Все научные статьи
Щека С.А., Гребенников А.В. Силикатно-металлические хондры как индикаторы флюидного режима игнимбритообразующих расплавов
Научная статья
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 883 Щека С.А., Гребенников А.В. fgreandr@hotmail.com)
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН 690022, Владивосток, пр.ЮО-летия Владивостока, 159
Введение
Игнимбритовые извержения являются одним из грандиозных и в то же время зловещих явлений природы, не менее опасных для человечества, чем столкновение Земли с космическими объектами. Огромные массы (тыс. км ) выброшенного при эксплозиях материала, высокие температуры не только лав, но и пеплов, явления их спекания на земной поверхности указывают на какой-то специфический характер механизма игнимбритовых извержений. Проблеме подобных извержений уделяется большое внимание практически с начала XX века в связи с тем, что продукты их с одной стороны покрывают огромные площади Италии, Японии, Калифорнии, Новой Зеландии, Камчатки, Приморья и других регионов, а с другой - их образование связано с разрушительным (катмайским) типом извержений, неоднократно приводивших к экологическим катастрофам на Земле. Термин игнимбрит (огненный дождь) ввел в ЗОх годах прошлого столетия П. Маршал [18], чей классический труд по игнимбритам Новой Зеландии не утратил своего значения до наших дней, особенно в наблюдательной части. Автор, признавая выброс материала в распыленном нагретом состоянии, допускает его литификацию не обычным спеканием с образованием вторичного расплава - фьямме, а склеиванием (adhesion) нагретых частиц, что в более мощных блоках приводит к появлению магматической прототектоники. В работах, посвященных проблемам игнимбритообразования, представлены самые различные, зачастую противоречивые взгляды не только на происхождение, но и на механизм извержений игнимбритовых магм. Высказанные по этому поводу мнения можно объединить в три основные гипотезы: обычная туфовая [3, 18 и др.], гипотеза лавового потока [6 и др.] и связанная с ней теория ликвационного расщепления расплавов [7 и др.] и гипотеза раскаленного пирокластического "ливня" [20]. Суммируя эти взгляды можно сделать вывод, что решение проблемы образования игнимбритов тесно связано с выяснением флюидного режима и со спецификой продуктов извержений, что и является основной целью предлагаемой работы.
Изучение магматических образований вулкано-тектонической структуры (ВТС) Якут-гора (Приморье), позволило получить оригинальные минералогические и геохимические данные по их составу и флюидному режиму формирования. Наблюдения показали, что исходные магмы игнимбритов ВТС являются крайне восстановленными. Помимо преобладания двухвалентного железа над трехвалентным в минералах игнимбритов (практическое отсутствие магнетита, обилие ильменита, низкая степень окисленности вулканических стекол, крайне железистые составы пироксенов и оливинов), об этом же убедительно свидетельствуют обнаруженные авторами силикатно-металлические глобули, представляющие типичные ликвационные хондры.
Методы исследований
Микроанализ минералов и стекла проводился на электронном микроанализаторе JXA 8100 (Япония) с помощью энергодисперсионного спектрометра INCA (OXFORD, Англия) в Дальневосточном геологическом институте. Ускоряющее напряжение и ток на образцах - 15-20 кв и 2x10" А, соответственно. Для количественного анализа углерода образцы и эталоны напылялись золотом. Определение микро- и макроэлементов в породах в основном выполнено рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре Rigaku RIX 2000 (Университет Шимане,
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 884 Ввиду низких содержаний силикатно-металлические шарики или отмывались лотком из элювия пород, или выделялись гравитационными и электромагнитными методами из протолочек, что полностью исключало возможность заражения материала инородными примесями.
Краткая геологическая характеристика ВТС Якут-гора
Детальная геологическая, петрологическая и геохимическая характеристика ВТС Якут-гора приведена ранее в ряде работ [12, 17], поэтому ограничимся краткими сведениями. На современном уровне среза ВТС представляет собой депрессию с глубиной погружения фундамента до 2.5 км, со всех сторон ограниченную прямолинейными и дуговыми разломами, круто падающими к ее внутренним частям и, часто заполненными дайками риолит-порфиров.
В разрезе ВТС Якут-гора выделяется (снизу вверх) пять пачек игнимбритов (далее в тексте игн. 1 - 5). В нижней части каждой пачки породы представлены слабо спекшимися литокластическими туфами риолитов, постепенно переходящими в более компактную зону спекания и далее - в собственно игнимбриты. Самая верхняя часть пачки опять сложена слабо спекшимися пирокластическими отложениями. Субвулканические фации комплекса включают трещинные интрузии, дайки и штоки риолит-порфиров и субвулканических гранитов. Экструзивно-жерловые купола представлены или вытянутыми, изометричными экструзивами риолитов, в краевых частях имеющими эффузивный облик и переходящими на более низких гипсометрических уровнях в субвулканические гранит-порфиры, или зональными экструзивными куполами (г.г. Нежданка, Ключ Березовый), сложенными в центре сферолитовыми риолитами и вулканическими стеклами по периферии.
Петрография и минералогия пород
Петрография и минералогия пород ВТС Якут-гора детально освещены ранее [17], поэтому здесь приводятся лишь краткие сведения. В целом богопольский комплекс характеризуется широким развитием вулканических стекол и преобладанием игнимбритов и спекшихся туфов.
