Природа геохимической зональности вкрест простирания Камчатской островной дуги (стр. 2 из 5)

Рис. 3

Распределения редких элементов на спайдерограммах для ВВФ, ЦКД и СХ показаны на рис.3 для пород с > 5% MgO. Все породы имеют типичные островодужные признаки с различным обогащением LILE и LREE и низкими HFSE. Исключением являются несколько моногенных конусов ВПТ пород (см. ниже). Концентрации LILE и HFSE возрастают от фронта к тылу дуги. Породы ВВФ и ЦКД обеднены Nb и Ta в сравнении с составом NMORB (north middle ocean ridge basalt). Интересной особенностью всех изученных пород Камчатки являются низкие концентрации HREE, которые значительно ниже, чем в NMORB и не меняются значимо во всех трех регионах. Базальты ВПТ Ичинского вулкана обогащены больше, чем островодужные породы стратовулкана по LILE и LREE с повышенными HFSE. Nb-Ta отрицательная аномалия в породах СХ выражена значительно слабее, чем в островодужных породах пересечения.

Ввиду ограниченности объема публикации, все первичные данные представлены на EPSL и J.Pet. Online Background Dataset.

Коррекция на фракционную кристаллизацию

Рис. 4

Наиболее основные образцы в ВВФ, ЦКД и СХ содержат до 8.5%, 11.6%, и 9.2% MgO, соответственно. Однако очевидно, что большинство образцов претерпели процесс минерального фракционирования и прямое сравнение полученных концентраций микроэлементов в них невозможно. Чтобы уменьшить этот эффект, мы попытались скорректировать первичные данные к примитивным составам магм.

Рис. 5

С этой целью мы использовали метод, описанный в [24]. Для каждого вулкана были построены зависимости содержания элементов от MgO и рассчитано содержание каждого элемента в точке пересечения трендов с MgO = 6%. Значение пересечения линии регрессии с 6% MgO принималось за скорректированное значение для каждого элемента.

По корреляциям макроэлементов с MgO (не показано), фракционирование плагиоклаза начинается, когда расплав обедняется примерно до 5% MgO. Поэтому в наших расчетах линий регрессии с последующей нормализацией концентраций элементов мы использовали только образцы, в которых содержание MgO превышало 5%. Нормализованные значения отмечены как 6,0.

Для островодужной серии вулкана Ичинский наши данные дополнены неопубликованными данными О.Волынца (ныне умершего; данные доступны по просьбе), так же привлечены литературные источники. Менее 5 образцов с > 5% MgO имеется для вулканов Камень (2), Гамчен (4), Ахтанг (3) и Шмидт (2). Для графиков зависимостей микроэлементов от MgO относительное отклонение от линий регрессий составило около 10-20%.

Вариации макро- и микроэлементов вкрест простирания Камчатской дуги

Рис. 6

Планк и Лангмюр [24] предположили, что степень плавления мантийного клина зависит от мощности земной коры. Небольшие изменения в мощности коры под Камчаткой (30 - 40 км) не достаточны, чтобы объяснить наблюдаемую значительную разницу в распределении редких элементов в породах пересечения только этим эффектом.

Расстояние от глубоководного желоба до вулкана и глубина до поверхности субдуцируемой плиты связаны напрямую. Общеизвестное положение фронтальных вулканических зон не менее чем в 110-130 км над поверхностью субдуцируемой плиты предполагает, что плавление обусловлено флюидами, освобождающимися из этой плиты в результате реакции дегидратации при достижении определенных температур и давлений [25,29 и др.]. Поэтому в данной работе при региональном сравнении пород мы использовали глубину поверхности погружающейся плиты под вулканами [14]. На рисунках 4,5,6 показаны диаграммы зависимости некоторых макро- и микроэлементов, а так же их отношений от глубины погружающейся плиты.

Рис. 7

Базальты ВПТ помечены на диаграммах специальными символами. Большинство нормализованых к MgO_6.0 редких элементов, в т.ч. HFSE (Zr, Nb, Hf, Ta), LILE (Sr, Ba, Rb, Be, Pb, U, Th), LREE, некоторые макроэлементы (K, Na) и многие отношения элементов (K/Na, La/Yb, Sr/Y, Nb/Yb) обнаруживают положительную корреляцию с глубиной погружающейся плиты. Наилучшие корреляции получены для K₂O, Ba, Sr и Rb, для которых значения возрастают более чем в два раза от фронта к тылу дуги. Na₂O, LREE и HFSE стремительно возрастают от ВВФ к ЦКД, но заметно слабее далее к СХ. При этом Ti даже понижается в лавах СХ в сравнении с породами ЦКД. Для Y и HREE нет значимых корреляций, они остаются постоянными от фронта к тылу дуги. Эти результаты сравнимы с аналогичными исследованиями по Курильской [1] и Японской [26] вулканическим дугам.

Базальты ВПТ Срединного хребта отличаются по ряду элементов от островодужных трендов, выделенных затененным полем на рисунках 4,5,6. В отличие от Ичинского стратовулкана, они имеют высокие концентрации Na₂O, TiO₂, P₂O₅ и всех HFSE и REE, и обеднены по SiO₂ и Pb. HFSE и LREE в этих породах значительно выше, чем во всех образцах пересечения. Для этих породы так же типичны высокие Ce/Pb, La/Yb и низкие U/Th и Ba/Nb отношения.

Рис. 8

Нормированные к 6% MgO отношения U/Th во всех породах Камчатки выше, чем в NMORB и варьируют от 0,41 до 0,58 в ВВФ, от 0,57 до 0,71 в ЦКД и от 0,38 до 0,64 в породах СХ. Исключением среди пород ЦКД является образец 2310 с вулкана Камень, в котором первичное U/Th отношение достигает 0,79. Это наивысшее известное U/Th отношение в примитивных базальтах Камчатки. Наряду с этим, породы вулкана Камень характеризуется самыми низкими LILE и LREE и самыми высокими HREE в сравнении с другими вулканическими сериями ЦКД (рис.6Д, 9).

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 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 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 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Наблюдается широкий диапазон значений по Nd изотопам для ВВФ и СХ, в то время, как Sr изотопные отношения близки. Наивысшее обогащение по ⁸⁷Sr в пределах ЦКД найдено для лав Ключевского вулкана, где отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 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

¹⁸O 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

¹⁸O с отношением ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (рис.8), причем лавы исторических извержений имеют тенденцию к повышенным значениям обоих отношений в сравнении с более ранними голоценовыми извержениями. Установлены положительные корреляции между ¹⁸O и Cs, Li, Sr, Ba, Rb, Pb, Th, U, LREE и K, то есть с подвижными во флюиде элементами, а так же с отношениями K₂O/Na₂O, Ba/Zr и La/Yb. Отрицательная корреляция ¹⁸O 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 (²³⁰Th/²³²Th)-(²³⁸U/²³²Th) (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 (²³⁸U/²³²Th) и 2,15 для (²³⁰Th/²³²Th) в породах вулкана Камень.