Происхождение андезитов в результате коровой контаминации
базальтовых магм (голоценовый вулканический конус
горы Мохнатенькая, Южная Камчатка) 1 А. Б. Перепелов, 2 Н. С. Карманов, 3 О. В. Дирксен, 3 Г. П. Пономарев, 1В. С. Антипин
1 Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, Иркутск, region@igc.irk.ru
2 Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ, krm@geo.buryatia.ru
3 Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, dirksen@kscnet.ru
Введение. Процессы образования андезитов в островодужных и окраинно-континентальных геодинамических обстановках рассматриваются в рамках различных петрогенетических моделей. Согласно одним из них, андезиты образуются в процессе кристаллизационной дифференциации исходных базальтоидных магм [Кадик и др., 1986] или в результате кумулятивных процессов из кислых расплавов [Наумов и др., 1997]. Другая концепция объединяет модели самостоятельного формирования первичных андезитоидных магм мантийного, корового и смешанного мантийно-корового происхождения в зависимости от типа родоначального субстрата [Иванов, 1990; Yagodzinski, Volynets, 1994]. Кроме того, предлагаются модели образования андезитов при смешении основных и кислых расплавов [Биндеман, 1991] и контаминации базальтоидных магм кислым кристаллическим веществом. Анализируя последний тип моделей, предлагается рассмотреть эволюцию примечательного в петрологическом отношении голоценового ареального вулканического конуса горы Мохнатенькой на Южной Камчатке. История развития этого вулканического сооружения демонстрирует антидромную направленность в смене составов пород. Формирование на начальном этапе его развития значительных объемов андезитовых расплавов и на заключительном этапе базальтовых, а также присутствие в лавах ксеногенного кислого материала, требуют решения вопроса их генетической общности или установления иных причин образования андезитовых магм, не характерных для ареального типа вулканизма.
Геологическое строение и история развития вулканического центра. Вулканический конус горы Мохнатенькая входит в число шлаково-лавовых вулканических построек верхнеплейстоцен-голоценовой зоны ареального базальтоидного вулканизма Толмачева Дола. Этот вулканический район принадлежит центральной зоне Южно-Камчатского плиоцен-четвертичного вулканического пояса. Вулканическое сооружение сложено серией непротяженных лавовых потоков до 500-600 м в длину, а ее диаметр достигает 1,5 км (рис .1). В привершинной части сооружения находятся два кратера. Наиболее «древний» и крупный из них частично разрушен и представляет собой воронку взрыва – маар диаметром до 300-350 м. Этот центр извержений сформировал щитообразную постройку, сложенную лавами, агглютинатами и шлаками магнезиальных андезитов. В пределах «древнего» кратера расположен более «молодой» шлаковый конус диаметром ~250 м и глубиной кратерной воронки до 30 м. Лавовые потоки, спускающиеся от «молодого» кратера на запад представлены магнезиальными оливиновыми базальтами. Мощность лавового покрова вулкана меняется от 5-10 метров у фронта потоков до 30-50 м у подножия конуса. Общий объем лав постройки составляет около 0,36 км3. Вулкан горы Мохнатенькая по данным сопоставления радиоуглеродных дат почвенно-пирокластических разрезов с присутствием резургентного материала этого центра имеет голоценовый возраст (2500-3500 лет) [Дирксен и др., 2002].
Аналитические методы. Анализ минералов из пород вулкана г. Мохнатенькая выполнен в Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН на микроанализаторе «Camebax» при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе зонда ~ 20 нА (диаметр зонда ~ 1 мкм) и в Геологическом институте СО РАН на электронном микроскопе «LEO 1430VP» и энергодисперсионном анализаторе «Inca Energy 300» (Oxford Instruments Ltd.) при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе ~ 0.5 нА (размер зонда < 1 мкм, время набора спектра 50 сек.). Анализ составов пород выполнен в Центре коллективного пользования ИНЦ СО РАН методами XRF и ICP-MS на масс-спектрометре Plasma Quad 2+ (VG Elemental, Англия). Аналитики: Н.С. Карманов, Г.П. Пономарев, Чувашова Л.А., Е.В. Смирнова, В.И. Ложкин, Климова А.К..
