Происхождение и эволюция магм вулканического массива Шивелуч (Камчатка) по геологическим и петролого-геохимическим данным тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.04, кандидат наук Горбач, Наталия Владимировна

• Горбач, Наталия Владимировна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Горбач, Наталия Владимировна

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВУЛКАНИЧЕСКОГО МАССИВА 17

2.1. Общие сведения о строении вулканического массива 17

2.2. Начальная фаза деятельности Старого Шивелуча 22

2.2.1. Распространение и литология отложений 22

2.2.2. Характер деятельности вулкана на начальном этапе формирования 24

2.3. Лавовый и дайковый комплекс Старого Шивелуча 27

2.3.2. Последовательность формирования эруптивных центров Старого Шивелуча и объемные соотношения лав 32

2.3.3. Позиция даек в структуре вулканического массива 34

2.3.4. Проблема разрушения южного сектора вулканического массива 35

2.4 Молодой Шивелуч и экструзии группы Каран 36

2.4.1. Морфология и строение Молодого Шивелуча 36

2.4.2. Последовательность формирования и объем постройки Молодого

Шивелуча 42

2.5 Формирование современного экструзивного купола и характер

извержений 43

2.6 Выводы к главе 2 47 ГЛАВА 3. ПЕТРОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ ПОРОД 49

3.1. Петрографическая характеристика и типизация лав различных временных этапов формирования вулканического массива 49

3.1.1. Петрография пород Старого Шивелуча 50

3.1.2. Петрография пород лавового комплекса Молодого Шивелуча и экструзий группы Каран 65

3.1.3. Ксенолиты и гомеогенные включения в породах вулканического массива 71

3.2. Состав породообразующих минералов 74 3.2 .1. Плагиоклаз 75 3.2 .2. Амфибол 79 3.2 .3. Пироксены 83 3.2 .4. Оливин и хромистая шпинель 87

3.2.5. Ре-Т1 оксиды 94

3.3. Выводы к главе 3: Общие закономерности петрографии пород и порядок

кристаллизации минералов 95

ГЛАВА 4. ГЕОХИМИЯ ПОРОД 98

4.1. Методы исследований 98

4.2. Главные элементы в породах 100

4.3. Редкие и редкоземельные элементы 106

4.4. Отношения несовместимых элементов 113

4.5. Бг-Ыё- изотопная систематика пород 116

4.6. Выводы к главе 4 120 ГЛАВА 5. УСЛОВИЯ ЭВОЛЮЦИИ МАГМ 120

5.1. Состав и происхождение исходных магм для серии пород вулканического массива 122

5.2. Эволюция магм в коровых условиях 124

5.2.1. Роль кристаллизационной дифференциации 124

5.2.2. Роль процессов кумуляции плагиоклаза 124

5. 2.3. Роль фракционирования амфибола 125

5. 2. 4. Роль смешения магм 130

5. 2.5. Роль ассимиляции пород фундамента 133

5.3. Условия кристаллизации магм 136

5. 4 Предполагаемая модель строения и эволюции питающей магматической

системы вулканического массива 143

5.4.1. Периодичность пополнения магматического очага на голоценовом этапе развития вулканического массива 148

5.4.2. Временные вариации состава пород и динамика питающей магматической системы 149 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154-172

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Происхождение и эволюция магм вулканического массива Шивелуч (Камчатка) по геологическим и петролого-геохимическим данным»

ВВЕДЕНИЕ

Вулканический массив Шивелуч на Камчатке привлекает огромное внимание исследователей в силу ряда исключительных особенностей. Шивелуч расположен в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (рисЛа). Деятельность вулкана в голоцене, связанная с эруптивным центром Молодой Шивелуч, характеризуется мощными плинианскими извержениями и ростом экструзивных куполов. В его голоценовой истории зафиксировано 60 крупных извержений с объемом

л

более изверженных продуктов 1 км (Ponomareva et al, 2007). Масштабы и частота этих извержений делают вулкан наиболее активным эксплозивным центром Камчатки (Ponomareva et al., 2007). После Ключевского вулкана Шивелуч является вторым по продуктивности (36 млн.т/год), а по количеству изверженных андезитов не имеет аналогов среди четвертичных вулканов в пределах Курило-Камчатской островной дуги (Мелекесцев и др., 1991). По мнению многих исследователей, аномально высокая продуктивность вулкана является отражением специфики глубинных процессов в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Геодинамическая позиция вулкана приурочена к области тройного сочленения литосферных плит - СевероАмериканской, Охотского блока Евроазиатской плиты и субдуцирующей Тихоокеанской плиты. Кинематика сочленения литосферных плит, геометрия их границ и условия субдукции в данном районе дискуссионны. Согласно сейсмическим данным, краевая часть субдуцирующей Тихоокеанской плиты под вулканом имеет наименьшую глубину -100 км и более пологий угол погружения в сравнении с аналогичными параметрами для всех вулканов Камчатки (Федотов, 1991; Gorbatov et al., 1997). Для краевой части субдуцирующей Тихоокенской плиты предполагаются разрывы slab-window (Авдейко и др., 2001, 2006; Levin et al., 2002) или косая пологая и медленная субдукция, сходная с таковой для Западных Алеут (Волынец и др., 2000).

Продукты современных и голоценовых извержений вулкана представлены премущественно магнезиальными андезитами, которые имеют высокие концентрации крупноионных (К, Sr, Ва) и редкоземельных (La, Се, Nd) литофильных элементов, хрома, никеля и обеднены тяжелыми редкоземельными элементами (Dy, Er, Yb), иттрием и титаном (Volynets, 1994; Волынец и др., 1997; Ponomareva et al, 2007; Portnyagin et al., 2007). Подобные геохимические особенности могут свидетельствовать о сильнодеплетированном и/или низкотемпературном мантийном источнике магм (Волынец и др., 2000; Portnyagin et al., 2007) и возможном участии в процессах

мантийного магмообразования обогащенных несовместимыми микроэлементами расплавов - продуктов частичного плавления субдуцированной океанической плиты (Yogodzinsky е1 а1., 2001; Ошпкоуа й а1., 2001; РоПпуацт е! а1., 2007).

Уникальная геодинамическая позиция вулкана Шивелуч, геохимическая специфика его пород и аномально высокая продуктивность делают этот объект исключительно интересным для реконструкции магматической эволюции и определения генетической природы всего спектра пород вулкана. Однако, среди геологических и петролого-геохимических данных в настоящее время резко преобладают данные о новейшем, голоценовом периоде вулканизма (обзор в работах Ропошагеуа е1 а1, 2007; Горбач, Портнягин, 2011). Именно эти данные определяют наши представления о вулканическом массиве в целом, хотя в объемном отношении породы голоценового возраста имеют подчиненное значение по сравнению с продуктами ранних этапов вулканизма. Данные по ранним этапам формирования вулканического массива на сегодняшний день ограничены (Меняйлов, 1955; Мелекесцев и др., 1991) и не позволяют судить о составе пород Шивелуча в течение всей истории его развития и в частности о том, насколько представительны данные новейшем этапе вулканизма для вулкана в целом.

Целью работы ялялась реконструкция эволюции магм вулканического массива Шивелуч на основе детальной петролого-геохимической характеристики пород, соответствующих различным временным этапам его формирования. В работе решались следующие задачи:

1) Уточнение геологического строения вулканического массива, картирование и геохимическое опробование пород различных этапов формирования вулканического массива;

2) Петрографическая типизация пород и определение относительных возрастных и объемных соотношений различных типов пород;

3) Детальная минералогическая и геохимическая характеристика выделенных типов пород и определение их петрогенетических соотношений;

4) Оценка физико-химических условий образования и эволюции магм на различных этапах формирования вулканического массива;

5) Анализ существующих моделей образования и эволюции магм вулканического массива Шивелуч. Разработка новой взаимосогласованной модели, учитывающей петролого-геохимические особенности пород и геофизические данные.

Актуальность исследований. Проблема происхождения магнезиальных андезитов - одна из центральных в петрологии и геохимии. С одной стороны, интерес к магнезиальным андезитам обусловлен их особым составом - SiC>2>56 мас.%, MgO>5 мас.%, Петрографический кодекс..., 2008; или Si02>54 мас.%, Mg#(=Mg/(Mg+Fe*) >0.45, согласно Kelemen et al., 2003 - близким к среднему составу континентальной коры (например, Rudnick, Fountain, 1995; Kelemen et al., 1995, 2003). С другой стороны, магнезиальные андезиты - это породы с ярко выраженной известково-щелочной спецификой, встречающиеся преимущественно среди продуктов вулканизма островных дуг и активных континентальных окраин и являющиеся типоморфными для данной геодинамической обстановки (Gill, 1981). Выяснение условий происхождения магнезиальных андезитов является важным как для понимания образования и эволюции континентальной коры, так и понимания условий магмообразования в обстановке субдукционного сочленения литосферных плит. Возможность приблизиться к решению этой проблемы возникает при изучении единых серий пород, включающих магнезиальные андезиты. Вулканический массив Шивелуч является с этой точки зрения уникальным объектом исследования. Об актуальности проблемы и интересе международного сообщества свидетельствуют и многочисленные публикации последних лет в ведущих научных изданиях (Yogodzinski et al. 2001; Churikova et al. 2001; Levin et al., 2002; Miinker et al. 2004; Portnyagin et al., 2007 и др.).

Реконструкция условий эволюции магм в питающей магматической системе вулканического массива Шивелуч приобретает также особую актуальность в связи с высокой эксплозивностыо его извержений и связанной с ними опасностью. Извержения андезитовых вулканов относятся к наиболее мощным и опасным проявлениям вулканической деятельности (например, Иванов, 1990) и проблема прогноза масштабов таких извержений еще далека от решения. Крупнейшие катастрофические извержения андезитовых вулканов прошлого столетия, в числе которых наряду с извержениями вулканов Безымянного в 1956 г. и Сент-Хеленс (США) в 1980 г. присутствует и извержение Шивелуча (1964 г.), не были предсказаны (Богоявленская и др., 1985). Понимание процессов и механизмов близповерхностной дифференциации магм в питающих магматических системах андезитовых вулканов, наряду с непрерывным мониторингом эруптивной активности и комплексом инструментальных методов (сейсмологических, геофизических, геодезических и др.), может быть ключом к проблеме прогноза будущих извержений.

Фактическая основа работы. Работа основана на изучении коллекции более 300 образцов вулканических пород, собранных автором в ходе полевых работ 20042011 гг. Коллекция сформирована с учетом стратиграфичекой позиции образцов и охватывает все этапы формирования вулкана - от раннего этапа активности до текущих извержений. Образцы начального периода формирования современного экструзивного купола (лавы, изверженные в 1980-1981 гг.) переданы Ю.М. Дубиком. Ряд образцов экструзивных лав и пирокластики, характеризующих извержения 1993-1995 и 2001 гг. были любезно предоставлены С.А. Хубуная.

