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

8. ЭВОЛЮЦИЯ РОДОНАЧАЛЬНЫХ МАГМ И УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

8.1 КРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ РОДОНАЧАЛЬНЫХ МАГМ

Характер накопления несовместимых элементов в расплавах с уменьшением магнезиальности показывает, что основным механизмом эволюции родоначальных расплавов являлась фракционная кристаллизация (Рис. 8-1).

Рис. 8-1 Соотношение между содержанием K2O в расплаве, составом оливина (Fo) и степенью фракционирования (F). Зависимость между содержанием K2O в расплаве и составом оливина Fo была использована для оценки степени фракционирования: F = [C(K2O)Foконечн. - C(K2O)Fo91] / C(K2O)Foконечн.; F = 1 - exp[-0.0448*(91-Fo)]

Закономерные изменения содержаний главных элементов (Рис. 6-1) и элементов-примесей в РВ, а также составы кристаллических включений позволили выделить 3 основных этапа кристаллизации: (1) Ol Cpx+Cr-Sp, Fo > 89, F < 0.09, #Mg^{расплав} > 67-68; (2) Ol+Cpx+Cr-Sp Opxtr, Fo_89-80, F = 0.09-0.39, #Mg^{расплав} = 67-50; (3) Ol+Pl+Cpx+Sp(Ti-Mt) Opx, Fo < 82-80, F > 0.39, #Mg^{расплав} < 50, где F -степень кристаллизации исходного расплава.

Кристаллизация родоначальных магм Ключевского вулкана начинается при давлении 10-12 кбар на глубине ~35-40 км, отвечающей сейсмической границе Мохо под вулканом [Балеста, 1981], при температуре 1250-1300^oС и fO₂ ~ΔNNO=0 (Рис. 8-2). Характер изменения P-T-F условий показывает, что ведущим механизмом эволюции магм вулкана является декомпрессионная фракционная кристаллизация. Градиент dT/dP значительно превосходит градиент адиабатического подъема магм (5 ^oС/кбар) и варьирует от 25 до 50^oС/кбар (Рис. 8-2 А). Кристаллизация и подъем магм Ключевского вулкана происходит при двух различных режимах (Рис. 8-2 Б). На глубине > 20 км (P>6 кбар) кристаллизация исходных расплавов всех типов пород вулкана происходит при постоянных скорости декомпрессии dP/dF ~0.33 (dF/dP ~3 %/кбар) и скорости остывания dT/dP =25^oC/кбар. Для МБ эти условия могут сохраняться до меньших глубин, предшествующих извержению. Подъем родоначальных расплавов ВГБ на глубине < 20 км существенно замедляется. Скорость декомпрессии снижается до 0.1-0.05 (dF/dP=10-20 %/кбар), а скорость остывания увеличивается до 35-50 ^oC/кбар, что свидетельствует о процессе накопления магм в верхней коре под вулканом. Образование высокоглиноземистых расплавов происходит в результате ~ 40 % фракционирования родоначальных магм Ключевского в интервале давлений 3-5 кбар (10-17 км), температуре 1000-1060^oС, ΔNNO=+1 и содержании воды до 5 мас.% (Рис. 8-2, Рис. 6-2). Заключительная стадия эволюции магм (40-60 % фракционирования) происходит при интенсивной дегазации воды из расплавов, что сопровождается кристаллизацией плагиоклаза, оливина, пироксена и рудной фазы при практически постоянной температуре или некотором ее повышении (1000-1100^oС) непосредственно до и во время извержения [Миронов и др., 2001].

Подтверждением ведущей роли декомпрессионной фракционной кристаллизации в эволюции магм Ключевского вулкана является также хорошее соответствие наблюдаемых трендов изменения содержаний главных элементов в РВ (Рис. 6-1) модельным трендам кристаллизации расплавов, полученных с учетом оцененных P-F-T-H2O-fO₂ условий в программе <Комагмат>.

А	Б
Рис. 8-2 P-T условия кристаллизации (А) и различные режимы фракционирования (Б) магм магнезиальных (МБ) и высокоглиноземистых базальтов (ВГБ) Ключевского вулкана Приведены усредненные значения (через 1 номер Fo) для расплавов со степенью кристаллизации F < 0.5 (Fo > 75), стандартные отклонения (1 сигма) показаны вертикальными и горизонтальными линиями. ВГ - высокоглиноземистый расплав - Fo81-77, Al2O3 >17 мас.%. Глубина в км рассчитана по соотношению 1 кб = 3.3 км. Границы для ВК (верхняя кора), НК (нижняя кора), М (граница Мохо) - по данным [Балеста, 1981; Горельчик и др., 2001; Озеров и др., 1997].

8.2 ЭМИССИЯ ЛЕТУЧИХ НА ПОВЕРХНОСТЬ.

