Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ЩЕРБАКОВ Василий Дмитриевич
ПЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ЭРУПТИВНОГО ЦИКЛА ВУЛКАНА БЕЗЫМЯННЫЙ, КАМЧАТКА
Специальность 25.00.04 - петрология, вулканология
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
МОСКВА - 2012
Работа выполнена на кафедре петрологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (МГУ).
Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук, доцент Плечов Павел Юрьевич
Официальные оппоненты: Арискин Алексей Алексеевич доктор геолого-минералогических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, ГЕОХИ РАН Максимов Александр Павлович кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, ИВиС ДВО РАН
Ведущая организация: Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ РАН), г. Москва
Защита состоится 5 октября 2012 года в 16-30 в ауд. 415 на заседании диссертационного совета Д 501.001.62 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Отдела диссертаций Фундаментальной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., 27).
Автореферат разослан л3 сентября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.доктор геолого-минералогических наук Зиновьева Н.Г.
Введение Вулкан Безымянный (Камчатка) - один из самых активных современных андезитовых островодужных вулканов на Земле. Вклад в исследования вулкана Безымянный внесли Алидибиров М.А., Альмеев Р.Р., Арискин А.А., Белоусов А.Б., Белоусова М.Г., Бибикова Е.В., Богоявленская Г.Е., Брайцева О.А., Влодавец В.И., Гирина О.А., Горшков Г.С., Гущенко И.И., Дубик Ю.М., Ермаков В.А., Жаринов Н.И., Заварицкий А.Н., Иванов Б.В., Кадик А.А., Кирсанов И.Т., Максимов А.П., Малышев А.И., Мелекесцев И.В., Наумов В.Б., Озеров А.Ю., Пийп Б.И., Сенюков С.Л., Токарев П.И., Федотов С.А., Хренов А.П., Чубарова О.С. Однако по изученности вулкан Безымянный уступает другим андезитовым вулканам с аналогичным типом эруптивной деятельности, таким как Сент-Хеленс (Каскадные горы, США), Суфриере-Хиллс (Малые Антилы, Великобритания), Унзен (о.Кюсю, Япония), Пинатубо (Филиппины).
Современный период активности вулкана Безымянный (с 1956 года по настоящее время) характеризуется закономерным изменением состава эруптивных продуктов, частоты извержений и их характера. В данной работе исследованы продукты первого крупного исторического извержения (1956 г.) и серии недавних извержений 2000-2007 г. В работе определены параметры кристаллизации магм в начале периода активизации и на современном этапе, охарактеризованы питающие вулкан магмы и частота их поступления в магматическую систему.
Актуальность работы.
Понимание закономерностей процессов островодужного вулканизма является одной из наиболее актуальных научных задач. Для построения корректных петрологических моделей вулканических систем необходимо знание многих параметров.
Одним из ключевых параметров является время. Вулкан Безымянный, в силу своей высокой эруптивной активности, позволяет исследовать островодужные магматические системы в реальном времени и поэтому является природной лабораторией.
Цели и задачи работы.
Целью работы является исследование эволюции магматической системы вулкана Безымянный с 1956 по 2007 гг. и выявление причин возникновения антидромной последовательности продуктов извержений. Основные задачи
, стоящие перед работой:
1. Петрологическая характеристика эруптивных продуктов последнего эруптивного цикла вулкана Безымянный.
2. Детальное петрологическое исследование продуктов извержения 1956 г., характеризующих начало эруптивного цикла.
3. Детальное петрологическое исследование продуктов серии извержений 2000-20г., характеризующих современной 4. Петрологическое изучение темноцветных включений и перидотитовых ксенолитов для характеристики магм питающих вулканическую систему.
5. Построение петрологической модели магматической системы вулкана Безымянный.
Научная новизна.
В диссертационной работе произведено петрологическое исследование серии продуктов последовательных извержения 2000-2007 гг. и предложена модель строения магматической системы с двумя разноуровневыми очагами. На основе экспериментальных данных оценены параметры кристаллизации магмы извержения вулкана Безымянный 1956 г. непосредственно перед извержением.
Фактический материал и методы исследования.
Большая часть каменного материала была собрана автором в ходе полевых работ на в. Безымянный 2007-2009 гг. Образцы извержений 2000-2007 гг. были частично отобраны автором, а частично предоставлены Павлом Избековым, Александром и Мариной Белоусовыми и Филиппом Кайлом. Для исследования было изготовлено более прозрачно-полированных шлифов, около 10 препаратов из эпоксидной смолы с монофракциями минералов. При исследования было получено более 500 фотографий в отраженных электронах и проведено более 1500 микрозондовых анализов минералов и стекол. Для характеристики состава пород были проведены 8 анализов содержания петрогенных окислов рентгено-флуорисцентным методом и 8 анализов содержаний редких и рассеянных элементом методом масс-спектрометрии индуктивно связанной плазмы. При исследование содержаний редкоземельных элементов в минералах было проведено 15 анализов на масс-спектрометре индуктивно-связанной плазмы с лазерной экстракцией. В ходе экспериментальных исследований было проведено 20 серий экспериментов на установках типа газовой бомбы с внешним нагревом длительностью 8165 часов.
Основные защищаемые положения.
1. Перед извержением вулкана Безымянный 1956 года магма испытала значительный подъем и последующую кристаллизацию при давлениях 50-100 МПа. Время нахождения магмы на этой глубине, оцененное по незавершенным минеральным реакциям составляет от одной до нескольких недель.
2. Магма, питавшая очаг вулкана Безымянный в 2000-2007 г., имеет андезибазальтовый состав. В процессе подъема к поверхности она ассимилировала материал глубинного магматического очага, представленный роговообманковыми андезитами. Гарцбургитовые ксенолиты, выносимые на поверхность этой магмой, имеют мантийное происхождение и образовались в результате 20-30% плавления мантийного субстрата и последующей метасоматической проработки богатым некогерентными элементами флюидом.
