Огромное количество научных публикаций по эволюции надсубдукционных зон затрагивают практически все области геологии, демонстрируя сложность и разнообразие протекающих в них процессов. Благодаря современным методам исследований в последние десятилетия накоплен принципиально новый фактический материал, требующий переосмысления многих положений, закрепившихся в науке с 1960-1970 гг. Особенное значение приобрела проблема наличия единого островодужного типа магм с общим источником их генерации. Наряду с островодужными известково-щелочными и толеитовыми базальтами были описаны другие типы островодужных магм [Crawford, 1989; Defant, Drummond,1990; Волынец, 1995]. Необходимо не только определить место этих источников в конкретной геодинамической обстановке, но и создать модель динамики подъёма магм к поверхности, их фракционирования и смешения с магмами различных источников.
Процессы, происходящие в островодужной системе, приводят к образованию максимального среди всех известных геотектонических обстановок разнообразия вулканических серий. Во многом оно объясняется различием в степени метасоматоза мантии и вариаций в механизмах плавления мантии надсубдукционного клина [Gill, 1981; Pearce and Peate, 1995; Portnyagin et al., 2007], а также возможного плавления субдуцированной плиты [Jogodzinsky et al.,1996, Bindeman et al., 2007]. При этом огромную роль в формировании вулканических серий играют процессы смешения магм [Eighelberger, 1978, Sakuyama, 1979, Иванов, 1990, Bindeman et al.,2004].
В настоящей работе показана возможность существования нескольких источников островодужных магм. Они охарактеризованы с петрологической стороны и на примерах конкретных объектов предложен полиочаговый вулканизм эволюции островодужной системы. На примере конкретных долгоживущих вулканических центров рассматривается петрология, кинетика и динамика процессов смешения контрастных расплавов, которые зачастую являются триггерами крупных вулканических извержений [Sparks et al., 1977].
Островодужный вулканизм является отражением комплекса взаимосвязанных процессов, происходящих при погружении гидратированной океанической плиты, ее метаморфизму и дегидратации, фильтрации потоков флюидов и расплавов в мантийном клине, частичном плавлении мантии и островодужной коры и гибридизации магм. Актуальность данной работы определяется ключевой ролью островодужного вулканизма в понимании геологии и геодинамики процессов, происходящих в конвергентных зонах Земли.
создать модель механизма гибридизации базальтов с кислыми магмами корового происхождения.
Эти цели предполагают решение следующих задач:
1) Выделить вулканические серии, типичные для зрелых островных дуг, определение их геологической позиции и приуроченности к определенным этапам эволюции островодужных систем.
2) Петрологически охарактеризовать каждую из выделенных серий на примере конкретных объектов современного вулканизма. Выявить состав магм и физико-химические условия их генерации, дифференциации и взаимодействия с породами и магмами коры.
3) С привлечением результатов решения задач (1) и (2) изучить характер и механизмы гибридизма магм на примере долгоживущих вулканических систем островных дуг, а также выявить признаки, физико-химические параметры и кинетические характеристики образования гибридных магм.
4) Провести численное петрологическое и гидродинамическое моделирование процессов смешения магм в конкретных вулканических системах с возможностью прогнозирования характера извержения и потенциальной опасности вулканической системы для жизнедеятельности.
Фактический материал.
Для детального изучения петрологических особенностей магм, возникающих в различных зонах магмогенерации, идеально подходит зрелая островная дуга, в которой на современном этапе проявлены все характерные проявления островодужного вулканизма. К таким дугам относится в первую очередь Курило-Камчатская островная дуга, имеющая полный спектр островодужных вулканических серий, проявленных в пределах голоцена. Результаты ее изучения являются основой данной работы. Вулканические дуги Японии и Малых Антильских островов также разнообразны по условиям магмогенерации и составу вулканических серий. В данной работе используются данные по этим дугам для сравнения и обсуждения основных результатов.
