гетерофазной зоны пограничной кристаллизации в центральную часть магматической камеры.

Наиболее весомым аргументом в пользу кристаллизационного механизма формирования данной известково-щелочной серии являются новые геохимические данные, демонстрирующие отрицательную кореляцию всех высоконесовместимых микроэлементов с магнезиальностью клинопироксенов и амфиболов и содержанием An в плагиоклазе, а также взаимную положительную корреляцию некогерентных элементов, наблюдаемую в этих минеральных фазах (Рис. 9). Особенности составов клинопироксенов и плагиоклазов в отношении несовместимых примесных элементов свидетельствуют в пользу геохимического родства исходных мантийных ВМБ-, промежуточных ВГБ- и более дифференцированных андезитовых расплавов, последовательная кристаллизация которых формирует полную известково-щелочную серию. Закономерные вариации микро-примесей в роговых обманках также показательны с точки зрения геохимического родства андезитобазальтовых, андезитовых и дацитовых расплавов. Установлено, что клинопироксены и роговые обманки из ксеногенных включений демонстрируют близость геохимического состава фенокристаллам этих же минералов из андезито-базальтов, что позволяет интерпретировать эти включения в качестве кумулативных образований, <оторванных> от стенок магмовода или магматической камеры.

Рис. 9. Геохимические особенности клинопироксенов (а,б), плагиоклазов (в,г) и роговой обманки (д,е) в породах вулка-нов Ключевской-Безымянный. Левые графики (а,в,д) демон-стрируют положительную корреляцию высоконесовмести-мых микроэлементов в зависимости от степени кристаллиза-ции минеральных фаз (магнезиальности клинопироксена и амфибола и анортитового номера плагиоклаза). Взаимная по-ложительная корреляция ультранесовместимых элементов (LREE, Zr, Hf, Nb, U, Th, Pb и др.) в минералах (б,г, е) служат характеристикой геохимического родства родительских и производных магматических расплавов, а также показателем механизма кристаллизационной дифференциации при формировании геохимического облика фенокристаллов.

В геохимиическом составе вкрапленников также зафиксирована фракционная природа их совместной кристаллизации: содержания Ti и V в клинопироксене, V и Fe в плагиоклазе указывают на однозначное присутствие Fe-Ti оксидов среди кристаллизующейся ассоциации минералов в расплавах андезитов и дацитов (Рис. 10). Особенности поведения Sr и Eu в клинопироксенах показательны с точки зрения появления плагиоклаза на ликвидусе высокоглиноземистых базальтовых расплавов - клинопироксены магнезиальности Mg#80 отчетливо фиксируют начало его кристаллизации. В свою очередь, плагиоклазы из 2Px- и Hbl-андезитов несут возможные свидетельства фракционирования роговых обманок: это проявляется в особенностях поведения Sc, Rb, Sr, Ba и Y.

Рис. 10. Пример свидетельства фракционирования плагио-клаза (а), магнетита (б, в) и роговой обманки (г) зафиксированные в геохимическом составе клинопироксенов (а,б) и плагиоклазов (в,г).

Новые данные по составам плагиоклаза (FeO и MgO) свидетельствуют в пользу отсутствия крупномасштабного процесса смешения исходных базальтовых и дифференцированных дацитовых магм, с образованием промежуточных андезитовых магм (Рис. 10в). Плагиоклазы из 2Рх-андезитов (близкие по содержанию FeO и MgO плагиоклазам из ВГБ и андезито-базальтов) демонстрируют тренды обогащения этими компонентами, тогда как плагиоклазы из остальных 2Рх-андезитов, Hbl-андезитов и дацитов проявляют тенденцию обеднения железом. Таким образом, расплавы, генетически связанные между собой по составу (в смысле приуроченности общему тренду эволюции), времени излияния и пространственным соотношениям, характеризуются различным поведением FeO и MgO в плагиоклазах. Для всей системы в целом оксиды железа и магния являются совместимыми, поэтому различное поведение этих элементов в плагиоклазах из пород дифференцированной серии отражает изменение котектических ассоциаций Fe-Mg-силикатов и Fe-Ti-оксидов и эволюцию пропорций их кристаллизации.