3. На основе зональности вкрапленников плагиоклаза установлено, что в 2000-20гг. магматический очаг, пополнялся новыми порциями магмы перед каждым извержением. При смешении главенствующую роль играл теплообмен, приводящий к периодическому растворению плагиоклаза и формированию ритмичной зональности в нем.
Структура и объем работы.
Работа состоит из 5 глав, введения и заключения, общим объемом 145 страниц с иллюстрациями и 22 таблицами. Список литературы содержит 118 наименований.
Апробация работы.
По теме диссертационной работы В.Д.Щербаковым опубликовано 13 научных работ, включая 4 статьи в периодических научных изданиях (в том числе 4 публикаций из списка ВАК) и 9 тезисов докладов на Всероссийских и Международных конференциях.
Результаты исследований докладывались на ежегодном совещании американского геофизического союза (AGU 2008, 2010) конференциях Japan-Kamchatka-Aleutian subduction processes (2009, 2011).
Благодарности.
Автор выражает признательность всем тем, кто оказывал помощь и поддержку при работе над диссертаций на стадиях отбора полевого материала, препаратоподготовки, инструментальных исследований и осмысления материала. Автор благодарит своего научного руководителя Павла Юрьевича Плечова за колоссальную поддержку, терпение и участие в становлении петрологического мировоззрения автора. В инструментальных исследованиях неоценимую помощь оказали В.О. Япаскурт, Е.В. Гусева, Н.Н. Коротаева, А.Б. Перепелов, О. Нил, Дж. Ларсен, К. Северин. Автор благодарит за плодотворные обсуждения и ценные комментарии в ходе написания работы, О. Нила, Ф. Рупперта, М.
Хамфрейс, Р.Р. Альмеева, Б. Скаиллета. Автор весьма признателен П.Э. Избекову за постоянную поддержку в ходе экспедиций и работы над материалом.
Глава 1. Обзор литературных данных.
В главе приводится краткая характеристика геолого-тектонического строения Камчатки (раздел 1.1), характеристика Ключевской группы вулканов (раздел 1.2) и описание эруптивной деятельности вулкана Безымянный (раздел 1.3). В разделе 1.приводится обзор петрологических исследований вулканических центров, схожих с в.
Безымянный по эруптивной деятельности и составу продуктов.
Глава 2. Методы исследования.
В данной главе приводится описание исследованных образцов (раздел 1.1.), аналитические процедуры изучения составом минералов и стекол и валовых составов пород (разделы 1.2.-1.3.), описание методики экспериментов (раздел 1.4.) и процедуры детального исследования зональности вкрапленников плагиоклаза на основе изображений в отраженных электронах (раздел 1.5.).
Глава 3. Экспериментальное исследование преэруптивных параметров магмы извержения 1956 года.
Параметры кристаллизации роговообманковых андезитов извержения 1956 года являются предметом обсуждения ряда исследований [Kadik et al., 1985; Almeev et al., 2002;
Tolstykh et al., 2003; Plechov et al., 2008; Almeev et al., in press; Shipman et al., in press].
Магматический амфибол в андезитовых системах, согласно экспериментальным данным, стабилен при давлении 150 МПа и температуре 950С, что ограничивает параметры возможные кристаллизации плагиоклаз-амфиболового парагенезиса, характерного для продуктов извержения 1956 г. в первую очередь по глубине. Экспериментальные данные [Кадик и др., 1985] и данные по барометрии природных амфиболов [Альмеев и др., 2002] указывают на то, что основной объем магмы 1956 года кристаллизовался при давлении 300-700 МПа, что соответствует глубине 7 км. Однако повсеместная распространнность реакционных кайм вокруг кристаллов амфибола указывает на то, что извергнутый объем магмы испытал подъем из зоны стабильности амфибола (магматического очага) и перед извержением аккумулировался на меньшей глубине. Для определения глубины предэруптивной аккумуляции магмы были проведены эксперименты по фазовому равновесию в водосодержащих андезитовых системах.
Экспериментальные исследования выполнены в лаборатории экспериментальной петрологии Геофизического Института университета Аляски (Фэрбенкс, Аляска, США). В качестве стартового материала использовалась пористая пемза из пирокластического потока извержения вулкана Безымянный 30 марта 1956 года, соответствующая наиболее глубинной части извергнутой магмы. Исходный образец был истерт до размерности 0,5-мм, что соответствует среднему размеру вкрапленников, для предотвращения существенного нарушения их целостности. Подобная экспериментальная техника используется для минимизации влияния химической неоднородности внутренних частей вкрапленников на фазовые соотношения при экспериментах моделирующих условия равновесия магм перед извержением и поздние стадии кристаллизации [Rutherford and Devine, 1996; Hammer and Rutherford, 2002; Pichavant et al., 2007, Brugger and Hammer, 2010]. Высокотемпературные эксперименты (900-1050С) были выполнены в установках типа газовой бомбы с внешним нагревом (TZM pressure vessel). Образцы загружались в сосуд из W-Zr-Mo сплава, погружаемый в стальной цилиндр, заполненный аргоном. Сосуд помещался в нагревательную печь, при этом затвор, охлаждаемый проточной водой, оставался снаружи. Температура в рабочей части реактора была откалибрована относительно температуры печи непосредственно перед проведением серии экспериментов при помощи термопары К-типа (термопара хромель-алюмель), введенной в рабочую область реактора. Воспроизводимость температуры составила 2С. Давление в эксперименте задавалось при помощи смеси аргона и метана и измерялось при помощи манометра с точностью 0.4 MPa. Фугитивность кислорода задавалась смесью Ni-NiO, изолированной в небольшой платиновой ампуле, загружаемой вместе с образцом.
