Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия

Умереннокалиевые базальты зон ареального вулканизма Камчатки (обоснование второго защищаемого положения).

Детально изучена петрология и минералогия представительных образцов голоценовых базальтов из полей ареальных вулканитов Камчатки. Методом изучения расплавных включений в наиболее магнезиальных оливинах-вкрапленниках были оценены составы и условия кристаллизации родоначальных расплавов этого типа. Содержания воды и рассеянных элементов были измерены в экспериментально закаленных расплавных включениях с помощью ионной масс-спектрометрии. Содержания H₂O в магмах оценены ~0.3 мас.%, давление кристаллизации ~1.5 кбар и температуре ~1210^оС. Летучесть кислорода, оцененная при этой температуре по Ol-Sp геобарометру [Ballhaus et al., 1991], соответствует буферному равновесию никель-бунзенит [Плечов и др., 2003].

С ареальными вулканическими зонами островных дуг, в каждой из которых насчитываются десятки и сотни моногенных конусов, связаны проявления особого типа умеренно-калиевых высокотитанистых базальтов. Ареальный вулканизм имеет широкое распространение на территории п-ова Камчатка и играет важную роль в формировании магматических систем и разнообразии изверженных пород в течение плейстоцена - голоцена.

На схематической карте (рис. 4) представлены районы исследований полей ареального вулканизма Камчатки. Масштаб и интенсивность базальтового моногенного вулканизма в Срединном хребте за последние 40-50 тыс. лет значительно превосходит другие структуры Камчатки [Певзнер 2004, 2006; Базанова, Певзнер, 2001; Dirksen et al., 2004]. Площадь базальтовых излияний в верхнеплейстоцен-голоценовое время составила свыше 8500-9000 км², а объем изверженного материала оценивается в 2000-2150 км³ [Новейший и современный вулканизм..., 2005]. По данным [Огородов и др., 1972] в Срединном хребте выделено около 1000 моногенных вулканических образований - шлаковых и лавовых конусов.

Также, масштабные проявления ареального вулканизма выделяются в пределах Южной Камчатки: Толмачев Дол, Северо-Асачинское, Право-Ходуткинское, Саванское. Кроме отдельных полей выделяется ряд моногенных образований, приуроченных к постройкам центрального типа (шлаковые конуса вулканов Вилючинский, Горелый и др.). Площадь покрытая ареальными вулканитами на Южной Камчатке оценивается в 1500 км², а объем около 200 км³ [Шеймович, 1982]. В пределах Восточного вулканического фронта и Центральной Камчатки ареальный вулканизм проявлен в меньшей степени.

Были детально изучены петрографические и минералогические особенности представительных образцов голоценовых базальтов из полей ареальных вулканитов Срединного Хребта, р-на влк.Бакенинг и Толмачева Дола. На рис.5 показаны типичные расплавные и твердофазные включения в оливине, использовавшиеся для оценки состава расплавов и условий их кристаллизации. На основе изучения расплавных включений в наиболее магнезиальных оливинах-вкрапленниках были оценены составы и условия кристаллизации родоначальных расплавов этой серии (табл.2).