Петрография и минералогия лав. Лавы андезитов начального этапа развития вулканического центра г. Мохнатенькая представляют собой сливные породы с редкопорфировой структурой. В качестве редких вкрапленников в породах присутствуют оливин (Ol) ) (2-3 мм, реже до 6-8 мм) и отмечаются крупные обломки (до 20 см) и более мелкие дезинтегрированные частицы риолитовой пемзы. Помимо пемзы, в лавах андезитов наблюдаются оплавленные и резорбированные ксеногенные кристаллы плагиоклаза (Pl) и кварца (Qtz) (до 6-7 мм) (рис. 2А, Б). Основная масса андезитов имеет интерсертальную и пилотакситовую структуры с большим количеством стекла, содержащего субфенокристаллы (лейсты) Pl и микролиты Fe-Mg пироксенов (Opx), клинопироксена (Cpx) и титаномагнетита (TiMgt). Лавы базальтов вулкана, напротив, содержат большое количество крупных вкрапленников Ol (до 8-10 об.%), а ксеногенный материал (Pl, Qtz, пемза) крайне редок. Структура основной массы этих пород сериально-порфировая и интерсертальная с субфенокристаллами и микролитами Ol, Pl, Opx, Cpx и TiMgt. Характер эволюции составов и порядок кристаллизации минералов из андезитов и базальтов имеют как сходство, так и ряд особенностей. В андезитах крупные вкрапленники Ol обладают преимущественно форстеритовыми составами (Fo83.7-86.2), сменяющимися в узких краевых зонах кристаллов гортонолитами (Fo.68.5-76.2). В центральных зонах вкрапленников Ol содержатся мельчайшие включения шпинелей хромпикотитового состава (Al2O3 18.7-28.4 %, Cr2O3 27.6-35.9 %, MgO 7.1-13.3 мас.%), а в краевых зонах Ol они сменяются хромистыми TiMgt (Al2O3 5.6-10.7 %, Cr2O3 17.7-27.1 %, MgO 2.6-5.2 мас.%). Микролиты TiMgt основной массы андезитов не содержат хром (Al2O3 2.3-3.3 %, Cr2O3 0.0 %, MgO 1.6-1.8 мас.%). Полевые шпаты представлены в андезитах микролитами Pl, главным образом лабрадорового состава (An 46.8-61.2) с характерными для них высокими концентрациями Fe2O3 (0.89-1.58 мас.%). Микролиты клинопироксенов из андезитов имеют авгитовые (Wo 38.1-40.9 Fs 11.8-20.3 ), гиперстеновые (Wo 4.0-4.8 Fs 18.2-22.6 ) и пижонитовые составы (Wo 6.4-15.8 Fs 24.5-32.2). Важно отметить обрастание вкрапленников Ol в андезитах тонкими пижонитовыми каймами (Wo 8.0-8.2 Fs 29.4-31.9). Ядра вкрапленников Ol в базальтах (Fo82.0-85.6) и их краевые зоны (Fo73.9-79.8), включения в Ol из базальтов шпинелей (Al2O3 26.0-30.9 %, Cr2O3 25.4-28.0 %, MgO 12.2-15.5 мас.%), а также микролиты авгитов (Wo 26.5-38.4 Fs 16.4-24.2 ) и пижонитов (Wo 5.2-14.9 Fs 19.8-26.2) близки по составам соответствующим минеральным фазам из андезитов. При этом составы микролитов Pl и TiMgt в них заметно отличаются. Микролиты Pl в базальтах по отношению к таковым из андезитов имеют более основной состав (An 66.6-69.4), а микролиты TiMgt содержат значительные концентрации хрома и высокие концентрации магния (Al2O3 2.9-5.0 %, Cr2O3 1.7-15.4 %, MgO 2.4-4.1 мас.%). Расчеты коэффициентов распределения Fe2+/Mg для пар Ol+Sp из базальтов и андезитов для начальной стадии кристаллизации расплавов демонстрируют, что согласно эмпирическим уравнениям по [Пономарев, Пузанков, 2002] условий равновесия этот парагенезис достигает только с магнезиальным базальтовым расплавом заключительного этапа эволюции вулканического центра. Основная масса базальтов, состоящая из стекла, насыщенного микролитами плагиоклазов, имеет состав высокоглиноземистых и натровых андезито-базальтов (SiO2=54-56, TiO2=0.4-0.6, Al2O3=19.9-22.4; K2O=1.2-1.3 мас.%, K2O/Na2O=0.29-0.34), тогда как стекло основной массы андезитов по составу риодацитовое и высококалиевое (SiO2=68-72, Al2O3=11.8-14.3, K2O=3.9-5.5 мас.%, K2O/Na2O=1.1-1.7) (рис. 2). Особенностями стекол основной массы андезитов являются также повышенные концентрации TiO2, FeO и CaO (до 1.7; 5.2; 3.8 мас.%, соответственно).