Длительность экспериментов составила от 7 до 13 часов. Закалка производилась переворачиванием реактора.
Табл. 1. Параметры экспериментов по фазовому равновесию Темп. Давление Эксп.
№ (C) (MПa) Длительность (ч) установка Синтезированные фазы BZ-2 775 200 165:15 Renee Gl, Plg, Opx, Amp, Mt, Ilm BZ-1 850 100 163:20 Renee Gl, Plg, Opx, Mt BZ-17 850 150 8:00 TZM Gl, Plg, Opx, Cpx, Mt BZ-19 850 200 7:20 TZM Gl, Plg, Opx, Cpx, Amp, Mt BZ-14 900 100 12:40 TZM Gl, Plg, Opx, Cpx, Mt BZ-20 900 200 7:40 TZM Gl, Opx, Cpx BZ-12 950 50 8:00 TZM Gl, Plg, Opx, Cpx, Mt BZ-4 950 100 10:45 TZM Gl, Plg, Opx, Cpx, Mt BZ-18 950 150 8:10 TZM Gl, Opx BZ-21 950 200 7:50 TZM Gl, Opx BZ-10 1000 50 7:25 TZM Gl, Plg, Opx, Cpx, Mt BZ-3 1000 100 8:00 TZM Gl, Plg, Opx BZ-11 1050 50 7:45 TZM Gl, Plg, Opx, Mt BZ-9 1050 100 7:40 TZM Gl, Opx BZ-7 1100 100 6:00 TZM Gl Gl = стекло, Plg = плагиоклаз, Opx = ортопироксен, Cpx = клинопироксен, Amp = амфибол, Mt = магнетит, Ilm = ильменит Два низкотемпературных эксперимента были выполнены в газовой бомбе с внешним нагревом - Renee-type pressure vessel. В качестве среды, передающей давление, использовалась вода. Фугитивность контролировалась реакцией никелевого стержня помещенного в реактор с материалом реактора (NiO), и составила NNO+10.5 [Geschwind and Rutherford, 1992; Gardner et al., 1995). Параметры экспериментов приведены в табл. 1.
В экспериментах была воспроизведена кристаллизация плагиоклаза, ортопироксена, клинопироксена, титаномагнетита и амфибола в диапазоне температур 775-1050С и давления 50-200 МПа (табл. 1). Полученные экспериментальные фазовые соотношения изображены на рис. 1. Ортопироксен является первым кристаллизующимся минералом во всем диапазоне давлений. При давлении 150 МПа вслед за ортопироксеном кристаллизуется плагиоклаз, в то время как при давлении >150 МПа плагиоклаз кристаллизуется после орто- и клинопироксена. Амфибол кристаллизуется при давлении >150 МПа и температуре <900C.
Состав стекла основной массы в продуктах опытов систематически зависит от температуры и давления (Рис. 2.). Содержания SiO2 и K2O возрастают, а содержания FeO, MgO, Al2O3 и CaO убывают при падении температуры при постоянном давлении.
Изотермальное увеличение давления приводит к обогащению стекол основной массы CaO, Al2O3 и MgO и обеднению SiO2 и K2O. Состав синтезированных микролитов плагиоклаза лежит в диапазоне An56.1-78.3. Увеличение давления и температуры в экспериментах способствует кристаллизации более кальциевого плагиоклаза.
Рис. 1. Фазовые соотношения в координатах T-P, полученные в экспериментах для образца роговообманковых андезитов 1956 г. Ромбами отмечены условия отдельных экспериментов.
Сплошными линиями показаны границы полей устойчивости фаз, пунктирными линиями отмечен состав новообразованного плагиоклаза. Plg - плагиколаз, Cpx - клинопироксен, Opx - ортопироксен, Hbl - роговая обманка Рис. 2 Составы экспериментальных и природных стекол для роговообманковых андезитов 1956г.
Значками и сплошными линиями обозначены составы экспериментальных стекол и тенденции их изменения с параметрами эксперимента. Серая закрашенная область соответствует составу стекловатых расплавных включений в плагиоклазе. Черными прямоугольниками нанесены составы стекол основной массы Состав расплава в высококристалличных магмах контролируется набором и пропорцией кристаллизующихся минералов, которые в свою очередь зависят от состава магмы, температуры, давления и содержания летучих компонентов (при низких давлениях 200 МРа в основном H2O, меньшей - CO2, SO2, HCl и др.). Сравнение экспериментальных стекол полученных при различных T и P с природными стеклами расплавных включений и основной массы позволяет определить давление кристаллизации природных андезитовых систем. На рисунке 2 видно, что составы стекол расплавных включений в плагиоклазе (Рис. 2, серая закрашенная область) соответствуют экспериментальным стеклам, полученным при давлениях 50-150 МПа. Если принять температуру кристаллизации при захвате включений, соответствующей температуре кристаллизации вкрапленников (90030С), то среднее давление кристаллизации составляет ~100 МПа. На поздних этапах в водонасыщенных системах при подъеме магмы к поверхности возможна декомпрессионная кристаллизация, что приводит к выделению скрытой теплоты и нагреву, поэтому температура при захвате включений в плагиоклазе могла превышать температуру кристаллизации плагиоклаз-амфиболовой ассоциации вкрапленников. Увеличение предполагаемой температуры кристаллизации приводит к меньшим давлениям. Таким образом, захват расплавных включений наиболее вероятно происходил при давлении 100 МПа. Составы природных стекол основной массы (Рис. 2, обведены черным) соответствуют стеклам синтезированным при давлении 50 МПа.
Состав синтезированного плагиоклаза наиболее близко соответствует каймам вкрапленников в диапазоне давления 50-100 МПа и температуры 850-950С.