При выполнении работы использовались методы геологического картирования, дешифрирования аэрофотоснимков, полевое описание пород и их предварительная макроскопическая типизация. Петрографическими методами было исследовано около 400 прозрачно-полированных шлифов и мономинеральные фракции оливина, пироксена, амфибола и плагиоклаза из представительных образцов. Для геохимической и минералогической характеристики пород вулкана были использованы методы рентгенофлюоресцентного анализа (петрогенные и редкие элементы в породах - 106 анализов; электронно-зондового анализа (петрогенные элементы и ряд микроэлементов в породообразующих минералах и инстерстициальных стеклах - около 3500 анализов), масс-спектрометрия с индукционно-связанной плазмой (ICP-MS; редкие и редкоземельные элементы в породах - 30 анализов), масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS; изотопный состав стронция и неодима ~ 20 анализов). Все анализы за исключением части электоронно-зондовых исследований, выполненных в ИВиС ДВО РАН, были проведены в Центре исследований океана им. Гельмгольца (Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, GEOMAR) и в Институте наук о Земле при Университете им. Кристиана-Альбрехта (г. Киль, ФРГ) с соблюдением международных страндартов как в пробоподготовке, так и при выполнении анализов.

Научная новизна. На основе новых фактических данных построена схема геологического строения вулканического массива Шивелуч, отражающая особенности состава изверженных пород; реконструированы эруптивные центры позднеплейстоценового лавового комплекса; определены относительные объемные и временные соотношения различных типов пород. Впервые дана детальная петрологическая и изотопно-геохимическая характеристика пород, отвечающих различным этапам формирования вулканического массива Шивелуч: от ранних этапов активности и до продуктов текущих извержений. Предложена взаимосогласованная петрологическая модель строения и эволюции питающей системы вулканического

массива, которая не противоречит имеющимся на сегодняшний день геофизическим данным.

Личный вклад автора. Организация и проведение полевых работ на вулкане, геологическое картирование, геохимическое опробование, петрографическое изучение и типизация пород вулкана. Подготовка каменного материала для различных анализов, отбор мономинеральных фракций, изготовление прозрачно-полированных препаратов и их анализ на электронном зонде. Анализ и систематизация полученных результатов и сравнение с литературными данными.

Практическое значение. Новые геологические, геохимические и минералогические данные, полученные в ходе выполнения работы, могут быть использованы в дальнейших исследованиях вулканического массива Шивелуч, в том числе и при оценке опасности его будущих извержений, а также при анализе и построении моделей генерации магм в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения и дополнительных материалов, включающих каталог изученных образцов (Приложение 1), таблиц химических анализов пород (Приложение 2) и минералов (Приложение 3). Основной материал изложен на 172 страницах, содержит 12 таблиц и 59 рисунков. Список литературы включает 192 наименования.

В первой главе приводится краткий обзор предшествующих работ и постановка задачи исследования. Во второй главе на основе результатов полевых работ рассмотрены особенности строения, распространения и литологии отложений начальной фазы деятельности (НФД), последовательность излияний лав в различных секторах постройки Старого Шивелуча, особенности строения лавового комплекса Молодого Шивелуча и приведены сведения о формировании растущего экструзивного купола. Третья глава посвящена петрографической типизации и рассмотрению особенностей состава породообразующих минералов в породах, соответствующих различным этапам формирования вулканического массива. В четвертой главе рассмотрены геохимические особенности пород, проведено сравнение состава продуктов позднеплейстоценового (Старый Шивелуч) и голоценового (Молодой Шивелуч) этапов деятельности вулканического массива. В пятой главе выполнена оценка роли кристаллизационной дифференциации, смешения магм и ассимиляции пород фундамента, показана принципиальная роль многостадийной кристаллизации амфибола в формировании геохимического облика пород и предложено объяснение

различий в составах пород Старого и Молодого Шивелуча. IIa основе полученных данных по эволюции состава пород и минералов с использованием расчетных данных по физико-химическим условиям кристаллизации предложена модель строения и эволюции питающей системы вулкана. Заключение содержит основные выводы проведенного исследования.

Защищаемые положения:

1) Выделены и охарактеризованы основные типы пород, отвечающие различным этапам активности вулканического массива Шивелуч; реконструированы центры излияния позднеплейстоценовых лав; определены относительные объемные соотношения различных типов пород. Изучены вариации состава пород во времени и установлены различия в условиях дифференциации магм позднеплейстоценового (Старый Шивелуч) и голоценового (Молодой Шивелуч) этапов развития вулканического массива.

2) Эволюция магм вулканического массива Шивелуч определяется процессами кристаллизационной дифференциации и смешения магм в условиях близповерхностной магматической камеры и промежуточного очага на границе нижней и верхней коры. Вариации в составе пород обусловлены различными условиями кристаллизации: малоглубинной кристаллизацией для магм Байдарного отрога и многостадийной кристаллизацией с участием амфибола для магм начальной фазы деятельности вулканического массива и голоценового этапа развития. Ассимиляция коровых пород имела подчиненное значение.

3) На голоценовом этапе развития вулканического массива важную роль в процессах петрогенезиса играло смешение магм. Магнезиальные андезиты Молодого Шивелуча имеют гибридное происхождение и представляют собой смесь кислых дифференциатов и высокомагнезиальных магм, периодически поступающих в близповерхностную магматическую камеру. Близкие к адакитам геохимические особенности дифференцированных пород (Sr/Y > 40, Y < 15 г/т, SiOi > 60 мас.%) сформированы в результате процессов кристаллизационной дифференциации, сопровождаемых кумуляцией плагиоклаза и удалением амфибола из кристаллизующейся магмы.

4) Происхождение магм, исходных для серии пород вулканического массива, связано с плавлением деплетированного мантийного источника под воздействием водосодержащих расплавов из субдуцирующей Тихоокеанской плиты. Положительная

R7

корреляция отношении Sr/ Sr и степени обогащения примитивных пород несовместимыми элементами предполагает участие метасоматизированной литосферной мантии в процессах образования магм.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них четыре статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК. Результаты исследований докладывались на российских и международных совещаниях и конференциях: Ежегодные конференции, посвященные дню вулканолога (Петропавловск-Камчатский, 2006, 2007, 2011); Симпозиумы по вулканологии и палеовулканологии (Улан-Удэ 2006, Петропавловск-Камчатский, 2009); Международном симпозиуме, посвященном проблемам эксплозивного вулканизма, Петропавловск-Камчатский, 2006; Новые идеи в науках о Земле, Москва, 2007; Конференции «Merapi and Merapi Type Volcanoes in the World with Their Phenomena» (г. Джогджакарта, Индонезия, 2006); Рабочем совещании в рамках проекта «Parthership for Volcanological Research and Education», (Ванкувер, США, 2007); конференциях «Biennual workshops on Japan-Kamchatka-Alaska Subduction processes: mitigating risk through international volcano, earthquake, and, tsunami science (JKASP)» Япония, 2006; США, 2009; Петропавловск-Камчатский, 2011; Рабочих совещаниях по проекту KALMAR (Kurile-Kamchatka and the Aleutian Marginal Sea-Island Arc Systems), Петропавловск-Камчатский, 2009; Trier, Germany, 2011.

Благодарности. Автор выражает огромную благодарность научному руководителю М.В. Портнягину за руководство работой и создание условий для ее выполнения, В.В. Пономаревой и И.В. Мелекесцеву (ИВиС ДВО РАН), М.М. Певзнер (ГИН РАН), А.Д. Бабапскому (ИГЕМ РАН), Г.П. Авдейко, A.B. Колоскову, Е.Г. Сидорову, С.А. Хубуная и АЛО. Озерову (ИВиС ДВО РАН) за обсуждение результатов работы и ценные замечания, C.B. Высоцкому, A.A. Чащину, В.Ф. Полину и С.О. Максимову (ДВГИ ДВО РАН) за доброжелательную критику, Т.М. Философовой (ИВиС ДВО РАН) за помощь в микрозондовом анализе на начальных этапах исследования, Д. Pay и М. Тёнер (GEOMAR, Киль, ФРГ) за помощь в проведении анализов пород и минералов, Ф. Хауфф (GEOMAR, Киль, ФРГ) за проведение изотопных анализов и Д. Гарбе-Шенбергу за проведение микроэлементного анализа (Университет г. Киль, ФРГ). Особая благодарность Г.Е. Богоявленской за мотивацию к

изучению андезитовых вулканов и С.А. Хубуная за первый совместный маршрут к активному кратеру вулкана Шивелуч. Большое спасибо моим друзьям и коллегам Р.Н. Сагитовой, И.И. Тембрслу, С.Б. Самойленко и Т.М. Маневич за неоценимую помощь в осуществлении полевых работ.

Работа выполнена в Лаборатории активного вулканизма и динамики извержений ИВиС ДВО РАН, возглавляемой академиком Е.И. Гордеевым. Автор искренне признательна всему коллективу за поддержку.

Полевые исследования выполнены при поддержке грантов ДВО РАН 06-Ш-В-08-369, 07-Ш-Д-08-094, 07-Ш-В-08-095, 09-Ш-А-08-422, РФФИ-ДВО РАН 11-05-98555 рвостока. Аналитические исследования выполнены в рамках российско-германского проекта КАЛЬМАР (подпроект «Пространственная и временная эволюция вулканизма и магматизма в области Алеутско-Камчатского сочленения») при поддержке министерств Науки и Образования РФ и ФРГ.

Работа посвящена светлой памяти Марии Егоровны Бояриновой с благодарностью за первые уроки полевой геологии.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Геологические и вулканологические исследования

Начало истории изучения вулканического массива Шивелуч относится к середине XIX века. Первые геологические сведения, представляющие на сегодняшний день большую историческую ценность, принадлежат А. Эрману и К.И. Богдановичу (Erman, 1848; Bogdanovitsh, 1904), цитируется по (Меняйлов, 1955). В 1910 г. геологом Камчатской экспедиции Русского географического общества С.А. Конради были произведены исследования в юго-восточной части вулкана, но собранная им коллекция горных пород осталась необработанной (Меняйлов, 1955). В 1931-1932 гг. М.Ф. Двали провел маршрутные геологические работы, на основании которых им составлена геологическая карта окрестностей вулкана. По материалам А. Эрмана, К.И. Богдановича и С.А. Конради академик А.Н. Заварицкий составил петрографическое описание пород, слагающих массив, и высказал мнение о его тектонике (Заварицкий, 1935). В 1945 г. Б.И. Пийпом было описано начало нового экструзивного извержения вулкана (Пийп, 1945, 1946).

Первое систематическое описание вулкана и его изверженных продуктов дано A.A. Меняйловым (1955). На основании изучения геологического строения A.A. Меняйлов относит Шивелуч к полигенным стратовулканам и выделяет три фазы в истории его развития: раннюю пирокластическую, среднюю лавовую и позднюю, которая связана с деятельностью Молодого Шивелуча. A.A. Меняйловым впервые отмечена важность геодинамического положения вулкана на северной оконечности Курило-Камчатской островной дуги в месте ее пересечения с Алеутской дугой. Преобладающие типы пород вулкана охарактеризованы 20 химическими анализами. A.A. Меняйловым было сделано предположение о происхождении «вулкано-тектонической депрессии или кальдеры» в южном секторе в результате опускания центральной части массива вследствие исчерпания из очага значительных объемов магмы. Опускание происходило не путем мгновенного обрушения, а вероятно явилось результатом медленного сползания сброса центральной части вулкана (Меняйлов, 1955).