Спекшиеся туфы имеют массивную текстуру и сложены однородными кластами, состоящими из угловатых зерен кварца, гипидиоморфных кристаллов КГТТТТ олигоклаза, измененных темноцветных минералов и фрагментов мелкокристаллических туфов. Отмечается четкая граница раздела между обломками кристаллолитокластов и связующей пепловой массой. Следует отметить, что в зоне перехода к типичным игнимбритам породы приобретают более сваренный облик, характеризующийся на границе соприкасающихся обломков полоской сплавления, в которой можно проследить постепенный переход от одного обломка к другому. Основное отличие спекшихся пород от собственно игнимбритов выражается в отсутствии фьямме и деформации обломков стекол. Среди акцессориев преобладают циркон, апатит, ортит, ильменит и очень редкие шарики самородного железа (0.1 - 0.2 мм).
Игнимбриты содержат кварц, санидин, плагиоклаз, феррогиперстен, феррогеденбергит или ферроавгит, биотит, железистую роговую обманку и фаялит. Магнетит крайне редок. Фенокристаллы минералов и фьямме заключены в плотную основную массы сильно растянутых и причудливо деформированных пепловых частиц. Флюидальная структура подчеркнута волнообразно изгибающимися полосками, в которых обломки вулканического стекла ориентированы параллельно этим линиям в матриксе. Наконец, следует подчеркнуть специфическую особенность всех разновидностей игнимбритов - катаклаз вкрапленников и заливчатые очертания зерен.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 885
Фьяммеа -а продолговатые,аа сплюснуто-вытянутыеа образованияа линзовиднойа формыа с Преостаяитаьпме составы лулканичсскаго стекла ВТСЯкут-сора (РМА)
таб.шм 1аа пламеневидными
окончаниями
1 1 1 вкмбйи 1-1 |
Игигепнбпнт-4 |
ЭкСтруЯНВ г,а It.llill!а .11 |
ЭкСТру*НВ Г.НсЖДННКИ |
|||||||||||
(к'ряи) |
(центр) |
|||||||||||||
фьшма |
[in.M'.r.i:' |
нщрнке |
нягрпее |
фыимв |
фыоимв |
ыатрикс |
накрнкс |
Стекло |
Сфсро |
днтовыи 77.S3 |
риолит |
|||
S102 |
77.70 |
77,35 |
77,59 |
77,68 |
76,57 |
76,17 |
7(1.74 |
77.49 |
75,67 |
74,57 |
73..4(1 |
77,53 |
77,84 |
|
Ti02 |
0,06 |
0,04 |
0,04 |
0,05 |
0,06 |
0,03 |
0,07 |
0,03 |
0,00 |
0,04 |
0,04 |
0,02 |
0,07 |
0.06 |
А1203 |
12,17 |
12,46 |
12,19 |
12,32 |
12,38 |
12,36 |
12,18 |
12,41 |
12,32 |
12,01 |
12,13 |
12,44 |
12,22 |
12,58 |
FeO* |
1,06 |
0,87 |
0.88 |
1,00 |
1,07 |
1,03 |
0,99 |
1,15 |
0,69 |
0,33 |
0,40 |
0,96 |
1,00 |
I.KH |
МпО |
0,00 |
0,00 |
0,02 |
0,03 |
0,04 |
0,02 |
0,06 |
0,04 |
0,01 |
0,00 |
0,00 |
0 05 |
0,12 |
0,04 |
Mgo |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,02 |
0,01 |
0,00 |
0,00 |
0.00 |
(1,91 |
0,00 |
0,04 |
0,02 |
0,02 |
CaO |
0,54 |
0,35 |
0,44 |
0,44 |
0,39 |
0,81 |
0,46 |
0,47 |
0,86 |
11.91 |
0,89 |
0,25 |
0,23 |
9.21 |
Na20 |
4,01 |
4,29 |
3.68 |
3,53 |
3,84 |
3,70 |
3,63 |
3,72 |
2,82 |
3,00 |
3,21 |
3,31 |
3,28 |
3,38 |
K20 |
2,98 |
3,12 |
2,84 |
2,89 |
2,20 |
2,31 |
2,38 |
2,26 |
1,08 |
1.09 |
1.12 |
2.34 |
2,44 |
2,47 |
P205 |
0,01 |
0,00 |
0,02 |
0,02 |
0,04 |
0,03 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0.00 |
0.00 |
0.03 |
0,02 |
0.04 |
Сумма |
98,54 |
98,47 |
97,69 |
97,95 |
96,61 |
96,46 |
96,52 |
97,57 |
93,44 |
91,96 |
91,10 |
96,95 |
97,22 |
97,63 |
Сумма |
98,54 |
98,47 |
97,69 |
97,95 |
96,61 |
96,46 |
96,52 |
97,57 |
93,44 |
91,96 |
91,10 |
96,95 |
97,22 |
97,63 |
irvornis] |
||||||||||||||
Q |
41,67 |
39,68 |
44,78 |
45,36 |
45,74 |
44,89 |
46,32 |
46,34 |
56,41 |
55,21 |
52,83 |
49,57 |
49,52 |
48,70 |
С |
1,41 |
1.41 |
2.3 7 |
2,70 |
3,15 |
145 |
2,88 |
3,04 |
5,28 |
491 |
4,40 |
4.22 |
3,93 |
4.15 |
Or |
17.85 |
18,67 |
17,14 |
17,37 |
13,47 |
14,07 |
14,54 |
13,71 |
6,86 |
7,03 |
7,27 |
14.24 |
14,83 |
14,95 |
Ab |
34,35 |
36,81 |
31,82 |
30.46 |
33,59 |
