Н.Л. Миронов, М.В. Портнягин, П.Ю.Плечов, С.А. Хубуная "Заключительные этапы эволюции магм Ключевского вулкана (Камчатка) по данным изучения расплавных включений в минералах высокоглиноземитсых базальтов".

Обсуждение результатов.

Условия образования высокоглиноземистых магм Ключевского вулкана

Высокоглиноземистые базальты являются типом пород широко распространенным в современных и древних островных дугах (Tilley, 1950; Kuno, 1960). В центре дискуссии о генезисе этих пород остается вопрос о возможности непосредственного образования высокоглиноземистых базальтов в результате плавления мантии либо субдуцированного корового вещества (например, Brophy, Marsh, 1986) или их образования из более примитивных магм в результате процессов кристаллизационной дифференциации (например, Арискин и др., 1995), кумуляции плагиоклаза (Crawford et al., 1987) либо реакционного взаимодействия с окружающими породами (Kelemen, 1990). В этой работе нами не ставилась задача всестороннего обсуждения генезиса высокоглиноземистых базальтов, однако, полученные данные содержат ценную информацию об условиях их кристаллизации, которые должны учитываться в любой реалистичной модели образования этих магм.

Принципиальным результатом работы является находка высокоглиноземистых расплавов, захваченных в виде расплавных включений во вкрапленниках высокоглиноземистых базальтов. Это прямо свидетельствует о том, что образование базальтов связано с высокоглиноземистыми магматическими расплавами, а не с процессами кумуляции плагиоклаза, что предполагалось в ряде работ (например, Crawford et al., 1987). Высокоглиноземистые расплавы были обнаружены в относительно железистых оливинах Fo_76-79. Расплавы характеризуются низкими содержаниями MgO~5 мас.% и, напротив, высокими отношениями CaO/MgO~1.7. По этим признакам они отличаются от высокоглиноземистых продуктов частичного плавления мантии (Соболев и др., 1988; Kinzler, Grove, 1992) и от продуктов высокобарического фракционирования мафических базальтовых магм в “сухих” условиях (Draper, Johnston, 1992; Кадик и др., 1990). Наиболее адекватно составы высокоглиноземистых расплавов Ключевского вулкана отвечают составу продуктов фракционирования базальтовых магм в присутствии воды, приводящей к задержке кристаллизации плагиоклаза и образованию остаточных высокоглиноземистых жидкостей (Yoder, Tilley, 1962; Kay, Kay, 1985; Kersting, Arculus, 1994; Арискин и др., 1995). Оцененное в работе содержание воды в высокоглиноземистых расплавах Ключевского вулкана составляет 3-5 мас.%, температуры кристаллизации 1030-1145° С и давление ~1.5-2 кбар. Эти результаты полностью соответствуют экспериментальным оценкам работы (Sisson, Grove, 1993) и, вероятно, могут рассматриваться как характерные для островодужных высокоглиноземистых базальтов в целом. В рамках этой модели полученные оценки содержания H₂O в высокоглиноземистых магмах также хорошо согласуются с высокими исходными содержаниями воды в родоначальных высокомагнезиальных магмах Ключевского вулкана – 2-3 мас.% по данным (Sobolev, Chaussidon, 1996; Хубуная, Соболев, 1998).

Обобщенная модель эволюции магм Ключевского вулкана в результате полибарического фракционирования первичной высокомагнезиальной базальтовой магмы, предложенная в работе (Арискин и др., 1995), прогнозирует оценки содержаний воды в богатых глиноземом расплавах и ликвидусные температуры, в целом близкие к полученным в данной работе Различия наблюдаются в оценках давления кристаллизации магм. В работе (Арискин и др., 1995) предполагается кристаллизации высокоглиноземистых базальтов начиная с ~7 кбар, полученные нами оценки не превышают 5 кбар.

Кристаллизация плагиоклаза и роль дегазации на заключительных этапах эволюции магм Ключевского вулкана

Значительная часть расплавов, из которых кристаллизовались минералы-вкрапленники базальтов потока Апахончич, не находит аналогов среди пород Ключевского вулкана. На вариационных диаграммах (Рис.5) эти расплавы образуют широкое поле, не подчиненное единому тренду эволюции и располагающееся в области близких и пониженных относительно высокоглиноземистых базальтов содержаний MgO при более высоких концентрациях SiO₂, TiO₂, FeO, Na₂O и низких Al₂O₃. Важной особенностью является то, что подобные расплавы были установлены также и во вкрапленниках плагиоклаза, тогда как высокоглиноземистые расплавы обнаружены только в оливине и клинопироксене. Из этого наблюдения следует вывод, что образование низкоглиноземистых расплавов связано с появлением на ликвидусе магм плагиоклаза. Поскольку оцененные содержания воды в низкоглиноземистых расплавах сильно варьировали, появление плагиоклаза не могло быть связано с фиксированным моментом кристаллизации системы. Более вероятно, что в порциях расплавов с различным содержанием воды плагиоклаз появлялся на различных этапах фракционирования сиcтемы (при различных содержаниях MgO), что могло привести к наблюдаемым вариациям состава расплавов.