Рис. 11. Хондрит-нормализованные спектры Sr, Zr, Hf, Y и REE для клинопироксенов из магнезиальных базальтов вулкана Ключевской, прорыв Туйла (слева вверху), андезито-базальта вулкана Камень (образец М-1560, слева внизу), Cpx-Hbl кумулативного включения из андезитов купола Плотина (справа вверху) и ксеногенных клинопироксенов из Hbl-андезитов, вулкана Безымянный (справа внизу) в сравнении с клинопироксенами из ВМБ вулкана Ключевской (серый цвет на всех графиках).

Полученные нами геохимические данные позволили впервые установить свидетельства слабой неоднородности литологического состава мантийного субстрата, формирующей геохимический облик высокомагнезиальных пироксенов из лав вулканов Ключевской и Безымянный. На Рис. 11 в сравнении с клинопироксенами из высоко-Mg базальтов Ключевского вулкана (даны серым цветом) представлены наиболее примитивные клинопироксены из других пород изученной серии: магнезиальных базальтов вулкана Ключевской (прорыв Туйла), андезито-базальта вулкана Камень (М-1560), Cpx-Hbl кумулативного включения из андезитов купола Плотина и образца Hbl-андезита (ОВ-2) вулкана Безымянный. Все пироксены имеют магнезиальный номер выше 80. Клинопироксены из андезито-базальта вулкана Камень и Cpx-Hbl кумулативного включения имеют спектры микроэлементов аналогичные пироксенам из ВМБ и могут рассматриваться как фазы, кристаллизовавшиеся из геохимически однотипных расплавов. Спектры ксеногенных клинопироксенов из образца Hbl-андезита также близки пироксенам из ВМБ, но в отличие от них демонстрируют обеднение Zr по сравнению с хондритовым резервуаром и имеют несколько повышенные содержания Hf, а также слабо выраженное обеднение MREE и HREE. Подобное различие наиболее существенно проявлено в пироксенах из магнезиальных базальтов вулкана Ключевской (Рис. 11, слева вверху). По мнению автора небольшие, но принципиальные отличия в характере спектров пироксенов из ВМБ и магнезиальных базальтов не связаны с разными стадиями кристаллизации пироксенов, а формируются на этапе выплавления в мантии исходных пикритовых магм. Эти пироксены, с повышенными и пониженными концентрациями тяжелых редких земель могли кристаллизоваться из геохимиически близких, но все же неоднородных расплавов, которые отделяясь от мантийного субстрата, при подъеме эффективно смешивались и впоследствии сохранили метки гетерогенного источника, фиксирующиеся в составе клинопироксенов. Пониженные концентрации Hf (относительно Zr) и MREE-HREE в фенокристаллах пироксенов из магнезиальных базальтов прорыва Туйла, можно связать с кристаллизацией из расплавов, геохимический облик которых, возможно, был сформирован в присутствии следов амфибола.

Помимо самого факта присутствия водосодержащей фазы (амфибола), особенности химического состава оливинов (СаО), клинопироксенов (Wol-, Ca-Tsch-миналы) и плагиоклазов (An) также указывают на <водный> характер расплавов из которых они кристаллизовались, и являются дополнительным свидетельством важной роли Н2О в генезисе известково-щелочной серии с ранних этапов эволюции магматической системы Ключевской-Безымянный. Составы амфиболов из пород вулкана Безымянный были использованы для барометрических оценок. На основе рассчитанных структурных формул установлены ведущие эденитовый и чермакитовый механизмы гетеровалентных замещений. Это позволяет предполагать, что эволюция их состава происходила в ходе фракционирования по мере понижения температуры и давления. Предварительные оценки давления для расплавов, кристаллизовавших амфибол, дают интервал 6-9 кбар, а температуры - 800-920°С (Альмеев и др., 2002).