32,32 |
31,82 |
32,24 |
25,55 |
27,59 |
29,87 |
28,85 |
28,52 |
29,19 |
An |
2,66 |
1,79 |
2,10 |
2,05 |
1,77 |
3,97 |
2,38 |
2,38 |
4,56 |
-191 |
4.86 |
1,04 |
1,01 |
0,83 |
"У |
1,60 |
1,35 |
1.41 |
1,59 |
1,79 |
1.70 |
1,63 |
1,90 |
1.19 |
0,52 |
0,63 |
1,72 |
1.80 |
1.75 |
Mt |
0,23 |
0.19 |
0,19 |
0,22 |
0,25 |
0,23 |
0,22 |
0,26 |
0.16 |
0,07 |
0,10 |
0,22 |
0,22 |
0,23 |
11 |
0,11 |
0,08 |
0,08 |
0.09 |
0,11 |
0,06 |
0,13 |
0,06 |
0,00 |
0,08 |
0,08 |
0,04 |
о 13 |
0.1 |
Ap |
0,(12 |
0.00 |
0,05 |
0,05 |
0,09 |
0,07 |
0,00 |
о.оо |
0.11(1 |
(1.01) |
0,00 |
0,07 |
0,05 |
0.09 |
(расщепленными
или линзовидно-
выклинивающими
ся),аа размеромаа по
длинной оси 0.5-6
см, по короткой -
1-2 мм, редко 3-9
ммаа -аа обычноаа не
раскристаллизова
ныаа иаа состоятаа из
вулканического
стекла.аИногда
они слегка
РМА Чрентгеновский мнкроани.гт |
девитрифицирова
ны,аа причемаа в
неоднородной степени, что при большом увеличении подчеркивает их флюидальность, характеризующуюся в чередовании абсолютно черного и слегка девитрифицированого более светлого стекла. Содержание кристаллокластов во фьямме несколько ниже, чем в основной массе. Они представлены полевыми шпатами, кварцем и биотитом, причем фьямме обогащены последним. Характерно, что и обломки полевых шпатов и чешуйки биотита имеют ориентировку, соответствующую положению фьямме. Последние насыщены мельчайшими порами, высоко плеохроирующими микролитами и рудной пылью.
Состав пород ВТС приближается к среднему составу риолита по Дэли, занимая промежуточное положение между петрохимическими типами Лассен-Пик и Сан-Франциско. Вулканические стекла (фьямме и основная масса) являются в основном более кремнеземистыми, чем валовый состав тех же пород и характеризуются повсеместным преобладанием натрия над калием (табл. 1). Дефицит суммы в РМА (2-4 мас.%), видимо, связан с присутствием в них воды. Генеральной особенностью всех пород является недосыщенность их щелочами, что ведет к появлению нормативного корунда.
Сравнительный геохимический анализ эффузивных и интрузивных пород ВТС Якут-гора [17]а позволяет условно разделить их на две группы. Ва первую входят субвулканические
|
граниты и кислые игн.-2 и -4, во вторую - дайки порфировых риолитов и лосновные игн.-1, -3 и -5. Первые характеризуются более натровыми и более железистыми составами. В них несколько ниже содержания Fe, Ti, Са и Mg.
Следует отметить специфику химизма пород
зонального экструзива Нежданка Сферолитовые
риолиты центральной части, для которых
предполагаетсяаа ликвационноеаа расслоение,
характеризуютсяаа повышеннойаа калиевостьюK/(K+Na) - 57.7 ат.%. Вулканические стекла краевой
части - более натровые K/(K+Na) - 26.0 ат.% и менее
Рис. 1 морфология силиотно-металличсскойа кремнеземистые. В них несколько выше содержания
с<1>срулы. СЭМ EVO 50 - XVPаа кальция и железа.
Минералогия силикатно-металлических сферул
Специфической особенностью вулканитов Якут-горы является присутствие в стеклах сферолоидных образований с металлическим железом. Публикации последних лет убедительно
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 886
доказывают, что подобные глобули имеют земное
происхождение и распространены достаточно
широко. Они встречены в самых различных
геологических обстановках [1, 13, 14 и др.]. Наконец,
они известны в таких специфических образованиях,
как тектиты [19]. В.М. Хоссейни и В.Л. Русиновым
[15] показано, что сферолоидные выделения
приуроченыаа каа цилиндрическимаа каналам,
ориентированным в жерле кислых экструзий вертикально.
Подобные образования были обнаружены авторами в элювии, протолочках и шлифах всех разновидностей пород ВТС Якут-гора. Наибольшее их количество отмечено в экструзивных сферолитовых риолитах г. Нежданка.