В 1978-1980 гг. Шивелучской партией Камчатской поисково-съемочной экспедиции была проведена плановая геологическая съемка и составлена геологическая карта в масштабе 1: 200 000 (Лопатин и др., 1979). Как и в работе А.А. Меняйлова (1955) авторами были выделены три фазы развития вулкана, однако начало вулканической деятельности было отнесено к среднему плейстоцену.

В начале 1980-ых гг. работы по изучению истории развития вулкана были проведены В.А. Ермаковым. Начало формирования наиболее ранней пирокластической толщи автор также относит к среднему плейстоцену (Ермаков, 1985). По мнению В.А. Ермакова к центральной части вулканического массива может быть приурочено поднятие фундамента, сложенного дислоцированными осадочными породами.

На основании взаимоотношений ранних образований вулканического массива с моренами второй стадии поднеплейстоценового оледенения И.В. Мелекесцевым (1991) был определен возраст начала деятельности вулканического массива, соответствующий позднему плейстоцену и составляющий 60 - 70 тыс. лет.

В 1970-ых годах были начаты систематические работы по реконструкции эруптивной деятельности вулкана в голоцене. В результате этих работ определена хронология извержений, характер связанных с ними отложений, объем и состав изверженных продуктов, главные оси пеплопадов и ареалы распространения тефры (Ропотагеуа, Реугпег, 1994; Пономарева, 1998; 2006; Ропоуагеуа е1 а1., 2007). Было установлено, что все крупнейшие извержения вулкана в голоцене были плинианскими и поставляли материал преимущественно андезитового состава. С извержениями ассоциировались сильные пеплопады бомбы и лапилли вблизи вулкана, грубый и тонкий пепел на удалении от него, пирокластические волны и пирокластические потоки. Не менее 14 извержений предварялись крупномасштабными разрушениями постройки вулкана с образованием обломочных лавин (Ропотагеуа е1 а1., 2006). В результате работ по реконструкции эруптивной деятельности Молодого Шивелуча была не только восстановлена история голоценовых извержений вулкана, но и получена тефростратиграфическая шкала, позволяющая датировать различные события в пределах полуострова (Ропоуагеуа й а1.,1998, 2007). Датированные прослои тефры крупнейших извержений вулкана Шивелуч являются возрастными маркерами, которые используются для расчленения и корреляции голоценовых вулканогенных и осадочных отложений Камчатки (ВгакБеуа ег а1.,1997).

В отличие от ранних работ А.А. Меняйлова (1955) в последующих исследованиях основная роль в формировании кальдеры была отведена крупномасштабному обвалу сектора вулкана (Мелекесцев и др., 1991; Belousov et al., 1999). Данные о возрасте и масштабе этого события на сегодняшний день дискусионны. По данным И.В. Мелекесцева с соавторами (1991) обрушение южного сектора произошло до начала второй стадии верхнеплейстоценового оледенения (ранее, чем 23-24 тыс. лет). На основании относительной морфологической свежести лавовых потоков Главной вершины А.Б. Белоусов с соавторами предполагает более поздний возраст этого события - 10 тыс. л.н. (Belousov et al., 1999). М.М. Певзнер с соавторами было высказано мнение о том, что разрушение южного сектора Старого Шивелуча могло произойти в резкльтате как минимум трех разновозрастных событий, наиболее раннее из которых датируется 15.8-16 тыс. л.н. (Певзнер и др., 2012).

Много исследований посвящено последнему катастрофическому извержению Шивелуча 12 ноября 1964 года (Токарев, 1967; Горшков, Дубик, 1969; Белоусов, Белоусова, 1995; Мелекесцев и др., 2003 и др.). Особенности современной эруптивной активности и состав изверженных продуктов рассматриваются во многих публикациях (Меняйлов, 1955; Горшков, Дубик, 1969; Хубуная, 1995; Фирстов и др., 1996, Мелекесцев, 2003; Федотов и др., 2001, 2004; Гирина и др., 2006; Горбач, 2006; Dirksen, 2006 и др.).

Извержения, связанных с ростом современного экструзивного купола (1980 г. -настоящее время), описаны в публикациях (Двигало, 1984; Хубуная и др., 1995; Федотов и др., 2001, 2004; Озеров, Демянчук, 2004; Гирина и др., 2006; Горбач, 2006; Жаринов, Демянчук, 2008, 2013; Dirksen et al., 2006, Humphreys, 2006 и пр.) После катастрофического извержения 1964 г. наиболее крупными были извержения в феврале 2005 г. (Нуждаев и др., 2005; Girina et al., 2006) и в октябре 2010 г. (Овсянников, Маневич, 2010).

1.2. Геохимические и петрологичекие исследования

Геохимическим и петрологическим исследованиям пород вулкана посвящен большой ряд работ О.Н. Волынца (Волынец и др., 1997, 1998, 1999, 2000 и др.). Было установлено, что характерным типом пород Шивелуча являются магнезиальные

андезиты, нетипичные для других активных вулканов Камчатки (Volynets, 1994). В работе (Волынец и др., 1997) впервые была четко обозначена проблема петрогенетичееких соотношений пород различных геохимических типов в истории развития вулкана. В частности, в голоценовом пирокластическом чехле было обнаружено присутствие необычных для вулкана пород. 7600 лет назад поступили на поверхность амфибол-содержащие умеренно-калиевые базальты, 3600 лет назад -магнезиальные высоко-калиевые базальты с амфиболом и флогопитом. Как было отмечено (Волынец и др., 1997), при настоящем уровне изученности гипотеза происхождения магнезиальных андезитов вулкана Шивелуч при фракционной кристаллизации магнезиальных высоко-калиевых базальтовых или умеренно-калиевых андезибазальтовых расплавов не может быть принята однозначно.

При сравнении геохимических особенностей пород вулкана Шивелуч, а также расположенных рядом вулканов Харчинский и Заречный с породами вулканов Ключевской группы и вулканических пород Восточного вулканического фронта Камчатки (ВВФ) отмечен ряд отличий (Волынец и др., 1999, 2000). Показано, что магмы Шивелуча имели более окисленный состав и характеризовались более высоким содержанием воды в сравнении с магмами вулканов Ключевской группы (Волынец и др., 1997; Волынец и др., 1999). Породы Шивелуча характеризуются высокими магнезиальностью и концентрациями Sr, отношениями Sr/Y, K/Ti, La/Yb, Zr/Y, Th/Yb, Ni/Sc, Cr/Sc, а также низкими концентрациями Ca, Sc, Y, Yb (Волынец и др., 2000). Сходство этих геохимических характеристик с адакитами послужило основой для гипотезы о том, что источники магм вулкана связаны с расплавами субдуцирующей Тихоокеанской плиты (Yogodzinsky et al., 2001; Churikova et al., 2001). Предположено (Волынец и др., 2000), что область мантийного клина в пределах Северной группы вулканов Камчатки подвергается метасоматическому воздействию двух различных составляющих, генерированных в области субдукции океанической плиты: водосодержащих флюидов (Ключевская группа и ВВФ) и продуктов ее частичного плавления (Харчинский, Заречный, Шивелуч). Было предположено, что в области сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг их граница имеет характер косой субдукции, переходящей в трансформный разлом, где создаются условия для вспарывания и раздвижения погружающейся Тихоокеанской плиты и внедрению вещества более горячей астеносферы (Yogodzinski et al., 2001), что приводит к плавлению субдуцирующей океанической коры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горбач, Наталия Владимировна, 2013 год

источник

MORB

к

ВВФ

ЧХ

JSr/uSr

£

6 я S

гО

(Ч

68

66

64

62

£

60

U

я

s 58

ri О 56

сЪ 54

52

50

0,7030 0,7032 0,7034 0,7036 0,7038 0,7040

S7Sr/86Sr

□ - Старый Шивелуч • - Молодой Шивелуч

14

- высоко-К базальты 3600 Слет

- породы вулканов Ключевской и Безымянный

0,7030 0,7032 0,7034 0,7036 0,7038 0,7040

87Sr/86Sr

Рис. 51. Sr-Nd систематика пород вулканического массива. Поля изотопных составов вулканических зон Камчатки (СХ - Срединный хребет; ВВФ - Восточный вулканический фронт; ЦКД - Центрально-Камчатская Депрессия) согласно Churikova et al., 2001. На рис. (а) и (в) показаны возможные тренды ассимиляции пород фундамента - метаморфических пород верхней (синяя линия) и нижней (красная линия) толщ Хавывенской серии и тренд смешения с мантийными высоко-К базальтами (зеленая линия). Состав пород Хавывенской серии приведен по данным (Тарарин и др., 2007; 2010): верхняя толща (87Sr/86Sr=0,70603; 143Nd/144Nd=0,513146, среднее из шести образцов); нижняя толща (87Sr/86Sr= 0,70727; 143Nd/144Nd=0,512968, К20=4,3 мас.%, среднее из трех образцов).

Ряд отношений несовместимых элементов также обнаруживает зависимости с отношениями изотопов стронция. Так, с ростом Ошибка! Ошибка связи, в породах в целом наблюдается рост отношений Th/La, La/Ta, Th/Ta и La/Sm (рис. 52). Такие особенности состава пород могут отражать как смешение двух гетерогенных мантийных источников - деплетированного, близкого по составу к MORB, и источника, обогащенного несовместимыми элементами, так и влияние контаминации коровыми породами. Рассчитанные тренды смешения с высоко-К базальтами, как

возможными производными обогащенного мантийного источника, и тренды возможной ассимиляции коровых пород показаны на рис. 51 а и б. Эти тренды имеют сходный характер, что может указывать на влияние обоих процессов на состав магм Шивелуча. Детально влияние обоих процессов на состав магм вулканического массива будет рассмотрено в Главе 5.

0,25 0,20

«30,15

Л Н

0,10

0,05

0,00 14 12 10

£ н

6 4 2 0

- Старый Шивелуч

- Молодой Шивелуч

- высоко-К базальты }600,4Слет + - влк. Ключевской и Безымянный

г. Каран

-

0,7032 0,7034 0,7036 0,7038

•

г. Каран +

□ • ■

» ^

■ ♦

V ♦

100|

90

80

70

£ 60

03 50

—1

40

30

20

10

0

5

4,5

+

• А-

0,7032 0,7034 0,7036 0,7038

0,7032 0,7034 0,7036

ЧЗг/ЧЗг

0,7038

0,7032 0,7034 0,7036 878г/868г

0,7038

Рис. 52. Ковариации отношений изотопов стронция и отношений несовместимых элементов в породах вулканического массива.

4. 6. Выводы к главе 4

Породы различных этапов детельности вулканического массива Шивелуч имеют сходные изотопно-геохимические особенности (за исключением базальтов 360014С лет), что свидетельствует об их генетической общности. По сравнению с вулканами Ключевской группы породы Шивелуча в большей степени обогащены Сз, Шэ, Ва, К, РЬ, 8г, и, ТЬ, легкими РЗЭ и обеднены кальцием, тяжелыми РЗЭ и У. Такие отличия отражают различный состав исходных магм для этих объектов, как это предполагалось ранее в ряде работ (например, Волынец и др., 2000; Portnyagin е! а1., 2007).

