Курсовая работа: Природа геохимической зональности вкрест простирания Камчатской островной дуги

Sr-, Nd-, и Pb-изотопы

Sr-, Nd- и Pb-изотопные данные для пород пересечения приведены на рис.7 и 8. Фигуративные точки ложатся довольно близко к области MORB. Имея представительную коллекцию образцов, мы можем идентифицировать внутри Камчатского поля более мелкие структуры, характерные для каждого региона. В целом наблюдается возрастание ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr и ¹⁴³ Nd/¹⁴⁴ Nd отношений от ВВФ к ЦКД и дальнейшее их убывание от ЦКД к СХ (рис.7 и 8). Поля точек ВВФ и СХ очень близки на Sr-Nd диаграмме, за исключением двух образцов с вулкана Комарова, имеющих повышенные значения ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr. Наблюдается широкий диапазон значений по Nd изотопам для ВВФ и СХ, в то время, как Sr изотопные отношения близки. Наивысшее обогащение по ⁸⁷ Sr в пределах ЦКД найдено для лав Ключевского вулкана, где отношение ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr достигает 0.70366.

По Pb изотопной систематике лавы ЦКД менее радиогенные, чем породы ВВФ, но близки к полю СХ (рис.7 В). Породы ВПТ идентичны с другими лавами СХ. Для сравнения, на рис.8 показаны данные для вулкана Бакенинг (ВВФ, 200 км к югу от пересечения, [12]). Эти породы еще менее радиогенны по Sr при сравнимых значениях Nd и Pb изотопов. Исследования клинопироксенов (предварительно очищенных) из мантийных ксенолитов Камчатки (неопубликованные данные) показало, что по Nd изотопам мантийные ксенолиты близки вулканическим породам, но по Sr отношениям разброс точек ещё более широкий.

Изотопы кислорода

Подробно изотопная систематика кислорода в породах Ключевского вулкана изложена в [11]. Поэтому здесь мы только подчеркнем наиболее важные результаты.

Изотопные отношения кислорода в одиночных зернах оливинов из различных пород Камчатского пересечения изменяются от 5,6 до 7,4 . Максимальные значения отмечены для вулканов Ключевской группы. Значения изотопов кислорода в расплавах Ключевского вулкана рассчитывались как среднее ¹⁸ O в оливине с учетом эффекта фракционирования оливин-расплав при 1100-1200^o . Диапазон значений (6,2-7,5 ) оказался явно шире, а значения выше, чем для типичных мантийных расплавов [11].

Рис. 9

Установлены положительные корреляции ¹⁸ O с отношением ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr (рис.8), причем лавы исторических извержений имеют тенденцию к повышенным значениям обоих отношений в сравнении с более ранними голоценовыми извержениями. Установлены положительные корреляции между ¹⁸ O и Cs, Li, Sr, Ba, Rb, Pb, Th, U, LREE и K, то есть с подвижными во флюиде элементами, а так же с отношениями K₂ O/Na₂ O, Ba/Zr и La/Yb. Отрицательная корреляция ¹⁸ O была найдена с U/Th отношением, однако корреляции с подвижными в расплаве Al и HFSE отсутствуют.

U-Th систематика

Самые низкие значения U/Th элементных отношений (0,35 - 0,6) наблюдаются в породах СХ за исключением нескольких точек с более высокими отметками, а наивысшие - в породах ЦКД (0,5 - 0,9). В породах ВВФ это отношение меняется от 0,45 до 0,75. U-Th изотопная систематика представлена на диаграмме (²³⁰ Th/²³² Th)-(²³⁸ U/²³² Th) (рис.9). На графике очевидны те же закономерности: наименьшие значения типичны для пород СХ, породы ВВФ имеют средние значения и лавы ЦКД характеризуются наивысшими изотопными отношениями, достигая значений 2,29 для (²³⁸ U/²³² Th) и 2,15 для (²³⁰ Th/²³² Th) в породах вулкана Камень.

Значительное ²³⁸ U-²³⁰ Th изотопное неравновесие с относительным обогащением U над Th, типичное для ряда островных дуг и интерпретируемое как результат добавки относительно молодого (<350 тыс. лет) флюида к мантийному источнику, не найдено в породах ВВФ и СХ, большинство фигуративных точек лежит на линии равновесия или очень близко к ней. Однако, наблюдается слабое обогащение (до 12%) U над Th для пород ЦКД.

Летучие в расплавных включениях

Рис. 10

Первые данные по изучению расплавных включений в породах пересечения представлены в [10]. Поскольку минералы, обогащенные летучими элементами (сульфиды, апатит, амфибол, флогопит) практически отсутствуют среди фенокристаллов изучаемых пород, поведение летучих контролируется в основном процессами фракционирования и дегазации. Поскольку калий является резко несовместимым элементом в расплаве и не затрагивается дегазацией, мы использовали отношение K/летучий как индекс дегазации.

