Миронов Никита Леонардович
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
|
содержание |
Актуальность темы исследования
Одной из главных геодинамических обстановок проявления вулканизма на Земле являются конвергентные границы литосферных плит, на которых происходит субдукция океанической плиты в мантию. В этой обстановке происходит образование новой коры, по составу приближающейся к континентальной, и процессы фундаментального преобразования океанической плиты в условиях высоких температур и давлений в мантии Земли. Ключевой задачей исследований вулканизма конвергентных границ литосферных плит, который проявлен в островных дугах и активных континентальных окраинах, является реконструкция всего пути эволюции магм от момента образования до извержения на поверхность Земли. Несмотря на значительные усилия, направленные на комплексное решение этой проблемы методами петрологии и геохимии, многие вопросы остаются недостаточно освещенными. Особенно дискуссионными остаются состав и источники родоначальных островодужных магм [Соболев и др., 1993; Stolper, Newman, 1994; Kelemen et al., 2003; Portnyagin et al., 2007a], ранние этапы фракционирования магм в коре [Pichavant et al., 2002; 2007], значение коровой ассимиляции в эволюции примитивных магм [Danyushevsky et al., 2004; Reubi, Blundy, 2008], флюидный и окислительно-восстановительный режимы дифференциации магм [Sobolev, Chaussidon, 1996; Wallace, 2005; Rowe et al., 2009].
В данной работе была поставлена задача реконструкции всего пути эволюции островодужных магм с момента зарождения в мантии до извержения на поверхность для одного вулканического центра - вулкана Ключевской на Камчатке. В основу работы положено детальное изучение магматических включений в минералах, сохранивших информацию о различных этапах эволюции магм и значительных вариациях составов расплавов, существовавших в природе. На основе полученных данных была создана модель эволюции магм Ключевского вулкана, согласованная с геофизическими данными. Проведенное исследование служит фундаментальным вкладом в понимание комплексных процессов магматизма конвергентных границ литосферных плит.
Цель работы.
Цель настоящей работы состояла в решении следующих вопросов:
1. Развитие и совершенствование методики изучения магматических включений в минералах для решения петрологических задач в областях надсубдукционного магматизма.
2. Оценка состава родоначальных расплавов Ключевского вулкана и реконструкция составов и условий плавления их мантийных источников.
3. Выяснение происхождения микроэлементных и изотопных вариаций составов родоначальных магм Ключевского вулкана.
4. Определение физико-химических условий кристаллизации родоначальных расплавов и их изменения в процессе эволюции магм вплоть до момента вулканического извержения.
5. Построение согласованной с геофизическими данными петролого-геохимической модели образования и эволюции магм Ключевского вулкана.
Научная новизна
1. Установлены значительные вариации содержаний петрогенных элементов и элементов-примесей в расплавах Ключевского вулкана, значительно превышающие вариации составов пород и свидетельствующие о большой гетерогенности составов исходных магм вулкана и об их эффективном смешении до извержения на поверхность.
2. Показано, что образование исходных магм Ключевского вулкана происходит в результате плавления литологически гетерогенного мантийного источника под воздействием H2O-CO2-содержащего флюида, обогащенного также рядом микроэлементов (напр., K, Ba, Cl, B, Pb).
3. Продемонстрировано, что примитивные расплавы Ключевского вулкана характеризуются большим интервалом содержаний несовместимых элементов-примесей и изотопного состава кислорода, что может объясняться взаимодействием исходных деплетированных мантийных магм с метасоматизированной литосферной мантией.
4. На основе прямых данных о составе расплавов проведена количественная оценка физико-химических условий декомпрессионной фракционной кристаллизации магм Ключевского вулкана. Показано, что при подъеме магм к поверхности происходит увеличение параметра dF/dP, отражающего степень кристаллизации при уменьшении давления. Заключительные этапы кристаллизации происходят в практически изотермических условиях в режиме интенсивной дегазации расплавов.