Повышенные концентрации в породах вулканического массива несовместимых элементов предполагают либо участие в процессах образования магм обогащенного мантийного субстрата, либо их накопление в результате ассимиляции расплавом корового материала. На возможность процессов ассимиляции пород фундамента указывают ковариации отношений несовместимых элементов, изотопов стронция и содержаний главных элементов в породах. Систематика изотопов стронция, отношений несовместимых элементов и содержаний калия в породах вулканического предполагает влияние обоих процессов на состав магм вулканического массива.

Закономерные тренды изменения содержаний главных и редких элементов в породах Старого и Молодого Шивелуча указывают на важную роль процессов кристаллизационной дифференциации и смешения в различной степени дифференцированных магм. В области андезибазальтовых составов в породах наблюдается снижение концентраций Сг, № и Со - элементов, совместимых при кристаллизации оливина и пироксена. Снижение содержаний Т1, Ре, V по мере роста кремнеземистости пород указывает на участие в процессе фракционирования ТьБе оксидов. Уменьшение содержаний У и суммы РЗЭ, а также Шэ, Ва, Ъх по мере роста содержания 81СЬ свидетельствует о важной роли фракционирования амфибола. Большинство пород Старого Шивелуча характеризуются относительно повышенными

X •

содержаниями А^Оз, РеО , СаО, Т1О2, и V и более низкой величиной магнезиальное™ Mg# по сравнению с породами голоценового этапа активности и современных извержений. Наиболее отчетливо эти различия выражены для совместимых микроэлементов - хрома и никеля, поведение которых зависит от условий фракционирования или смешения магм. Концентрации несовместимых элементов (К, Шэ, Ъх, Б г) в породах различных этапов формирования сходны. Наряду с

многочисленными минералогическими и петрографическими свидетельствами это свидетельствует о важной роли смешения комагматичных, но в различной степени дифференцированных магм на голоценовом этапе деятельности вулканического массива.

ГЛАВА 5. УСЛОВИЯ ЭВОЛЮЦИИ МАГМ ВУЛКАНИЧЕСКОГО МАССИВА

5.1. Состав и происхождение исходных магм

Высокомагнезиальный состав пород и минералов и примитивные значения изотопных отношений Sr и Nd свидетельствуют о мантийном происхождении магм, исходных для серии пород вулканического массива Комплекс полученных данных по петрографии, составу породообразующих минералов и геохимии не позволяют рассматривать серию пород Шивелуча в качестве производных примитивных андезитовых магм, продукты кристаллизации которых могут быть представлены субафировыми разностями или породами с небольшим количеством фенокристаллов в виде форстерита, обогащенных хромом орто- и клинопироксенов и имеют величину магнезиальности Mg#>0.7. Примерами таких пород могут быть андезиты Командорского блока (А-тип андезитов, Yogodzinski et al., 1995) или вулкана Пийпа (Р-тип андезитов, Yogodzinski et al., 1994) в пределах Западных Алеут, а на Камчатке -породы Шишейского вулканического комплекса (Portnyagin et al., 2005; 2007; Bryant et al., 2010). В отличие от пород Шивелуча примитивные андезиты и андезибазальты Шишейского комплекса содержат оливин, который находится в равновесии с валовым составом пород и не содержат фенокристаллов плагиоклаза и амфибола (Bryant et al., 2010).

Резко-порфировый характер пород вулканического массива и сложные текстурные особенности фенокристаллов фиксируют процессы многоэтапной кристаллизационной дифференциации и смешения дифференцированных в разной степени магм. Геохимические спектры пород и закономерные изменения состава породообразующих минералов свидетельствуют о генетическом родстве преобладающих пород среднего состава и редко поступающих на поверхность более базальтовых и андезибазальтовых магм. В качестве родоначальной магмы может рассматриваться состав базальтовой тефры извержения 7600 14С лет (Волынец и др., 1997; Ponomareva et al., 2007), который характеризуется максимальными содержания мафических компонентов (Mg, Fe, Cr, Ni) и минимальными содержаниями несовместимых литофильных компонентов (К, Rb, Ва) во всей серии пород

вулканического массива и содержат оливин Fo 92.3, который может находится в равновесии с первичными мантийными магмами.

В главе 4 было показано, что наиболее примитивные породы Шивелуча отличаются от аналогичных разностей пород Ключевского вулкана по содержаниям некоторых главных компонентов (Са, Na, К), редких и редкоземельных элементов и изотопным характеристикам. Это указывает на различия в составе родоначальных магм для двух крупнейших вулканов ЦКД, что согласуется с данными предшествующих работ (Волынец и др., 2000; Churicova et al., 2001; Yogodzinski et al., 2001; Portnagin et al., 2007). Повышенные значения 87Sr/86Sr, обогащение примитивных пород Шивелуча крупноионными (К, Sr, Ва) и редкоземельными (ЛРЗЭ) литофильными элементами по сравнению с MORB (рис. 47-49) указывают на участие в процессах генерации магм геохимически обогащенного компонента (возможно, водосодержащего расплава, Portnyagin et al., 2007) субдукционного происхождения. В качестве источника этого компонента, способного объяснить геохимические особенности родоначальных магм Шивелуча, могут быть субдуцируемые гидротермально измененная океаническая кора и океанические осадки (например, Churikova et al., 2001).

Участие в процессе образования магм только водосодержащего расплава не может объяснить изотопно-геохимическую гетерогенность примитивных пород Шивелуча и присутствие примитивных высоко-К базальтов с возрастом 3600 14С лет. Высоко-К базальты 3600 14С выделяются из всей серии пород вулканического массива максимальным обогащением Р, Rb, Ва и имеют наиболее высокие отношения 87Sr/86Sr и низкие отношения 143Nd/144Nd. Для объяснения происхождения этих базальтов в работах (Волынец и др., 1997; Portnyagin et al., 2007) предполагалось участие метасоматизированной литосферной мантии. Об интенсивном метасоматическом преобразовании перидотитов мантийного клина свидетельствуют и петрографические наблюдения в мантийных ксенолитах в лавах вулканического массива, фиксирующие образование новых минеральных фаз - клииопироксена, амфибола и флогопита (Bryant et al., 2007). Как показано на рис. 51 в, вариации изотопных отношений Sr, Nd и содержаний К20 в типичных породах Шивелуча могут быть объяснены участием до 50% компонента, отвечающего по составу высоко-К базальту с возрастом 3600 лет.

Таким образом, вероятной моделью образования исходных магм Шивелуча может быть плавление мантийного клина под воздействием водосодержащего расплава из субдуцированной плиты и последующее взаимодействие мантийных магм с обогащенной литосферной мантией.

5.2 Эволюция магм в коровых условиях

5.2.1 Роль кристаллизационной дифференциации

Близкие спектры редких и редкоземельных элементов, однородный состав

1 <1

изотопов стронция и неодима (за исключением базальтов 3600 С лет) и постоянные величины отношений несовместимых элементов свидетельствует о генетической общности серии пород вулканического массива Шивелуч. Единые тренды составов пород на графиках вариаций главных и редких элементов относительно М£0 и закономерные изменения состава породообразующих минералов указывают на важную роль кристаллизационной дифференциации в формировании пород. Понижение СаО, БеО, МпО, Т1О2, Сг, №, V и увеличение 8102, ШгО, К2О, Шэ, Ва с уменьшением М§0 в породах отражает кристаллизацию железо-магниевых силикатов и оксидов: парагенезиса 01±Яр+Срх в андезибазальтовых лавах, сменяющегося на парагенезис НЫ±Рх+М( в андезитах. Появление апатита на ликвидусе фиксируется по излому тренда Р2О5 при уменьшении М£0 до 4-5 мае. %. Такое поведение главных компонентов относительно М§0 и БЮг в породах Старого Шивелуча сходно с трендами пород вулканов Ключевской и Безымянный, дифференцированных от магнезиальных базальтов до дацитов (рис. 40). Близкие тренды получены и в результате численного моделирования кристаллизации адезибазальтов и андезитов вулкана Безымянный в результате фракционирования оливина и клинопироксена с последующим появлением плагиоклаза, Бе-Т1 оксидов и роговой обманки на ликвидусе (А1тееу е1 а1., 2013 а). Далее в работе будут детально рассмотрены особенности эволюции магм в коровых условиях.

5.2.1. Роль кумуляции плагиоклаза

Тренды фракционирования пород вулканического массива на первый взгляд не отражают присутствие плагиоклаза, который является преобладающей минеральной фазой и составляет от 1/2 до 2/3 всех вкрапленников большинства изученных пород (за исключением 01-НЫ андезитов и 01-Срх-НЫ±РЫ% базальтов). К примеру, накопление АЬОз и Бг с повышением 8102 и с уменьшением N^0 в породах Молодого Шивелуча

(рис. 41) находится в противоречии с большим количеством кристаллизующегося плагиоклаза и данными по составу расплавных включений в андезитах, в которых содержания Sr не превышают 360 г/т и обратно коррелируют с S1O2 (Толстых и др., 2003; Humphreys et al., 2008). Данный факт свидетельствует о том, что процессы кумуляции кристаллов плагиоклаза могли оказывать существенное влияние на валовый состав магм, поддерживая валовое содержание AI2O3 и Sr в магмах на более высоком уровне, чем в равновесном расплаве на каждом последующем этапе фракционирования. Резкая и разнообразная по типу зональность в плагиоклазах (рис. 27) свидетельствует в пользу такой модели и подразумевает долгоговременное нахождение («рециклинг») плагиоклазов в магмах и их взаимодействие с расплавами разного состава. Напротив, сложная зональность редко отмечается в Fe-Mg фенокристаллах (оливин, амфибол, пироксены) пород вулканического массива. Эти минералы, обладающие более высокой плотностью, чем плагиоклаз, могли более эффективно удаляться из кристаллизующейся системы путем гравитационной дифференциации, что оказывало доминирующий эффект на состав эволюционирующих магм.

5.2.2 Роль фракционирования амфибола

Фракционирование амфибола является важным фактором эволюции островодужных известково-щелочных магм. В ряде моделей происхождения андезитов амфиболу отводится ключевая роль, поскольку фракционирование амфибола приводит обеднению железом остаточных расплавов и способствует дифференциации расплавов по известково-щелочному тренду (например, Foden, 1983; Conrad and Kay, 1984). Экспериментальные данные указывают на то, что высокое содержание воды (до 5-6 мас.%) в базальтовых и андезибазальтовых островодужных магмах в условиях средне-и верхнекоровых давлений приводит к ранней кристаллизации амфибола и Fe-Ti оксидов по сравнению с безводными силикатными минералами (например, Sisson and Grove, 1993). Эффект ранней кристаллизации амфибола и оксидов приводит также к росту кремнекислоты в расплаве при постоянном отношении FeO*/MgO и повышению магнезиальности.

С фракционированием амфибола на ранних этапах эволюции базальтоидных водных магм многие исследователи связывают и резкое преобладание пород среднего

состава в отдельных вулканических районах (например, Annen et al., 2006). Ранняя кристаллизация амфибола приводит к повышению вязкости базальтовых магм с высоким содержанием воды, что затрудняет их подъем к поверхности и способствует накоплению и дифференциации на нижних уровнях коры (Pichavant et al., 2002; Barclay, Carmichael, 2004). На основании этого предполагается, что в районах широкого развития пород среднего состава ассоциирующие с ними базальтоиды доминируют на нижних горизонтах. В качестве свидетельств такого процесса рассматриваются: 1) присутствие богатых амфиболом включений или ксенолитов в дифференцированных вулканических породах; 2) петрологические и геохимические свидетельства повторного разогрева и плавления обогащенных амфиболом кумулятивных пород и 3) в достаточно редких случаях - поступление на поверхность амфиболовых базальтов (например, Tiepolo et al,. 2007). Все из перечисленных признаков присутствуют в породах вулканического массива Шивелуч. Подавляющее количество включений и ксенолитов в породах вулкана представлено обогащенными амфиболом минеральными парагенезисами вплоть до развития мономинеральных сегрегации, часто встречающихся в лавах современных извержений. Признаки контактово-реакционного взаимодействия с вмещающими андезитами также характерны для многих включений (например, Мелекесцев и др., 1991). Немногочисленные, но важные находки пород, в которых преобладает оливин-амфиболовая ассоциация вкрапленников, представляют свидетельства ранней и глубинной кристаллизации амфибола в породах вулканического массива. Отсутствие в таких породах фенокристаллов плагиоклаза указывает на кристаллизацию магм в условиях нижнекоровых давлений при высоком давлении воды (Danyushevsky, 2001). Данные экспериментальных работ (Grove et al., 2003; Krawczynski et al., 2012) также показывают, что подобная ассоциация высокоглиноземистого амфибола и магнезиального оливина отвечает кристаллизации водонасыщенных базальтовых расплавов в условиях высокого давления. К примеру, паргаситовая роговая обманка лав вулкана Шаста, формирующая реакционные каймы вокруг магнезиального оливина и пироксена, соответствует амфиболу, полученному экспериментально из водонасыщенного магнезиального базальта при давлении 8 kbar (Grove et al., 2003).

Фракционирование богатой амфиболом минеральной ассоциации на последующих этапах эволюции магм привело к формированию близких к адакитам геохимических особенностей в дифференцированных разностях пород. Терхмин «адакит» определяет породы среднего или кислого состава с высокими

концентрациями (Sr >300 ppm, до 2000 ppm) резко обогащенные ЛРЗЭ (La/Yb> 9), с низкими концентрациями Y и ТРЗЭ (Y< 20 ppm, Yb < 2 ppm). Высокие отношения Sr/Y и La/Yb, свидетельствующие о плавлении метабазитового источника (субдуцируемых эклогитов), где гранат и/или амфибол присутствовали в качестве рестита, являются отличительными признаками адакитовых магм (например, Drummond, Defant, 1990; Martin, 2005). Такая модель впервые была предложена для объяснения происхождения магнезиальных андезитов вулкана Мофетт на острове Адак в Западном секторе Алеутской островной дуги (Kay, 1978). Предполагалось, что адакиты проявлены только на конвергентных окраинах, где субдуцируется молодая и еще горячая океаническая плита (Drummond et al., 1996; Kepezhinskas et al., 1997; Martin, 1999; 2005). Результаты более поздних исследований показывают, что породы с подобными геохимическими характеристиками встречаются в различных геодинамических обстановках (например, Gao et al., 2004; Castillo, 2006; Macpherson et al., 2006), а образование таких пород в результате направленного плавления субдуцируемой коры не является единственным объяснением их происхождения. Породы с относительно повышенным отношением Sr/Y могут происходить в результате коровой дифференциации магм с низким исходным отношением Sr/Y, которое характерно для типичных островодужных магм (например, Richards and Kerrich, 2007; Moyen, 2009).

Высокие, близкие к адакитам, отношения Sr/Y (до 71) и низкие содержания Y (<18 г/т) характерны для дифференцированных пород Шивелуча, что во многих работах интерпретируется как важное свидетельство участия продуктов плавления субдуцирующей океанической коры в происхождении магм (Yogodzinski et al., 2001; Churikova et al., 2001; Авдейко и др., 2011). Рассмотрение всей серии пород вулканического массива (рис.53 а, б) показывает, что составы пород располагаются в области, переходной между составами типичных островодужных магм (Sr/Y<40) и породами с адакитовой спецификой (Sr/Y>100, La/Yb>20, (Defant and Drummond, 1990)), например, таких как магнезиальные андезиты, драгированные на западном фланге Командорского блока (Yogodzinski et al., 1995) или андезиты о. Кука, Чили (Stern and Kilian, 1996).

Содержания Y, ТРЗЭ, отношения Sr/Y и La/Yb показывают зависимость от MgO и SiCb в породах Шивелуча. Величина отношения La/Yb изменяется от 3.9-4.1 в базальтах и андезибазальтах до 8.7-9.0 в андезитах. Отношение Sr/Y также

положительно коррелирует с SiC>2 (рис. 53 а и б) - максимальные отношения Sr/Y 80

(О

50 40 30 20 10 0

■ а> ♦ :

о 1 Адакиты^ ftn 1 1

И Старый Шивелуч i • Молодой Шивелуч i ♦ Современные извержения

10

15 Y (г/т)

20

25

30

40

35

30

25

"р

20

>-

15

10

5

0

в)

PI, Срх, Орх, 01 rw •

• ••<9УЩ л~т в1 .о

♦L • ¿pi ны

50 52

54

56 58 60 Si02 (мае. %)

62

2,5

2,0

р 1,5

1,0 0,5 0,0

Д)

• в* E

tar • □ □

□ •. . □

Yb .............................

......... 2

Si02 x-3

50 52 54 56 58 60 SiO, (мае. %)

62 64 66

56 58 60 SiC>2 (мае. %)

1100 1000 900 800 ■

j;

— 700

ь.

(/>

600 ■ 500 400 300

Орх, Срх, 01

► Р/

64 66

50 52

54

56 58 60 Si02 (мае. %)

62 64

66

56 58 60 Si02 (мае. %)

Рис. 53. Систематика содержаний SiCb, Sr, Y и Yb в породах вулканического массива Шивелуч (по Горбач, Портнягин, 2011, с дополнениями). Область адакитовых составов (Y<18 ppm, Sr/Y>40, Si02>56 мас.%) на рисунках (а) и (б) показана по данным (Defant, Drummond, 1990). Жирными стрелками на рисунках (в) и (г) показаны векторы направления изменения состава расплавов при кристаллизации различных фаз. На рис. (д) показаны тренды изменения Yb при кристаллизации базальтового расплава без амфибола (1) и с амфиболом в условиях нижней коры (2) и верхней и средней коры (3) по данным (Brophy, 2008). На рис. е стрелками показаны тренды изменения отношения Dy/Yb, отражающие присутствие граната в источнике и процессы фракционирования амфибола согласно (Davidson et al., 2007).

характерны для наиболее дифференцированных разностей, имеющих наиболее высокие содержания Sr и минимальные - Y. Как показано в разделе 5.2.1, высокие содержания Sr в дифференцированных породах можно объяснить неполным отделением вкрапленников плагиоклаза от расплава при фракционировании магм. Содержания Y в породах остаются на приблизительно постоянном уровне в интервале содержаний SiCb=53-59 мас.% и резко снижаются в более дифференцированных породах (рис. 53 в). Как показывает моделирование разнообразных сценариев частичного плавления пород коры и кристаллизации магм при различных глубинах (Brophy, 2008), такое поведение Y и Yb (рис. 53 в и д) при увеличении SiCb соответствует фракционированию магм с участием амфибола в верхне- и среднекоровых условиях. Амфибол имеет высокие >1 коэффициенты распределения минерал-расплав для иттрия и тяжелых РЗЭ (Brophy, 2008), поэтому его фракционирование приводит к дифференциации легких и тяжелых редкоземельных элементов. Совместный эффект кристаллизации амфибола и неполного отделения плагиоклаза из кристаллизующейся магмы способен объяснить монотонный рост Sr/Y в породах Шивелуча с увеличением SiC>2.

Присутствие граната в рестите является одним из основных критериев адакитовых магм (Defant and Drummond, 1990, Martin, 2005 и др.). Крутые отрицательные наклоны спектров средних и тяжелых РЗЭ указывают на присутствие соответственно амфибола и граната либо в кристаллическом остатке при плавлении источника, либо в кумуляте при фракционной кристаллизации расплава. Породы вулканического массива обнаруживают отрицательную корелляцию тяжелых РЗЭ и содержания кремнекислоты, что позволяет объяснить высокие отношения ЛРЗЭ/ТРЗЭ фракционированием богатой амфиболом минеральной ассоциации. Поскольку, фракционирование средних (Dy) и тяжелых (Yb) редких земель различно при удалении амфибола из расплава и присутствии граната в рестите, для адакитовых составов характерна сильная прямая корреляция Dy/Yb и SiCb (Davidson et al., 2007). В породах Шивелуча отношение Dy/Yb имеет слабую отрицательную корреляцию с SiCb (рис. 53 е ), что указывает на фракционирование богатой амфиболом минеральной ассоциации.

Таким образом, петрографические, минералогические и геохимические данные свидетельствуют о принципиальной роли многостадийного фракционирования амфибола на различных этапах эволюции магм вулканического массива. Ранняя кристаллизация амфибола, которая приводит к преимущественной кристаллизации водных базальтоидных магм в глубинных условиях, способна объяснить ограниченное

распространение на поверхности основных пород и резкое преобладание андезитов в пределах вулканического массива Шивелуч. Фракционирование богатой амфиболом минеральной ассоциации на более поздних этапах эволюции магм привело к формированию близких к адакитам геохимических особенностей в наиболее дифференцированных разностях пород.

5.2. 3. Роль смешения магм

Наряду с процессами кристаллизационной дифференциации исходных базальтовых магм процессы смешения комагматичных примитивных и дифференцированных магм широко распространены в формировании остоводужных андезитов (например, Anderson, 1976; Sakuyama, 1981). Предполагается, что именно процессы взаимодействия контрастных по составу магм могут приводить к катастрофическим высокоэксплозивным извержениям андезитовых вулканов (Sparks, 1977). Гибридное происхождение пород обычно устанавливается по присутствию неравновесных минеральных парагенезисов, сложной зональности фенокристаллов, обилию корродированных вкрапленников и меланократовых включений, антидромной последовательности извержений (Eichelberger, 1978, 1980; Фролова, Бурикова, 1997; Плечов и др., 2008). Прямым доказательством процессов смешения является одновременное извержение магм разного состава в виде гетеротакситовых лав (Волынец, 1979). На Камчатке признаки смешения различных по составу магм описаны для многих объектов. Это продукты извержения 1996 г. в кальдере Академии наук (Гриб, 1997), лавы вулканов Кизимен (Мелекесцев и др., 1992; Трусов, Плечов, 2005; Churikova et al., 2007), Дикий Гребень (Биндеман, 1993), Aar и Арик (Федоров, 1972), Ксудач (Volynets et al., 1999).

В работе (Волынец, 1979) впервые было указано на присутствие гетеротакситовых пемз в пирокластических отложениях Шивелуча. Признаки взаимодействия различных по составу расплавов были описаны для лав современных извержений вулкана (Humphreys et al., 2006; Dirksen et al., 2006; Gorbach, 2006). Находка потока гетеротакситовых лав и меланократовых включений, резкая и нередко обратная зональность минералов-вкрапленников и геохимические особенности пород Молодого Шивелуча свидетельствуют о том, что смешение магм было широко

распространенным явлением на протяжении всей голоценовой истории вулкана. Породы Молодого Шивелуча показывают следующие минералогические признаки гибридного происхождения: дискретные по составу группы ядер фенокристаллов плагиоклаза (от Апзг до Ап8з.78) и амфибола (АЬОз = 6-14 мас.%) и их резкая зональность; присутствие высокомагнезиального оливина во всех разностях пород и его реакционные взаимоотношения с пироксенами и роговой обманкой, обратная зональность пироксенов. Особенности текстур, зональности и статистического распределения состава фенокристаллов, которые свидетельсвуют о процессах взаимодействия контрастных по составу магм были подробно рассмотрены в разделе 3, а также в работе (Горбач, Портнягин, 2011).

О процессах смешения комагматичных, но в различной степени дифференцированных магм отчетливо свидетельствуют и тренды валового составов пород вулканического массива. Большинство пород Старого Шивелуча характеризуются более низкой магнезиальностью и концентрациями Сг, N5 и Са, и более высокими РеО* и ТЮг по сравнению с породами голоценового этапа развития вулканического массива (рис. 40 и 41). Точки составов пород Старого Шивелуча на графиках вариаций содержаний большинства главных и совместимых элементов формируют близкие к гиперболическим тренды, согласующиеся с трендами фракционирования ассоциации оливина и клинопироксена с последующим появлением плагиоклаза, Ре-П оксидов и роговай обманки на ликвидусе. Точки составов пород Молодого Шивелуча для большинства главных и совместимых элементов формируют линейные тренды относительно MgO или БЮг.

Наиболее отчетливо геохимический эффект смешения магм проявлен в содержаниях хрома и никеля - элементов, концентрации которых особенно контрастны в примитивных и дифференцированных породах. Как показано на графике вариаций содержания Сг в породах относительно БЮг (рис. 54), предсказанный тренд фракционной кристаллизации базальтового расплава с исходным содержанием Сг=700 г/т и 8102=51.5 мас.% имеет строго нелинейную гиперболическую форму и приводит к резкому обеднению расплавов Сг и N1 на ранних этапах кристаллизации. Вариации состава большинства пород Старого Шивелуча согласуются с модельными трендами фракционной кристаллизации и могут быть получены в результате 30-40% (андезибазальты) и 60-65% (андезиты) кристаллизации примитивного базальтового расплава (рис. 54). Составы лав и пирокластики Молодого Шивелуча отклоняются от тренда кристаллизации и формируют рассеянные линейные тренды,

свидетельствующие о происхождении этих магм в результате смешения примитивной

базальтовой магмы и в различной степени дифференцированных андезитов. К примеру, составы лав современного экструзивного купола могут быть получены в результате смешения дифференцированной магмы с 8102=65 мас.% и андезибазальта, тренда полученного в результате 35% кристаллизации примитивного расплава.

Старый Шивелуч

Начальная фаза деятельности

0 - андезиты (грубообломочные пирокластические отложения) У - выcoкo-Mg андезибазальтовые лавы Лавовый комплекс

.Н

и

и

800

700

600

500

400

300

200

100

0

^ - андезитовые лавы

| - высоко-А1 андезибазальтовые лавы и дайки Байдарного отрога Молодой Шивелуч ф - лавы и пирокластика

^ - экструзивные лавы современных извержений

* V .

50

- ° О о о 10?оо§88 8 8 8 8 в 8 в 6 в

66

56 58 60 8102 (мае. %) Рис.

54. Систематика содержаний 8Юг иСгв лавах и пирокластических породах Молодого Шивелуча. По (Горбач, Портнягин, 2011), с дополнениями. Тонкими линиями с кружками показаны модельные тренды фракционной кристаллизации (РС) базальтового расплава с исходным содержанием Сг=700 г/т и 8102=51.5 мас.% при различных значениях валового коэффициента распределения фСг) между минералами и расплавом. Для расчета использована зависимость между содержанием 8Юг и степенью кристаллизации по данным (ВгорЬу, 2008). Жирными стрелками показаны возможные тренды смешения дифференцированной магмы с 8Юг=65 мас.%, примитивного базальта и андезибазальта, полученного в результате 35% кристаллизации примитивного расплава. Пунктирная стрелка показывает тренд смешения дифференцированного андезита и среднего состава высокоглиноземистого базальта умеренно-калиевой серии Восточного вулканического фронта (Геохимическая типизация.., 1990).

Таким образом, многочисленные петрографические, минералогические свидетельства и данные геохимического моделирования позволяют объяснить высокую магнезиальность, повышенные содержания хрома и никеля в андезитах Молодого Шивелуча процессами смешения комагматичных, но в различной степени дифференцированных магм. Среди пород Старого Шивелуча роль гибридных процессов можно предполагать только для андезибазальтовых лав, изверженных в конце начальной фазы деятельности (рис. 54).

Однако, несмотря на то, что процессы смешения магм описаны для многих вулканов Камчатки, магнезиальные андезиты характерны только для вулкана Шивелуч. В качестве возможного объяснения этого факта в работе (Горбач, Портнягин, 2011) предполагаются различия в составе наиболее примитивных магм между вулканами Центрально-Камчатской депрессии и Восточного вулканического пояса Камчатки. Для вулканов Центрально-Камчатской депрессии, примитивные базальты и андезибазальты, достигающие поверхности, характеризуются высокими значениями Mg# >0.65, Ni >100 г/т, Сг >500 г/т, близкими к составу вероятных мантийных магм (например, Portnyagin et al., 2007). Наиболее примитивные породы Восточного Вулканического пояса имеют дифференцированный высокоглиноземистый состав (Mg# < 0.6, Ni < 50 г/т, Сг < 150 г/т) (Геохимическая типизация .., 1990), и их смешение с кислыми магмами не может образовать расплавы, сопоставимые по составу с магнезиальными андезитами вулкана Шивелуч.

5.2.5 Роль ассимиляции пород фундамента

Признаком ассимиляции пород континентальной коры в процессе дифференциации магм является корреляция между содержанием Si02, отношениями изотопов стронция и отношениями сильно несовместимых элементов, которые не фракционируют при кристаллизационной дифференциации основных и средних магм. Как показано на рис. 52, ряд отношений несовместимых элементов значимо коррелируют с содержанием Si02 в породах Шивелуча, что указывает на вероятность ассимиляции пород фундамента. В качестве вероятного ассимилянта рассмотрены метаморфические породы Хавывенской возвышенности на западе п-ва Озерной. Как показано в ряде работ по геолого-структурным и геофизическим данным, Хавывенское погребенное поднятие, состав пород которого ассоциируется с породами одноименной

Таблица 3. Состав метаморфических пород Хавывеиской серии

N п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9

N образца 1185/4 1186/1 1186/4 1179 1187/3 1188/3 1196 1200 Ну-85/1

БЮ2 65,55 64,01 66,31 47,93 51,98 47,62 47,44 48,51 50,74

ТЮ2 0,53 0,6 0,52 2 1,24 1,41 2,36 1,79 0,72

АЬ203 15,39 14,9 15,05 13,76 16,2 15,34 13,83 14,16 17,56

Ре2Оэ 4,61 4,65 2,24 7,18 6,2 6,28 6,44 5,77 6,21

РеО 1,07 1,53 2,14 5,45 6,12 7,37 6,94 6,35 3,84

МпО 0,08 0,12 0,05 0,28 0,19 0,23 0,18 0,23 0,17

МцО 0,95 1,83 0,92 6,72 4,82 6,74 7,15 8,15 8,31

СаО 1,13 1,69 0,8 9,06 5,83 7,53 9,32 8,5 4,9

N3 5,83 4,75 4,63 3,03 5,28 5,55 1,95 2,98 4,65

к2о 3,64 4,18 5,07 0,79 0,29 0,16 0,29 0,31 1

р2о5 н.о 0,15 0,2 0,26 0,16 0,2 0,39 0,3 0,27

Г1.П.П. 1,43 1,20 2,08 2,56 1,57 1,76 2,85 2,65 1

Сумма 100,02 99,61 100,01 99,02 99,88 100,19 99,14 99,70 99,37

V 41,00 47,47 29,32 424,19 307,09 396,09 327,96 272,33 230,55

Сг 5,32 3,30 6,35 105,45 4,53 8,17 97,16 77,16 130,80

N1 6,00 8,00 8,00 70,00 25,00 26,00 80,00 57,00 48,00

Со 8,46 8,48 6,49 31,18 19,36 26,56 22,09 25,55 17,70

Си 20,11 36,72 39,03 38,99 26,35 34,92 15,86 64,67 110,76

Хп 57,11 70,87 45,12 106,67 87,61 69,98 80,57 52,62 71,49

Ся 18,02 17,37 17,29 19,06 18,20 15,01 13,29 14,99 14,83

ЯЬ 78,00 85,18 74,52 13,40 2,65 2,05 4,36 11,22 14,51

Бг 106,01 132,71 46,66 169,03 235,00 215,17 184,29 363,84 270,78

У 40,45 36,26 29,13 46,89 25,02 19,21 54,46 18,24 24,73

Ъх 272,99 292,90 299,21 133,64 74,30 50,42 170,06 56,83 142,36

Nb 5,93 5,70 5,52 3,20 0,90 0,79 3,76 0,82 1,25

8п 1,37 2,17 2,57 1,24 0,66 0,42 1,01 <0,30 0,99

Ва 1117,65 1223,33 1284,60 174,72 25,71 13,21 34,33 227,39 428,45

Ьа 28,90 27,92 26,78 4,06 3,80 2,68 4,79 4,92 14,10

Се 62,76 65,74 62,66 12,16 11,19 7,62 15,24 12,25 34,60

Рг 8,22 8,05 7,53 2,19 1,79 1,33 2,59 1,68 4,78

Nd 33,87 34,78 30,41 13,33 10,92 7,40 16,49 7,54 22,65

8т 7,07 7,10 6,24 4,46 3,55 2,45 5,60 2,52 5,67

Ей 1,20 1,21 1,08 1,38 1,10 0,80 1,84 0,74 1,36

Сс1 6,48 6,24 5,20 5,55 3,26 2,77 7,37 2,55 5,46

ТЬ 0,97 0,94 0,76 1,16 0,61 0,44 1,26 0,41 0,62

Оу 6,15 5,77 4,87 6,84 3,55 3,65 9,86 2,51 4,08

Но 1,21 1,20 1,00 1,65 0,81 0,60 1,98 0,51 0,80

Ег 3,75 3,34 3,10 4,49 2,29 1,59 6,01 1,67 2,25

Тш 0,53 0,53 0,54 0,70 0,39 0,27 0,79 0,22 0,34

УЬ 3,99 3,55 3,70 4,71 1,93 1,84 5,62 1,95 2,36

Ьи 0,73 0,64 0,61 0,64 0,35 0,26 0,69 0,21 0,35

Ш 6,94 6,70 7,06 3,39 1,98 1,27 4,14 1,42 3,64

Та 0,24 0,27 0,31 0,09 0,01 0,01 0,11 0,01 0,03

РЬ 9,96 20,97 9,32 2,01 2,71 2,16 1,49 5,02 5,69

ТЬ 12,75 12,82 13,00 0,20 0,34 0,20 0,25 1,14 2,59

и 3,52 3,59 3,61 0,64 0,07 0,01 0,03 0,89 0,79

ТЬ/Ьа 0,44 0,46 0,49 0,05 0,09 0,07 0,05 0,23 0,18

87/865г 0,70556 0,70862 0,70764 0,70445 0,7048 0,70716 0,70457 0,70815 0,70704

Ы3/144[Ч(1 0,513002 0,512993 0,512910 0,513243 н.о. 0,513162 0,513241 0,512972 0,513111

Примечание. Данные приведены согласно работе (Тарарин и др., 2007). Образцы 1-3 характеризуют нижнюю толщу, 4-9 отвечают верхней толще Хавывенской серии.

возвышенности, входит в состав фундамента Центрально-Камчатской депрессии и фиксируется под западным сектором Шивелуча (например, Иванов и др., 2001; Авдейко и др., 2001). В работах (Тарарин и др., 2007; 2010) были описаны кристаллические сланцы верхней и нижней толщи Хавывенской серии, породы которых могли быть ассимилированы магмами Шивелуча. Состав метаморфических пород Хавывенской серии по (Тарарин и др., 2007; 2010) приведен в таблице 3. Анализ возможного влияния ассимиляции на изотопный состав Бг и N<1 и отношения ТЬ/Ьа в породах показан на рис. 50 и 51.

87

Рис.55. Систематика в'8г/°°8г и отношения ТЬ/Ьа в породах вулканического массива. Состав пород нижней толщи Хавывенской серии приведен по данным (Тарарин и др., 2007): (878г/868г= 0,70727; 143Ш/144Ш=0,512968, среднее из трех образцов).

Как видно из приведенных данных, породы верхней толщи Хавывенской серии, гидротермально-измененные базальты типа М(ЖВ (Тарарин и др., 2007) имеют высокие отношения 143Кс1/144Кс1 и не могут рассматриваться в качестве ассимилянта (Рис. 50а). Тренд ассимиляции пород нижней части Хавывенской серии, амфибол-слюдистых кристаллических сланцев, может объяснять вариации изотопного состава 8г и Ыс1 в породах Шивелуча, однако в этих изотопных координатах тренд ассимиляции трудно отличить от тренда смешения с высоко-К мантийными базальтами.

Возможность разделить влияние смешения с мантийными высоко-К расплавами и ассимиляцию пород нижней толщи Хавывенской серии возникает при анализе систематики отношении 878г/868г и ТЬ/Ьа (Рис. 55). Точки составов пород

вулканического массива располагаются между трендами смешения с высоко-К базальтами и ассимиляции, что подразумевает вероятное влияние обоих процессов на состав магм. Согласно этой модели количество ассимилированного материала составляет от 0 до 5%.

Голоценовые экструзивные лавы г. Каран выделяются аномальными содержаниями литофильных элементов (Pb, Sr, Da, Th и U) среди всех пород вулканического массива (рис. 43 и 45), что может указывать на вклад коровой компоненты экзотического состава в их образование. Внедрение экструзии происходило за пределами основных хорошо проработанных каналов, что, вероятно, способствовало процессам ассимиляции пород фундамента. Северные склоны экструзии г. Каран находятся в непосредственном контакте с блоком неогеновых осадочных пород, который впервые был описан (Лопатин и др., 1979). Осадочные породы несут следы термального воздействия экструзивных лав, в экзоконтактовой зоне экструзии г. Каран присутствует большое количество дезинтегрированных ксенолитов осадочных пород. Детальное изучение этих пород позволило диагностировать их как алевритистый мергель со следующим составом Si02= 12.68, ТЮ2=0.23 А1203=3.93 Mg0=0.95 СаО=34. 21, Na20=0.89, К20=0.57, Р205 = 0.2, 002=26.87 (мас.%), Се=33, Rb=17, Ва=45877, Sr=399, Th=13 (г/т). Аномальное обогащение литофильными микроэлементами экструзивных и дайковых лав г. Каран может объясняться ассимиляцией около 2 % мергелистых пород (рассчитано по отношению Th/Ce).

5.3. Условия кристаллизации магм

Определение физико-химических условий кристаллизации амфиболсодержащих пород представляет известную трудность (обзор в работах Альмеев и др., 2002; Ridolfï et al., 2008). Наиболее используемыми в настоящее время являются термобарометры QUILF (Andersen et al. 1993), термометры на основе равновесия титаномагнетит-ильменит (Andersen and Lindsley, 1988), амфибол-плагиоклаз (Holland and Blundy, 1994). Как показано в работе (Blundy and Cashman, 2008), ошибка определения температуры при применении данных термометров может достигать 300° С в сравнении с экспериментальными фазами. Термобарометрические модели, основанные

на равновесии между безводными минералами и ликвидусными фазами (например, Putirka 2003, 2005) показывают надежные результаты в определении температуры, однако крайне не точны в оценке давления (стандартная ошибка = 160-170 МРа, т.е., 6 км, Putirka, 2008). Эмпирические барометры, основанные на содержании суммарного алюминия в амфиболе, калиброваны для известково-щелочных гранитоидов и риолитовых пород (Johnson and Rutherford 1989; Schmidt 1992; Anderson and Smith, 1995) и часто используются для определения давления перед извержением магм кислого и среднего состава. В работе (Ridolfi et al., 2008) показано, что в большинстве случаев расчеты давления сильно завышены в сравнении с экспериментальными данными (средняя ошибка 280 МРа). Кроме того, все геотермобаромерты, которые калиброваны по двум или нескольким фазам, сложно применить к породам гибридного происхождения (Devine et al. 1998,2003; Ridolfi et al. 2008).

Для оценки условий кристаллизации магм вулканического массива был использован эмпирический термобарометр и гигрометр (Ridolfi et al., 2010), позволяющий оценить давление, температуру, фугитивность кислорода и содержание ГЬО при кристаллизации амфиболсодежащих известково-щелочных пород, в том числе и гибридного происхождения. Термобарометрические уравнения (Ridolfi et al., 2010) основаны на независимом использовании компонентов состава кальциевых амфиболов (Si*, А1г, Mg*, (6)А1*). Si-чувствительный термометр и уравнение для оценки летучести кислорода имеют погрешность ±22 С0 и 0.4 log ед, соответственно. Ошибка определения давления составляет 11% у кривой стабильности амфибола, но для низкотемпературных магм с высокой степенью кристалличности увеличивается до 24% и составляет 90 МРа. Погрешность оценки содержания воды в магмах при кристаллизации магнезиальных роговых обманок составляет 0,4 мас.%, для амфиболов гастингситового и паргаситового ряда увеличивается до 15 мас.%. Представительные результаты расчетов по эмпирическим уравнениям (Ridolfi et al. 2010) для амфиболов различных петрографических и возрастных групп пород Шивелуча приведены в таблице 2.

На рис. 56 в координатах Т, Р, Юг. показаны условия кристаллизации амфиболов различных петрографических типов вулканического массива. Рассчитанные составы близки к кривой стабильности амфибола и показывают соответствие с эмпирическими параметрами устойчивости различных минеральных фаз, сосуществующих с амфиболом (рис. 56 а) и наблюдаемыми минеральными ассоциациями в породах

Таблица. 3. Физико-химические параметры кристаллизации амфиболсодержащих пород вулканического массива ___i_

№ Тип породы Амфибол T(°C) P (MPa) H, (km) ANNO logfO: н2о (мас.%)

