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

ГЛАВА 4. ФРАКЦИОННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ИСХОДНОЙ МАГМЫ

Интенсивные параметры кристаллизации

На основе анализа экспериментальных данных по фазовым равновесиям и сопоставления составов синтезированных стекол и природных составов на псевдотройных барических диаграммах получены оценки давления кристаллизации магматических расплавов вулкана Безымянный, составляющие 4-7 кбар, что соответствует глубинам ~10-20 км. Интервалы давления кристаллизации близки оценкам, полученным по результатам химического состава амфиболов (Глава 3) и хорошо согласуются с областью существования магматической камеры под вулканом, определенной геофизическими методами (Балеста и др., 1976). Окислительное состояние системы в ходе эволюции системы было оценено по данным сосуществующих ульвошпинель-магнетитового и ильменит-гематитового твердых растворов и контролировалось буферным равновесием NNO+1 для всего ряда магматических расплавов вулкана Безымянный, от андезито-базальтов до дацитов. Содержание воды в системе оценено непрямыми методами, на основе сравнения с данными фазовых экспериментов и известных эффектов влияния воды на последовательность кристаллизации и составы минералов. Отмечено, что даже безводные силикаты "записали" в своем составе характеристики кристаллизации из водосодержащих расплавов. Среди них - пониженные значения СаО в оливинах, увеличение волластонитового и понижение чермакитового минала в клинопироксенах. Близкие к водонасыщенным условия предполагаются для гетерофазовых (приграничных) слоев кристаллизующейся магмы.

<Известково-щелочная> версия программы КОМАГМАТ

С целью реконструкции физико-химических условий кристаллизации лав вулкана Безымянный и построения согласованной петролого-геохимической модели формирования андезито-базальт-дацитовой серии вулкана Безымянный разработана численная модель кристаллизации высокоглиноземистых расплавов. Она включает: (1) разработку эмпирического уравнения для расчета растворимости воды в расплавах базальтов, андезитов и гранитов в зависимости от состава, температуры и давления; (2) расчет поправочных коэффициентов, учитывающих дифференцированное влияние воды на температуры ликвидуса главных минеральных фаз базальтовой системы (Альмеев и Арискин, 1996); (3) интегрирование полученных зависимостей в алгоритм моделирования кристаллизации базальтовых магм; (4) калибровку новых геотермобарометров минерал-расплав для всех главных фаз базальтовой системы (Oliv, Plag, Aug, Opx), специально адоптированных для корректной <работы> в известково-щелочной области составов (Альмеев и др., 2001). На данном этапе исследований модель ограничена кристаллизацией безводных силикатов.

Расчет траекторий кристаллизации исходных магм влк. Безымянный

Выполнена серия изобарических расчетов траекторий фракционной кристаллизации водосодержащего расплава ВГБ (исходная магма влк. Безымянный), в условиях отсутствия амфибола среди ассоциации кристаллизующихся минералов. В качестве стартового был взят состав модельной ВГБ-жидкости, рассчитанной в (Арискин и др., 1995) на момент появления на ликвидусе плагиоклаза при температуре Т=1110°С и давлении Р=7 кбар.(Альмеев и др., 2001). Вычисления проводились в изобарических условиях для давлений 3, 5 и 7 кбар, с начальной концентрацией воды в системе 3 вес.%, при летучести кислорода соответствующей буферному равновесию NNO. Из анализа модельных петрохимических трендов на вариационных и фазовых псевдотройных диаграммах (Рис. 12) был сделан вывод о том, что в интервале давлений соответствующих условиям существования очага вулкана Безымянный, фракционирование безводной ассоциации минералов в недосыщенных по Н₂О условиях не обеспечивают известково-щелочной характер эволюции природных магм. В расчетных жидкостях фиксируется недосыщенность по кремнезему, и глинозему, постоянство концентрации FeO при фракционировании вдоль Ol-Plag котектики и заметное понижение содержания железа после появления в кристаллизационной последовательности клинопироксена и оксидов. Кроме того, в начале наблюдается резкое обогащение расплавов TiO₂ вплоть до появления магнетита на ликвидусе, а затем отчетливое обеднение этим компонентом.

Анализ результатов экспериментов по фазовым равновесиям в ВГБ и андезитах свидетельствует в пользу близких к насыщенным по воде условиям кристаллизации природных андезитовых магм. В этом случае можно ожидать максимальных эффектов, связанных с влиянием воды на фазовые равновесия: (1) подавление кристаллизации плагиоклаза в пользу Fe-Mg силикатов будет приводить к более существенному обогащению глиноземом остаточных расплавов (Рис. 12); (2) более эффективная (в сравнении с <сухими> условиями) кристаллизация Fe-Mg силикатов, включая Fe-Ti оксиды, а также амфибол на средних стадиях, приводит к росту концентраций кремнезема и резкому падению содержаний железа и титана в породах. Поэтому именно, недосыщенные условия проведения экспериментов (Кадик и др., 1986) и невозможность на данном этапе проводить численное моделирование в условиях водного насыщения (в программе КОМАГМАТ) сдерживают на данном этапе построение реалистичной количественной модели фазовых равновесий эволюции магматических расплавов влк. Безымянный. Отсутствие модели кристаллизации роговой обманки не позволяет доводить расчеты до систем, отвечающих наиболее кислым андезитам и дацитам.