Петрография и минералогия ксеногенных включений. Ксенокристаллы Pl из андезитов имеют, как правило, округлые и вытянутые формы с отчетливо выраженными реакционными каймами шириной до 80-200 мкм (рис. 2А). В ксенокристаллах и их обломках сохраняются двойникование и спайность. Исследованные ксенокристаллы не зональные, отвечают по составам андезинам (An 37.1-42.1) и в отличие от микролитов Pl из андезитов не содержат примеcей Fe2O3. Реакционные каймы ксенокристаллов Pl имеют неоднородный состав с преобладанием мельчайших (5-10 мкм) новообразованных выделений зерен Pl и редких и еще более мелких ксеноморфных кристалликов Cpx и Mgt. В интерстициях между зернами Pl в реакционных каймах наблюдаются «капли» стекла. Pl реакционных кайм имеют более основной, чем Pl из андезитов, битовнит-лабрадоровый состав (An 57-74) и отличаются значительным содержанием примесей Fe2O3 (0.8-1.1 мас.%). Стекла интерстиционных выделений из кайм в сравнении со стеклами основной массы андезитов имеют менее кремнекислый состав и обогащены Al2O3 и CaO (15.9-18.8, 4.5-8.0 мас.%). Примечательными петрографическими и минералогическими особенностями обладает исследованное включение риолитовой пемзы из андезитов вулкана. Главными компонентами пемзы, помимо новообразованного стекла (до 50%), являются K-Na полевые шпаты (Kfs), кислый Pl, Qtz, и кристаллы полевых шпатов, которые отвечает по составу анортоклазам (Anrt). Первичная структура породы, исходя из размеров минералов (2-5 мм), оценивается как средне- мелкозернистая, возможно порфировидная. Кроме породообразующих компонентов в породе присутствуют редкие акцессорные кристаллы ильменита, циркона, монацита, а также «теневые» кристаллы темноцветных минералов – биотита (Bt ?) и амфибола (Amph ?). Высокотемпературный распад последних («горение» гидроксилсодержащих соединений) с сохранением кристаллографических форм минерала-«хозяина» привел к образованию пылевидных скоплений Al-Mg-Ti-Mn шпинелидов, широкого ряда составов Pl (от анортитов до андезинов), анортоклазов, гиперстена, ильменита и не идентифицированных Si-Al-Fe-Mg минеральных фаз. Отчетливые признаки плавления и дезинтеграции исходной полнокристаллической породы включения, несомненно, связаны с его ассимиляцией перегретым расплавом. Полевые шпаты из пемзы, как правило, не зональны, не содержат примесей Fe2O3 и имеют составы Na-санидинов (Or 45.6-63.0), олигоклазов (An 12.0-21.3 Ab 72.1-81.5) и андезинов (An 37.1-44.3 Ab 52.5-60.8), последние из которых соответствуют составам ксенокристаллов андезинов из андезитовых лав. Na-санидины часто обнаруживают высокие концентрации в них BaO (0.41-2.65 мас.%). Полевые шпаты с анортоклазовыми составами не дают удовлетворительного расчета на полевошпатовые кристаллохимические формулы, и их состав условно может быть описан как (An 10.5-15.2 Ab 55.5-68.0 Or 14.9-34.0). Новообразованное стекло образует зоны шириной от 30 до 500 мкм между оплавленными реликтами кристаллов полевых шпатов или между ними и оплавленными зернами кварца. Отчетливо выражены каплевидные, глобулеобразные и линзовидные формы зон. Помимо обособленных зон стекла, его мельчайшие капли обнаруживаются непосредственно в кристаллах олигоклазов и Na-санидинов. Состав стекла в зависимости от места его расположения относительно Kfs, Pl и Qtz варьирует в широких пределах: SiO2=71.3-86.4%, Al2O3=10.3-15.8 Na2O=2.8-5.5 K2O=6.0-8.0 мас.