Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия

Родоначальные расплавы низкокалиевых серий развитых островных дуг (обоснование первого защищаемого положения).

Оценка составов родоначальных расплавов низкокалиевых серий развитых островных дуг осуществлялась методом петрологического моделирования на основе данных по расплавным включениям в оливин-плагиоклазовых кумулятах (алливалитах) низкокалиевых серий, в сочетании с минералогией и петрографией пород. Удалось доказать, что кумуляты ранней стадии фракционирования очагов кристаллизовались из расплавов, близких к родоначальным. Кумулятивные горизонты разрушаются поздними порциями магм и выносятся на поверхность в виде блоков крупными кальдерообразующими извержениями вулканов низкокалиевых серий [Фролова и др., 2001; Плечов и др., 2008b]. Низкокалиевые вулканические серии являются доминирующими в пределах вулканических фронтов развитых островных дуг. Характерны непрерывные ряды от андезибазальтов до риолитов с преобладанием пород кислого и среднего состава. Для наиболее основных членов серий характерны низкие содержания MgO (4-7 масс. %), K₂O (< 0.6 масс. %), высокие содержания Al₂O₃ и CaO. Эти серии отличаются от вулканических серий примитивных островных дуг низкой магнезиальностью, меньшими содержаниями ВЗЭ и легких РЗЭ и обилием кислых вулканитов в составе серии.

В данной работе представлены данные по изучению расплавных включений в оливинах из 10 образцов алливалитов различных морфологических типов с вулканов Ксудач, Ильинский, Заварицкого, Кудрявый и Головнина. Приведены новые данные по составам породообразующих минералов, гомогенизированных расплавных включений, составам минеральных дочерних фаз в раскристаллизованных расплавных включениях и интерстициальных стекол алливалитов. Эти данные позволили рассмотреть существующие гипотезы образования алливалитов, подтвердить кумулятивный механизм и оценить условия их формирования.

Для оливина алливалитов характерны частично раскристаллизованные включения (рис.1), часто содержащие амфибол в качестве дочерней фазы. С включениями проводились закалочные эксперименты по их гомогенизации (рис.1г). Усредненные анализы включений приведены в табл. 1.

Для оценки родоначальных расплавов был предложен количественный метод определения составов исходных расплавов оливин-плагиоклазовых кумулятивных пород на основе данных по составу частично гомогенизированных расплавных включений и содержанию в них H₂O, которое определялось методом ионной масс-спектрометрии. На основе данного метода восстановлены исходные составы расплавов, родоначальных для алливалитов (табл.1). Кристаллизация происходила при температурах 970-1075^oС в относительно окисленной обстановке (ΔNNO=+1), в условиях близких к насыщению водным флюидом при давлении ~1 кбар. Как показано в табл.1 максимальные температуры (1040-1075^oС) установлены для расплавов алливалитов вулкана Заварицкого (MgO~7.3 мас.%), минимальные для алливалитов с относительно железистым оливином Fo < 76 мол.% вулканов Ксудач (965-985^oС) и Головнина (MgO~4-5 мас.%, 980-1010^oС).

