Природа геохимической зональности вкрест простирания Камчатской островной дуги (стр. 3 из 5)

Значительное ²³⁸U-²³⁰Th 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 ²³⁰Th над ²³⁸U 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 - Na₂O_6,0 (рис.11A), где наши данные полностью совпадают с трендом [24]. (Na₂O/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 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr < 0.7031 и ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd

0.5131, один тренд направлен к более высоким отношениям ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr при неизменном ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd. 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.

Вариации в количестве и составе субдукционного флюида

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].