%. Наиболее основное по составу стекло обнаруживается в виде выделений в полевых шпатах или на их границах, а наиболее кислое между кристаллами Kfs и Qtz. Особенности химизма плавленых кристаллов полевых шпатов и присутствие в зернах олигоклазов участков с анортоклазовым составом, предполагают, что последние сформированы в результате разрушения кристаллической решетки кислых плагиоклазов и диффузии в них щелочных компонентов, главным образом K2O, из новообразованного высококалиевого расплава (стекла).
Геохимия лав и включений риолитовых пемз. Лавы базальтов и андезитов ареальной зоны Толмачева Дола и, в частности вулкана г. Мохнатенькой, принадлежат островодужной умереннокалиевой известково-щелочной серии пород (рис. 2) с низкими содержаниями HFS элементов (Ti, Nb, Ta, Hf). Состав лав вулкана г. Мохнатенькая характеризуется повышенными концентрациями в базальтах и андезитах Co (34, 22), Ni (145, 70), Cr (260, 143 г/т). Они имеют при этом сходную высокую магнезиальность (Mg# 60.8 и 58.9-59.1, соответственно) и обнаруживают увеличение содержаний ряда литофильных элементов с переходом к андезитовым составам (K, Rb, Ba, Pb, LREE, Th и U). Риолитовая пемза включения из андезитов вулкана принадлежит по составу к высококалиевой известково-щелочной серии пород, обладает существенно более высокими концентрациями Rb, Pb, LREE, Th, U с высокой степенью фракционирования REE (LaN/YbN=12.2). Степень фракционирования REE в базальтах и андезитах вулкана значительно ниже (LaN/YbN=3.4 и 4.7, соответственно). Особенности химизма и минерального состава риолитовых пемз вулкана не позволяют сопоставлять их с риолитовыми пемзами голоценовых пирокластических извержений локализованных в районе исследований вулкана Опала и маара озера Чаша [Дирксен и др. 2002], в которых отсутствует Qtz-Kfs парагенезис вкрапленников минералов. Такие характеристики риолитовых пемз вулкана г. Мохнатенькая, как низкая глиноземистость, K2O/Na2O>1, низкие содержания Sr и высокие содержания Th и U, демонстрируют их сходство с плиоценовыми экструзиями высоко- и ультракалиевых риолитов Карымшинской вулкано-тектонической депрессии Южной Камчатки [Perepelov et al., 2003]. Минеральный состав риолитовых пемз г. Мохнатенькая с развитием парагенезиса Qtz-Kfs-олигоклаз соответствуют таковым из некоторых высококалиевых риолитовых экструзий фундамента. Полнокристаллические разности высококалиевых кислых пород с указанными вещественными и минералогическими параметрами обнаруживаются в фундаменте в строении интрузивных комплексов. Примером развития таких комплексов может служить интрузия горы Кусапак, расположенная в 7 км к северу от г. Мохнатенькой [Митичкин, Перепелов, 1998].