Содержание K, Rb и воды в стеклах расплавных включений и основной массы вулканических пород были использованы для расчета пути эволюции магмы в координатах кристалличность - давление. Кристалличность рассчитывалась на основе предположения о некогерентном поведение K и Rb, а давление - исходя из предположения о водонасыщенности расплава на основе моделей растворимости воды в силикатных расплавах [Moore et al., 1998, Papale et al., 2006]. Подобный расчет показывает для стекол расплавных включений и основной массы, что кристалличность увеличивается с уменьшением давления (рис. 3). При давлении 100-120 МПа магма содержит около 45-вес.% кристаллов, что в целом соответствует содержанию вкрапленников в породах извержения 1956 г. [Neill et al., 2010]. Средняя кристалличность при 50 МПа составляет около 55-60 вес.%, а при 20 МПа достигает 70 вес.%.
Описанная зависимость, характеризующаяся увеличением кристалличности при уменьшении давления, свойственна процессу кристаллизации при декомпресии водонасыщенного расплава [Blundy and Cashman, 2001]. Большой разброс содержания кристаллов при низких давлениях может быть следствием того, что отдельные порции магмы поднимались с разной скоростью или обладали различной температурой.
На основе модели плагиоклаз расплав [Putirka, 2005], примененной к Рис. 3. Вариации температуры содержания кристаллов в магме, как функция температуры, составам расплавных включений, рассчитанные на основе содержаний K, Rb и H2O в была реконструирована температура расплавных включениях и матричных стеклах (см.
текст). Крупные темно-серые круги - расплавные кристаллизации плагиоклаза как включения в плагиоклазах из пирокластического потока 1956 г., рассчитанные на основе содержаний K и функция давления. Расплавные H2O, маленькие светло-серые круги - расплавные включения в плагиоклазе криптокупола извержения включения, захваченные при 1956 г., треугольники - расплавные включения в плагиоклазах из пирокластического потока 1956 г., давлении 80 МПа равновесны с рассчитанные на основе SHRIMP анализов Rb и H2O, плагиоклазом при ~850C, при ромбы - матричные стекла образца пирокластического потока 1956 г.
меньших давлениях температура возрастает до ~950C. Полученные оценки в целом соответствуют предыдущим оценкам параметров кристаллизации [Кадик и др., 1985; Альмеев и др., 2002; Плечов и др., 2008] Глава 4. Петрология продуктов извержения 2000-2007 гг.
Период эруптивной деятельности вулкана Безымянный с 2000 по 2007 гг.
характеризуется четырнадцатью эксплозивными извержениями. Все извержения происходят по сходному сценарию. Период подготовки извержения начинается за несколько недель до извержения, и характеризуется повышенной сейсмической активностью под вулканом, и частыми камнепадами на экструзивном куполе.
Изверженные продукты представлены сходными гомогенными двупироксеновыми андезитами и андезибазальтами.
Параметры кристаллизации двупироксен-плагиоклазовой ассоциации могут быть оценены на основе предположения о флюидо-насыщенности расплава по содержанию H2O и CO2 в расплавных включениях. Содержания, проанализированные методом SHRIMP [Izbekov et al., in press], составляют 1.920.39 вес.% H2O и <200 ppm CO2, что согласно модели растворимости [Papale et al., 2006] соответствует давлению захвата 77-МПа (глубина ~ 3 км). Температура кристаллизации вкрапленников на основе двупироксенового равновесия [Wells, 1977] составляет 91521C. Температура кристаллизации микролитов основной массы, также рассчитанная по двупироксеновому равновесию, составляет 980-1050C.
Основной акцент исследований был сделан на детальное исследование зональности вкрапленников плагиоклаза. Из-за высокой чувствительности состава плагиоклаза к температуре, давлению и содержанию воды в расплаве [Ariskin et al., 1993; Альмеев, Арискин, 1996; Housh&Luhr, 1991; Panajaswatwong et al., 1995; Pletchov&Gerya, 1998], а также очень медленной взаимной диффузии Si и Al в кристаллической решетке [Liu&Yund, 1992] он способен записывать и сохранять в своей зональности сложную историю магматических очагов вулканических систем.
Для изучения зональности плагиоклазов был использован метод определения состава плагиоклаза по яркости изображения в отраженных электронах (BSE). Впервые подобная методика была использована Ginibre et al. [2002]. В е основе лежит линейная зависимость между содержанием анортита в плагиоклазе и яркостью его растрового изображения в отраженных электронах. Данный метод значительно ускоряет процесс получения профилей зональности по сравнению с непосредственным измерением на микрозонде и дает большее разрешение. Погрешность метода не превышает 5 мол. % анортитовой молекулы.
Для большинства вкрапленников плагиоклаза вулкана Безымянный характерно сочетание осцилляционной, резобционной и нормальной зональности. Очень редко вкрапленник плагиоклаза может быть описан одним типом зональности, как правило, кристаллы состоят из нескольких элементов зональности последовательно сменяющих друг друга. Зональность большинства кристаллов состоит из повторяющейся последовательности: осцилляционная зональность резорбционная зональность нормальная зональность осцилляционная зональность (рис. 4). Мощность различных элементов может варьировать от первых десятков до нескольких сотен микрон. Среднее содержание анортита в осцилляционных зонах постоянно и в зависимости от вкрапленника составляет An55-60. Эти зоны образуют композиционные плато, которое прослеживается практически во всех вкрапленниках. Смена осцилляционных зон на зоны резорбции сопровождается резким скачком в содержании анортита вплоть до An85. В некоторых кристаллах осцилляционные плато состава практически отсутствуют, зональность состоит из нескольких зон резорбции, наложенных одна на другую, а профиль имеет пилообразную форму.