Рассматриваемыеа образованияа имеют
Рис. 2 Внутренне строение силикатно-металлической сферулы |
сферическую форму и глянцевую поверхность (рис. 1). Размеры их колеблются в пределах 0.1-0.2 мм. Иногда к ним приварены фрагменты вмещающего стекла, но чаще от поверхности хондр ответвляется ножка, связывавшая их с вмещающим расплавом. В сколах видна крупная пористость. Внутреннее строение типичных хондр показано на рис. 2. Во всех случаях в ядре хондры располагается одна крупная или несколько мелких округлых пор, к которым примыкает металлическая капля, которая, в свою очередь, окружается симплектитом кварца, стекла и магнетита. Вокруг пор и на краях хондр структура симплектита становится тонкозернистой, что, видимо, связано с дегазацией расплава. Капли на контакте с симплектитом окаймляются выдержанной по мощности каёмкой стекла.
Травлением НС1 и рентгеновским микроанализом установлена неоднородность в распределении углерода в металлической части хондр с колебанием отношения Fe/C ат. от 3 до 9 (табл. 2). Некоторые капли гомогенны по составу (№№ 4а1-4; 461-4) и в них появляются примеси Ni. В негомогенных существенна примесь Мп (№№ 4в17-18), содержания которого достигают 6 мас.% в округлых углублениях в железистой матрице (№ 4а). В этом случае в них появляются примеси Р и S, что, видимо, связано с солевыми пленками газовых пор. Следует также отметить, что в низкоуглеродистых разностях устанавливается устойчивая примесь кремния в отсутствие Al, Na и К, что свидетельствует о вкладе силицид-железистого компонента. В симплектите удалось проанализировать магнетит и силикатную часть (табл. 3, № 4а7). Магнетит оказался высокомарганцовистым и свободным от примесей других элементов (Ti, Сг, V, Al, Mg), что не свойственно высокотемпературным магматическим магнетитам и позволяет связывать его появление с распадом ликвационного кремне-железистого расплава. Состав силикатной части определен площадным (5x6 мкм) сканированием и точечными анализами (табл. 2, 3). Согласно первому методу силикатная часть симплектита имеет кварц-полевошпатовый состав. После исключения расчётом магнетита (согласно его составу - № 4а7 и при допущении присутствия 1% FeO и 0.06% МпО в силикатной части) устанавливается (табл. 4), что валовый состав симплектита включает около 80 % магнетита, а силикатная составляющая представляет собой кварц (60 %) и калишпат (40 %), при отсутствии альбита. Такой же состав имеет и каемка вокруг всей хондры (№ 7-10, 7-11). В точечных анализах, в силикатной части, появляется Na вплоть до участков стекла, близкого по составу к игнимбритам (табл. 2, № 4в15-16). Такие участки приурочены к краям симплектита или к разрывам его сплошности и, возможно, отражают процесс металлизации игнимбритового расплава вокруг газовых пор. Доля магнетита снижается до 66-67%.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 887
Обсуждение результатов
Приведенные выше материалы, показывают, что в проблеме игнимбритового вулканизма
важны два аспекта: 1 - какова природа фьямме в игнимбритах?; 2 - в чем специфика механизма
игнимбритовых извержений?
|
По первому вопросу существуют
многочисленные точки зрения. Это и
явленияа расщепленияа (ликвации)
о + |
+ о |
+ о |
о |
первичного расплава на два (и более) несмешивающихся компонента под влиянием различных флюидов, и флюидно-гравитационное расслоение расплавов. Наконец, многочисленны представления о значительной роли процессов ассимиляции вмещающих пород и явлениях спекания (вплоть до плавления) нагретого пеплового материала.
SiOz, мас.% Ffic. 3 График изменения кремиеземистости м основности пород ВТС Якут-гора 1-5 - игн I - 5; 6-7 - стекловатые (6) и сферотнгговые (7) рнолиты экструзива Нежданкн, 8-9 - дайки рполит-порфкров (8) и штоки гранитов (9) |
Процессыа кристаллизационной
дифференциации накладывают свой отпечаток на формирование вещественной неоднородности расплава не только в зонах
его генерации в глубинных условиях, но и в промежуточных очагах. Покажем это на примере
ВТС Якут-гора, отнюдь не претендуя на универсальность предлагаемого варианта.
Как указывалось ранее, по химическому составу игнимбриты Якут-горы разделяются на
две группы - кислые и лосновные. Это наглядно отражается на рисунке 3. В первой группе
оказываютсяаа точкиаа составоваа игн.2аа иаа 4,аа гранитоваа иа зональныхаа экструзивов.аа Приаа этом
сферолитовые риолиты центральных частей экструзивов объединяются с гранитами, а краевые
стекловатые части близки по составу игн.2 и 4. В верхней части графика с суммой (Fe, Са, Mg,
Ti) более 3 мас.% размещаются точки составов игн.1, 3 и 5 и даек риолит-порфиров. При этом
последние, являясь стекловатыми аналогами гранитов, продолжают их тренд в лосновную
область,а отмечаяа тема самым
дифференциацию расплава приаа Q
|
раскристаллизации в интрузивных условиях. В целом же, химизм пород сводится к
соотношению трех основных оксидов - БЮг,
К2О, Na20. На прилагаемой диаграмме (рис.