5. Проведена оценка флюидного режима (H2O, CO2, S, Cl, F) образования и эволюции магм Ключевского вулкана. Показано, что эволюция магм сопровождается дегазацией летучих компонентов на всех этапах фракционирования. Ранняя флюидная фаза характеризуется водно-сульфатно-карбонатным составом. Заключительные этапы фракционирования сопровождаются отделением преимущественно водного флюида. Частичное отделение хлора из расплава во флюидную фазу происходит в течение всего интервала кристаллизации. Оценено, что эмиссия летучих компонентов в результате активности Ключевского вулкана может составлять до 1.5 % от средней ежегодной эмиссии летучих всеми островодужными вулканами Земли.
6. Построена согласованная с геофизическими данными петролого-геохимическая модель происхождения и эволюции магм Ключевского вулкана.
Практическая ценность
Работа является фундаментальным вкладом в решение основных вопросов надсубдукционного магматизма, включающих количественную оценку состава магм и их источников, оценку физико-химических условий образования и эволюции родоначальных магм, происхождение островодужных вулканических серий, а также строение магматических питающих систем под вулканами.
Разработан комплекс методов для оценки состава, условий образования и кристаллизации родоначальных островодужных магм и их источников.
Оценена эмиссия летучих компонентов в результате деятельности Ключевского вулкана, которая может быть использована в масс-балансовых расчетах рециклинга вещества, происходящего на конвергентных границах литосферных плит и для оценки воздействия вулканизма на климат.
Фактический материал
В основу работы положен фактический материал, полученный в результате исследования коллекции пород Ключевского вулкана, собранной в различные годы и предоставленный автору А.А. Арискиным, Г. Вернером, Ф. Дорендорфом, П.Ю. Плечовым, В.В. Пономаревой, А.Ю. Озеровым и С.А. Хубуная. Для изученных образцов были исследованы шлифы, прозрачно-полированные пластинки и мономинеральные фракции, также было приготовлено около 30 препаратов для оптического и аналитического исследования минералов и включений в них. В ходе работы было проведено около 200 термометрических экспериментов с оптическим контролем с расплавными включениями в минералах.
В работе использовались следующие методы валового и локального количественного химического анализа: рентгено-флюоресцентный анализ (петрогенные и редкие элементы в породах - 17 анализов); электронно-зондовый анализ (петрогенные элементы, Cl и S в расплавных включениях - около 400 и минералах - около 2000 анализов), вторично-ионная масс-спектрометрия (редкие элементы, F и H2О в стеклах расплавных включений - около 110 анализов), CO2 лазерная флюоринация (изотопный состав кислорода δ18O в оливине - 20 анализов).
При обработке и систематизации фактического материала использовались доступные литературные данные и неопубликованные материалы (Плечов П.Ю.) по составу пород, минералов и включений в минералах Ключевского вулкана. В ходе работы была создана база данных, насчитывающая более 3000 анализов петрогенных и редких элементов в породах, минералах и расплавных включениях Ключевского вулкана.
Личный вклад автора
1) Подготовка каменного материала для изготовления шлифов и проведения различного вида анализов, отбор мономинеральных фракций, изготовление прозрачно-полированных препаратов для микрозондового и экспериментального изучения. 2) Оптическое изучение петрографии и минералогии объекта исследования, диагностика и классификация магматических включений. 3) Проведение экспериментальных исследований расплавных включений в минералах. 4) Совершенствование методики изучения расплавных включений. 5) Проведение электронно- и ионно-зондовых анализов расплавных включений и минералов. 6) Оценка условий кристаллизации расплавов и моделирование магматических процессов. 7) Участие в создании базы данных составов пород, минералов и расплавных включений Ключевского вулкана. 8) Анализ, систематизация и обобщение полученных результатов, сравнение их с литературными данными.
Апробация работы
По теме работы автором опубликовано 6 статей в международных и российских рецензируемых изданиях (Contributions to Mineralogy and Petrology, Earth and Planetary Science Letters, Петрология, Геохимия).