Рис. 4. Изображения в отраженных электронах и микрозондовые профиля состава представительных вкрапленников из андезитов вулкана Безымянный (а - извержение 26 июля 2003 года, б - извержение 13 марта 2000 года). Ромбы соответствуют содержанию анортита, квадраты - соотношению Fe/Al в плагиоклазе. Вертикальные линии соответствуют границе между ядром и каймой. Ядро характеризуется более низкими соотношениями Fe/Al.
Направление профиля в кристалле показано белыми линиями. Отдельные элементы зональности выделены на рисунке а: O1 - осцилляционная зона с тремя небольшими скачками содержания анортита, сопровождающимися небольшими зонами растворения; АС1 - скачок содержания анортит, состоящий из последовательности элементов: зона растворения, резкое повышение содержания анортита, плавное уменьшение содержания анортита до уровня зоны О1; О2 - осцилляционная зона с зоной небольшого увеличения содержания анортита, внешняя часть зоны имеет тенденцию к увеличению содержания анортита; AC2 - скачок содержания анортита, характеризующийся резким переходом к последующей осцилляционной зоне; O3 - узкая осцилляционная зона; СА3 - скачок содержания анортита, сопровождающийся увеличением Fe/Al отношения в плагиоклазе. Длина масштабной линейки - 100 мкм.
Подобная зональность кристаллов плагиоклаза свидетельствует о том, что в магматической системе вулкана Безымянный, имеют место два режима кристаллизации плагиоклаза:
1. Кристаллизация осцилляционных зон. В силу медленной скорости должна идти при малых пересыщениях и, следовательно, в условиях близких к равновесным.
Поскольку состав осцилляционных зон весьма постоянен, должны существовать условия буферирующие состав равновесного с раплавом плагиоклаза - относительное постоянство температуры, давления, состава расплава (в том числе содержания в нем воды), иначе изменение одного или нескольких интенсивных параметров привело бы к смещению состава плагиоклаза на ликвидусе.
2. Кристаллизация резробционной и нормальной зональности (анортитовых скачков) происходит при отклонении от состояния равновесия, что сначала приводит к растворению плагиоклаза (степень растворения пропорциональна степени неравновесности), а затем к нормальной кристаллизации. Характер и причины отклонения от равновесия обсуждаются ниже.
Зональность вкрапленников может быть разделена на ядро и кайму (рис. 5). Кайма - внешняя часть кристалла, имеющая однотипную зональность с другими вкрапленниками данного извержения. Такая кайма может быть выделена более чем в половине вкрапленников плагиоклаза во всех образцах. Видимая мощность кайм составляет 70-1мкм, истинная мощность (с учетом разреза зерна) должна быть меньше, но измерить ее непосредственно достаточно трудно. Исходя из соотношения мощностей сингенетичных зон в на разных гранях кристаллов можно заключить, что разница скоростей роста для плагиоклазов в. Безымянный различается не более чем в 2-3 раза. Зональность кайм большинства извержений состоит из (от центра к краю зерна) зоны растворения/резорбции и нормальной зональности с небольшим (~5 % анортита) скачком состава в 20-30 мкм от поверхности кристалла (рис. 5). Осцилляционная зона шириной до 20 мкм может присутствовать в кайме. Среднее содержание анортита в кайме обычно выше, чем в ядре. Граница разделения кристалла на ядро и кайму проходит по поверхности растворения и часто маркируется цепочкой расплавных включений.
Зональность отдельных извержений имеет индивидуальные черты, отличающие его от других. Теоретически это может быть использовано для корреляции профилей между извержениями, однако практически для вулкана Безымянный подобных соотношений не наблюдается.
Ядра вкрапленников обычно имеют осцилляционную зональность со скачками состава. Средний состав их составляет около 55-60 % анортита. Крупные вкрапленники (>2 мм, часто представленные двойниками) могут иметь более сложное строение ядер.
Корреляция зональностей ядер среди различных вкрапленников отсутствует как в пределах одного извержения, так и от одного извержения к другому. Встречающиеся редкие корреляции зональности являются исключением.
Зональность мелких вкрапленников повторяет зональность кайм фенокристаллов:
анортитовая внутренняя часть, часто с множеством расплавных включений (соответствует зоне резорбции) сменяется более альбитовой каймой (соответствует нормальной зональности). Однотипная зональность кайм и микровкрапленников указывает на одни ТР условия и синхронность их кристаллизации.
Состав кристаллизующегося плагиоклаза в магматической системе зависит от состава сосуществующего расплава, температуры и активности воды [Almeev and Ariskin 1996; Ariskin et al. 1993;
Housh and Luhr 1991; Pletchov and Gerya 1998; Putirka 2005], и мало зависит от литостатического давления [Lange et al.
2010]. Значительный эффект на фазовое равновесие плагиоклаза давление оказывает, если оно уменьшается на несколько килобар. Экспериментальные исследования [Nelson and Montana, 1992] Рис. 5. Профили состава двух вкрапленников в сухих системах показывают, что резкое плагиоклаза извержения января 2005 года, полученные по BSE-изображениям. Зональность уменьшение давления на 4-12 кбар внешних кайм сходна для вкрапленников одного извержения, в то время как зональность ядер приводит к значительному растворению индивидуальна для каждого вкрапленника.
Стрелки указывают сходные элементы в плагиоклаза с образованием кристаллов зональности кайм, вертикальные пунктирные линии отделяют на профиле ядро от каймы.
губчатой формы. Подобные кристаллы часто встречаются в базальтовых лавах, например, в лавах вулкана Ключевской [Черткова и др. 2010]. На вулкане Безымянный губчатые ядра плагиоклазов встречаются значительно реже, чем плагиоклазы с зональностью других типов. Давление в магматическом очаге, питающем современные извержения не превышает несколько кбар, поэтому резкий сброс давления, смоделированный [Nelson and Montana 1992], не может являться фактором формирующим зональность вкрапленников. Однако в флюидонасыщенных магмах давление определяет растворимость флюида (в том числе H2O), и таким образом вариации давления могут косвенно влиять на температуру и состав кристаллизующегося плагиоклаза. Давление в магматическом очаге определяется не только объемом вышележащих пород, но и динамическими факторами - пополнением очага новыми порциями магмы, расходом магмы при извержении.