Модель происхождения андезитов. Вещественные и минералогические признаки процессов контаминации расплавов вулкана г. Мохнатенькая кислым кристаллическим веществом могут быть положены в основу модели формирования андезитов начального этапа развития вулкана г. Мохнатенькая. Предполагается, что высокомагнезиальный базальтовый расплав внедрялся на инициальной стадии развития центра в область миоцен-плиоценового вулканогенного фундамента Толмачева Дола, в строении которого локализованы крупные субвулканические и интрузивные тела высококалиевых риолитов и гранитов. Высокотемпературный базальтовый расплав, содержащий Ol-Sp минеральный парагенезис раннего этапа кристаллизации, дезинтегрирует, расплавляет и ассимилирует в процессе взаимодействия с породами фундамента кислое кристаллическое вещество. Новообразованный высококремнистый расплав риолитового состава и реститовый кристаллический компонент из дезинтегрированных пород фундамента поступает в базальтовую магму. В процессе смешения с остаточным расплавом андезито-базальтового состава в базальтовой магме происходит раскисление силикатной жидкости, и процесс кристаллизации в ней существенно изменяется. Вокруг вкрапленников магнезиальных Ol начинается формирование Pgt кайм (рис. 3 В), а в остаточном расплаве основной массы кристаллизуются микролиты более кислого Pl, а также Fe-Mg пироксенов (гиперстен, пижонит), авгита и бесхромистого TiMgt. Ксеногенный реститовый кристаллический компонент, а именно андезиновые Pl и Qtz, преобразуется с появлением вокруг ксенокристаллов Pl реакционных кайм, состоящих из скопления выделений более высокотемпературных битовнит-лабрадоровых Pl и выделений стекла, и формированием скоплений зерен Pgt вокруг резорбированных кристаллов Qtz (рис. 3 А, Б). В результате контаминации и раскисления расплава магмы приобретают андезитовый состав с «базальтовым» парагенезисом минералов-вкрапленников и «андезитовым» парагенезисом микролитов в основной массе риодацитового состава. Крупные обломки дезинтегрированных пород фундамента демонстрируют при этом собственно процесс формирования кислого силикатного расплава в результате плавления кристаллов Qtz и K-Na полевых шпатов (рис. 3 Г). Относительно более высокотемпературные по условиям кристаллизации олигоклазы и андезины из ксеногенных пород частично преобразуются с формированием неравновесных анортоклазовых составов и, вероятно, не играют существенной роли в образовании новой силикатной жидкости. Балансовые расчеты минерального состава кислых пород фундамента, выполненные на основе анализов составов модальных минералов из них, показывают, что они состояли из 33-34% Qtz, 45-46% Kfs и 19-20% Pl. Расчеты баланса вещества на уровне как петрогенных, так и редких элементов приводят к удовлетворительному решению для модели образования андезитов вулканического конуса г. Мохнатенькая в результате контаминации базальтового расплава ксеногенным кристаллическим веществом и новообразованным кислым расплавом. Процесс формирования андезитов в данном случае был реализован при ассимиляции базальтовым расплавом аномально большого объема (30-35 %) кислого риолитового вещества. Контаминирующий компонент определен при этом в составе 70-75% новообразованного кислого силикатного расплава и 23-25% ксеногенного кристаллического вещества (4-5% Qtz и 19-20 % Pl). Увеличение вязкости контаминированной магмы послужило причиной формирования мощных и коротких по протяженности лавовых потоков андезитов, содержащих ксеногенный материал, а в завершение развития вулканического центра по разработанному и стационарному подводящему каналу произошло поступление слабо контаминированных (3-5%) базальтовых расплавов.
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ (грант 04-05-64800) и СО РАН (Интеграционный проект № 6.9).
Список литературы
Биндеман И. Н. О возможных механизмах смешения магм // Геохимия, 1991, № 2. С. 291-296.
Дирксен О. В., Пономарева В. В., Сулержицкий Л. Д. Кратер Чаша (Южная Камчатка) – уникальный пример массового выброса кислой пирокластики в поле ареального базальтового вулканизма // Вулканология и сейсмология, 2002, № 5. С. 3-10.
Иванов Б. В. Типы андезитового вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. М.: Наука, 1990, 136 с.