4) Si, К и Na выражены в виде нормативных
молекул кварца (Q), альбита (АЬ) и
калишпата (Or). Здесь же нанесены данные
экспериментальных исследований для НгО-
насыщенной гранитной системы при Р - 0.3-
АЬ |
Or |
4 kb. Из диаграммы следует, что валовые
-2;#-3;0-*;^-5: Ф-6;*-7;И-8; Х-9;а О-10 |
составыа (фенокристы,аа ксенокристыа +
Рис. 4 Химическим и>сгг<|в порол Т1ТС Яз>ут-гора с экспериментальными данными для гранитны* кдоидсыщеодых систем жот0.5до4 1сЬ(Тия1в& Bowen, 1958) I-- ИГН.1; фьямме н мэтрмкд (РМА)Ч 2- игн -1; фьямме и метрике (РМА), 3 - игн 1 и 3 (ВАЛ); ч ж нгн.2 п4 (ВАЛ); 5 ж рналит-порфиры, дайка (ВАЛ); G - граниты (ВАЛ); 7 - монолитные стекла, экструэлв (ВАЛ); 8 - монолитные стекла, экструзнв (РМА); 9 - стекло из яандры (РМА); 10 - расчетные иктзвы енликатну-н части хиндр РМА - рентгеновски н м>1 кроя нал т, БАЛ - валовый анализ |
стекло) пород всех циклов извержения,
включая граниты, располагаются вдоль
полосы, несколько вытянутой вдоль оси АЬ-
Ог,аа т.е.аа ониаа характеризуют
фракционирование Or с обогащением остаточной жидкости АЬ. Интересно отметить, что эта
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 888
ТнГкшци 2 Химический состав металлической части хопдр точки
анализа Me Сат, !'<ж 100.97 100.00 2.69 99.87 100.00 2.91 99.25 100.00 3.09 98.68 100.00 2.69 100.52 100.00 4.51 ........ .42
100.00 5.03 99.31 100.00 4.99 99.76 100.00 4.96 101.93 100.00 6.71 99.77 100.00 8,78 101.28 100.00 5.46 100.93 100.00 5.86 98.08 100.00 3.42 99.34 100.00 2.87 97.98 100.00 2.96 94.78* 100.00 4.25 91.90** 100.00 3.71 7.47 27.10
6.87 25.58
6.46 24.46
7.31 27.13
4.58 18.16
4.12 16.58
4.10 16.69
4.15 16.78
3.17 12.90
2.38 10.17
3.84 15.41
3,57 14.52
5.80 22.51
6.92 25.65
6.64 25.00
4.56 18.48
5.00 20.42 91.16
71.91 91.79 73.50 91.52 74.56 90.02 71.85 95.37 81.37 95.75 82.93 94.62 82.82 95.13 82.79 97.94 85.79 96.47 88.43 96.57 83.32 96.76 84.54 92.23 76.99 92.35 73.65 90.51 73.26 85.74 74.82 80.31 70.41 1.34 0.99 1.21 0.92 1.27 0.98 1.35 1.02 0.57 0.47 Jiii 4аЗ 4л4 461 452 0.49 0.59 0.49 463 0.4В 0.43 0.83 0.74 0.91 0.85 0.87 0.76 0.59 0.52 Q.05 0.04 0.07 0.06 0.83 0.68 4.12 3.65 S.93 5.29 4S4 №.33 0.57 0.30 0.55 0.30 0.51 0,24 0.42 0.11 (MS 0.11 0.1S 0.31 0.49 2.18 3.05 2.92 3.88 4вЗ 4Д4 4в6 4в17
область занимает на экспериментальной кривой водонасыщенного гранитного расплава интервал 1-2 кбар, что, видимо, характеризует барические условия промежуточного очага. Иной и одинаковый состав для матрикса и фьямме (по данным зондовых анализов) имеют стекла из лосновных игнимбритов. Они обогащены АЬ и Q в сравнении с валовыми составами, характеризуя тем самым OrЧ>AbЧ>Q фракционирование первичного расплава. При этом стекла из кислых игнимбритов - более натровые и кислые, а из лосновных - более калиевые. Это в свою очередь говорит о том, что фьямме являются не выплавкой или ликвантом, а остаточным расплавом после OrЧ>AbЧ>Q фракционирования расплава в промежуточном очаге. Та же закономерность характерна и для периферической зоны экструзива г. Нежданки. Указанные области стекол вытянуты вдоль оси Ab-Q, отмечая крайнее насыщение кремнеземом. В пределах хондр выделяются две области составов силикатной части (расплава) - Q-Or и Q-Or-Ab. В соответствии с экспериментальными данными [21] они видимо, характеризуют две несмешивающиеся жидкости - железистую калиевую и кремнеземистую натрово-калиевую.
Примечание. Б числителе мас.%. в знаменателе ат. %. *- +Р (0.36%); **- +P(0.40%)+S(0 25%) |
Всё перечисленное показывает, что в генеральном плане состав магм ВТС Якут-гора эволюционировал в направлении OrЧ>AbЧ>Q, т.е. с накоплением кремнезема и натрия и снижением доли калия. В ядре зональных экструзивов и хондрах под влиянием флюидов формируются калиевые расплавы, несмесимые с вмещающим расплавом.
