Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия

Связь вулканизма с эволюцией островных дуг (обоснование третьего защищаемого положения).

В данной работе предлагается для обсуждения геодинамическая модель развития островодужной системы, которая удовлетворительно объясняет вышеизложенную специфику проявления различных островодужных серий, связывая изменение характера вулканизма в различных зонах островной дуги с вовлечением дополнительных источников магмогенерации по мере эволюции островодужной системы. На рис. 8 представлена упрощенная схема, демонстрирующая различные этапы развития островодужной системы.

Ключевыми аспектами проблемы являются проявления типовых островодужных серий в различных зонах островодужной системы и на различных этапах ее развития. В работе выделяется несколько стадий развития островодужной системы, каждая из которых характеризуется собственной формацией вулканических пород.

Для примитивных островных дуг характерны слабо дифференцированные вулканиты базальтового и андезибазальтового состава с высокомагнезиальным оливином (Fo90-94) во вкрапленниках. Породы имеют ярко выраженную островодужную геохимическую специфику, которая выражается в обогащении легкими РЗЭ относительно тяжелых РЗЭ, отрицательными аномалиями содержаний высокозарядных элементов (Nb,Ta), ярко выраженными положительными аномалиями Sr и Pb относительно РЗЭ в нормализованных к составу мантии или MORB спектрах микроэлементов. Кислые вулканиты, андезиты и щелочные серии на примитивных дугах практически отсутствуют.

Переход к развитым островным дугам, формирующимся на фундаменте сложенном продуктами магматизма примитивных островных дуг, характеризуется в первую очередь увеличением роли кислого вулканизма и образованием крупных кальдерных структур. При этом происходит формирование вулканического фронта, представленного преимущественно андезитовыми вулканами. Этот этап часто сопровождается крупными тектоническими поднятиями, что фиксируется на многих островных дугах в формировании двух и более структурных этажей. На данном этапе в пределах вулканического фронта преобладают низкокалиевые вулканические серии, отличающиеся от низкокалиевых вулканитов примитивных островных дуг следующими особенностями. Во-первых, слабо дифференцированные разности представлены низкомагнезиальными андезибазальтами и, реже, базальтами с наиболее ранним оливином Fo79-82. Высокомагнезиальные базальты, которые могут встречаться в этих же зонах, как правило, относятся к умеренно-калиевым сериям, т.е. не могут являться родоначальными магмами для низкокалиевых серий. Геохимия магм вулканического фронта развитых островных дуг отличается как от высокомагнезиальных базальтов примитивных островных дуг, так и от высокомагнезиальных базальтов развитых островных дуг обедненными по отношению к MORB спектрами в области легких REE. Отрицательная аномалия высокозарядных элементов более выражена, чем в базальтах примитивных островных дуг. Содержания Nb и Та даже ниже содержаний в MORB.

В данной работе выделяется стадия зрелой островной дуги, которая характеризуется наряду с сохранением вулканизма развитой островной дуги проявлением субщелочных и щелочных вулканитов, основная локализация которых наблюдается в тыловых частях островодужной системы в пределах отмирающего вулканического фронта предыдущего этапа развития островодужной системы или в пределах крупных поперечных тектонических нарушений. На примере Камчатки и Японии показано, что зональное изменение состава в пространстве вулканитов этих серий относительно существующей на данной момент зоны субдукции практически отсутствует. Классическая зональность островных дуг по щелочности вулканитов, выделенная японскими геологами в середине прошлого века, проявляется в только количественном распределении низкокалиевых, субщелочных и щелочных вулканитов в пределах зрелых островных дуг. Геохимия субщелочных и щелочных островодужных серий заметно отличается от геохимии низкокалиевых вулканитов. В первую очередь, в субщелочных и щелочных вулканитах слабо выражен или даже отсутствует минимум содержаний высокозарядных элементов, калия и легких редкоземельных элементов.