В процессе работы использовались материалы, полученные автором в ходе полевых работ 1996-2007 гг в районах современного островодужного вулканизма Камчатки, Курил, Японии, Фиджи и Вануату. Для детальных петрологических исследований привлекался каменный материал с вулканов Суифриере Хиллз (Малые Антилы) и Сент-Хеленс (Каскадные горы), предоставленный коллегами из Бристольского университета.
Было исследовано около 850 шлифов вулканических пород с 135 вулканов и моногенных эруптивных центров, произведено около 6000 микрозондовых определений составов стекол и минералов. Было исследовано около 500 расплавных включений и проведены сотни закалочных экспериментов. Было получено около 80 определений рассеянных и летучих элементов в стеклах расплавных включений методами ионной масс-спектрометрии и LA-ICPMS.
Проведено 18 серий экспериментов по изучению минеральных равновесий в вулканических системах и кинетики реакций минерал-расплав.
Научная новизна и личный вклад автора.
Автором разработаны методики комплексного петрологического изучения вулканических серий с использованием методов изучения расплавных и минеральных включений, классической петрографии и исследования кинетики незавершенных минеральных реакций.
Разработан новый алгоритм моделирования фракционной, полуфракционной и равновесной кристаллизации на основе которого создан программный комплекс Petrolog-III, позволяющий проводить количественное моделирование кристаллизации в островодужных магматических системах.
В работе получены принципиально новые данные по составам и условиям существования родоначальных расплавов низкокалиевых островодужных серий, что позволило предположить их образование плавлением амфиболитов нижних частей островодужной коры.
Обобщены данные по петрографии и минеральному составу ареальных полей моногенных вулканитов Камчатки, показаны их систематические отличия от других типов вулканитов и, впервые, высказана гипотеза их происхождения за счет плавления амфиболовых пироксенитов.
Предложена модель эволюции вулканизма островодужных систем, объясняющая наличие областей развития островодужного вулканизма не приуроченных к современным зонам субдукции.
Впервые, на основе петрологических данных и гидродинамического моделирования построена количественная модель конкретного извержения (вулкан Шивелуч, 2001-2004 гг). В первую очередь разработанные методики были применены к андезитовым вулканам островных дуг, для которых характерна смена режима извержения от медленного роста лавового купола к катастрофическим взрывам.
Впервые проведено термодинамическое моделирование кристаллизации в градиентной системе в применении к процессам гибридизации в островодужных магмах. Предложен механизм гибридизации кислых и основных магм и показана его применимость к островодужным объектам.
Практическое значение.
Возможность прогнозирования характера извержений и общей вулканоопасности, основанная на численном моделировании вулканической системы, определяет практическое значение работы для мониторинга извержений в районах активного вулканизма. Результаты работы могут быть использованы для построения общих геодинамических моделей островодужных систем и, таким образом, имеют фундаментальное значение.
Основные защищаемые положения.
1. На основе детального изучения низкокалиевых островодужных магм андезибазальтового состава, приуроченных к активному вулканическому фронту развитой островодужной системы, доказано, что они формируются при частичном плавлении амфиболитов в нижней части островодужной коры при 8-10 кбар, 1130-1160oС и степенях плавления более 25%. Эти магмы являются родоначальными для типичных вулканических серий активного фронта развитых островных дуг.
2. На основе детального изучения вулканитов умереннокалиевой высоко-титанистой серии, характерных для тыловых частей островных дуг, доказано, что они формируются путём частичного плавления пироксенитов при 8-16 кбар, 1230-1280oC и степени плавления 5-20%. Показано, что сами пироксениты являются реститами от выплавления магм активного вулканического фронта.
3. Множественность источников островодужных магм основного состава определяется последовательным вовлечением по мере эволюции системы нижних частей коры в зоны магмогенерации. Специфика вулканических серий развитых островных дуг определяется условиями плавления островодужной коры и процессами гибридизации магм из различных источников в долгоживущих приповерхностных магматических очагах.