Приведенные данные показывают, что циклические изменения состава игнимбритовых расплавов обусловлены процессами фракционирования гомогенного расплава. Частичная раскристаллизация его в верхних частях очага в направлении OrЧ>AbЧ>Q приводит к появлению остаточного расплава, эволюционирующего в направлении AbЧ>Q, что находит отражение в стекле матрикса. Этому же составу соответствуют и фьямме, т.е. они являются фракциями остаточного расплава, а не продуктами сплавления пеплового материала или ликвации расплава. Процесс неоднократно циклически повторяется (в условиях структуры Якут-гора на протяжении 6 млн. лет [17]) от I цикла к заключительным экструзиям с прогрессирующим накоплением кремнезема (рис. 4). Чередование циклов, как будет показано далее, может быть вызвано сменой водного режима метаново-водородным.
Отличительными особенностями игнимбритового вулканизма являются масштабность (для ВТС Якут-горы около 200 тысяч км ) и высокая температура пеплового материала (890С по оценкам П. Маршалла), что свидетельствует, о каком-то необычном механизме подобных извержений. Первое, что бросается в глаза при изучении незатронутых вторичными изменениями игнимбритов, их высокая восстановленность. Так, анализ стекол показывает, что степень окисления железа (Fe Х^е) в них крайне низка (15-30 ат.%), хотя она может быть еще ниже, поскольку остывание пород протекало в контакте с кислородом атмосферы. Подтверждением сказанного являются аномальная железистость Fe-Mg силикатов, преобладание ильменита при редкости магнетита и, наконец, повсеместное появление описанных силикатно-металлических хондр, столь характерных для крайне восстановленных космических хондритов и тектитов.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 889 Металлическая ЧаСТЬаа ХОНДр,а Химическийактинсиликатнойчастихоидрспримесьюмагнетита(мас%)
Sb точки анализа |
КЮг |
AhO, |
FeO |
MnO |
NajO |
KjO |
v |
K/(K+\ji) ЯГ. |
4а7 |
2,1 S |
38.66 |
1.80 |
92.64 |
||||
4я8л |
15.00 |
1.42 |
77.40 |
0.83 |
0.53 |
95.17 |
1.00 |
|
467* |
16.62 |
1.93 |
75.78 |
1.01 |
0.78 |
96.12 |
1.00 |
|
4в12" |
L6.75 |
2.36 |
77. S2 |
0.85 |
0.'>3 |
98.42 |
1.00 |
|
7-10 |
24.46 |
2.55 |
64.32 |
US |
2.05 |
94.74 |
1.00 |
|
7-11 |
11.00 |
1.21 |
79.43 |
0.93 |
0.78 |
93.40 |
1.00 |
|
4а10 |
27.62 |
2.27 |
66.45 |
1.33 |
0.85 |
1.16 |
99.67 |
0.47 |
4614 |
26.S3 |
2.95 |
66.73 |
138 |
1.01 |
1.17 |
100.07 |
0.43 |
4615 |
27.58 |
2.97 |
63,71 |
1.28 |
0.77 |
1.19 |
97.49 |
0,51 |
4в15 |
80. S3 |
1Й.77 |
0.91 |
2.69 |
5.73 |
100.64 |
0.53 |
|
4в1б |
81.96 |
10.28 |
0.94 |
2.39 |
5,57 |
101.13 |
0,61 |
|
В-24/5*" |
77.68 |
12.60 |
0.45 |
2.97 |
4.85 |
99.67 |
0.52 |
|
В-24/6" |
77.40 |
12.82 |
0.31 |
1,33 |
6.54 |
99,62 |
0,76 |
окружающая газовую пору имеет состав от
малоуглеродистого чугуна (FegC-FesC) до
когенита (БезС). Это позволяет
предполагать, что восстановителем
(лметаллизатором) силикатного расплава
является смесь Н2-СН4 (доля СО и С02 при
фугитивности кислорода Fe-FeO ничтожно
мала). Как указывалось ранее, окружающий
металлическую фазу магнетит-стекло-
кварцевыйаа симплектит,аа возможно,
ПреДСТаВЛЯеТа ПрОМеЖуТОЧНЫЙаа ПРОДУКТаа ж - сканирование (5x6 мкм); остальные - точечные анализы
/ *' - сферолиты экструзий ВТС Якут-гора
металлизацииа (поа реакции таблица 4
Рас |
четныйхимическийактинсидмкатной Mazuenmimi (мае. %) |
части |
хондрзавычетом |
|||||
As точки ана/iHja |
SiO: |
AhO) |
F*0 |
MnO |
PsnjO |
кго |
V |
Mt/(Or+Ab+Q) мае % |
4aS |
87.55 |
8.29 |
1.00 |
0.06 |
0.00 |
3.10 |
100.00 |
82 |
467 |
85,05 |
9,89 |
1.00 |
0.06 |
0.00 |
4.00 |
100.00 |
SO |
4в12 |
82.69 |
11.66 |
1.00 |
0.06 |
0.00 |
4.59 |
100.00 |
74 |
7-10 |
83.27 |
8.69 |
1.00 |
0,06 |
o.oo |
6.99 |
100.00 |
69 |
7-11 |
83.78 |
9.22 |
1.00 |
0.06 |
0.00 |
5.94 |
100.00 |
86 |
410 |
85.68 |
7,03 |
1.00 |
0.06 |
2.64 |
3,59 |
100.00 |
67 |
4614 |
83.08 |
9.12 |
1,00 |
0.06 |
3,12 |
3.62 |
100.00 |
67 |
4615 |
83.93 |
9.04 |
1.00 |
0,06 |
2.34 |
3.63 |
100.00 |
66 |
МеО+Н2=Ме+Н20)аа вмещающего
силикатного расплава в контакте с газовым
пузырем.аа Нужноа отметить,а чтоа состав
расплава в симплектите резко отличается
от состава вмещающего расплава (рис. 4),
что характерно для сферолитов экструзий,
для которых предполагается ликвационный
механизм образования.
