Происхождение и эволюция магм Ключевского вулкана, Камчатка, по данным изучения расплавных включений в оливине

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Основными аналитическими методами работы являлись микрозондовый и ионнозондовый анализы. Электронный зонд (EPMA) использовался для анализа стекол расплавных включений и минералов на содержание петрогенных элементов (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P), а также S и Cl. Было проведено более 400 анализов стекол и более 2000 анализов минералов с помощью приборов: Camscan (МГУ), Camebax Microbeam (ГЕОХИ) - Россия; Cameca SX-50 (Мюнстер, Киль), Jeol-JXA8900 (Геттинген) - Германия. Ионный зонд (SIMS) использовался для анализа содержания элементов-примесей (Li, Be, B, K, Ti, Cr, Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Er, Yb, Hf, Pb, Th, U), F и H₂O. Было проанализировано более 110 стекол расплавных включений с помощью прибора Cameca-ims4f (Ярославский филиал ФТИАН, С.Г. Симакин). Детали методики изложены в работе [Соболев, 1996; Portnyagin et al., 2007a].

3.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАСПЛАВНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Гомогенизация раскристаллизованных расплавных включений (РВ) в оливине проводилась на малоинерционной высокотемпературной установке для микроскопических исследований системы Слуцкого-Соболева [Соболев, Слуцкий, 1984]. Эксперименты проводились в атмосфере высокочистого гелия при давлении 1 атм. Полная гомогенизация не была достигнута ни в одном из экспериментов. В большинстве опытов РВ закаливались после плавления последнего дочернего кристалла. Tемпература закалки составляла 1315-1075^oС. Во избежание возможных потерь воды из РВ при высоких температурах время выдержки при температурах выше 1050^oC составляло не более 10-12 минут. Всего было проведено 195 экспериментов в оливине Fo_92-76.

3.3 КОРРЕКЦИЯ СОСТАВОВ РАСПЛАВНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ

В работе использовались природнозакаленные и частично гомогенизированные в эксперименте РВ. Для восстановления исходного состава захваченных расплавов проводилась коррекция состава РВ до равновесия с оливином-хозяином. Главные элементы корректировались с помощью пакета прикладных программ [Danyushevsky et al., 2002] (для РВ в оливине Fo < 82) путем моделирования прямой или обратной кристаллизации оливина и [Danyushevsky et al., 2000] (для РВ в оливине Fo>82) с учетом процессов переуравновешивания включений и оливина (FeO_исх. = 8.5 мас.%, Fe²⁺/Fe³⁺ в расплаве - на основе зависимостей, оцененных по кристаллическим включениям хромистой шпинели в оливине). Расчеты проводились при P=1 атм для равновесия оливин-расплав по модели Форда [Ford et al., 1983]. Поправка на содержание несовместимых с оливином элементов для > 90% РВ составляла < 10 отн.% и вводилась пропорционально расчетному количеству оливина, необходимого для достижения равновесия с оливином-хозяином.

3.4 РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Для оценки давления кристаллизации было использовано 3 метода: (1) метод, основанный на сдвиге Ol-Cpx котектики с увеличением давления [Danyushevsky et al., 1996]; (2) метод, основанный на составе равновесной ассоциации Cpx+расплав [Putirka et al., 2003]; (3) термобарометрия флюидных включений CO₂ в Ol и Cpx. Первые два метода были дополнительно откалиброваны на основании данных 85 экспериментов из литературных источников по равновесию сосуществующих оливина и клинопироксена с расплавом при давлениях 1-20 кбар и содержании H₂O в расплаве 0.1-8.7 мас. % (недосыщенные Н₂О условия). Обе модели воспроизводят экспериментальные данные с точностью 3 кбар (Рис. 3-1).

Давление образования первичных расплавов в равновесии с перидотитовым веществом оценивалось по методике [Соболев и др., 1993; Арискин, Бармина, 2000].

Для оценки температур кристаллизации (Tкрист) использовались расчетные значения для равновесия оливин-расплав: T_крист = T_сухая - 39.69*(H₂O)^0.73 + 5*P [Almeev et al., 2007], где T_сухая - температура равновесия расплава с оливином при 1 атм [Ford et al., 1983], Н₂О - содержание воды в расплаве в мас.%; Р - давление кристаллизации в кбар (точность оценки Т_крист составляет 35 ^oC). Выбор модели влияния воды на T ликвидуса оливина и точность метода были протестированы на основе составов частично гомогенизированных РВ с измеренным содержанием воды (Рис. 3-2).

Рис. 3-1 Тестирование методов оценки давления кристаллизации на экспериментальных данных. Использованы данные экспериментальных работ 1994-2007 гг: [Baker et al., 1994; Hirose, Kawamoto, 1995; Kawamoto, 1996; Hirose, 1997; Gaetani, Grove, 1998; Gaetani et al. 2003; Moentener et al., 2001; Pichavant et al., 2002; Hesse, Grove, 2003; Parman, Grove, 2004; Schmidt et al., 2004; Feig et al., 2006; Medard et al., 2006; Pichavant, Macdonald, 2007].

Рис. 3-2 Тестирование моделей влияния воды в расплаве на температуру ликвидуса оливина. Расчетные и измеренные содержания воды в экспериментально гомогенизированных РВ. H2Oрасч. = (0.0252*dT)1.37 - [Almeev et al., 2007], H2O = (dT/74.4)2.84 - [Danyushevsky et al., 2001] и H2O = dT/17.5 [Арискин и др., 1995]. dT=Tсухая (Ford et al., 1983, P = 1 кб) - Tзакалки. Модель Альмеева и др. наилучшим образом воспроизводит концентрации воды.

Большая часть определений содержаний Н₂О в расплавах основана на данных прямых измерений методом ионного зонда. Для оценки содержания воды в расплавах, равновесных с оливином и плагиоклазом (Fo < 82), была также использована модель [Danyushevsky et al., 1996]. Эти расчетные значения хорошо соответствуют измеренным содержаниям в РВ (Рис. 6-2).

Оценка окислительно-восстановительных условий была основана на данных о составе сосуществующих с РВ включений Cr-шпинели в оливине [Ballhaus et al., 1991; Арискин, Николаев, 1995; Danyushevsky, Sobolev, 1996]. В качестве дополнительных методов использовались данные о соотношении Fe²⁺/Fe³⁺ в породах, оценки по зависимости Kd_Fe-Mg^{Ol-расплав} и D_V^{Ol-расплав} от fO₂ для природнозакаленных включений [Canil et al., 1997]. Полученные соотношения между Fe²⁺/Fe³⁺ в расплаве и составом оливина использовались в расчетах при коррекции состава РВ.

3.5 МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для моделирования процессов кристаллизации использовалось программы <Комагмат> версия 3.57 [Ariskin et al., 1993; 1999] и версия 2.1 [Danyushevsky et al., 2002]. Масс-балансовые расчеты, моделирование плавления мантии и оценки состава субдукционных компонентов проводились с помощью программ Mathcad и Excel [Portnyagin et al., 2007a].