Результаты исследований по теме диссертации представлены в 20 опубликованных тезисах докладов и докладывались автором на "Семинарах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии" (Москва, ГЕОХИ РАН, 2000, 2002, 2003 г.), 14-м Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, ИЭМ РАН, 2001 г.), совместном международном Конгрессе Европейского Геофизического Союза, Американского Геофизического Союза и Европейского Союза по Наукам о Земле (EGU-AGU-EUG joint Assembly, Ницца, Франция, 2003 г.), Рабочем совещании по теме <Включения в минералах и процессы в мантии Земли> (Рингберг, Германия, 2005 г.), Генеральной ассамблее IAVCEI 2008 (Международной Ассоциации Вулканологии и Химии Недр Земли) (Рейкьявик, Исландия, 2008 г.) и 13-й международной конференции по термобарогеохимии и IV симпозиуме APIFIS (Москва, ИГЕМ РАН, 2008 г.).
Структура и объем работы
Работа состоит из 4 разделов, включающих 9 глав. Первый вводный раздел включает введение (Глава 1) и результаты предыдущих работ с постановкой задачи исследования (Глава 2). Во втором разделе рассматриваются методы исследования (Глава 3) и фактический материал (Главы 4-6), включающий объект исследования, каменный материал, описание петрографии, минералогии и петрохимии пород вулкана, характеристику типов магматических включений и состав расплавных включений в оливине. Третий раздел посвящен обсуждению полученных результатов и касается вопросов о происхождении, составе родоначальных магм Ключевского вулкана (Глава 7), их эволюции и условиям кристаллизации (Глава 8). В четвертом заключительном разделе приведена петролого-геохимическая модель происхождения и эволюции магм Ключевского вулкана (Глава 9). Главы 3-8 завершаются выводами. В конце работы приведен список литературы, список опубликованных работ по теме диссертации, список рисунков и таблиц. Приложение к диссертационной работе включает фотографии шлифов и включений с кратким описанием, таблицы с составами минералов, кристаллических и расплавных включений.
Текстовой и иллюстративный материал изложен на 325 страницах (255 - основной текст, 70 - приложение) и включает 132 рисунка, 8 фотографий, 34 таблицы в основном тексте и 71 фотографию и 6 таблиц в приложении; список литературы включает 203 наименования.
Благодарности
Автор выражает благодарность научному руководителю Максиму Владимировичу Портнягину за руководство работой, создание условий для ее проведения, терпение, поддержку и внимание. При работе над диссертацией автор постоянно чувствовал заботу и поддержку коллег по лаборатории геохимии магматических и метаморфических пород, в том числе зав. лабораторией чл.-корр. РАН А.В. Соболева, которым автор приносит свою искреннюю благодарность. Автор также выражает признательность и другим сотрудникам ГЕОХИ РАН: В.Б. Наумову за помощь в исследовании флюидных включений, консультации и интерес к работе и А.А. Арискину за обсуждение материала диссертации и ценные советы.
Работа посвящена светлой памяти Л.В. Дмитриева.
Автор благодарит П.Ю. Плечова за руководство работой на начальном этапе, а также выражает признательность всем преподавателям кафедры петрологии геологического факультета МГУ и ее заведующему проф. Л.Л. Перчуку за учебные годы студенчества и аспирантуры.
Выражаю признательность В.В. Пономаревой за открытие красоты Камчатского вулканического края и С.А. Хубуная за замечательные совместные поля, а также другим камчатским коллегам за неизменно теплое общение: Г.П. Авдейко, А.Б. Белоусову, О.В. Дирксену, И.В. Мелекесцеву, М.М. Певзнер, Д.П. Савельеву, А.Ю. Озерову, О.А. Хлебородовой, Т.Г. Чуриковой и многим другим.
Большую помощь в работе оказал С.Г. Симакин, выполнивший многочисленное количество высококачественных ионнозондовых анализов. Выражаю признательность Н.Н. Кононковой за помощь в электроннозондовых исследованиях. Автор также благодарен И. Биндеману за высококачественный изотопный анализ кислорода в оливинах.
Работа выполнена в рамках проектов РФФИ (N 00-05-64384, 03-05-64629, 07-05-00807).
|