Поа поводуа составаа иа режима флюидных компонентов игнимбритовых
магм нужно отметить следующее. По этому параметру все силикатные расплавы разделяются на два принципиально различных типа - полевошпатовые (кварц-гиперстен-нормативные) и фельдшпатоидные (т.е. недосыщенные Si02, щелочные). Для первых характерен восстановленный метан-водородный состав летучих, для вторых - локисленный галоидно-фосфорно-углекислотный. Если наличие малоподвижных С02, Р2О5, Cl2, F2 в расплаве уверенно фиксируется присутствием их в газово-жидких, солевых и расплавных включениях в минералах, то водород, в силу чрезвычайно высокой подвижности, по мере снижения термодинамических параметров покидает расплав или окисляется до воды. Его присутствие в расплавах выражается в пониженной окисленности железа в минералах и стеклах толеитовых пород наряду с частым появлением в них самородного железа. Инструментальными наблюдениями установлено [16 и др.], что наблюдаемые при современных извержениях газовые факелы вызваны горением водорода, а доля углеводородов невелика. При отборе газов непосредственно из расплава вулкана Плоский Толбачик (Камчатка) И. А. Меняйловым и др. [8] показано, что в их составе преобладает водород (63-93 об.%), который при снижении температуры и в контакте с воздухом окисляется до воды, образующей фумаролы. Доля других газов незначительна - С02 - 2-10%; 02 - 0.36-5%; СН4+СО < 1-2%.
Наконец, отметим, что, по мнению авторов, исследователями игнимбритов уделяется неоправданно мало внимания аналогиям их с тектитами. Тем не менее, по большинству признаков они весьма близки [19]. При высокой кремнеземистости (72-79 % Si02) они также недосыщены щелочами. Содержание воды в них ниже 0,01 %, а содержание водорода в газовой фазе - 35-41 об.% при отсутствии трехвалентного железа. Как правило, они несут хондры металлического железа. Для стекол характерна высокая тонкая (< 1 мкм) пористость, причем инструментально определенное давление в порах оказалось ниже 10" ат. Последнее наряду с более мафическим составом (обогащение Ti, Cr, Ni, Mg, Fe, Са) позволило Э.П. Изоху [4] высказать предположение, что тектиты поставляются эксплозиями вулканов в космический вакуум на одном из спутников планет-гигантов Солнечной системы. Как известно сейчас, подобные вулканы - существующая реальность. Этим самым авторы хотели подчеркнуть, что условия образования заведомо земных игнимбритов и космических тектитов во многом схожи.
Хроматографический анализ термических вытяжек из минералов игнимбритов всех пяти циклов извержений показал [2], что соотношение в газах С/Н не превышает 0.05 об.%, т.е.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 890
примесь СНд в первичном газе не превышала первых процентов. Результаты также показывают, что в I, II и IV циклах значительна доля водорода, в III и V, и в заключительных экструзиях водород окислен до воды. Объяснение этого можно найти в строении разреза Якут-горы - в составе водородных циклов преобладают массивные спекшиеся игнимбриты, а среди локисленных велика доля рыхлых туфов. Это, видимо, связано с окислением последних как под влиянием кислорода воздуха при остывании на поверхности, так и под влиянием воды, образовавшейся при взрыве гремучей смеси предыдущих циклов (см. далее). Из сказанного выше, следует, что основным газовым компонентом игнимбритов является водород.
Исходя из этого,а выполнен расчет объемных эффектов возможных газовых реакций
окисления-восстановления. Предварительно по программе Селектор [5] рассчитаны
молекулярные объемы реальных газов для условий Р=1а кбар, Т=700 С, т.е. для условий
предполагаемого промежуточного очага (табл. 5). При этом возможны следующие реакции:
2Н2+02=2Н20а (I)аа AQ + 137 ккал/моль; AV - 168.25 см3/моль (-56.9%)
СН4+202=С02 + 2Н20 (II) AQ + 192 ккал/моль; AV - 84.2 см3/моль (-27.3%) Как видно из уравнений, реакции протекают со значительным сокращением объема. Ранее было показано, что доля углеродного компонента незначительна, действующим агентом процесса фактически является реакция взрыва гремучей смеси (I). При низких Р и Т она стимулируется шоковыми агентами (искрой, вспышкой, скачком давлений), а при температуре выше 600С смесь 2Н2+02 вспыхивает произвольно [9], т.е. реакция реальна в условиях промежуточного очаг Якут-горы. Значительное сокращение объема пространства в
Мамкулярнь |
Таблицы 5 е объемы газов fl'-7t)0aC; Р-1 кбар) |
Газ |
V CMJ/lVIOJIb |
Нз |
97.70 |
02 |
100.45 |
HjO |
63.80 |
со, |
95.77 |
со |
109.80 |
СН4 |
106.70 |
апикальной части очага в момент взрыва должно вызывать мгновенный выброс магмы к поверхности по подводящим каналам с одновременным образованием кальдеры проседания. Высокий экзотермический эффект реакции (I) (+ 137 ккал) и насыщенность расплава водородом ведут к его перегреву до 1300С по замерам на водородном факеле вулкана Плоский Толбачик (устное сообщение О.Н. Волынца), где также обнаружены указанные хондры [1], и разжижению на несколько ^ГиТП^ГГрГГьГ^^ порядков [11]. Это способствует выбросу и распылению
жидкого расплава. Сгустки (адгезия, коалесценция) его частиц выделяются в виде фьямме.