Простым объяснением вариаций Н₂О в низкомагнезиальных расплавах является существование различий в содержании H₂O в исходных примитивных магмах. Как показано на рис. 7а, 7б, диапазон вариаций составов низкоглиноземистых расплавов может быть объяснен вариациями содержаний H₂O в различных порциях исходной магмы от 3 до 0 мас.%. Однако, подобная модель противоречит целому ряду природных наблюдений. Так, имеющиеся данные указывают на стабильно высокое содержание H₂O в исходных магмах Ключевского вулкана, которое составляет не менее 2-2.5 мас.% (Sobolev, Chaussidon, 1996; Хубуная, Соболев, 1998). Признаков присутствия “сухих” примитивных расплавов в этих работах не установлено. В случае фракционирования магмы с исходным содержанием воды <1 мас.%, модель прогнозирует появление плагиоклаза на ликвидусе одновременно с оливином Fo_81-83 при содержании в расплаве MgO~6 мас.%. В образцах лав Ключевского вулкана наиболее ранний плагиоклаз установлен в более железистом оливине Fo_75-77 (Арискин и др., 1995). Наконец, такая модель не объясняет отсутствия на Ключевском вулкане пород, отвечающих по составу низкоглиноземистым расплавам.

Рис.7. Результаты моделирования трендов эволюции состава (мас.%) жидкой фазы при полибарическом фракционировании высокомагнезиального расплава. 1 – составы расплавов высокоглиноземистых базальтов потока Апахончич на основе данных о составах расплавных включений в минералах; содержание воды определено расчетными методами; 2 – модельные линии трендов изменения состава расплавов. Исходный состав показан большим обведенным кружком, в качестве которого был использован средний состав высокомагнезиального базальта (по Арискин и др., 1995). Вычисления проводились по модели КОМАГМАТ (Ariskin, 1999; Portnyagin et al., 1997) с шагом кристаллизации 1 мол.% в условиях буфера NNO. Параметр dP/dF характеризует изменение давления P при увеличении степени фракционирования расплава F на 1 мол.%. Результаты моделирования: (а), (б) - с различным исходным содержанием воды (от 0 до 3 мас.%) и постоянной скоростью декомпрессии dP/dF=-0.33 кбар/моль (начальное давление Рн = 18 кбар, конечное давление Рк = 1 атм.);

Рис.7б Модельные тренды, показывающие характер изменения содержания воды в зависимости от степени фракционирования расплава.

Альтернативной является модель, в которой исходные магмы имели высокое содержание H₂O, а вариации содержаний воды возникали на позднем этапе кристаллизации магматической системы в результате низкобарической дегазации расплавов. Реализацию подобного режима кристаллизации в природе можно представить следующим образом. На раннем этапе фракционирование системы протекает в высокобарических условиях (Р>2-3 кбар) в магматической камере или в процессе медленной декомпрессии (Арискин и др., 1995). При достижении определенного момента в эволюции системы стабильный (в отношении dP/dF) режим ее кристаллизации сменяется на быстрый подъем магм к поверхности. Магмы, испытывающие декомпрессию, быстро достигают уровня насыщения Н₂О и начинают терять ее во флюидную фазу. При дальнейшей декомпрессии расплавов содержание H₂O будет контролироваться главным образом давлением кристаллизации (например, Альмеев, Арискин, 1996). В зависимости от скорости декомпрессионной кристаллизации, которая может варьировать для различных порций магм, траектории кристаллизации расплавов будут также различны. Результаты численного моделирования данного процесса приведены на рис.7 в, 7г. Как видно из представленных данных, медленная декомпрессия (~0.3 кбар/моль) способна привести к образованию высокоглиноземистых расплавов с высоким содержанием H₂O. Напротив, быстрая декомпрессия (~0.6-0.8 кбар/моль) приводит к образованию практически “сухих” расплавов при том же уровне фракционирования. Таким образом, согласно этой модели кристаллизация плагиоклаза в высокоглиноземистых базальтах происходила в широком диапазоне Р_Н2О-Т условий и, вероятно, за весьма короткий промежуток времени. Интересно отметить, что быстрая кристаллизация, судя по всему, является фактом ничуть не противоречащим большим размерам образующихся вкрапленников. Сходный вывод об условиях кристаллизации мегакристов клинопироксена в лавах Алеутских островов был недавно сделан и в работе (Brophy, Marsh, 1999).