Кадик А. А., Максимов А. П., Иванов Б. В. Физико-химические условия кристаллизации и генезис андезитов. М.: Наука, 1986, 154 с.
Митичкин М. А., Перепелов А. Б., Неогеновый интрузивный магматизм Малко-Петропавловской поперечной разломной зоны (Юго-Восточная Камчатка) // Металлогения, нефтегазоносность и геодинамика Северо-Азиатского кратона и орогенных поясов его обрамления, Иркутск, 1998. С. 313-315.
Наумов В. Б., Коваленко В. И., Бабанский А. Д., Толстых М. Л. Генезис андезитов по данным изучения расплавных включений в минералах // Петрология, 1997, Т.5, № 6. С. 654-665.
Пономарев Г. П., Пузанков М. Ю. Распределение железа и магния в системе расплав-шпинель-оливин по экспериментальным данным. Геологические приложения. Петр.-Камч.: Изд-во КГПУ, 2002, 80 с.
Gill J. Orogenic andesites and plate tectonics. Berlin: Springer-Verlag, 1981, 390 p.
Perepelov A. B., Antipin V. S., Kablukov A. V., Filosofova T. M. Ultrapotassic rhyolites of Southern Kamchatka: geochemical and petrological evidence // Plumes and problems of deep sources of alkaline magmatism. Irkutsk, 2003. С. 171-183.
Yagodzinski G. M., Volynets O. N. Magnesian andesite and the subducted component in a strongly calc-alkaline series at Piip Volcano, Far Western Aleutians // J. Petrology., 1994, V. 35, №1. P. 163-204.
Рис. 1. Схема геологического строения вулканического конуса г. Мохнатенькая (Толмачев Дол, Южная Камчатка). Условные обозначения: 1- лавы, агглютинаты и шлаки Mg-андезитов и их центр извержения (кратерная воронка-маар), 2 – лавы, агглютинаты и шлаки Mg-базальтов и их центр извержения (шлаковый конус с кратерной воронкой), 3 – лавовые купола. Линии на схеме – границы отдельных лавовых потоков. Рис. 2. Петрографические особенности андезитов и ксеногенных включений из лав г. Мохнатенькая. А, Б – николи параллельные. А – ксенокристалл андезинового Pl с реакционной каймой, состоящей из участков стекла и выделений Pl битовнит-лабрадорового состава, Б – резорбированный ксенокристалл Qtz с реакционной оторочкой, состоящей из скопления зерен пижонитового пироксена. Размеры ксенокристаллов А, Б – 2-3 мм. В, Г – изображение в обратнорассеянных электронах. В – структура андезита (микролиты Pl, Pgt и вкрапленник Ol с Pgt оторочкой в стекле основной массы), Г – структура плавленого включения риолитовой пемзы (зоны риолитового стекла Gl между оплавленными кристаллами Kfs). Рис. 3. Составы лав и стекол основной массы базальтов и андезитов ареальной зоны Толмачева Дола, а также риолитов экструзий и пемз Южной Камчатки на диаграмме K2O-SiO2. Наклонные линии – границы полей составов петрогеохимических серий вулканических пород по [Gill, 1981]: НК – низкокалиевая, УК – умереннокалиевая и ВК – высококалиевая серии. Условные обозначения. Точки составов. 1 – базальты, андезито-базальты и андезиты ареальной зоны Толмачева Дола. г. Мохнатенькая: 2 – базальт, 3 – основная масса из базальтов (стекло+микролиты); 4 – андезиты, 5 – стекла из андезитов, 6 – включение риолитовой пемзы из андезитов, 7 – стекла из включения пемзы, 8 – средний состав стекла из пемзы. Другие: 9 – пемзы и 10 – стекла из пемз маара оз. Чаша [Дирксен и др., 2002], 11 – риолиты Южной Камчатки [Perepelov et al., 2003; Митичкин, Перепелов, 1998], 12 – стекла из риолитов вулкана Опала [Дирксен и др., 2002], 13 – тренды дифференциации (Д) и контаминации расплавов (К).
Достарыңызбен бөлісу: |
