Современный вулканизм : прогноз, динамика, и связанные с ним процессы в недрах Земли и окружающей среде

 Материалы конференции молодых исследователей и специалистов
(Петропавловск-Камчатский, 22-23 ноября 2000 г.)

Одной из актуальных задач вулканологии является оценка физико-химических условий кристаллизации магм для прогноза вулканических извержений. Сейчас еще трудно судить с уверенностью о процессах , приводящих к мобилизации магмы в промежуточном магматическом очаге непосредственно перед извержением. Как показано в многочисленных работах 90-х годов свойства магматического расплава перед извержением могут сильно изменяться. Например, перегретая исходная магма может внедряться в более кислый промежуточный магматический очаг и спровоцировать извержение, как это интерпретировалось на многих андезитовых вулканах Пинатубо, Невадо-дель-Руис, Суртсей и др. Тут особенно интересно изучение продуктов наиболее высокотемпературных магнезиальных магм, внедрение которых в промежуточные очаги может спровоцировать вулканическое извержение. В тоже время продукты магнезиальных магм среди островодужных вулканитов достаточно редки. Уникальную возможность подобных исследований предоставляют магнезиальные базальты Ключевского вулкана.

Ключевская сопка является самым крупным и активным действующим вулканом в Евразии, его высота 4750 м. Средний расход магмы - 60 млн. т/год - составляет половину продуктов извержений всего Курило-Камчатского пояса. (Действующие вулканы,1991). Все извержения Ключевского вулкана представлены известково - щелочными высокоглиноземистыми и магнезиальными базальтами. При этом продукты рассматриваемого магнезиального вулканизма располагаются на сравнительно небольшой высоте, менее 1800м. В настоящей работе использованы материалы полученные одним из авторов при изучении магнезиальных базальтов Ключевского вулкана за последние 10 лет

В настоящем исследовании были использованы материалы опробования 30 побочных прорывов магнезиальных базальтов Ключевского вулкана (Хубуная и др., 1993), кроме того, были изучены оливины из базальтов геологического разреза вулкана Крестовского. В зависимости от петрографического разнообразия вулканитов были выполнены от 1 до 8 валовых химических анализов. На основе этих данных были рассчитаны средние химические составы магнезиальных базальтов побочных прорывов. Детальные минералогические исследования образцов магнезиальных базальтов были проведены из 8 наиболее характерных магнезиальных прорывов Ключевского вулкана. Из раздробленных образцов породы в бpомофоpме были выделены смешанные фракции оливинов и пироксенов, котоpые потом с помощью бинокуляpного микpоскопа были pазделены на монофpакции. Для базальтов самого магнезиального прорыва Булочка были выполнены наиболее детальные исследования; выделены монофракци фенокристаллов размером 1-2 мм, 0,5-1 мм и субфенокристаллов 0, 2-0,5 мм. Из базальтов всех остальных прорывов отбиралась только монофракция фенокристаллов размером 1-2 мм. И больше 2 мм. Эти особенности отбора минералов нашли отражение в статистике распределения магнезиальности фенокристаллов оливинов. Отобранные минералы помещались в "кампаунд", смесь состоящий из эпоксидной смолы и диметилфтолата и, после отвердения, полученные пpепаpаты пpиполиpовывались для pаботы на pентгеноспектpальном микpоанализатоpе CAMEBAX. В фенокристаллах оливинов были изучены химические составы твердофазных микровключений клинопироксенов и хромшпинелидов. Микролиты были изучены в полированных аншлифах. Таким обpазом были исследованы химические составы нескольких тысяч зерен оливинов, пироксенов и хромшпинелидов.