Рис.7в. Результаты моделирования трендов эволюции состава (мас.%) жидкой фазы при полибарическом фракционировании высокомагнезиального расплава. (в), (г) – 2-х этапная модель: 0-15 мол.% фракционирования – со скоростью декомпрессии -0.33 кбар/моль (Рн = 18 кбар, Рк = 13.1 кбар); от 15 мол.% и далее с различной скоростью декомпрессии dP/dF от -0.3 до -0.8 кбар/моль (Рн = 13.1 кбар, Рк = 1 атм.). На диаграмме линиями трендов показано   изменение содержание глинозема в расплавах в зависимости от степени фракционирования.

Рис.7г Линиями модельных трендов показано изменение содержания воды в зависимости от степени фракционирования расплавов.

Присутствие в высокоглиноземистых базальтах минералов, кристаллизовавшихся при различных скоростях декомпресии магм, может объясняться смешением магм непосредственно перед извержением. Возможно также, что различные порции магм извергались в различное время, формируя разные части потока. Выяснить это на основании имеющихся данных нам в настоящее время не удалось.

Реалистичность предложенной модели может быть обоснована рядом аргументов. Прежде всего, следует отметить совпадение исходных параметров модели по содержаниям H₂O в родоначальных магмах (Sobolev, Chaussidon, 1996; Хубуная, Соболев, 1998), хорошее соответствие природных и модельных составов расплавов и парагенезисов минералов высокоглиноземистых базальтов.

Массовое отделение флюида от расплава должно быть фактором, способствующим быстрому подъему порций магмы к поверхности вулкана и проявлению извержений эксплозивного типа. Последний факт находит безусловное подтверждение в вулканологических наблюдениях (Набоко, 1949).

Отсутствие пород, отвечающих по составу низкоглиноземистым расплавам, также находит простое объяснение в рамках предлагаемой модели. При кристаллизации минералов в ходе быстрого подъема магм к поверхности возможность отделения кристаллов от расплава путем флотации или гравитационного осаждения ограничена коротким временем протекания процесса. Состав изверженных пород будет в этом случае отвечать составу исходной магмы. Сами же лавы могут состоять из сильно дифференцированной основной массы и минералов-вкрапленников широкого спектра составов, кристаллизовавшихся в значительном интервале Р-Т-f_H2O условий. Эти особенности в полной мере относятся к высокоглиноземистым базальтам Ключевского вулкана.

Несмотря на приведенные выше доводы, предложенная модель не может считаться полностью количественной, поскольку не учитывает, что декомпрессия расплава, сопровождающаяся экзотермическими реакциями отделения флюида и кристаллизации минералов должна приводить к выделению свободной тепловой энергии. В условиях быстрого подъема магм, когда теплообмен с окружающими породами ограничен, это будет приводить к разогреву расплава и плавлению ранних кристаллических фаз. В связи с этим наиболее реалистичной была бы модель, учитывающая энергетические аспекты декомпрессионной кристаллизации. Количественная реализация такой модели является одной из задач наших будущих исследований.

Проблема образования расплавов, обогащенных SiO₂.

Кислые магмы, содержащие более 65 мас. % SiO₂, составляют небольшую долю продуктов вулканической деятельности на Камчатке. Среди пород Ключевского вулкана риолиты и дациты вообще отсутствуют. Однако по данным этой работы и работы (Плечов и др., 2000) кислые расплавы были найдены в виде расплавных включений в минералах высокоглиноземистых базальтов.

Кислые расплавы, установленые в виде включений в плагиоклазе An_83-62 и клинопироксене (Mg#_77-70), характеризуются высокими содержаниями SiO₂ (65-75 мас. %), K₂O (2.5-3.7 %), низкими содержаниями FeO, CaO и MgO, сильно варьирующими содержаниями Na₂O (2.5-5 мас. %), TiO₂ (0.45-1.6 мас.%), Al₂O₃ (12-16 мас. %). Наиболее кремнеземистые расплавы приближаются по составу к интерстициальным стеклам в основной массе базальтов потока Апахончич, однако отличаются пониженными содержаниями TiO₂ и K₂O (Рис.5).