Рис. 12. Траектории кристаллизации исходной ВГБ-магмы по данным ЭВМ-моделирования на основе модифицированной <изве-стково-щелочной> версии программы КОМАГМАТ. В сравнении с природными трендами показаны пути эволюции модельных жид-костей, рассчитанные для 3, 5 и 7 кбар. Вычисления проводились в режиме фракционной кристаллизации с исходными парамет-рами: летучесть кислорода NNO, Н2О ~2-3 вес.%. Сравнение показывает несоответствие расчетов природным данным в области средних и кислых составов. Основная причина - отсутствие модели кристаллизации роговой обманки.

Роль амфибола в генезисе андезитов вулкана Безымянный

Раннее фракционирование роговой обманки является принципиальным фактором в генезисе андезитов вулкана Безымянный. На фоне отсутствия разделения REE в базальтах Ключевского вулкана, в андезитах и дацитах Безымянного наблюдается эффективное фракционирование этих элементов (Рис. 13). При переходе от родительских андезито-базальтовых расплавов к более дифференцированным 2Рх-, Орх- и Hbl-андезитовым и дацитовым расплавам наблюдается последовательное увеличение отношений La/Dy и Lu/Dy. На графике также показана роль 30%-фракционирования различных минералов. Фракционирование амфибола приводит к существенному изменению отношений LREE-MREE и HREE-MREE, причем незначительные изменения коэффициентов распределения амфибол-расплав (см. таблицу на графике) могут обеспечить достаточно широкие вариации значений этих отношений. На графике также представлены траектории идеального (рэлеевского) 70%-фракионирования исходной родительской магмы влк Безымянный (сплошная линия), а также тренды ее эволюции (пунктирная линия) при in situ кристаллизации в пограничном слое (Langmuir, 1989), для трех случаев, с учетом различных пропорций минеральных фаз, характеризующих модальный состав 2Рх- (цифра на графике - 1), Орх- (2) и Hbl-андезитов (3). Как видно, только фракционирование ассоциаций, включающих амфибол, следует природным геохимическим трендам.

Рис. 13. Отношения La/Dy и Lu/Dy в породах известково-щелочной серии вулканов Ключевской и Безымянный, демонстрирующие роль амфибола в генезисе дифференцированных лав. График показывает эффективное фракционирование REE в андезитах и дацитах вулкана Безымянный. Роль 30%-фракционирования различных минералов на микроэлементные отношения показана выше основного графика. Векторами (цифры 1, 2 и 3) обозначены траектории идеального 70%-фракционирования исходной родительской магмы влк Безымянный (сплошная линия) а также тренды ее эволюции (пунктирная линия) в случае in situ кристаллизации (Langmuir, 1989). Расчеты выполнены для трех случаев, с учетом различных пропорций минеральных фаз, характерных для 2Рх- (1), Орх- (2) и Hbl-андезитов (3). В таблице даны значения коэффициентов распре-деления использованные в расчетах.

Геохимические эффекты связанные с кристаллизацией в пограничном слое (BLF-кристаллизация)

В работе обоснована принципиальная роль кристаллизации в пограничном слое (BLF), позволяющая объяснить природные геохимические тренды и снять противоречия при согласовании условий выделения амфибола как поздней кристаллизационной фазы с фактом наследования расплавами геохимических характеристик, связанных с фракционированием роговой обманки с самых ранних этапов. BLF-кристаллизация исходной магмы вулкана Безымянный, рассчитанная с помощью алгоритма (Nielsen and Delong, 1992), дает наибольшие эффекты фракционирования REE, а также калия и рубидия (Рис. 14). Rb/K отношение в породах вулкана Безымянный увеличивается в 1.5-2 раза. Идеальное фракционирование минеральной ассоциации аналогичной кумулативным включениям, состоящим из амфибола и клинопироксена, приводит к некоторому повышению отношения Rb/K, однако недостаточному чтобы объяснить природные тренды. In situ кристаллизация (Langmuir, 1989), привлекающая определенный вклад кислых выжимок из пограничного слоя в общий бюджет фракционирования, дает более значимый эффект разделения этих элементов и приводит к соотношениям, которые близки к природным. Поэтому эффекты BLF-кристаллизации, проявляющиеся в непрерывном поступлении в главный объем магматической камеры сильно дифференцированных расплавов из гетерофазной зоны затвердевания (прошедших стадию кристаллизации роговой обманки), могут обеспечить природные тренды эволюции магм вулкана Безымянный, несущие метку ранней кристаллизации амфибола. Эффекты BLF-кристаллизации также проявлены в поведении Zr и P₂O₅ в лавах (см. Глава 2).

Рис. 14. Микроэлементные отношения La/Yb и Rb/K относительно индексов дифференциации La и U в породах вулкана Безымянный. Фракционная кристаллизация безамфиболовых парагенезисов выражается в постоянстве этих отношений по мере дифференциации и не может объяснить увеличение La/Yb и Rb/K, наблюдаемое в породах. График также демонстрирует возможность объяснения роста отношений La/Yb и Rb/K в породах как результат смешения магм основного объема камеры и продуктов кристаллизации в пограничном слое (BLF-кристаллизация по (Nielsen and Delong, 1992) или in situ кристаллизации по (Langmuir, 1989)).