Как показано в работе (Хубуная и др,,1993), все разнообразие магнезиальных базальтов изученных побочных прорывов Ключевского вулкана представлено высокомагнезиальными (MgO=10-12 %,вес) клинопироксен-оливиновыми и магнезиальными (MgO=7-10 %,вес) клинопиpоксен - оливин-плагиоклазовыми породами. При этом, плагиоклаз в виде единичных кристаллов встречается и в высокомагнезиальных разностях пород. Несмотpя на pазные количественные соотношения поpодообpазующих минеpалов и химические составы поpод петpогpафические и минералогические особенности всех вулканитов близки. Наиболее характерной их чертой является порфировый облик, присутствие крупных (до 15 мм) гломеропорфировых моно- или полиминеральных сростков оливинов и клинопироксенов и единичных вкрапленников шпинели, размер которых может достигать 1 мм. При этом, во всех разностях пород количество фенокристаллов оливинов выше или равно количеству вкрапленников клинопироксеннов. В клинопироксен - оливиновых разностях пород преобладают отдельные крупные (до 2-4 мм) фенокристаллы и гломеропорфировые сростки оливинов и клинопироксенов. В оливин- клинопироксен - плагиоклазовых разностях крупные гломеропорфировые срастания оливинов и пироксенов встречаются реже, преобладают более мелкие (0,5-1 мм.) фенокристаллы оливинов, клинопироксенов и плагиоклазов. Ортопироксен среди вкрапленников всех пород встречается исключительно редко. Основная масса вулканитов состоит из микролитов плагиоклазов, клинопироксенов, оливинов и магнетита.

Оливин - наиболее распространенный минерал высокомагнезиальных базальтов; встречается среди фенокристаллов и микролитов основной массы породы. Количество фенокристаллов составляет от 5 до 15% от объема породы. Оливин представлен резко идиоморфными кристаллами с характерными очертаниями в виде шестиугольников и скошенных ромбов. Размеры фенокристаллов варьируют от 0,3 до 2 мм. Для крупных кристаллов оливина характерно чистое незональное или слабо зональное магнезиальное (Fo88-91,5)ядро окруженное тонкой железистой каемкой. Для более мелких кристаллов оливина характерна слабая прямая зональность. Наименее магнезиальными (Fo50) являются мелкие (5-10 ммк) микролиты гортнолитов. Анализ статистического распределения магнезиальности ( Fo= Mg x 100/ Mg+ Fe2+ ) фенокристаллов оливинов позволяет суммировать следующее. Характерной особенностью фенокристаллов оливинов является широкий диапазон их составов от Fo91,5 до Fo80 и присутствие высокомагнезиальных (Fo90-91) оливинов, которые могут быть равновесны с пикритовыми мантийными выплавками (Хубуная, Соболев,1998). Оливин образует сростки с клинопироксенами и изредка с хромшпинелидом. Среди микровключений в фенокристаллах оливина наиболее часто встречаются хромшпинелид и клинопироксен. Некоторые кристаллы оливина переполнены микровключениями хромшпинелида. Изредка среди микровключений встречается ортопироксен с магнезиальностью (Mg# 75). Следует подчеркнуть, что описываемые особенности химизма фенокристаллов оливинов и кристаллических микровключений в них можно наблюдать в ограниченном объеме лавового потока, в одном образце размером 10 Х20 (см).

В результате детальных исследований для обширной серии природных базальтовых расплавов было показано, что магнезиальность оливина на ликвидусе практически не зависит от температуры и давления кристаллизации расплава (например, Ford, 1983), поэтому в настоящем исследовании особое внимание было уделено окисленности железа в расплаве, которое существенным образом влияет на состав кристаллизующегося оливина. Как показали экспериментальные исследования К. и П. Мурелли наиболее чувствительным индикатором степени окисления железа в расплаве (Fe2/Fe3) является хромистая шпинель (Maurel, Maurel ,1982). Для выполнения поставленной задачи были выбpаны оливины всех магнезиальных базальтов конусов. Их состав охватывал весь спектp химизма поpод Ключевского вулкана по содержанию МgO: Булочка (МgO =12 % ,вес.); Боковой (МgО=9%,вес.) и Билюкай (МgО=7%,вес.). Оливин с микpовключением шпинели приполировывался до ее появления на поверхности фенокристалла , а затем проводился анализ микровключения хрошпинелида и минерала-хозяина - оливина. Для оценки расчетного состава оливина на ликвидусе магнезиального расплава была использована модель С.Е.Форда, основанная на равновесии минерал-расплав (Ford et. all., 1983). Расчет осуществлялся по фракционной модели кристаллизации. В качестве состава расплава принимался средний валовый химический состав базальта. Степень окисленности расплава, которую необходимо учитывать для определения состава оливина рассчитывалась на основе эмпирического уравнения К. и П. Муреллей , в котором используется зависимость окисленности хромшпинелида (Fe2/Fe3) от состава вмещающего оливина, минерала-хозяина. Анализ результатов расчетов выполненных для всех магнезиальных базальтов позволяет констатировать следующее (Рис.1). Оливин с магнезиальностью Fo 91,5 невозможно получить используя валовые химические составы магнезиальных базальтов, в качестве состава исходной магмы. Наиболее близок к этому составу расчетный ликвидусный состав оливина прорыва Булочка (Fo89,7) а наиболее далек - расчетный ликвидусный состав оливина прорыва Билюкай (Fo84,5) и вулкана Крестовского (Fo 84,1). Таким образом, во всех магнезиальных базальтах Ключевского вулкана присутствует неравновесный оливин, который не может кристаллизоваться из расплава соответстующего составу базальта в котором он находится.