Содержания серы во всех породах меньше 200 ppm. Тем не менее, содержания серы в расплавных включениях варьируют, достигая наивысших значений (1250 ppm) в образцах ЦКД. Возрастание K/S в расплаве при уменьшении Mg# (тренд дегазации) указывает на активный процесс дегазации в очаге. Лавы СХ почти нацело дегазированы. Прямые измерения валентности серы показали, что большинство расплавных включений содержит серу S⁶⁺ даже в высокомагнезиальных породах.

Наивысшие концентрации хлора обнаружены в ВВФ и высоко-Mg породах ЦКД (1710-1720 ppm), уменьшаясь в высоко-Al лавах Ключевского вулкана (1280 ppm) и далее к СХ (788 ppm). K/Cl указывает на дегазацию хлора при эволюции расплава.

Концентрации фтора в ВВФ и ЦК не высоки (420 ppm-520 ppm), стремительно возрастая в расплавных включениях из лав СХ (950 ppm). Интересно, что в расплавных включениях из пироксенитов СХ концентрации этого элемента также высоки. Поскольку фтор хорошо растворим в расплаве, отношение K/F не меняется внутри отдельно взятого образца Камчатского пересечения. Отношение F/Cl значительно меньше 1 в ВВФ и ЦКД, в то время как в расплавных включениях СХ возрастает до 2 (рис.10). При этом такие региональные вариации F/Cl обусловлены в основном устойчивым увеличением содержаний фтора от фронта к тылу дуги.

Интерпретация

Геохимическая зональность вкрест Камчатской дуги и ее причины

Четкая геохимическая зональность вкрест дуги была выявлена по макро- и микроэлементам для пород северного пересечения Камчатки от ВВФ через ЦКД к тыловой части СХ (рис. 4,5,6). Используя нормализованные к 6% МgO значения элементов в породах с > 5% MgO, можно уменьшить влияние процесса фракционирования на геохимическое разнообразие полученных расплавов. Тем не менее, остается еще ряд причин, влияющих на геохимическую неоднородность лав: (1) разнообразие мантийных источников, (2) обогащение мантийного клина водным субдукционным флюидом, (3) добавка осадочного материала в мантийный источник и (4) различная степень плавления мантийного вещества при движении от фронта к тылу дуги.

Используя Pb и Be изотопные данные, Керстинг и Аркулюс [17,5] доказали, что добавка осадочного материала незначительна в формировании Камчатских магм. Кроме того, вариации изотопных отношений Sr и O в лавах Ключевского вулкана, указывают на то, что флюид, являющийся спусковым крючком начала плавления вещества верхней мантии, формируется в основном в измененной океанической коре [11].

Процесс плавления

Рис.11

Уменьшение степени плавления Ol-Opx-Cpx мантии, приведет к обогащению расплава по несовместимым элементам. Остаточный гранат в мантии может сильно влиять на HREE и Y, удерживая эти элементы в расплаве на низком уровне до момента его полного исчезновения. Низкие значения La/Yb отношения (1,83 - 10,28), отсутствие обогащения ²³⁰ Th над ²³⁸ U и низкие концентрации тяжелых REE (6-15 раз выше хондритовых значений), указывают на отсутствие значительных количеств остаточного граната в мантийных источниках пород Камчатки.

Планк и Лангмюр [24] показали, что степень плавления под активными островными дугами зависит от мощности мантийного клина и выражена в отрицательной корреляции между Ca_6,0 и Na_6,0 от фронта дуги к тылу. Причина такой корреляции в том, что Ca удерживается клинопироксеном в мантии, а Na - нет. В случае Камчатского пересечения такой тренд должен быть очевиден, поскольку глубина сейсмофокальной зоны увеличивает в 4 раза от ВВФ к СХ. Это мы и наблюдаем на диаграмме CaO_6,0 - Na₂ O_6,0 (рис.11A), где наши данные полностью совпадают с трендом [24]. (Na₂ O/CaO)_6,0 прогрессивно растет от ВВФ к ЦКД и далее остается постоянным к СХ (рис.11Б). Наивысшие значения Na_6,0 найдены в породах ВПТ, что свидетельствует в пользу низких степеней плавления мантии в источнике этих пород. Следуя расчетам [24], породы ВВФ имеют наивысшую степень плавления - 20%. Более низкая степень плавления (9-12%) типична для лав ЦКД и СХ. Сходные оценки были получены и при сравнение разных групп несовместимых микроэлементов [9]. Отсутствие зависимости степени плавления от глубины погружения океанической плиты между ЦКД и СХ можно объяснить в рамках двухстадийной модели Пирса и Паркинсона [23]. На первой стадии плавление инициируется поступлением флюида в мантию, что может быть особенно важно для нашего З-В пересечения в связи с высвобождением больших объемов флюида при субдукции подводного Императорского хребта под Камчатку. Вторая стадия является результатом декомпрессионного плавления при уменьшении плотности обводненной мантии и процесса внутридугового спрединга, проявленного в настоящее время в ЦКД.