Для зрелых островных дуг (Камчатка, Япония, Малые Антилы и т.д.) характерно двучленное строение, при котором тыловая дуга представляет собой отмирающий вулканический фронт предыдущего этапа островодужной активности. Современная активность тыловой дуги связана с проявлениями кислого, субщелочного и щелочного вулканизма. Между фронтальной и тыловой дугами существует режим растяжения, что обуславливает заложение рифтовых островодужных структур и, при их развитии, образование задугового бассейна и зон рассеянного спрединга.

На стадии примитивной островной дуги доминирует один источник магмогенерации, связанный с плавлением мантийного клина под воздействием флюида, отделяющегося от субдуцированной океанической плиты. При этом образуются магнезиальные низкокалиевые базальты, с ярко выраженной островодужной геохимической спецификой за счет привнесения легкомобильных компонентов флюидом из субдуцированной плиты. Содержания высокозарядных элементов остаются на уровне MORB (которые образуются за счет декомпрессионного плавления из сходной по составу мантии).

По мере эволюции островной дуги постепенно увеличивается мощность островодужной коры, что приводит к возможности дифференциации магм при их подъеме. Островодужная кора примитивных островных дуг сложена преимущественно вулканогенным материалом, который легко подвергается метаморфизму фации зеленых сланцев. Глобальный масштаб низкотемпературного метаморфизма островодужных вулканитов демонстрируется тем, что практически все вулканические породы старше нескольких млн. лет частично или полностью метаморфизованы. Особенно быстро зеленые сланцы развиваются в подводных условиях, характерных для примитивных островных дуг. По мере формирования островодужной коры и накоплению вулканитов, нижние части коры подвергаются метаморфизму амфиболитовой фации. Таким образом, островодужная кора в момент перехода от стадии примитивной островной дуги к стадии развитой островной дуги, сложена не базальтами, а метаморфизованными в зеленосланцевой и амфиболитовой фациях породами.

Переход от стадии примитивной дуги к стадии развитой дуги характеризуется появлением большого объема кислых вулканитов и андезитов. Этот переход объясняется появлением новой области магмогенерации за счет частичного плавления островодужной коры [Tamura,Tatsumi,2002; Petford,Gallagher,2001; Dufek,Bergantz,2005]. При частичном плавлении зеленых сланцев образуются кислые расплавы [Montel,Vielzeuf,1997]. При частичном плавлении амфиболитов при низких давлениях также образуются кислые расплавы [Beard,Lofgren,1991; Johannes,Holtz,1996; Borg,Clynne,1998; Nakajima,Arima,1998; Lupulesku,Watson,1999] или амфиболиты подвергаются гранитизации [Selbekk et al.,2002]. Эксперименты [Rapp,Watson,1995; Gardien et al.,2000] и численное моделирование [Kimura et al.,2002] показали, что в водонасыщенной системе при давлениях 8-10 кбар, соответствующих низам островодужной коры развитых островных дуг возможно плавление амфиболитов с образованием андезибазальтовых и даже базальтовых (при больших степенях плавления) расплавов. При этом, амфибол остается в рестите от плавления. Если, в качестве субстрата выступают амфиболиты, которые по химическому составу соответствуют магнезиальным базальтам примитивных островных дуг то, отношения радиогенных изотопов будут полностью наследоваться от этих базальтов. Образующиеся расплавы будут существенно менее магнезиальны, чем исходный субстрат. Кроме этого, наличие амфибола в рестите связывает существенную часть легких REE, Nb, Ti и калия. Таким образом, при плавлении вещества примитивных островных дуг в условиях низов мощной островодужной коры появляются магмы, обладающие всеми специфическими чертами, отмеченными выше для низкокалиевых серий вулканических фронтов развитых островных дуг.

Вполне вероятны случаи, при которых магмогенерация происходит одновременно на нескольких уровнях островодужной системы: 1) в мантии, за счет привнесенного флюида продолжают образовываться магнезиальные низкокалиевые базальты 2) в нижних частях островодужной коры происходит плавление амфиболитов с образованием низкокалиевых магм 3) в средних и верхних частях островодужной коры происходит генерация кислых магм. Поднимающиеся магмы из различных источников могут взаимодействовать друг с другом на уровне промежуточных очагов и изливаться в одних и тех вулканических центрах, образуя гибридные породы. Поэтому, четкое разделение вулканитов по типам магмогенерации возможно не для всех вулканических центров.