Расчеты равновесия плагиоклаз-расплав показывают, что широкий диапазон составов плагиоклаза может кристаллизоваться в магматической камере без привноса значительного количества мафического материала. Этот широкий диапазон составов может быть объяснен кристаллизацией в разных частях магматической камеры, отличающихся по температуре, степени кристалличности и содержанию воды в расплаве.
Зоны с высоким содержанием анортитового минала могут кристаллизоваться в наиболее горячей части магматической камеры, а зоны с наименьшим содержанием анортитового минала - в наиболее холодных, богатых кристаллами, например краевых частях очага.
Плавное изменение среднего состава зон с осцилляционной зональностью может отражать малоамплитудные конвективные перемещения кристалла в магме [Pearce and Kolisnik 1990].
В литературе [Ruprecht and Wrner, 2007] на основе соотношений содержания железа и состава плагиоклаза во вкрапленниках проводится выделение доминирующего процесса формирования зональности. Кристаллы с положительной корреляцией FeO-XAn формируются за счет химического смешения - непосредственного взаимодействия вкрапленников с веществом мафической магмы, поступающей в магматический очаг.
Отсутствие корреляции указывает на доминирование процесса самосмешения [self-mixing, в работе Couch et al., 2003], заключающегося в основном в конвективном перемешивании вещества магматического очага за счет подогрева поступающей в очаг магмой без существенного химического обмена. На рис. 6 нанесены содержания Fe в плагиоклазах (для сравнения черными точками показаны содержания Fe в плагиоклазах меланократовых включений, см. Главу 5). Линиями показаны содержания Fe в плагиоклазе, равновесном с составами расплавных включений, рассчитанным на основе коэффициентов распределения [Bindeman et al., 1998]. Большая часть диапазона составов плагиоклаза может кристаллизоваться без привлечения дополнительного источника мафического материала. Исключение составляют наиболее кальциевые составы. Они, как правило, характерны для редких губчатых ядер плагиоклаза, и вероятнее всего попадают в магму при дезинтеграции темноцветных включений, в обилии содержащих губчатые плагиоклазы.
В целом слабая корреляция между номером и содержанием железа в плагиоклазе 2.подразумевает, что химический обмен не 1.является доминирующем процессом.
1.1.Учитывая тот факт, что поступление магмы 1.1.в магматический очаг должно 0.0.сопровождаться как термическим, так и 0.0.химическим обменом, в магматической 0.30 40 50 60 70 системе вулкана Безымянный должны An, мол.% существовать условия нивелирующие, или Рис 6. Зависимость содержания Fe во по крайней мере тормозящие химическое вкрапленниках и микролитах плагиоклаза для пород вулкана Безымянный извержений 2000взаимодействие. К таким условиям могут 2007 гг. (серые ромбы) и для плагиоклазов относиться близкий химический состав темноцветных включений (черные квадраты, см. Главу 5). Линии соответствуют содержаниям питающих магм и магм в очаге, Fe в плагиоклазе рассчитанным по коэффициентам распределения из Bindeman et al.
образование высококристалличных [1998] для среднего состава расплава (сплошные линии 2.9% FeO и 900 и 1000С) и составов с включений при поступлении питающей минимальным и максимальным содержанием Fe (пунктирные линии, 1.5% FeO, 900С и 4% FeO, магмы в очаг и изолирующее поступающее 1000С).
вещество от взаимодействия.
Таким образом, ритмичная зональность плагиоклазов, вероятнее всего, является результатом многократного попадания более горячей магмы в очаг, ведущим к разогреву и растворению вкрапленников, в том числе и плагиоклаза. Растворение вкрапленников в свою очередь изменяет состав матричного расплава и увеличивает кальциевость плагиоклаза с ним равновесного. Вынужденная конвекция приводит к быстрому перемешиванию магмы в магматическом очаге и температурному переуравновешиванию с последующей кристаллизацией зон более кальциевого состава в плагиоклазе [Jellinek and Kerr 1999; Oldenburg et al. 1989; Ruprecht et al. 2008]. При этом значительного изменения состава расплава не происходит из-за близких составов смешивающихся магм (см. Главу 5). Повышенные содержания анортитовой составляющей во внешних частях вкрапленников абсолютного большинства вкрапленников свидетельствует о том, что подпитка магматической системы происходила перед каждым извержением.
FeO, вес.% Глава 5. Петрология включений и ксенолитов извержения 14-15 декабря 2007 года.
Продукты извержения 2007 года характеризуются наличием в них включений округлой формы. Размер включений варьирует от нескольких до 30-40 см.
Макроскопически включения более плотные, чем вмещающие андезибазальты и отличаются большим цветным числом. На поперечном срезе во включениях отчетливо проявляется зональность, выраженная в вариациях пористости. Внешняя часть более плотная, поры имеют малый размер, в то время как центральная часть более пористая с крупными порами. Внутри включений найдены два перидотитовых ксенолита размером 13 см. Ксенолиты имеют угловатую форму и окружены темноцветной каемкой.
Петрология темноцветных включений.
Включения состоят из вкрапленников (~20%) и основной массы. Текстура пористая, поры занимают порядка 20% от общей площади шлифов. Вкрапленники представлены плагиоклазом, ортопироксеном, клинопироксеном, титаномагнетитом, сульфидами и редкими оливином и роговой обманкой.
