Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия

Петрологические аспекты гибридизма кислых и основных магм в долгоживущих вулканических центрах (обоснование четвертого защищаемого положения).

Смешение магм в пределах островодужной системы проявляется в антидромных последовательностях извержений, синхронном извержении базальтов и гибридных пород, резорбции вкрапленников, сложной зональности минералов, неравновесных ассоциациях вкрапленников, возникновении реакционных кайм одних минералов вокруг других, обилию мафических включений, наличии контрастных групп расплавных включений [Фролова, Бурикова, 1997; Биндеман, 1995; Bacon, 1986; Murphy et al., 2000; Наумов и др., 1997; Eichelberger et al., 2006; Плечов и др. 2000; 2005, 2008; Трусов, Плечов, 2005].

Для вулкана Кизимен были изучены расплавные включения во вкрапленниках оливина, ортопироксена и плагиоклаза. Включения образуют две контрастные группы базальтового и риолитового состава (рис.10), тогда как валовые составы пород расположены между этими группами. Из этих соотношений следует, что практически все породы влк. Кизимен могут являться гибридными, образовавшимися за счет смешения базальтового и риолитового расплавов в различных пропорциях. Предлагается следующий механизм взаимодействия инъекций основной магмы с веществом приповерхностных очагов кислого состава [Плечов и др., 2008с]:

Инъекции основной магмы поднимаются и внедряются в приповерхностный очаг в виде даек [Murphy et al., 2000]. При попадании в вязкую среду кислых расплавов они продолжают подниматься вверх, постепенно деформируясь за счет сопротивления вязкой среды и возникающих конвекционных течений [Perugini et al., 2007]. При этом, происходит фрагментация внедряющейся магмы на глобули различного размера, распределяющиеся по объему магматического очага. При движении глобулей в вязкой среде возможен механический захват посторонних вкрапленников из вмещающей магмы. Базальтовая магма начинает кристаллизоваться вследствие резкого контраста температур. Эта кристаллизация носит преимущественно фракционный характер так как время кристаллизации мало по сравнению с временем, необходимым для переуравновешивания ранее кристаллизовавшихся вкрапленников. Окружающая магма прогревается за счет теплообмена с внедрившейся порцией базальтов и выделившейся теплотой при кристаллизации базальтовых глобулей.

Уравновешивание по температуре базальтовых глобулей с окружающим расплавом вызывает массовую кристаллизацию минералов из базальтового расплава. Количество и состав образующегося при этом остаточного расплава внутри глобулей будет являться преимущественно функцией температуры, к которой стремится магматическая система при термическом равновесии. Поскольку температура внутри и снаружи глобулей после уравновешивания одинакова, мы можем ожидать близкие по составу расплавы как внутри глобулей, так и в окружающей их магме. Время, в течение которого может существовать в неизменном виде остаточный расплав, ограничено только такими процессами, происходящими в очаге, как общее остывание магматической системы, вынос данного материала на поверхность в результате извержения или инъекции свежих порций магмы в магматический очаг.

После установления термического равновесия частично раскристаллизованные глобули, находящиеся в магматическом очаге в течение долгого времени, будут постепенно распадаться на отдельные кристаллы и гломеропорфировые сростки. Остаточный расплав из глобулей при этом процессе будет иметь возможность смешаться с матричным расплавом окружающей магмы. Фемические минералы (например, оливин) сформированные при кристаллизации базальтовой магмы реагируют с остаточным расплавом и полностью дезинтегрируются в течение 4-12 лет в зависимости от размера зерен [Coombs et al., 2004; Dirksen et al., 2006]. Пироксен может диффузионно переуравновешиваться с магмой примерно за эти же интервалы времени. Скорости диффузии CaAl - NaSi в плагиоклазе крайне низки, поэтому плагиоклазы зачастую сохраняют сложную зональность в течение всей жизни магматического очага.

Процесс взаимодействия базальтов и риолитов при подчиненном количестве базальтов проходит в несколько стадий. На первой стадии базальтовая магма кристаллизуется, формируя кристаллы и остаточный расплав. На второй стадии остаточный расплав смешивается с матричным расплавом вмещающей магмы, а кристаллы частично или полностью переуравновешиваются с этим же матричным расплавом. При новых инъекциях базальтов и прогреве магмы очага эти кристаллы могут частично или полностью растворяться, адаптируя состав матричного расплава к более высокой температуре.

Результаты численного моделирования эволюции базальтовых глобулей в кислом магматическом очаге для вулкана Кизимен с учетом кристаллизации базальтового расплава и теплообмена с окружающей магмой [Плечов и др., 2008с] показали, что время достижения теплового равновесия от радиуса капли и процента базальта в системе может быть описана выражением

где t - время в секундах, α - объёмная доля базальтов, R - радиус базальтовых капель в метрах, m и q - коэффициенты.

Для определенных параметров базальтовой и риолитовой магм вулкана Кизимен уравнение имеет вид t = 847558α^-0.577R² и, при размерах глобулей оцененных по размеру меланократовых включений 5-30 см и доли базальта, не превышающей 30%, время достижения термического равновесия лежит в пределах 2-101 часов с момента внедрения и фрагментации базальтовой магмы.

Реакционные каймы вокруг вкрапленников роговой обманки и оливина широко распространены в островодужных вулканитах. Они представляют собой незавершенные реакции распада вкрапленников и могут быть использованы для оценки условий и временных характеристик процессов, происходящих в магматическом очаге и при подъеме магмы к поверхности.

На примере реакционных кайм вокруг оливина и роговой обманки в продуктах извержения 8 различных островодужных вулканов было доказано, что все они подчиняются двум правилам:

а) Реакционные каймы образуются только на контакте с расплавом.

б) Во всех типах кайм наблюдается зональность относительно контакта с реликтами зерен (рис. 12,13).