В случае Якут-горы протекание процесса игнимбритообразования схематически может быть представлено в следующем виде (рис. 5). Поступивший в промежуточный очаг гомогенный расплав (состав его может быть отождествлен с составом игн.-1) оказывается в закрытой системе на уровне более высокой фугитивности кислорода в контакте с более холодными породами. Последнее приводит к началу его кристаллизации в порядке OrЧ>АЬЧ>Q. Это сопровождается обогащением остаточного расплава сначала АЬ, затем Q. Медленный подток водорода и метана из глубинного очага будет приводить сначала к их окислению как за счет восстановления FeO и Fe203 по реакциям: FeO+H2Ч>Fe+H20; Fe203+3H2Ч>2Fe+3H20; 2FeO+CH4Ч>2Fe+C02+2H20, так и за счет более высокой ГО2 (по сравнению с глубинным очагом) на этом уровне. При этом в гомогенном расплаве в водородных порах выделяются железисто-силикатные капли, которые в свою очередь распадаются на металлический и железисто-силикатный компоненты. Следует отметить, что моделью этого процесса являются эксперименты Э.Рёддера [21], проводившиеся при буфере Fe-FeO с использованием металлического железа, вокруг которого формировались несмесимые калиевые кремнекислый и высокожелезистый расплавы. В последнем железо при кристаллизации выделялось в виде локисленной фазы - магнетита, что, в нашем случае, видимо, обусловлено взаимодействием хондры с более окисленным вмещающим расплавом. Ликвационный характер силикатной части хондры подтверждается ее постоянным высококалиевым составом во всех изученных хондрах. В силу относительной закрытости системы за счет воды будут появляться биотит и роговая обманка. Ввиду ограниченной растворимости Н20 и С02 в кислом расплаве над очагом будет формироваться газовая подушка. В момент достижения соотношения Н2 : 02 Ч> 2 : 1 смесь
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 891а Известны и примеры техногенных катастроф, связанных с взрывом гремучего газа. Так, К. Рудя считает, что именно взрыв гремучей смеси привел к разрушению четвертого блока Чернобыльской АЭС ( реактора. Этотаа же механизм
|
предполагается в качестве одной из причин гибели подводной лодки
ю |
Комсомолец ( //ui с. nnov. ru/~teog/sovrem/koms. htm). Очевидно, такую же природу имеет механизм взрыва т.н. вакуумной бомбы.
Рис. 5 Предполагаемая динамическая модель нгнпмс^гговогоЕулканшма ВТСЯкут-гора. DCe ПереЧИСЛеННОе СВИДеТеЛЬСТВуеТ
[}гапы1 I - прсаувка сlara вадирозом hi метаном с пхмедленным окислением; II - взрыв гремучем
Смеси; III - обрушение кровли е образованием магмопроводников, выбросом н распылением в В ПОЛЬЗуа реаЛЬНОСТИ ПреДЛаГаеМОГО
атмосфере расплав г*,а т-.
механизма игнимбритовых извержении. В заключение отметим, что этот механизм извержений разработан исключительно для вулканоструктуры Якут-гора и не охватывает всего многообразия явлений игнимбритообразования, но принципиальное отличие вакуумных горячих игнимбритовых эксплозий от выброса холодного материала покрышки очага за счет возрастания давления летучей фазы бесспорно. Наконец, все основные аспекты предлагаемой модели, полностью подтвердились экспериментальными данными [23], которые показали интенсивную фрагментацию и выброс насыщенного азотом и сжатого до 2.6 МРа расплава при его декомпрессии. Несмотря на кажущуюся экстравагантность предлагаемого механизма извержений, по мнению авторов, он наиболее полно отражает специфику игнимбритового вулканизма.
Основные выводы
- Цикличность игнимбритовых извержений обусловлена характером окислительно-восстановительных реакций сопровождающих их флюидов. Детальное изучение силикатно-металлических хондр из игнимбритов Приморья наряду с другими факторами показывает, что среди них преобладают водород и метан.
- Циклические изменения состава игнимбритовой магмы в процессе вулканизма вполне удовлетворительно объясняется процессами её кристаллизационной дифференциации в промежуточном очаге. При этом идентичность состава стекол фьямме и вмещающего матрикса свидетельствуют о том, что фьямме не могут быть продуктом спекания или сплавления пеплового материала, а являются фрагментами остаточного расплава после фракционирования первичного расплава в направлении OrЧ>АЬЧ>Q.
- Коренное отличие игнимбритовых извержений от других вулканических эксплозий заключается в значительном сокращении объема надочагового пространства в момент взрыва соответствующих газовых смесей и обрушении кровли очага. Это должно сопровождаться гидроударом (по типу цилиндр - поршень) и образованием
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 892 итература Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 893
Все научные статьи