Табл. 1. Составы родоначальных расплавов низкокалиевых серий развитых островных дуг.
Вулкан	Ксудач		Ильинский	Заварицкого	Кудрявый	Головнина
Образец	Ks-1	Ks-3	Си-5	С-305/7	Kudr-03	115а	6636/гп-15	6636/гп-18
Средние составы расплавных включений
SiO2	50.69	49.54	49.47	46.27	50.24	48.08	54.97	49.41
TiO2	0.81	0.80	0.88	0.82	0.84	0.77	0.87	0.72
Al2O3	15.33	16.34	18.41	18.87	18.49	18.27	17.15	17.26
FeOобщ	14.38	11.25	11.04	14.53	11.30	12.62	12.23	13.64
MnO	0.37	0.26	0.15	0.24	0.28	0.24	0.33	0.18
MgO	6.16	6.68	3.73	6.05	3.68	3.29	2.07	5.65
CaO	10.38	12.32	11.99	10.18	11.53	11.71	8.63	11.34
Na2O	1.86	1.99	1.98	1.46	2.19	1.77	2.89	1.34
K2O	0.28	0.28	0.14	0.21	0.28	0.10	0.17	0.12
P2O5	0.11	0.21	0.17	0.22	0.17	0.13	0.19	0.18
Cr2O3	0.05	0.67	2.07	0.68	1.27	2.99	0.91	0.40
Сумма	100.4	100.3	100.03	99.53	100.25	99.98	100.41	100.24
Fo (мол.%)	75.5	80.3	78.7	79.3	78.2	76.1	70.2	78.1
An (мол.%)	92.9	93.7	89.6	94.4	94.1	96.2	94.4	96.2
Котектические (Ol-Pl) составы при H2O=3-3,5 мас.%
SiO2	52.47	50.42	50.17	47.18	50.21	49.22	54.98	50.47
TiO2	0.90	0.84	0.86	0.84	0.81	0.76	0.85	0.76
Al2O3	17.09	17.26	18.08	19.31	17.74	17.98	16.77	18.2
FeOобщ	9.97	9.53	10.52	12.50	11.04	12.05	11.03	10.54
MnO	0.41	0.27	0.15	0.25	0.27	0.24	0.32	0.19
MgO	4.86	5.84	5.97	7.30	6.09	6.00	4.19	5.92
CaO	11.57	13.01	11.78	10.41	11.07	11.52	8.44	11.96
Na2O	2.07	2.10	1.94	1.49	2.10	1.74	2.83	1.41
K2O	0.31	0.30	0.14	0.21	0.27	0.10	0.17	0.13
P2O5	0.12	0.22	0.17	0.23	0.16	0.13	0.19	0.19
T (H2O) Dan	970	999	1003	1048	1018	1005	982	996
T (16 кбар)	1050	1079	1083	1128	1098	1085	1062	1076
H2O calc	3.2	3.0	3.3	3.0	3.0	3.2	3.2	3.21
Fe2O3	2.22	2.12	2.34	2.78	2.45	2.68	2.45	2.34
FeO	7.97	7.62	8.41	10.00	8.83	9.64	8.82	8.43
Примечание. Fo, An - средняя магнезиальность оливина и среднее содержание анортитовой компоненты в плагиоклазе для конкретного образца; T(H2O) Dan - температура котектической кристаллизации оливина и плагиоклаза из родоначального расплава алливалита, рассчитанная с использованием модели (Danyushevsky, 2001); T(16кбар) - температура расплава, скорректированная к 16 кбар для сравнения с экспериментальными данными; H2O calc - содержание воды в котектическом расплаве; Fe2O3, FeO - расчетные содержания 2- и 3-валентного железа в расплаве для фугитивности кислорода на уровне NNO+1.

Масс-балансовые расчеты показали, что степень фракционирования родоначальных расплавов при образовании кумулятивных горизонтов алливалитового состава варьирует от 22 до 46%. Вероятно, интервал кристаллизации, зафиксированный в составе алливалитов и расплавных включений, соответствует начальному этапу эволюции родоначальных низко-калиевых магм, приводящему к образованию широко-дифференцированных серий низко-калиевых андезибазальтов, андезитов и дацитов Камчатки и Курильских островов.

С помощью программы Petrolog III [Плечов, Данюшевский, 2006] была промоделирована фракционная кристаллизация оливина и плагиоклаза из расплавов, соответствующих расплавным включениям в наиболее магнезиальных оливинах для каждого из изученных вулканов. Для оливина была выбрана модель [Danyushevsky, 2001], для плагиоклаза [Pletchov, Gerya, 1998]. В качестве критерия остановки расчетов использовался состав наиболее железистого оливина, зафиксированный в алливалитах для каждого из вулканов. При моделировании серии вулкана Ксудач было получено 35% кумулята, содержащего 84.4 мас. % плагиоклаза (An91.2) и 15.6 мас. % оливина (Fo78.6). Для вулкана Головнина использовался диапазон состава оливинов Fo79-74, поскольку алливалиты с более железистыми оливинами, описанные для этого вулкана, содержат значительное количество клинопироксена. Было получено 24% кумулята, состоящего из 81.7 % плагиоклаза (An94.7) и 18.3 % оливина (Fo75.7). Значительные колебания пропорций минералов в изученных алливалитах и наблюдаемые полосчатые текстуры в некоторых образцах объясняются накоплением ритмично-полосчатых оливин-анортитовых кумулятов.