Крупные вкрапленники плагиоклаза внутри включений имеют губчатую середину, каналы в которой заполнены стеклом и мелкими твердофазными включениями ромбического пироксена, апатита и рудного минерала. Состав плагиоклаза в сердцевинах кристаллов богат анортитом (до An85). Внешние части вкрапленников имеют резкую нормальную зональность. Состав меняется от центра к краю от An85 до An45-50. Оливин (Fo69-77) представлен округлыми зернами размером до 0.2мм, окруженными ортопироксенмагнетитовыми реакционными каймами мощностью до 300 мкм (Рис. 7а). Роговая обманка образует ксеноморфные зерна, окруженные каймой опацитизации (Рис. 7б).
Встречается в сростках с плагиоклазом, пироксенами, титаномагнетитом. Амфиболы характеризуются высокими содержиниями Al2O3 (13.5-15 вес.%), что соответствует глубине кристаллизации ~ 490-790 МПа [калибровка Ridolfi et al., 2010]. Основная масса пористая, состоит из микролитов и стекла. Микролиты представлены плагиоклазом, пироксенами и рудными минералами. Для микролитов плагиоклаза характерно образование скелетных форм. Пироксен образует длиннопризматические кристаллы.
Стекло основной массы имеет риолитовый состав. Состав стекла гомогенен внутри каждого включения, но значимо отличается от включения к включению. Содержание SiOварьирует в пределах 70.5-74.85%, CaO - 1.4-2.42%, MgO - 0.39-0.7%, K2O - 3.26-3.46% мас.%.
Рис. 7. Выделения оливина (а) и роговой обманки (б) внутри темноцветных включений, окруженных реакционной каймой. Фотографии в проходящем свете.
На диаграммах Харкера (Рис. 8) отчетливо проявляется систематическое различие в составах вмещающих пород и темноцветных включений. Исследованные образцы хорошо соответствуют составам пород вулкана Безымянный приведенным в других работах [Альмеев, 2005, Almeev et al., in press, Shipman et al., in press]. Составы включений соответствуют наиболее бедным SiO2 и K2O составам, описанным на вулкане Безымянный, а также высокоглиноземистыми базальтам вулкана Ключевской.
Рис 8. Составы вмещающих андезибазальтов и темноцветных включений на диаграммах TAS и K2OSiO2. Вмещающие породы - красные кружки, включения - зеленые треугольники.
Содержания микроэлементов во включениях и вмещающих породах имеют близкие значения. Более богатые кремнеземом вмещающие породы имеют повышенные содержания несовместимых элементов (Rb,Cs, Th, La, Ba и др.) и пониженные содержания совместимых (Ni, Sc). Исключение составляет Cr, содержания которого выше во вмещающих породах.
Структурные и текстурные особенности позволяют интерпретировать темноцветные включения, как результат внедрения более горячей магмы в магматический очаг. Фрагментация магмы при внедрении приводит к образованию небольших округлых обособлений, подобных каплям, которые из-за своего небольшого объема быстро кристаллизуются с образованием скелетных и длиннопризматических кристаллов и резкой нормальной зональности вкрапленников.
Набор вкрапленников во включениях свидетельствует об их гибридном генезисе.
Исходная базальтовая или андезибазальтовая магма, проходя через магматическую систему вулкана Безымянный, могла ассимилировать более кремнекислую богатую роговой обманкой магму, схожую с магмой 1956 г. Количество ассимилированного материала не поддается количественной оценке, из-за неопределнности состава ассимилированной магмы (богатые роговой обманкой породы вулкана Безымянный имеют широкий спектр составов [Альмеев, 2005]) и исходного состава базальтовой магмы. На основе малого количества реликтов роговой обманки количество ассимилированного материала не должно быть значительным.
Петрология ксенолитов В породах вулкана Безымянный было найдено два перидотитовых ксенолита.
Наименее измененный ксенолит состоит из крупного оливина, крупных зерен шпинели и жил перекристаллизации. На границе с вмещающей породой наблюдаются реакционные каймы. Мощность кайм по сравнению с размером ксенолита мала и внутренняя часть ксенолита не претерпела изменения в процессе транспортировки через магматическую систему. На основе петрологического исследования образца оценивались параметры равновесия мантии под вулканом Безымянный и характер ее метасоматических изменений.
Ксенолит включает в себя два парагенезиса: первичный гарцбургитовый парагенезис и наложенный оливин-ортопироксен-клинопироксен-амфиболовый парагенезис. Первичный парагенезис представлен магнезиальным оливином (Fo87.2-91.0) образующим крупные зерна до 2-3 мм, с деформационными дислокациями и значительным количеством планарных элементов, насыщенных мелкими флюидными включениями. Ортопироксен образует призматические зерна длиной до 0.1 мм. Его состав варьирует в пределах En89.7-91.6Fs8.4-9.4Wo0-0.9. Кристаллы хромшпинелида имеют округлую форму и бухтообразные границы. Ядра некоторых зерен имеют более глиноземистый состав и более высокое отношение Mg/(Mg+Fe2+) по сравнению с краевыми частями зерен.
На основной парагенезис накладываются прожилки перекристаллизации, сложенные преимущественно ортопироксеном (En90.0-91.6Fs8.4-9.3Wo0-0.7), а в центральных зонах содержащие обособления клинопироксена (En47.3-50.8Fs4.1-5.9Wo42.2-46.8), оливина (Fo90.1-90.9) и хромшпинелида (Cr/(Cr+Al)=0.46-0.58).
Крупный первичный хромшпинелид в исходном парагенезисе определяет фацию шпинелевых перидотитов, для которых характерны давления 10-20 кбар. Составы сосуществующих оливина и хромшпинелида соответствуют температуре равновесия 947С (станд.
отклонение 36, n=14, [Ballhaus, 1991]).
Фугитивность кислорода, определенная по оливин-хромшпинелевому равновесию [Ballhaus, 1991] при давлении 15 кбар, варьирует от 1.8 до 2.6 лог. единиц выше кислородного буфера QFM, составляя в среднем +2.1 (станд. отклонение 0.4, n=14).