Данные о содержании H₂O, CO₂, S, Cl и F в расплавах позволили оценить состав флюида на различных стадиях фракционирования родоначальных магм и количество летучих, поступающих на поверхность в результате деятельности Ключевского вулкана (Таблица 8-1). Валовый состав флюида хорошо соответствует среднему составу флюида для островодужного вулканизма Земли (Таблица 8-1, ср. 4 и 9). Он состоит на более чем 70 % из воды, 15-20 % составляет CO₂ и ~10 % приходится (в порядке убывания) на S, Cl и F. Состав флюида менялся при кристаллизации от углекислотно(>50%)-сульфатно-водного на ранней стадии фракционирования к существенно водному (> 90 %) на более позднем этапе эволюции (Таблица 8-1, ср. 5 и 6). Поступление летучих на поверхность в результате деятельности Ключевского вулкана превышает средние значения для островодужных вулканов Земли более чем в 10 раз, а его вклад в среднегодовой бюджет составляет до 1.5 % (Таблица 8-1, 10-11).

Таблица 8-1 Оценка состава флюида и эмиссии летучих в результате детяльности Ключевского вулкана (Кл) и сравнение с данными для островодужного вулканизма Земли (ОВЗ). Оценка проведена на основе отношений летучий/K2O (значения отношений: для H2O - 5.3, CO2 - 0.67-1.34, S - 0.31-0.5, Cl - 0.162, F - 0.0573) в исходных магмах Ключевского и общей массы K2O, поступающего на поверхность, с использованием следующих параметров вулкана: возраст 7000 лет, продуктивность 60 млн.т. в год, среднее содержание K2O в вулканическом материале 1 мас. %, диаметр вулкана - 40 км (значения 1-3). Также приведены составы флюида (нормированные к 100 %), оцененные на основе данных об исходном содержании летучих и поведении летучих при фракционировании (Рис. 6-2): валовый состав (4), состав <раннего> флюида (5) - для первых 35 % фракционирования и состав <позднего> флюида - для последующих заключительных 25 % фракционирования. Данные для ОВЗ (7-9) из работ [Sadofsky, Portnyagin et al., 2008; Wallace, 2005]. Кг/м/млн.лет - оценка, нормированная на протяженность островодужных систем (33 000 км). Содержание летучих в исходных магмах Ключевского вулкана в мас.%: H2O = 3.2, CO2 = 0.4 - 0.8, S = 0.17-0.25, Cl = 0.09, F = 0.034.

8.3 ОТЛИЧИЕ РАСПЛАВОВ И ПОРОД

Для объяснения наблюдаемого различия содержаний SiO₂, Al₂O₃ и CaO между породами и расплавами (Рис. 6-1) было рассмотрено 3 возможные причины: 1) участие локальных процессов ассимиляции или процессов внутри включений, приводящих к несоответствию составов расплавных включений составу расплавов макросистемы 2) переуравновешивание мантийных расплавов при их подъеме, приводящее к образованию магм состава ВМБ, 3) эффекты кристаллизации, смешения и кумуляции мафических вкрапленников на состав пород. Первые два варианта не объясняют различия РВ и пород, которые наблюдаются во всем интервале составов, от примитивных до дифференцированных. Наиболее вероятной причиной является последняя (Рис. 8-3). По этой схеме в смешении участвуют базальтовые и андезито-базальтовые расплавы. Источником последних могут быть магнезиальные магмы вулкана Безымянный, который вероятно имеет с Ключевским вулканом единую мантийную питающую систему [Озеров и др., 1997; Альмеев, 2005]. При смешении образуются расплавы, отвечающие составу умеренномагнезиальных пород Ключевского. Их дальнейшая кристаллизация приводит к образованию ВГБ, а процессы кумуляции Ol и Cpx в этих расплавах приводят к образованию наиболее магнезиальных пород - ВМБ Ключевского вулкана (Рис. 8-3). В процессах смешения не исключается участие и более кислых расплавов в верхнекоровых условиях, однако это требует дальнейшего фактического подтверждения.

Рис. 8-3 Роль процессов кристаллизации, смешения и кумуляции в происхождении отличий составов пород и РВ Ключевского вулкана Цифрами показаны ~ составы: 1 - средний состав расплава в равновесии с оливином Fo87-88, отражающий ~15 % фракционирования родоначальных магм Ключевского (до глубины ~20 км); 2 - состав основной массы (<транспортирующего> расплава) наиболее примитивных пород вулкана (<Булочка>) и средний состав расплавов образца b49 (=наиболее магнезиальной группе расплавных включений, отвечающих составам пород); в качестве андезито-базальтовой магмы нанесен средний состав магнезиальных (MgO > 4.9, #Mg52.5-57.5, SiO2 = 55-57) 2-Px андезито-базальтов вулкана Безымянный (тип Б-2 по [Альмеев, 2005]). Модельный тренд отвечает 60 % кристаллизации (Ol+Cpx - 40% и Ol+Pl - 20 %), рассчитанной в <Комагмате>; смешение (1-2) отвечает добавлению к базальтовому расплаву 55-60 % андезито-базальтовой магмы; кумуляция (2-ВМБ) отвечает добавлению в расплав (2) 10.5 % Ol и 11.5 % Cpx.