Курсовая работа: Природа геохимической зональности вкрест простирания Камчатской островной дуги

Согласно последним данным по коэффициентам распределения минерал-расплав-флюид [6,7], субдукционные флюиды должны быть обогащены LILE (K, Cs, Rb, Ba, Pb), меньше LREE и обеднены HFSE (Nb, Ta, Zr, Hf), Th и HREE, что находит подтверждение в распределении микроэлементов в вулканитах многих островных дуг [13,29, а так же многие другие].

Поскольку отношения несовместимых микроэлементов практически лишены влияния различных степеней плавления и фракционирования, они являются полезным инструментом в изучении процессов обогащения мантии. Миллер и др. [20] показали, что Ce/Pb отношение отражает степень обогащения расплава флюидом, потому что Pb высоко подвижен в нем, но в процессах плавления и кристаллизации ведет себя подобно Ce. В породах Камчатского пересечения нет никакой систематической зависимости Ce/Pb отношения от глубины поверхности субдуцируемой плиты, оно приблизительно постоянно (4-6) во всех трех регионах, только лавы Кизимена из ВВФ и ВПТ Срединного хребта имеют повышенные Ce/Pb значения, предполагая меньшую флюидную добавку в мантийные источники. При детальном рассмотрении поведения La и Pb (рис.5Г,Д), очевидно, что эти отклонения вызваны низкими содержаниями Pb. Это подтверждается также постоянным Ba/Zr отношением (рис.6Е). Эти результаты были так же подтверждены и количественными расчетами [9].

Однако концентрации LREE и HFSE также контролируются степенью обеднения/обогащения мантийного источника (см. выше), природа которого отражается в систематике радиогенных изотопов. Если флюид отличается по Sr- и Pb- изотопным отношениям от мантии (что может быть принято, по крайней мере, для Sr в измененной океанической коре), то высокие концентрации этих элементов во флюиде будут изменять изотопию мантии, метасоматизированной этим флюидом. Pb-изотопные отношения уменьшаются от фронта дуги к ЦКД и остаются постоянными далее к тыловой зоне (рис. 7В). Ограниченные количества (< 1 %) осадков в источнике лав ВВФ также могут формировать подобный тренд. Sr- и Nd-изотопные отношения не сильно чувствительны к добавке осадочного материала из-за их высоких концентраций в мантии. Однако, поведение Sr-изотопов иное, чем изотопов Pb: ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr растет от ВВФ к ЦКД и резко уменьшается в породах СХ (рис.7A). Повышенные значения элементного U/Th и изотопного ((²³⁸ U/²³² Th)> 1.7)) отношений, ¹⁸ О, некоторых халькофильных элементов и бора [18] в породах ЦКД, а также серы в расплавных включениях и присутствие серы как S⁶⁺ , свидетельствуют о повышенной флюидной добавке в этом регионе. Как было показано ранее [11], флюиды, обогащенные¹⁸ О и ⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr, отделяются от измененной океанической коры под Камчаткой и многократно фильтруются через мантийный клин, метасоматизируя его и обогащая тяжелыми изотопами. Логично предположить, что источником большого объема таких флюидов может являться Императорский подводный хребет, субдуцирущий в районе северного пересечения под Камчатку.

Однако флюидная добавка в мантийные источники ВВФ и ЦКД не обязательно происходила в настоящее время. U-Th изотопные значения в породах ВВФ и СХ лежат на линии равновесия, свидетельствуя о том, что флюид мог отделиться от плиты более 350 тыс. лет назад (время уравновешивания изотопов). Слабое неравновесие ((²³⁸ U/²³⁰ Th) = 1,0-1,15) можно наблюдать только для некоторых вулканов Ключевской группы, и по расчетным данным возраст этого флюидного обогащения не менее 130 тыс. лет (рис.9).