Как было показано в работе (Наумов и др., 1997) присутствие кислых расплавов во вкрапленниках андезитов Камчатки и других регионов является типичным явлением. Однако, в настоящее время происхождение этих расплавов остается неясным. Были выдвинуты следующие гипотезы образования расплавных включений кислого состава:

1. Кислые расплавы являются продуктами глубокого фракционирования исходных базальтовых магм (Наумов и др., 1997);
2. Кислые расплавы образуются в результате ассимиляции вмещающих пород более основными магмами (Douce, 1995; Плечов и др., 2000);
3. Раскисление расплава происходит в процессе захвата включений минералами (Nakamura, Shimakita, 1998).

Рассмотрим подробнее эти гипотезы в применении к полученным в работе данным.

Глубокое фракционирование базальтовых магм Ключевского вулкана вероятно может приводить к образованию кислых расплавов, аналогичных по составу установленным во вкрапленниках плагиоклаза и клинопироксена. Проведенный расчет баланса масс показал, что для образования дацитовых расплавов во вкрапленниках пироксена (Рис.5) необходимо удаление из исходного высокоглиноземистого базальтового расплава 5.5 мас.% оливина (Fo₇₈), 14 мас.% клинопироксена (Mg#₇₇), 43.5 мас.% плагиоклаза (An_83-59) и 8.5 мас.% титаномагнетита. Степень фракционирования составляет 71.5 мас.%. Составы использованных в расчете минералов отвечают средним составам минералов-вкрапленников базальтов потока Апахончич, а их пропорции близки к реально наблюдаемым в породах. Низкая сумма квадратов невязок расчета (10^-4) также указывает на реальность этого процесса в природе. Аналогичный расчет, проведенный для наиболее кремнеземистых (SiO₂=73-75 мас.%) расплавов из вкрапленников плагиоклаза и того же исходного расплава, показал, что степень фракционирования в этом случае должна составлять более 80 мас.%, однако рассчитанный состав расплава оказывается значительно богаче реальных расплавов по содержанию K₂O. Это предполагает либо существование бедного K₂O исходного расплава, либо другой механизм образования риолитовых расплавов.

Альтернативным объяснением образования таких расплавов может быть частичное подплавление вмещающих пород в результате их взаимодействия с базальтовым расплавом (Douce, 1995; Толстых и др., 1999; Плечов и др., 2000). Эта гипотеза является очень привлекательной, поскольку позволяет объяснить особенности состава риолитовых расплавов спецификой состава ассимилированных пород. Однако, в настоящее время, прямые данные, подтверждающие эту модель, отсутствуют.

В порядке дискуссии о выявлении признаков ассимиляции в магмах отметим, что если фракционирующие расплавы ассимилировали материал древней гидротермально измененной коры, это могло приводить к существенному сдвигу изотопных отношений некоторых элементов (например, кислорода) в кислых расплавах и проявлению в них других необычных геохимических особенностей. Такие факты действительно установлены для расплавов, из которых кристаллизовались андезиты Ключевской группы вулканов (например, Толстых и др., 1999). Однако, если магмы Ключевского вулкана ассимилировали родственные им по составу породы (например, более древние высокоглиноземистые базальты), то выявление признаков ассимиляции может быть весьма проблематично, так как продукты первых степеней плавления базальтовых пород должны быть полностью идентичны продуктам глубокого фракционирования базальтовых магм при схожих Р-Т условиях.

Принципиально иной механизм образования кислых по составу расплавных включений был предложен в работе (Nakamura, Shimakita, 1998). Согласно экспериментальным данным этих авторов раскисление состава расплавных включений в плагиоклазах с образованием вокруг них кайм основного плагиоклаза может являться результатом определенных условий захвата включений. Такие условия возможны при попадании кристалла плагиоклаза в расплав, с которым равновесен плагиоклаз более основного состава. В пользу такой гипотезы образования риолитовых расплавных включений в плагиоклазах потока Апахончич свидетельствуют характерная морфология включений и присутствие кайм основного плагиоклаза секущих зональность минерала-хозяина (Рис.3е). Предположив, что матричный расплав имел дацитовый состав, повышенные содержания SiO₂ и пониженные содержания K₂O, TiO₂ в расплавных включениях, также находятся в соответствии с предполагаемыми трендами изменения состава включений по модели (Nakamura, Shimakita, 1998). Все это свидетельствует о высокой вероятности процессов раскисления расплавов при захвате включений вкрапленниками плагиоклаза потока Апахончич.

Таким образом, имеющиеся в настоящее время факты позволяют сделать вывод, что образование дацитовых расплавов могло быть связано с процессами кристаллизационной дифференциации исходных базальтовых магм. Происхождение более кислых расплавов наиболее вероятно связано с особенностями захвата плагиоклазом расплавных включений, хотя влияние процессов ассимиляции также не может быть исключено на данном этапе исследований.

вперед содержание назад