Анализ петрографических и минералогических особенностей магнезиальных базальтов всех изученных побочных прорывов Ключевского вулкана позволяет суммировать следующее. Наиболее яркой минералогической особенностью всех вулканитов, отличающей их от огромного большинства базальтов других островных дуг является присутствие во вкрапленниках высокомагнезиального (Fo91,5) оливина, характерного для равновесия с первичными пикритовыми расплавами, широкий интервал магнезиальности фенокристаллов оливинов (Fo91,5-80), фиксируемый в одном и том же образце базальтов и практическое отсутствие во вкрапленниках "котектического" высокомагнезиального клинопироксена (Mg#89-85), который реально присутствует в виде микровключений в фенокристаллах оливина. Как показано в работе Симкина и Смита абсолютное большинство вкрапленников оливина в базальтах не могут быть интерпретированы как продукты дезинтеграции мантийных ксенолитов (Simkin, Smit, 1970 ). В нашем случае это ясно доказывается высокими одержаниями СаО в изученных оливинах и высокими - TiO2 в хромшпинелидах (Хубуная и др,1993) , являющихся твердофазными включениями в фенокристаллах оливинов. Таким образом, присутствующий неравновесный высокомагнезиальный оливин является продуктом кристаллизации более ранних, исходных для магнезиальных базальтов высокомагнезиальных расплавов. В то же время, очевидно, что один процесс фракционной кристаллизации не может отвечать за все разнообразие магнезиальных базальтов Ключевского вулкана. Наиболее весомым аргументом полигенного происхождения рассматриваемых вулканитов являются: шиpокие интервалы магнезиальности оливинов (Fo91,5-80) в базальтах, совместное нахождение кpупных высокомагнезиальных (Fo90-89) фенокpисталлов оливинов с незональными ядpами, pядом в одном обpазце, с низкомагнезиальнными (Mg#85-80) кpисталлами оливинов и клинопироксенов, систематическое несоответствие расчетных составов оливинов на ликвидусе с их реальным составам в породе. Причем, если для базальтов прорыва Булочка неравновесные ассоциации минералов составляют 13% от всех фенокристаллов и их, с известной долей условности, можно отнести к ксенолитам, то для магнезиальных базальтов прорыва Билюкай неравновесные оливины (наиболее распространенный размер фенокристаллов 1-2мм.) составляют больше 75%, а для базальтов вулкана Крестовского -больше 87 %. Очевидно, что при образовании магнезиальных базальтов был задействован мощный механизм перемешивания фенокристаллов образованных при разной температуре с транспортирующим их магнезиальным расплавов. По-видимому, поднимающаяся колонна магнезиальных магм уже была расслоена кумулятивными процессами в промежуточном очаге. Во время извержения высокомагнезиальные фенокристаллы оливинов могли быть перемещены в верхние части поднимающейся магматической колонны, как в результате конвективного переноса фенокристаллов в промежуточных магматических очагах, так и в результате взмучивания более глубоких кумулятивных горизонтов .