Различные модели существуют относительно минерального состава и степени дегидратации субдуцируемой плиты [8,25,23], т.е. параметров, влияющих на состав флюида. Источником Rb, K, Ba и Sr в магмах может быть амфибол, удерживающий эти элементы до глубин 60-70 км. Разрушение фенгита сопровождается сильным привносом Rb в мантию и немедленным понижением K/Rb отношения. Это отношение переменно в лавах ВВФ (300-600) и ЦКД (400-600) но практически постоянно в островодужных лавах СХ (460-520), чуть повышаясь в породах ВПТ (~600). Таким образом, эффект фенгита не наблюдается в мантийных источниках Камчатки (в отличие от [30]). Сильное увеличение LREE и La/Yb отношения (при постоянном Yb) от фронта дуги к тылу может быть результатом дегидратации лавсонита [8,32], который, согласно экспериментальным работам, может быть устойчив до 10 GPa [25] и значительно влиять на состав пород СХ.

Нолл и др. [2] показали, что породы фронтальных зон островных дуг обогащены, в отличие от тыловых зон, некоторыми халькофильными элементами (As, Sb), бором и цезием, что обусловлено высокой подвижностью этих элементов во флюиде. As и Sb имеют высокие концентрации в лавах ВВФ и ЦКД, но в образцах СХ сравнимы с NMORB [18]. Уменьшение концентраций Cs, As и Sb на Ce-нормированных диаграммах вкрест простирания дуги объясняется обеднением субдуцируемой плиты по этим элементам на ранних стадиях дегидратации. Обогащение расплавных включений из пород ВВФ и ЦКД по S и Cl так же подтверждает вывод о значительной роли флюида в источнике этих пород.

Магмообразование вкрест простирания Камчатской дуги

Рис. 13

Мы показали, что: (1) различные источники вовлечены в формирование магм Камчатской дуги; (2) обогащенный компонент типа OIB наблюдается в мантийном источнике тыловой части, (3) субдуговая мантия подобна или слегка обеднена в сравнении с источником NMORB; (4) общий привнос флюидной компоненты в мантийные источники меняется незначительно вкрест дуги.

Рисунок 13 суммирует наши результаты и иллюстрирует модель формирования Камчатского дугового вулканизма. Глубина субдуцируемой под Камчатку плиты увеличивается от 100 км под ВВФ до 200 км под ЦКД и далее на запад, достигая 400 км под СХ. Специфика размещения ЦКД заключается в её расположении над тройным сочленением плит, где Тихоокеанская плита субдуцирует под Евроазиатскую, формируя внутридуговой рифт.

Степень плавления вкрест Камчатской дуги изменяется от 9-12 % (для СХ и ЦКД) до 20% (для ВВФ), что согласуется с опубликованными данными для других вулканических дуг. Вероятно, высокая степень плавления в ВВФ вызвана большим количеством водного флюида, высвобождающегося из субдуцируемой плиты на первой ступени ее обезвоживания. Субдукция Гавайского Императорского подводного хребта в этом районе может играть важную роль в формировании такого флюида. Плавление в зоне ЦКД строго обусловлено двумя факторами: дегидратацией плиты, и восхождением мантийных потоков в результате внутри - дугового рифтогенеза. Плавление в СХ также обязано высвобождению флюида при глубинной дегидратации плиты, но в меньших объемах, чем в других зонах.

Выше было показано, что общий вклад флюидной составляющей в источники Камчатских лав довольно однороден вкрест простирания дуги. Это, однако, не обязательно подразумевает одинаковый поток флюида во всех трех вулканических зонах Камчатки. Одинаковые содержания микроэлементов могут быть получены двумя путями: (1) одинаковым количеством одинакового по составу флюида или (2) различным количеством флюида с разным содержанием микроэлементов. В результате высоких P-T условий и разложения высокотемпературных минералов, глубинные флюиды под СХ, будут, вероятно, более обогащены несовместимыми элементами. Бюре и Кепплер [8] показали, что флюиды, полученные при дегидратации амфибола будут преимущественно водными и низкокремнистые, но обогащенные LILE и, возможно, хлоридами. Такие флюиды высокоподвижны, формируя большие объе?