Зональность может быть выражена структурно (уменьшение размеров зерен по направлению от роговой обманки к матриксу), по валовому составу кайм (рис.13) и по минеральному составу, слагающих кайму агрегатов.

3. Зональность кайм по минеральному составу.

В каймах <замещения> вулкана Безымянный отчетливо выделяются три зоны (Рис.14):

1 - Opx + Pl + Ti-Mag; 2 - Opx + Pl; 3 - Opx.

В каймах <растворения> зональность проявлена главным образом в составе зерен пироксена. Зональность кайм растворения с вулкана Унзен представлена зональными зернами пироксена с клинопироксеном в ядре и ортопироксеновой внешней зоной (Рис.14). В каймах <растворения> вулкана Сент Хеленс по составу зерен пироксена также выделяются три зоны (Рис.14): 1 - Cpx; 2 - Pig; 3 - Opx.

На примере кайм замещения в продуктах извержения 1956 г влк. Безымянный нами было продемонстрировано отсутствие зависимости мощности каймы от кристаллографического направления, в котором эта кайма развивается [Плечов и др., 2008a]. Мощности кайм измерялись на разных гранях с учетом ориентировки данного разреза относительно кристалла роговой обманки.

По экспериментальным данным [Плечов и др., 2008а] было установлено, что полное разложение роговой обманки происходит достаточно быстро даже в водонасыщенных условиях (первые сутки), если роговая обманка находится вне поля стабильности при температурах больше или равных 1000^oС. Редкие находки таких агрегатов разложения в природных образцах роговообманковых андезитов и дацитов свидетельствуют о том, что условия полной неустойчивости роговой обманки достигаются крайне редко.

Согласно нашим данным, полученным для вулканов Камчатки (Шивелуч, Кизимен, Безымянный), Японии (Унзен) и Каскадных гор (Сент-Хеленс) в природных условиях происходит формирование реакционных кайм, время образования которых оценивается от 4 до 50 дней.

Согласно предлагаемой модели, образование кайм опацитизации роговых обманок происходит за счет неравновесности с окружающим расплавом, возникающей при смешении магм или резком изменении физико-химических параметров. Процесс формирования каймы опацитизации проходит в два этапа.

1. Во время первого этапа роговая обманка стремится прийти в равновесие с окружающим расплавом путем диффузионного обмена компонентами. Факторами, контролирующим скорость протекания процесса являются градиенты концентраций компонентов и их коэффициенты диффузии в роговой обманке. Если равновесие достигается, то образование опацитовой каймы не происходит, а процесс переуравновешивания выражается в образовании зональной внешней каймы. Если в ходе переуравновешивания достигается предел стабильности роговой обманки, происходит разложение на полиминеральный агрегат и начало образования каймы.

2. Во время второго этапа происходит образование каймы в направлении центра зерна. Диффузионный обмен с расплавом осуществляется через зону вновь образованной каймы. Контролирующими факторами являются градиенты концентраций и скорость диффузии компонентов в кайме, которая зависит от геометрии каймы, ее структуры и коэффициентов диффузии компонентов в межинтерстициальном расплаве. В случае если реакция проходит до конца, то роговая обманка полностью замещается стабильным в новых условиях минеральным парагенезисом.

Данный двухстадийный механизм предлагается для образования кайм вокруг минералов переменного состава за счет реакции с окружающим расплавом. При этом, мощность каймы выражается как функция времени реакционного соотношения роговой обманки с окружающим расплавом:

где x - мощность каймы, t - время нахождения минерала в реакционном соотношении с окружающим расплавом, t₀ - <время покоя>, в течение которого образование каймы не происходит, D - коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость процесса.

где x - мощность каймы, t - время нахождения минерала в реакционном соотношении с окружающим расплавом, t₀ - <время покоя>, в течение которого образование каймы не происходит, D - коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость процесса.

<Время покоя> (t₀) отражает длительность первого этапа разложения и контролируется скоростью твердофазной диффузии в минерале. В экспериментах с оливином [Coombs, Gardner, 2004], обладающим высокими скоростями диффузии Fe и Mg, время t0 близко к нулю, а для роговой обманки может составлять несколько суток [Rutherford, Hill, 1993].

Коэффициент D характеризует скорость процесса контролирующего рост каймы. Экспериментально определенные коэффициенты D на два порядка больше, чем коэффициенты диффузии в роговой обманке, и с точностью до порядка совпадают со скоростями диффузии в расплаве. Было показано, что рост каймы опацитизации в роговых обманках контролируется диффузией в расплаве, заполняющем интерстициальное пространство каймы.

Время образования реакционных кайм вокруг роговых обманок в андезитах извержения 30 марта 1956 г. лежит в диапазоне 4-30 дней [Плечов и др., 2008а]. Время, оцененное по реакционным каймам вокруг оливина в продуктах извержения 2001-2004 гг. вулкана Шивелуч, лежит в диапазоне 13-50 дней [Dirksen et al.,2006]. Оцененные интервалы соответствуют времени прохождения реакций разложения с момента инъекции порций горячих базальтовых расплавов до закалки системы в момент извержения. Оценки времени имеют тот же порядок величин, что и теоретические оценки времени, требующегося для установления термического равновесия, проведенными нами для магматической системы вулкана Кизимен [Плечов др., 2008с]. Таким образом, можно заключить, что внедряющаяся в кислый приповерхностный очаг порция базальтовой магмы фрагментируется на отдельные глобули, которые распределяясь по некоторому объему очага, вызывают его прогрев в течение первых часов-суток после внедрения. Данный процесс приводит к возникновению гидродинамической нестабильности в области магматического очага и вызывает извержение вулкана в течение нескольких суток - первых месяцев после внедрения.