Табл.2 Расчетные составы родоначальных расплавов умереннокалиевых серий.
Обр.	200338	9540-M1	TR-01-23	PK-02-32	PK-02-21	PK-02-26	PK-02-20	PK-02-27
SiO2	45.60	45.07	46.78	48.56	46.89	48.46	47.43	47.79
TiO2	1.21	1.73	2.07	1.60	1.72	1.65	1.62	1.65
Al2O2	17.46	18.03	17.58	18.64	18.28	17.27	19.45	17.26
FeO*	8.88	8.30	7.70	9.94	9.95	9.93	9.95	9.92
MnO	0.13	0.11	0.09	0.32	0.18	0.24	0.17	0.21
MgO	7.86	7.68	8.07	5.54	7.45	7.20	7.40	7.63
CaO	13.85	13.97	11.64	8.60	10.77	10.13	9.68	10.52
Na2O	2.86	3.34	3.64	4.55	3.51	3.64	4.21	3.39
K2O	0.61	0.84	1.35	1.21	0.84	0.82	0.93	0.94
P2O5	0.22	0.25	0.53	0.77	0.42	0.39	0.18	0.51
Cr2O3	0.12	0.06	0.05	0.03	0.03	0.07	0.07	0.06
Fo, %	87.2	85.1	85.0	79.7	84.1	83.3	83.7	83.7
H2O	1.85	0.05	0.04		0.18	0.29	0.09
T(Ford)	1197	1198	1212	1162	1194	1193	1208	1205
T(16кбар)	1269	1270	1284	1234	1266	1265	1280	1277
Sr	432.05	499.24	629.50		528.03	593.46	808.37
Zr	82.92	84.81	140.45		157.82	125.96	79.55
Ba	197.54	297.40	392.19		207.85	321.09	119.42
Ce	18.10	28.40	54.48		36.31	31.65	16.19
Sm	6.45	4.63	5.75		4.69	4.66	2.76
Gd	4.60	4.95	5.34		4.88	4.69	3.06
Er	3.40	2.65	2.64		2.89	2.72	2.05
Yb	2.06	2.81	2.35		2.66	2.47	2.00
Pb	19.29	10.30	17.74		15.23	12.61	12.20
Th	1.66	1.18	1.60		0.55	0.76	0.22
U	0.31	0.48	0.53		0.29	0.31	0.12
Hf	3.37	2.67	3.59		3.39	2.76	1.95
Dy	5.77	4.62	4.65		4.61	4.21	3.03
Eu	2.01	1.47	1.80		1.64	1.57	1.03
Nd	13.23	16.47	24.48		19.99	19.10	10.39
La	6.10	11.00	18.37		15.49	12.98	6.94
Nb	1.93	3.43	18.69		9.04	9.07	3.65
Y	27.69	23.91	23.63		25.06	23.51	17.79
Li	4.93	6.57	11.30		9.82	5.93	14.10
B	7.32	6.28	2.92		1.19	1.27	0.86
Be	0.71	0.80	1.60		2.72	3.14	1.27
Примечание. В таблице приведены усредненные для каждого образца составы расплавов, полученные по составам гомогенизированных расплавных включений, пересчитанных на равновесие с оливином-хозяином; Обр. 200338 - падь Фарафонова, 9540-М1 - г. Песчаная, PK-02-20, PK-02-21, PK-02-26 - г. Терпук; PK-02-32 - оз.Глубокое (конус Домашний-2); PK-02-27 - влк.Кибеней. Fo - средняя магнезиальность оливина для конкретного образца; T(Ford)- температура равновесия оливина с родоначальным расплавом, рассчитанная с использованием модели (Ford et al., 1983); T(16кбар) - температура расплава, скорректированная к 16 кбар для сравнения с экспериментальными данными

Содержания воды и рассеянных элементов были измерены в экспериментально закаленных расплавных включениях с помощью ионной масс-спектрометрии. Содержания H₂O в магмах голоценовых базальтов Срединного Хребта оценены ~0.3 мас.%, давление кристаллизации ~1.5 кбар и температуре ~1210^оС. Летучесть кислорода, оцененная при этой температуре по Ol-Sp геобарометру [Ballhaus et al., 1991], соответствует буферному равновесию никель-бунзенит [Плечов и др., 2003].

Ключевые черты проявлений вулканизма этого типа на Камчатке можно сформулировать следующим образом:

1) Ареальные вулканиты Седанкинского Дола, Ичинской зоны ареального вулканизма, Толмачева Дола, р-на влк.Бакенинг сходны друг с другом по петрографическим признакам и химическим особенностям вне зависимости от положения относительно современных геодинамических структур.

2) В пределах Срединного Хребта ареальные вулканиты проявлены гораздо более широко, чем в пределах ВВФ. На Южной Камчатке ареальные вулканиты также более распространены, чем в ВВФ.

3) Все ареальные вулканиты обогащены калием и титаном, а также ниобием и легкими REE по сравнению с <типично островодужными> сериями.