Реконструированные родоначальные расплавы низкокалиевых островодужных серий Камчатки и Курил имеют низкое содержание K₂O, содержания редкоземельных элементов ниже уровня MORB, нормализованные к MORB La/Sm и La/Yb отношения меньше 1 и высокое Ba/La отношение, что характеризует их как типичные низкокалиевые островодужные толеиты. Средние составы исходных расплавов значительно варьируют для изученных образцов (табл 1, рис.2). Для всех расплавов наблюдается положительная корреляция между содержаниями MgO (4.2-7.3 мас. %) и Al₂O₃ (16.8-19.3 мас. %) и отрицательная корреляция между MgO, SiO₂ (47.2-55 мас.%) Na₂O (1.4-2.8 мас.%). FeO (9.5-12.5 мас.%) и CaO (8.4-13.1 мас.%) варьируют в зависимости от MgO не систематически. Для отдельных вулканов FeO в расплавах остается на приблизительно постоянном уровне, а CaO уменьшается с уменьшением MgO. Содержания TiO₂ и K₂O для отдельных вулканических центров увеличиваются при уменьшении MgO. Наиболее обеднены этими элементами расплавы вулкана Головнина. Низкое содержание K₂O характерно также для Ильинского вулкана. Из всего проанализированного набора рассеянных элементов в расплавах низкокалиевых серий Камчатки и Курил только Ba, Pb и Sr выше, чем содержания этих элементов в N-MORB. Эти расплавы крайне обеднены высокозарядными элементами даже по сравнению с MORB, содержания Nb в 3.9-27 раза ниже, чем в N-MORB, содержания Zr в 3.9-7.1 раза ниже. При крайней обедненности родоначальных расплавов редкими элементами, магнезиальность (MgO/MgO+FeO мол.%) этих расплавов варьирует в пределах 0.34-0.64, наиболее магнезиальные расплавы (до 8.85 MgO мас.%) отмечены для вулкана Головнина. Составы исходных расплавов алливалитов хорошо соответствуют составам базальтов и андезибазальтов низко-К серий Камчатки и Курильских островов, что указывает на их несомненное генетическое родство и происхождение в результате эволюции общих родоначальных магм, состав которых несколько варьировал для разных вулканов. Составы исходных расплавов алливалитов эволюционируют в сторону обогащения SiO₂ при уменьшении MgO и могут являться родоначальными для андезитов низкокалиевых серий вулканического фронта (рис.2).

В диссертационной работе приводится критический обзор существующих на данный момент гипотез образования низкокалиевых островодужных магм. Доминирующая в литературе гипотеза образования этих магм за счет высоких степеней плавления мантии под воздействием водного флюида [Tatsumi, 1995] не может объяснить низкую магнезиальность родоначальных расплавов наряду с обедненными по отношению к базальтам СОХ и к базальтам примитивных островных дуг спектрами рассеянных элементов в области ВЗЭ и легких РЗЭ. Для обоснования первого защищаемого положения рассмотрим в качестве источника нижнюю часть островодужной коры, сложенную амфиболитами.

Частичное плавление амфиболитов может привести к образованию андезитовых расплавов [Wolf,Wyllie,1994; Rapp,Watson, 1995]. Springer и Seck [1997] оценили соотношение фаз при плавлении базальтового источника (роговая обманка, клино- и ортопироксены, плагиоклаз ± гранат) и по коэффициентам распределения рассчитали спектр рассеянных элементов. Спектр сильно зависит от фазы, остающейся в рестите. Плавление с амфиболом в рестите (< 10 кбар) дает расплавы с ровным спектром, а с гранатом (>10 кбар) - обеднение HREE.

Таким образом, низкокалиевые толеиты могут получаться в результате частичного плавлением метагаббро с амфиболом в рестите. Для обедненного LREE спектра, который наблюдается в низкокалиевых базальтах, метагаббро должны были быть также обеднены LREE.

Это предположение подтверждается экспериментами [Johannes, Holtz,1996], которые показали, что при плавлении амфиболитов при различном давлении могут получаться расплавы с различным содержанием K₂O. Расплавы, сравнимые с природными, образуются при давлении 8 - 10 кбар.

На рис.3 показано, что оцененные нами родоначальные расплавы низкокалиевых серий развитых островных дуг могут образоваться плавлением амфиболитов в условиях низов островодужной коры и при степенях плавления 25-40%. Было показано, что при степенях плавления 25-40% образуются низкокалиевые андезибазальты с характерным набором геохимических признаков (низкие содержания титана, РЗЭ и ВЗЭ, высокие содержания алюминия, Ba и Sr). Эффект обеднения продуцируемых расплавов рассеянными элементами достигается за счет концентрации большинства элементов в амфиболе, остающимся в рестите до степеней плавления около 53% [Kimura et al.,2002]. При больших степенях плавления, амфибол в рестите не сохраняется и геохимия образующихся расплавов будет близка к геохимии базальтов, образующихся за счет частичного плавления мантии, вызванного флюидом.

Таким образом, показана возможность образования родоначальных расплавов низкокалиевых островодужных серий за счет плавления амфиболитов нижней части островодужной коры (P~0.8 GPa, степени плавления 25-40%). Низкие содержания рассеянных элементов, в особенности HFSE и LREE, по отношению к низкокалиевым базальтам примитивных островных дуг объясняются их концентрацией в амфиболах, сохраняющихся в рестите.