Вариации в составе мантийного источника до добавления флюида

Рис. 12

По Nb/Yb отношению (рис.6В) лавы ВВФ и ЦКД близки источнику MORB. Породы же СХ имеют повышенные значения Nb/Yb, которые резко возрастают в ВПТ лавах. Подобное поведение наблюдается и для Nb/Zr отношения, отвергая гипотезу остаточного граната (см. также выше). Эти признаки однозначно свидетельствуют о том, что мантия под СХ обогащена.

Диаграмма Th/Yb - Ta/Yb использовалась Пирсом [22] для выявления между обогащенным и обедненным источниками в примитивных островных базальтах (рис.12). Вариации состава мантийного источника должны выражаться в изменении обоих отношений. Образцы ВВФ и ЦКД попадают в область океанических островных дуг, находясь на границе толеитового и известково-щелочного полей. Лавы СХ формирует узкое поле, простирающееся от океанических дуг к обогащенному мантийному компоненту. Расположение всех фигуративных точек Камчатских лав (включая образцы ВПТ) над полем мантийной "стрелки" вызвано флюидной добавкой Th при постоянном Yb, предполагая добавку флюида к различным (от обедненного до слегка обогащенного) мантийным источникам. Более близкое положение лав ВПТ СХ к полю мантийных значений указывает на меньшее влияние в них флюида.

Две причины могут объяснить наблюдаемое обогащение мантийного источника СХ по HFSE: наличие источника типа OIB (базальт океанических островов), либо влияние глубинного флюида. Под СХ флюиды отделяются от плиты при более высоких P-T-условиях, при которых многие фазы, несущие HFSE, становятся не устойчивы. Такие флюиды содержат больше количество растворенных веществ, что расширяет их возможности переноса HFSE [7]. Состав флюида, обогащающего базальты задуговых бассейнов [27] обогащен по Y, но имеет Ta/Y отношение только вдвое выше, чем в источнике NMORB. Предположительно, такое же поведение и для Nb/Yb отношения, поскольку Nb и Yb ведут себя аналогично Ta и Y в мантии. Поэтому, трудно объяснить обогащение ВПТ базальтов по Nb/Yb (в 10 раз выше значений NMORB) только добавкой водного флюида.

На рисунке 8 внутри поля изотопных данных Камчатки выделяется три тренда, что предполагает участие трех компонентов в генезисе пород. От поля MORB, характеризующегося ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr < 0.7031 и ¹⁴³ Nd/¹⁴⁴ Nd 0.5131, один тренд направлен к более высоким отношениям ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr при неизменном ¹⁴³ Nd/¹⁴⁴ Nd. Флюид, отделяющийся от плиты, имеет такие ожидаемые отношения [11]. Второй тренд, сформированный в основном лавами СХ, идет с понижением неодимовых изотопных отношений при увеличении стронциевых. Такой тренд, вероятно, является результатом смешения с обогащенным мантийным компонентом, что согласуется с нашей интерпретацией о наличии компонента типа OIB в тыловой части дуги.

Породы ВВФ формируют поле между двумя упомянутыми трендами. Низкие концентрации HFSE в лавах ВВФ свидетельствуют об отсутствии компонента типа OIB в их источнике. Падению Nd-изотопных отношений сопутствуют повышенные значения изотопов Pb (рис.7В) и обогащение пород по Th/Nb элементному отношению. Керстинг и Аркулюс [17] показали, что тихоокеанские осадки около Камчатки обогащены по Pb- и обеднены по Nd-изотопам. Согласно нашим данным, в источнике некоторых пород ВВФ можно допустить малое количество (<< 1%) осадочного материала.

Таким образом, мантийный источник под Камчаткой подобен слегка обедненной мантии типа NMORB, осложняясь добавкой компонента типа OIB в тыловой части дуги (СХ). Степени плавления мантийного материала довольно высокие (10-20%), чем обусловлены низкие концентрации всего спектра несовместимых микроэлементов (за исключением элементов, подвижных во флюиде). Только в источнике некоторых лав ВВФ можно предположить минимальную добавку осадочного материала.