4) В ареальных вулканитах Срединного Хребта обильны ксенолиты пироксенитов, но не обнаружено ни одного ксенолита перидотитов.

5) Большинство ареальных вулканитов Срединного Хребта слабодифференцированы, обычны скелетные формы кристаллизации ликвидусных фаз, однако в них не встречено высокомагнезиальных оливинов, которые могли бы отражать равновесие с мантийным веществом.

Экспериментально показано,.что пироксениты могут плавиться при температурах около 1250^oС даже в сухих условиях при давлении, соответствующем низам островодужной коры [Kosigo, Hirshmann, 2001]. Определенные нами и скорректированные для давлений 8-16 кбар температуры родоначальных магм ареальных базальтов Срединного Хребта Камчатки лежат в диапазоне 1240-1280^oС (табл.2).

На рис.6 хорошо видно, что расплавы, образующиеся при небольших степенях плавления (5-20%) пироксенитов имеют температуры, отвечающие температурам, полученным для природных образцов. При этих степенях плавления полученные экспериментально выплавки хорошо соответствуют природным расплавам по всем петрогенным компонентам. Кроме этого, составы наиболее ранних вкрапленников оливинов и пироксенов ареальных базальтов согласуются с теми же степенями плавления пироксенитов по данным [Kosigo,Hirshmann,.2001].

На рис.7 показаны характерные спектры распределений редких и рассеянных элементов в высокомагнезиальных базальтах примитивных островных дуг, низкокалиевых базальтах развитых островных дуг и в умереннокалиевых высоко-титанистых базальтах ареальных полей вулканизма. Хорошо видно, что низкокалиевые серии развитых островных дуг обеднены по многим компонентам по сравнению с базальтами примитивных островных дуг. При этом, умереннокалиевые высоко-титанистые базальты областей ареального вулканизма обогащены этими же компонентами (кроме B, Pb, Cl, H₂O). Такие соотношения можно объяснить комплиментарностью субстрата плавления низкокалиевых и умереннокалиевых базальтов относительно базальтов примитивных островных дуг.

Автором предполагается, что возможным объяснением всех вышеизложенных особенностей состава ареальных вулканитов является вовлечение в область плавления немантийного источника. Выше было показано, что низкокалиевые базальты развитых островных дуг могут образовываться за счет плавления амфиболитов, слагающих основание островодужной коры и представляющих собой метаморфизованные вулканиты стадии примитивной островной дуги. При этом, происходит образование низкокалиевых магм, характеризующихся также низкими содержаниями титана, ниобия (ниже уровня MORB) и легких REE. Если в качестве субстрата плавления рассматривать примитивную островодужную кору, метаморфизованную в амфиболитовой фации метаморфизма, то в результате в нижней части островодужной коры должны накапливаться породы комплиментарные по химизму образующимся расплавам. Это могут быть амфиболовые пироксениты, в которых амфибол (и, в меньшей степени, пироксен) концентрируют вышеназванные элементы. Такие пироксениты описаны в низах островодужных разрезов большинства палеодуг [Kelemen et al., 2003] и фиксируются в виде ксенолитов в современных островодужных лавах. При развитии островной дуги эти породы могут вовлекаться в область магмогенерации за счет деламинации блоков коры в мантию [Kelemen et al., 2003] или за счет эрозии нижних частей островодужной коры восходящими мантийными потоками.

Таким образом, магмы умереннокалиевой высоко-титанистой серии, характерные для тыловых частей развитых островных дуг, могут формироваться за счет плавления пироксенитов при давлении 8-16 кбар, температуре 1230-1280^oC и степени плавления 5-20%. Комплиментарность спектров рассеянных элементов низкокалиевым базальтам активного вулканического фронта показывает возможность образования амфиболовых пироксенитов как реститов после выплавления магм активного вулканического фронта. Повышенные содержания калия, титана, ниобия и легких РЗЭ объясняются низкими степенями плавления и накоплением этих элементов в амфибол-содержащем рестите.