4. Вулканические серии андезитовых вулканов Камчатки (Шивелуч, Кизимен, Безымянный) имеют гибридный генезис и образуются в результате взаимодействия глубинных базальтовых расплавов с риолитовыми магмами в приповерхностных очагах. Гибридизация магм сопровождается активной кристаллизацией минералов из более горячего расплава и растворением минералов в более холодном и приводит к локальному разогреву очага. Изучение минеральных реакций показало, что инъекции базальтов могут вызывать извержения в течение первых недель после поступления базальтовой магмы в приповерхностный очаг.
Структура работы.
Работа состоит из 10 глав, общим объемом 328 страниц, с 138 иллюстрациями и 31 таблицей. Список литературы содержит 445 наименований. Во введении дана общая характеристика островодужного вулканизма, обсуждается актуальность и научная новизна данной диссертационной работы. Главы 2 и 3 посвящены описанию основных методов и подходов, использованных при выполнении данной работы. В главе 4 суммируются геологические и геофизические данные по Курило-Камчатской островодужной системе. Главы 5-7 посвящены петрологическому описанию конкретных объектов выделенных серий. В главах 8 и 9 рассматриваются вопросы гибридизации магм в близповерхностных очагах на примере нескольких долгоживущих центров андезитового вулканизма и результаты численного моделирования в открытых вулканических системах. В главе 10 суммируются основные результаты работы и обосновываются основные защищаемые положения.
Апробация работы.
Результаты исследования изложены в 91 публикации, в том числе в 1 монографии и 18 статьях в периодических журналах. Они докладывались на международных и всероссийских конференциях (72 доклада) в 1997-2008 годах.
Работа выполнялась в рамках программы Президента РФ <Ведущие научные школы России> (грант 5338.2006.5, рук. Л.Л.Перчук), гранта Royal Society и проектов РФФИ-05-01-02901-ЯФ_а, РФФИ-06-05-64873, 07-05-00959. Часть результатов, использованных в работе, получены в рамках гранта РФФИ N 03-05-64629 и гранта KOMEX-2 Министерства Науки и Образования ФРГ (BMBF).
Благодарности.
Автор выражает признательность М.В. Портнягину, Л.Л.Перчуку, О.Э.Мельнику, Л.В.Данюшевскому, О.В.Дирксену за многолетнее плодотворное сотрудничество и моральную поддержку.
Автор признателен Л. Аникину, М.В. Портнягину, В.А.Ермакову, С. Чиркову, В.Л. Сывороткину, И. Н. Биндеману, А.О. Волынец, М.М.Певзнер, А.Б.Осипенко, М.Ю. Пузанкову, О.В. Дирксену, Л.И.Базановой, Т.Г.Чуриковой, Г.Вернеру, Дж.Бланди за предоставленные для исследования образцы.
Автор благодарен Е.В.Гусевой, Н.Н.Кононковой, Н.Н.Коротаевой, А.Кронцу и М.Тёнеру за помощь в проведении микрозондовых исследований; С.Г.Симакину и Е.В.Потапову за проведение ионно-зондовых анализов; Г.Вёрнеру за предоставленную возможность работы в Геохимическом институте Гёттингена; Л.В.Данюшевскому за возможность использования и помощь в освоении программ <Петролог-2.0> и .
Л.Л.Перчуку, А.А.Маракушеву, И.П.Солововой, В.Б.Наумову, И.Н.Биндеману, И.В.Мелекесцеву, А.А.Арискину, В.А.Ермакову, А.А.Бармину, С.Спарксу, М.Хампфрей, В.В.Пономаревой автор признателен за конструктивные обсуждения отдельных аспектов данной работы.
Особую благодарность выражаю студентам и аспирантам кафедры петрологии - Н.Л.Миронову, С.А.Тетроевой, С.В.Трусову, К.А.Бычкову, Т.А.Шишкиной, В.Д.Щербакову, А.Е.Цай, С.П.Крашенинникову, И.С.Фомину, которые принимали участие в изучении полевого материала и его обработке в лабораторных условиях.