Термометрия на основе Cpx-Opx равновесия и содержания Ca в ортопироксене [Brey and Kohler, 1990] дает значения 800-900С (при давлении 1.2-1.ГПа). Минеральные пары оливинРис. 9. Диаграмма составов сосуществующих оливинов и хромшпинелидов в мантийных клинопироксен из зон перекристаллизации ксенолитах. Cr# шпинели - отношение Cr/(Cr+Al), Fo,% - содержание форстерита в исходного парагенезиса отвечают оливине. Кружками нанесены оливиншпинелевые парагенезисы ксенолитов вулкана температурам равновесия 1080 (станд.
Безымянный, серые поля оконтуривают составы оливина и шпинели ксенолитов вулканов отклонение 12, n=6, [Loucks 1996].
Шивелуч и Авачинский [Bryant et al., 2007, Ionov Исходя из петролого-минералогических et al., 2010]. Пунктирными линиями ограничено поле составов характерных для мантийных особенностей ксенолита его формирование перидотитов (OSMA) по [Arai et al. 1994].
Сплошная линия показывает степень плавления происходило в три этапа:
мантийного субстрата по [Pearce et al., 2000] 1. Первичный грацбургитовый парагенезис сформировался в результате высоких степеней плавления. Отсутствие первичного клинопироксена в ксенолите подразумевает, что он исчез в процессе плавления. Экспериментальные данные показывают, что исчезновение клинопироксена происходит при 23% плавления с удалением расплава или меньших степенях фракционного плавления [Herzberg, 2004]. Малое содержание ортопироксена в первичном парагенезисе, говорит о степенях плавления порядка 30-45% (Рис. 9). Реститы плавления затем попали в литосферу где испытали охлаждение и подверглись деформации с образованием структур кинкбэнд в крупном оливине.
2. Охлаждение высокотемпературного ортопироксена первичной ассоциации, содержащего повышенные концентрации Ca, Al и Cr привело к их выделению и формированию пироксенов и шпинели наложенной ассоциации. Вероятно, к этой стадии относится обогащение ортопироксена несовместимыми элементами за счет просацивания обогащенного расплава или флюида (Рис. 9).
3. На последней стадии произошел захват ксенолита магмой, питающей магматическую систему вулкана Безымянный и транспорт к поверхности. На этой стадии формируется богатая амфиболом кайма.
Публикации по теме диссертации:
Статьи:
1. Щербаков В.Д., Плечов П.Ю. У Петрология мантийных ксенолитов в породах вулкана Безымянный (Камчатка)Ф // ДАН, 2010 т. 434, № 6.
2. Черткова Н.В., Цай А.Е., Миронов Н.Л., Щербаков В.Д. УТермодинамические условия генерации и подъема расплавов из магматических очагов (на примере вулкана Ключевской)Ф// Вестник МГУ серия 4. Геология, 2010, т.65, №1, с. 38-3. Плечов П.Ю., Цай А.Е., Щербаков В.Д., Дирксен О.В. УРоговые обманки в андезитах извержения 30 марта 1956 г. вулкана Безымянный и условия их опацитизацииФ // Петрология, 2008, т.16, № 1, C. 21-37..
4. Shcherbakov V.D., Plechov P.Y., Izbekov P.E., Shipman J.S. УPlagioclase zoning as an indicator of magma processes at Bezymainny Volcano, KamchatkaФ // Contributions to Mineralogy and Petrology, 2011, V. 162 pp. 83-Тезисы докладов на российских и международных конференциях:
1. Плечов П.Ю., Цай А.Е., Щербаков В.Д. УРоговые обманки андезитов вулкана Безымянный и условия их разложения на плагиоклаз-ортопироксен-магнетитовый агрегатФ // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 18-19 апреля 2006, Москва 2. Плечов П.Ю., Щербаков В.Д., Цай А.Е., Чевычелов В.Ю. УЭкпериментальное изучение реакций опацитизации роговых обманокФ // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 24-25 апреля 2007, Москва 3. Щербаков В.Д., Зональность плагиоклаза как индикатор магматических процессов под вулканом Безымянный, Камчатка // Планета Земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых и студентов, 6-7 апреля 2009, Москва 4. Shcherbakov V., Izbekov P., Plechov P., and PIRE team. УPetrological constraints on magma processes at Bezymianny volcano, KamchatkaФ // AGU Fall meeting 2008, 15-December 2008, San Francisco.
5. Shcherbakov V., Plechov P., Izbekov P. УPlagioclase zoning as an indicator of processes in magma system beneath Bezynianny volcano, KamchatkaФ // JKASP-09 meeting, 21-June 2009, Fairbanks.
6. Plechov P., Shcherbakov V., Tzay A., Humphreys M. УTime constraints for magma supply in Bezymyanny and Shiveluch volcanic systemsФ // JKASP 2009, Fairbanks, Alaska, USA, pp.223-27. Shcherbakov V., Plechov P., Izbekov P. УPlagioclase zoning as an indicator of magma processes at Bezymianny Volcano, KamchatkaФ // Cities on Volcanoes 6, 31 May - June 2010, Puerto de la Cruz, Tenerife, Spain.
8. Shcherbakov V.D., Neill O.K., Izbekov P.E., Plechov P.Yu. Phase equilibria constraints on pre-eruptive conditions of the 1956 Bezymianny magma // JKASP-11 meeting, 25-August 2011, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia.
9. Davydova V.O. Shcherbakov V.D., Plechov P.Yu., Izbekov P.E. Petrology of mafic enclaves in andesites of October 2007 eruption of Bezymianny volcano (Kamchatka) // JKASP-11 meeting, 25-30 August 2011,Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia.