Признаки смешения магм при образовании базальтов вулкана Меньший Брат по данным о составе клинопироксена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный университет

УДК 552.13

Признаки смешения магм при образовании базальтов вулкана Меньший Брат по данным о составе клинопироксена

Низаметдинов И.Р., Кузьмин Д.В.,

Шевко А.Я., Гора М.П.

Аннотация

В работе приводятся данные о редкоэлементном составе вкрапленников клинопироксена из магнезиальных базальтов вулкана Меньший Брат, а также дацитов, входящих в состав пемзовой толщи в основании этого вулкана, определен состав расплавных включений в клинопироксене из базальтов. На основании полученных данных сделан вывод об участии двух магм при образовании базальтов вулкана Меньший Брат: первичной основной магмы и дацит-риолитовой, образованной при частичном плавлении островодужной коры.

Ключевые слова: клинопироксен, расплавные включения, островодужный вулканизм, Курильские острова

Abstract. The paper presents results on the rare-element clinopyroxene phenocrysts composition from the magnesium-rich basalts of the Menshiy Brat volcano, and dacites that is a part of the pumice stratum at the basement of this volcano. In addition, the composition of melt inclusions in clinopyroxene from basalts is determined. On the basis of the data obtained, it was concluded that two magmas participate in the formation of basalts of the Menshiy Brat volcano, basic magma and siliceous magma, originated whereas arc substrates melting.

Keywords: clinopyroxene, melt inclusions, arc volcanism, Kurile Islands

Вулкан Меньший Брат расположен на фронте Курило-Камчатской островной дуги и локализован в кальдере Медвежья на северо-востоке о. Итуруп (Рис. 1). Кальдера Медвежья - это сложная полигенная вулканическая структура размером 14-18 км и амплитудой обрушения порядка 600 м [1], включающая и действующий вулкан Кудрявый. Меньший Брат, наряду с вулканами Медвежий, Средний и Кудрявый, входит во внутрикальдерную группу вулканов. Геологическое строение кальдеры Медвежья приведено на рисунке (Рис. 1).

Вулкан Меньший Брат представляет собой субвулканическое тело андезит-дацитового состава (купол вулкана) высотой 560 м и шириной около 800 м [2]. В вершину купола врезаны два кратера - северо-западный, именуемый Коротышка, и юго-восточный - Восток, из которых происходили выбросы шлаков основных пород, а также излияния лавовых потоков. Возраст этих пород не превышает нескольких сотен лет.

Основные породы обоих кратеров представляют собой темно-серые порфировые базальты и андезибазальты, с массивной, реже пористой текстурой. Отличительной особенностью этих пород является высокое содержание MgO (до 9,32 масс. %), что является достаточно редким явлением в островодужном вулканизме.

Базальты вулкана Маньший Брат содержат большое количество порфировых и гломеропорфировых вкрапленников, которые погружены в микролитовый матрикс. Фенокристы занимают от 20 до 35% объема породы. Минеральный состав вкрапленников: плагиоклаз (35-40 % всех вкрапленников), клинопироксен (20-30%), ортопироксен (20-30%), оливин (10-15-%). Гломеропорфировые вкрапленники представлены сростками плагиоклаза, клинопироксена и ортопироксена. Оливин образует самостоятельные вкрапленники и не образует сростков с другими минералами. В составе основной массы породы присутствуют микролейстовый плагиоклаз, клинопироксен, оливин, магнетит, а также кислое интерстициальное стекло.

Основными объектами данного исследования являются вкрапленники клинопироксена из основных пород вулкана и включения минералообразующей среды в них.

Рис. 1. Расположение и схема геологического строения кальдеры Медвежья [3]; 1-субвулканические тела кислого состава, 2-фундамент кальдеры Медвежья, 3-вулкан Коротышка (андезибазальты), 4-вулкан Меньший Брат (шлаки, лавы среднего и основного состава), 5-фрагмент синкальдерного кратера (игнимбриты), 6-нерасчлененный эффузивно-экструзивный комплекс: лавы и туфы основного состава, 7-вулкан Медвежий (лавы среднего и основного состава), 8-вулкан Средний (лавы среднего состава), 9-вулкан Сиреневый, 10-прибрежно-морские отложения, 11-поля распространения мелких экструзивных тел кислого состава, 12-сомма кальдеры Медвежья (лавы среднего и основного состава), 13-вулкан Кудрявый (лавы среднего состава), 14-основные разломы

Методы исследований

В работе использованы образцы магнезиальных базальтов из лавовых потоков обоих кратеров (Коротышка и Восток), а также образец дацита из пемзовой толщи, расположенной у подножия вулкана Меньший Брат.

Содержание главных петрогенных элементов в породах определялось методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Анализ проводился на рентгенофлоуресцентном спектрометре ARL-9900-XP. Содержание редких и редкоземельных элементов в породах определялось методом масс-спектрометрии с индукционно связанной плазмой (ICPMS) на масс-спектрометре Element с двойной фокусировкой.

Определение содержания главных элементов в минералах и стеклах расплавных включений проводилось на сканирующем электронном микроскопе MIRA 3 LMU (Tescan Ltd) с системой микроанализа INCA Energy 450+ XMax 80 (Oxford Instruments Ltd) методом ЭДС по стандартной методике при ускоряющем напряжении 20 kV, токе 1 nА, времени счета от 40 до 60 секунд, размере зонда - 2 мкм. Пределы обнаружения для большинства измеряемых элементов при этих параметрах составляют 0,1-0,2 мас. % (3у-критерий). Погрешность при определении главных компонентов не превышает 1 отн. %.

Редкоэлементный состав вкрапленников клинопироксена определен методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с лазерным пробоотбором вещества (LA ICP MS) на квадрупольном масс-спектрометре XSERIES2 ICP-MS (Thermo Scientific). Этот масс-спектрометр объединен с устройством лазерного пробоотбора, имеющее длину волны 213 нм (New Wave Research, Nd:YAG твердотельный лазер).

Петрография и минералогия базальтов

Базальты вулкана Меньший Брат по содержанию петрогенных элементов располагаются вдоль единого линейного тренда от базальтов к андезибазальтам. В распределении редких элементов, нормированных на примитивную мантию [4], как показано на мультиэлементной диаграмме, происходит значительное обогащение крупно-ионными литофильными элементами (Rb, Ba, K) и Sr относительно РЗЭ и высокозарядных элементов (Nb, Ta, Ti). Распределение редкоземельных элементов характеризуется плоскими спектрами на диаграмме.

Клинопироксен в магнезиальных базальтах образует вкрапленники размером до 0,3 мм зеленого цвета, а также микролиты основной массы и каймы дорастания по ортопироксену. Довольно часто он образует сростки с плагиоклазом и ортопироксеном. Иногда клинопироксен содержит апатит, магнетит и плагиоклаз в виде кристаллических включений размером до 0,05 мм.

По химическому составу клинопироксен вкрапленников базальтов отвечает высококальциевому авгиту (Woll 33-40 мол. %) с #Mg 0,53-0,6. По магнезиальности от вкрапленников отличается клинопироксен, образующий каймы вокруг ортопироксена - #Mg 0,77-0,80.

Для определения температуры кристаллизации вкрапленников пироксенов был использован графический термометр [5]. Температуры кристаллизации вкрапленников пироксенов составляют 850-1050 ?С.

Расплавные включения во вкрапленниках клинопироксена расположены в виде зональных и азональных групп. Размер включений варьирует в пределах 5 - 40 мкм. Включения в целом имеют округлую и овальную форму, реже они имеют форму негативной огранки минерала хозяина. Расплавные включения содержат стекло, газовый пузырек и иногда кристаллические фазы. В качестве кристаллических фаз присутствуют магнетит и плагиоклаз (An₈₀). Обнаруженные в расплавных включениях в клинопироксене, плагиоклаз и магнетит имеют все признаки гетерогенного захвата. Для определения химического состава расплава были использованы только нормальные природно-закаленные стекловатые включения.

Состав стекол расплавных включений в клинопироксене соответствует дацит-риолиту. Эти включения гораздо более кислые, чем валовые составы пород. Они характеризуются более высокими содержаниями K₂O и Na₂O, и более низкими - MgO, Al₂O₃, CaO и FeO в сравнении с составом пород. Для включений кислого состава характерен широкий разброс содержаний по всем петрогенным элементам. Такое сильное отличие состава расплава, из которого кристаллизовались вкрапленники клинопироксена от состава базальтов не может быть объяснено дифференциацией одного расплава.

Распределение редких и редкоземельных элементов в клинопироксенах из базальтовых потоков Меньшого Брата показано на рис 2 и 3.

Рис. 2. Мультиэлементная диаграмма распределения редких и редкоземельных элементов в пироксенах из базальтов и дацита вулк. Меньший Брат и базальтов и андезитов о. Хонсю [7] и Анд [6].

В сравнении с клинопироксеном базальтов и андезитов Японской островной дуги и Анд, изучаемые нами вкрапленники имеют в целом похожие спектры распределения редких элементов на спайдер-диаграмме (Рис. 2). Принципиальным отличием является поведение тяжелых РЗЭ, имеющее плоское распределение в отличие от состава пироксенов, кристаллизовавшихся из базальтового расплава.

В то же время, на спектрах РЗЭ, нормированных на хондрит [4], наблюдаются отчетливые различия. Как показано на (Рис. 3), распределение лантаноидов в клинопироксенах из базальтов вулкана Меньший Брат соответствует таковому в кинопироксенах из дацитов. На это указывают более высокие значения тяжелых редкоземельных элементов (от Dy до Lu) и отчетливо проявленный минимум по европию.

Рис. 3. Спектры распределения РЗЭ в клинопироксенах из базальтов и андезитов различных активных континентальных окраин

Состав клинопироксена и состав его расплавных включений, говорит о том, что он кристаллизовался из кислого расплава. Используя коэффициенты распределения минерал-расплав для редких элементов, можно рассчитать редкоэлементный состав расплава, в котором кристаллизовались исследуемые вкрапленники клинопироксена. Для этого были выбраны коэффциенты распределения клинопироксен-расплав для кислых систем (SiO₂ > 70 мас. %) [8]. Расчетный состав расплава показан на (Рис. 4), он отличается от валового состава базальтов, так как имеет более высокие концентрации практически по всем элементам, но хорошо согласуется с составом расплавных включений в плагиоклазе и ортопироксене. Минимум по стронцию на спайдер-диаграмме (Рис. 4) объясняется одновременной кристаллизацией плагиоклаза, что согласуется с представлением о совместной кристаллизации пироксенов и плагиоклаза в кислом расплаве и их дальнейшим попаданием в базальтовый расплав непосредственно перед извержением [9,10].

Рис. 4. Расчетный состав расплава, из которого кристаллизовались вкрапленники клинопироксена в сравнении с составом пород и расплавных включений в минералах вкрапленниках из базальтов вулк. Меньший Брат [9, 10]

Состав клинопироксена и его расплавных включений во вкрапленниках базальтов вулкана Меньший Брат свидетельствует о его кристаллизации в кислом расплаве. Клинопироксен является ксеногенным для этих пород. На основе полученных данных, наиболее вероятным механизмом образования базальтов является смешение двух магм - основной и дацит-риолитовой непосредственно перед извержением. Дацит-риолитовая магма могла образоваться в результате частичного плавления коровых островодужных субстартов, под температурным воздействием основных мантийных магм.

Работы по определению состава пород и вкрапленников проводились в центре коллективного пользования научным оборудованием для многоэлементных и изотопных исследований ИГМ СО РАН.

Работа выполнена в рамках госзадания (проекты 0330-2016-0005 и 0330-2016-0001), комплексной программы фундаментальных научных исследований СО РАН (II.1. № 0330-2018-0026) и при финансовой поддержке РФФИ (проект №16-05-00894).

клинопироксен базальт дацит магма

Библиографический список

1. Ермаков В.А. Вулкан кудрявый и эволюция кальдеры Mедвежья (о. Итуруп, Курильские острова) / Ермаков В.А., Штейнберг Г.С // Вулканология и сейсмология. - 1999. - №3.C. 19-40.

2. Чибисова М.В. Химический состав и минералогия базальтов вулкана Меньший брат (о. Итуруп, Курильские острова) / Чибисова М.В., Рыбин А.В., Мартынов Ю.А., Округин В.М. // Вестник КРАУНЦ. науки о Земле. - 2009. - №1. - Выпуск №13.C. 178-186.

3. Рыбин А.В. Магматические комплексы и редкометальное оруденение вулкана Кудрявый (о. Итуруп, Курильские острова) / Рыбин А.В., Данченко В.Я., Чибисова М.В., Гурьянов В.Б // Вестник Сахалинского областного краеведческого музея. Южно-Сахалинск. № 7, 2000, с 234-259.

4. McDonoughW.F. Composition of the Earth / McDonoughW.F.,Sun S.S. // Chemical Geology. - 1995. - №120.P. 223-253.

5. Lindsley D.H. Pyroxene thermometry / Lindsley D.H. // American mineralogist. - 1983. - Vol. 68.P. 477-493.

6. Risse A. Multi-stage Evolution of Late Neogene Mantle-derived Magmas from the Central Andes Back-arc in the Southern Puna Plateau of Argentina / Risse A., Trumbull R.B., Kay S.M., Coira B., Romer R.L. // JOURNAL OF PETROLOGY. - 2013. - Vol. 54. - № 10. P. 1963-1995.

7. Sato M. Repeated magmatism at 34 Ma and 23-20 Ma producing high magnesian adakitica ndesites and transitional basalts on southern Okushiri Island, NE Japan arc / Sato M., Shuto K., Nohara-Imanaka R., Takazawa E., Osanai Y., Nakano N. // LITHOS. - 2014. - Vol. 205. P. 60-83.

8. Oscar L. Differentiation of the late-Archaean sanukitoid series and some implications for crustal growth: Insights from geochemical modelling on the Bulai pluton, Central Limpopo Belt, South Africa / Oscar L., Regis D., Herve M., Jean-Francois M. // Precambrian Research. - 2013. - Vol. 227. P. 186-203.

9. Кузьмин Д.В. Происхождение и эволюция основных магм вулкана Меньший Брат (кальдера Медвежья, о. Итуруп) /Кузьмин Д.В., Низаметдинов И.Р., Смирнов С.З., Тимина Т.Ю., Шевко А.Я., Рыбин А.В. // Материалы XVII Всероссийской конференции по термобарогеохимии, посвященной 80-летию со дня рождения д-ра геол.-минерал. наук Феликса Григорьевича Рейфа (1936-2008). Тезисы докладов. - 2016. С. 84-86.

10. Nizametdinov I.R. Composition of olivine as the primary source of information about the origin of basalts of volcano Menshiy Brat, Iturup Island, Southern Kurile Islands / Nizametdinov I.R. // Moscow International School of Earth Sciences - 2016. Abstracts of International conference. - 2016.P. 91-93.

Размещено на Allbest.ru