В предлагаемой модели переход от стадии развитой островной дуги к зрелой островной дуге связывается с перескоком зоны субдукции по направлению к океану. Такой перескок характерен для подавляющего большинства известных островных дуг и обуславливает их двучленное строение. Фронтальная дуга начинает формироваться по сценарию, описанному выше, тогда как бывший вулканический фронт, оказавшийся в тыловой зоне претерпевает дальнейшую эволюцию. Поскольку поток флюида из субдуцированной плиты прекращается, останавливается генерация мантийных расплавов и плавление островодужной коры. На этой стадии вулканическая деятельность практически прекращается и может носить только реликтовый характер. Строение этой зоны островодужной системы характеризуется дифференцированными частично метаморфизованными вулканитами в верхних структурных ярусах и породами, оставшимися от частичного плавления островодужной коры в нижних структурных ярусах. Как было рассмотрено выше, плавление в условиях низов островодужной коры может приводить к накоплению амфибола в рестите, что при условии частичной дегидратации и дальнейшего метаморфизма приводит к образованию пироксенитов, или амфиболовых пироксенитов. [Kelemen et al., 2003] показали на основе масс-баланса островодужной системы и детально изученных разрезов палеодуги Талкитна (Аляска), что для низов островодужной коры характерно присутствие пироксенитов. Если эти пироксениты образовались как реститы при генерации низкокалиевых серий вулканического фронта, то они по составу должны быть комплиментарны этим сериям и обогащены калием, титаном, ниобием и легкими REE по сравнению с первоначальными амфиболитами, отвечавшими по составу островодужным базальтам примитивных островных дуг. [Jull,Kelemen, 2001] показали, что в условиях нижней части островодужной коры пироксениты будут тяжелее, чем подстилающая их мантия при достижении некоторой критической мощности островодужной коры, что приводит к их гравитационной нестабильности. Можно предположить, что стадия отмирающего вулканического фронта, на которой островодужная кора перестает подпитываться мантийными расплавами и флюидопотоками, является идеальной для создания условий, при которых происходит деламинация (по Kelemen et al.,2003) основной части пироксенитов нижней части островодужной коры. При этом, погружение блоков пироксенитов и амфиболовых пироксенитов в мантию должно вызывать формирование расплавов как за счет частичного плавления этих пироксенитов, так и за счет возмущений в мантии возникающих вследствие этого погружения. Таким образом, исходя из предложенной модели, в тыловой зоне островных дуг после перерыва в вулканической активности начинает формироваться новая область магмогенерации, связанная с деламинацией и дегидратацией пироксенитов и амфиболовых пироксенитов нижней части островодужной коры. Исходя из состава пироксенитов, рассмотренного выше, расплавы должны быть обогащены легкими REE, Nb, Ti, калием по сравнению с низкокалиевыми <типично островодужными> сериями. Такая геохимическая специфика как раз и характерна для субщелочных вулканитов, появляющихся на зрелой стадии развития островодужной системы. Вполне возможно, что теплового потока, создаваемого процессами деламинации и поднимающимися магмами, на некоторой стадии окажется достаточно, чтобы вызвать дополнительное плавление в средних и верхних частях островодужной коры, что может проявиться в появлении кислых магм. Если принять тезис о локализации и гибридизации расплавов из разных зон магмогенерации, рассмотренный выше, то эти кислые вулканиты также могут иметь субщелочную или даже щелочную специфику.

Таким образом, по мере эволюции дуги и развития зрелой островодужной системы к доминирующему на стадии примитивной островной дуги плавлению мантийного источника добавляются коровые источники магмогенерации. Специфика вулканических серий развитых островных дуг преимущественно определяется плавлением пород корового субстрата, таких как амфиболиты и амфиболовые пироксениты. Вследствие общей эволюции островодужной системы и последовательному смещению вулканического фронта навстречу субдуцирующей плите на зрелых островных дугах может возникать геохимическая зональность синхронного вулканизма в пределах двух различных по условиям магмогенерации зон.