Молодой Шнвслуч

7500-47С НЫ-Р1 Tsch-Prg 906.3 221.8 24.4 8.4 1.05 -10.71 5.3

7500-51 НЫ-Р1 Mg-Hbl 860.5 141.2 15.5 5.3 1.58 -11.05 4.5

7500-56 11Ы-Р1 Mg-Hbl 839.1 125.7 13.8 4.7 1.90 -11.15 4.6

7491-75 Ol-Px-Pl-Hbl Mg-IIst 964.8 366.5 40.3 13.8 1.52 -9.22 5.7

7491-80 Ol-Px-Pl-Ilbl Tsch-Prg 921.5 260.3 28.6 9.8 1.08 -10.41 5.5

7491-81 Ol-Px-Pl-Hbl Mg-Hst 988.6 478.6 52.6 18.1 1.22 -9.11 6.2

7522-96с НЫ-Р1 Mg-Hbl 872.7 178.8 19.7 6.8 2.01 -10.37 5.2

7522-99с НЫ-Р1 Mg-Hst 987.9 424.3 46.7 16.0 1.34 -9.02 6.0

7522-101 Hbl-Pl Mg-Hst 979.5 502.4 55.3 19.0 0.73 -9.72 7.5

7522-106г НЫ-Р1 Mg-Hbl 835.8 117.9 13.0 4.5 2.07 -11.05 4.4

7522-108 Hbl-Pl Mg-Hbl 854.7 145.1 16.0 5.5 1.82 -10.92 4.9

7522-109 Hbl-Pl Mg-Hbl 872.6 136.7 15.0 5.2 1.76 -10.64 4.3

7522-115г Hbl-Pl Mg-Hbl 838.8 109.3 12.0 4.1 1.93 -11.13 4.2

7522-116 Hbl-Pl Tsch-Prg 893.5 192.0 21.1 7.3 1.23 -10.77 4.8

7515-122а Hbl-Pl Tsch-Prg 895.2 195.4 21.5 7.4 1.29 -10.68 4.9

7515-122Ь Hbl-Pl Mg-Hbl 851.4 134.5 14.8 5.1 1.82 -10.99 4.4

7515-123с Hbl-Pl Mg-Hbl 866.0 162.3 17.9 6.1 1.65 -10.87 4.9

7515-126с Hbl-Pl Mg-Hst 964.5 470.9 51.8 17.8 0.80 -9.90 7.6

7515-127с Hbl-Pl Mg-Hst 1 003.2 490.6 54.0 18.5 1.26 -8.85 6.7

75161- 01-Hbl±Pl Mg-Hst 970.8 468.2 51.5 17.7 0.72 -9.89 7.3

75161- Ol-HbliPl Mg-Hst 1 000.7 813.8 203. 30.7 0.05 -9.97 9.5

7516 1-153 01-Hbl±Pl Mg-Hst 963.6 497.7 54.8 18.8 0.75 -9.95 8.2

7516 1-156 01-Hbl±Pl Mg-Hst 975.2 459.5 50.5 17.4 0.93 -9.61 7.3

75161- 01-НЫ±Р1 Mg-Hst 981.6 409.4 45.0 15.5 1.45 -9.01 5.7

75161- 01-Hbl±Pl Mg-Hst 973.8 426.3 46.9 16.1 1.42 -9.16 6.7

Старый Шнвелуч

7500 5-2 Ol-Cpx-Hbl Mg-Hst 997.8 499.6 55.0 18.9 1.08 -9.11 6.6

7500 5-3 Ol-Cpx-Hbl Mg-Hst 1 000.8 558.1 61.4 21.1 1.03 -9.09 7.1

7500 5-5 Ol-Cpx-Hbl Mg-Hst 1 001.9 504.2 55.5 19.0 1.18 -8.94 6.7

7500 5-17 Ol-Cpx-Hbl Mg-Hst 993.1 532.1 58.5 20.1 0.84 -9.40 7.0

7500 5-18 Ol-Cpx-Hbl Mg-Hst 1 002.0 554.1 61.0 20.9 0.99 -9.10 7.0

7541 2-19с Hbl-Pl Mg-Hst 985.7 486.8 53.5 18.4 1.04 -9.33 7.0

7541 2-19Z Hbl-Pl Mg-Hst 976.6 422.8 46.5 16.0 1.38 -9.16 6.5

7541 2-19г Hbl-Pl Tsch-Prg 891.9 201.3 22.1 7.6 1.29 -10.73 5.4

7541 2-21с Hbl-Pl Mg-11st 963.8 407.4 44.8 15.4 1.01 -9.73 6.6

7541 2-21 г Hbl-Pl Mg-Hbl 879.1 191.5 21.1 7.2 1.48 -10.78 5.5

7541 2-25с Hbl-Pl Tsch-Prg 974.0 475.4 52.3 18.0 1.49 -9.07 6.7

7541 2-25г Hbl-Pl Mg-Hbl 886.0 194.8 21.4 7.4 1.27 -10.86 5.3

7525 2-64 Px- Hbl-Pl Mg-Hst 968.5 389.5 42.8 14.7 1.29 -9.38 6.5

7525 2-65 Px- Hbl-Pl Mg-Hst 981.5 431.4 47.5 16.3 1.35 -9.10 6.4

7525 2-66 Px- Hbl-Pl Mg-1-Ist 993.3 458.7 50.5 17.3 1.16 -9.10 6.6

7525 2-67 Px-Ilbl-Pl Mg-Hst 997.8 473.2 52.1 17.9 1.21 -8.98 6.7

7525 2-68 Px- Hbl-Pl Mg-Hst 993.7 430.4 47.3 16.3 1.29 -8.98 6.1

вулканического массива. Это является хорошим критерием достоверности полученных данных. В соответствии с вариациями состава амфиболов Шивелуча, среди которых присутствуют магнезиальная роговая обманка, магнезиогастингсит и паргаситовая роговая обманка, Р-Т интервал кристаллизации также достаточно широкий.

На рис. 53 а показано, что оливинсодержащие породы вулканического массива (в которых развит паргаситовый амфибол) группируются в высокобарной и высокотемпературной области (470± 46 МРа, температурах 957-1000 °С, летучести кислорода log ГО2= 9.01-10.08±0.4 и содержании воды до 7 мас.%). Составы амфиболов дифференцированных андезитов формируют протяженный тренд от высокобарной области до области низких давлений и температур (Т= 872-818±22 °С, Р=178-93±15 МРа, log Ю2= 10.37-11.79±0.4, Н20 = 3.9-5.2±0.4 мас.%). Такой тренд находится в соответствии с петрографическими наблюдениями, согласно которым в ядрах магнезиальных роговых обманок наиболее дифференцированных экструзивных лав присутствуют высоко-А1 амфиболы. В ядрах некоторых магнезиальных роговых обманок из современных экструзивных лав обр. 7522 отмечены реликты амфиболов паргаситового ряда. Условия кристаллизации этих реликтовых фаз следующие: Т=925-987±°С; Р=383-519±50 МРа; ANNO-O.7-1.4; Н206.0-7.6 ±0.4 мас.%.

Расчетные данные обнаруживают хорошую сходимость с результатами, полученными при использовании других методов. Например, температуры кристаллизации магнезиальных роговых обманок из образца 7522 (Табл. 3) согласно амфибол-плагиоклазовому термометру (Holland, Blundy, 1990) составляют 837-892 °С. Эмпирический геобарометр (Anderson, Smith, 1995) показывает более высокое давление при кристаллизации высокоглиноземистого (А1тог=2-2.6 ф.ед) амфибола Ol-Hbl и 01-Рх±НЫ андезитов Молодого Шивелуча (~7-9 kbar). Летучесть кислорода, рассчитанная по оливин-хромшпинелевому парагенезису (Ballhaus et al, 1991) для оливинсодержащих пород вулканического массива, на 2.1±0.38 лог.ед. превышает буфер QFM. Для Ol-Px-Pl андезибазальтов и 01-Рх±НЫ андезитов величина fCb несколько ниже и составляет +1.8±0.15 и +1.7 ±0.27 QFM, соответственно. Температуры андезибазапьтовых лав перед извержением не превышали 1100° С согласно графическому двупироксеновому геотермометру (Lindsley, 1983). Высокое содержание Н2О в оливинсодержащих разностях пород (до 7 мас.%) находится в соответствии с эмпирическими и экспериментальными данными, согласно которым

700

800

200 Н 400 600 -800 -1000-

Т(°С)

900 1000 1100

0.4 км Щ-НЫ+Р1

+Орх+Мг

ч 1.5 км +11т+В1

Ко Рг%+Р1+Срх +Орх±М1+Лт

7.3 км

(а)

Т5с-Рг%+Р1+О!+Срх +Орх+М1+Пш

3.3 км

700

800

900 Т(°С)

1000

1100

1100 1000 ^ 900

и

о

800700600

а все амфиболы ♦ амфиболы оливинсодержащих разностей пород

(С)

6 8 НгО (мас.%)

—I— 10

12

Рис. 56 Р-Т (а), 1о£Ю2-Т (б) и Т-НгОрасплав (с) диаграммы для амфиболов вулканического массива Шивелуч по (ШёоШ е1; а1., 2009). На диаграмме (а) зелеными изолиниями показаны Р-Т пределы устойчивости равновесия магнезиальной роговой обманки (1У^-НЫ) и паргаситового амфибола (Тэс-Рг§) с различными минеральными фазами (оливин (01), клинопироксен (Срх), ортопироксен (Орх), плагиоклаз (Р1), биотит (В1:), магнетит (М1), ильменит (11т)). Красная пунктирная кривая на диаграмме (а) разделяет области с различной степенью кристалличности (35-50 мае. % при более низких температурах и 12-35 мае. % - при более высоких). На диаграммах (а) и (с) показаны также максимальный (пунктирная линия) и минимальный (точечная линия) пределы стабильности амфибола.

условием стабильности амфибола в базальтовых и андезибазальтовых магмах является содержание воды не менее 5-6 мас.% (Sisson, Grove, 1993; Moore, Carmichael, 1998; Pichavant et al, 2002; Barclay; Carmichael, 2004).

Наибольшую сходимость полученные расчетные данные показывают с результатами изучения расплавных включений в роговообманковых андезитах современных извержений (Наумов и др., 1997; Толстых и др., 1998; Толстых и др., 2003; Humphreys et al., 2006). К примеру, для магнезиальных роговых обманок из лав современных извержений (обр. 7522, экструзивная лава, изверженная в 2007 г.) по эмпирическим уравнениям (Ridolfi et al., 2010) получены следующие данные: температура кристаллизации составляет 872-818±22 °С, давление 178-93±15 МРа, летучесть кислорода на 1.5-2.2 порядка выше буфера NNO, log ГО2= 10.37-11.79±0.4 log ед., содержание Н20 в магме оценивается в 3.9-5.2±0.4 мас.%. По результатам изучения расплавных включений в андезитах извержения 2001 г. (Humphreys et al., 2006) получены близкие значения: Т=~840°С; РМВх=160 МРа; ANNO-1.5-2.1; Н2Омах=5.1 мас.%.

В работе (Ridolfi et al., 2010) в качестве тестирования расчетных условий кристаллизации амфиболов как показателя позиций областей накопления магмы под андезитовыми вулканами было проведено сравнение с коровой сейсмичностью хорошо изученных андезитовых вулканов Сент-Хеленс (США), Суфриер Хиллз (Западная Индия), Эль Ревентадор (Эквадор) и Редобт (Аляска). Такое сравнение показало хорошую сходимость глубинного положения асейсмичных областей под перечисленными вулканами с максимумами кристаллизации амфиболов и литературными данными по другим термобарометрическим методам. Представляется, что подобное сравнение независимых петрологических и геофизических параметров может быть использовано для определения областей накопления и кристаллизации магмы в питающих магматических системах андезитовых вулканов. С этой целью было проведено статистическое сравнение полученных расчетных данных по барометрии голоценовых и современных лав вулканического массива с распределением коровой сейсмичности по данным каталога вулканических землетрясений КФ ГС РАН за 20002009 гг. (рис. 57). При статистической обработке данных каталога были использованы землетрясения с классом более 5. Результаты статистической обработки показаны на рисунке 57 а. Следует отметить, что количество землетрясений, приведенное на диаграмме 54 а, различно для отдельных глубинных срезов. К примеру, на глубинах от 0 до 5 км количество землетрясений составляет более 5000, а на глубинах от 5 до 10 км

- около 500. На гистограммах распределения количества землетрясений четко выделяется четыре асейсмичные области, соответствующие глубинам 1-2, 3-5, 6-10 и 12-18 км. На рис. 57 б показано распределение полученных расчетных данных по литостатическому давлению при кристаллизации пород Молодого Шивелуча, а для корректности сравнения параметров сейсмичности отдельно выделены барометрические данные для пород современных извержений, соответствующих во времени показанной сейсмичности. Хорошо выделяется два максимума, которые отвечают глубинам 4-5 км и 12-18 км. С учетом погрешностей при расчете давления кристаллизации, а также с учетом того, что лавы Молодого Шивелуча поступают на поверхность на гипсометрических отметках, превышающих 1500 м, а для гипоцентров вулканических землетрясений отсчет ведется от нулевой отметки земной поверхности, можно констатировать удовлетворительную сходимость полученных глубин кристаллизации и позиции двух асейсмичных зон (рис. 57).

Молодой Шивелуч

Оарый Шивелуч

0 6

0 2

4

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

В)

Рис. 57 Статистическое сравнение коровой сейсмичности под вулканом и барометрических данных, а - распределение гипоцентров вулканических землетрясений за период 2000-2009 гг; б - распределение расчетных данных по литостатическому давлению при кристаллизации амфиболов Молодого Шивелуча, зеленым выделены породы современных извержений; в - распределение расчетных данных по литостатическому давлению при кристаллизации амфиболов Старого Шивелуча. Барометрические данные были пересчитаны с учетом плотности континентальной коры 2,7 г/см3. Серым цветом выделены близкие области.

Таким образом, сопоставление независимых петрологических и геофизических параметров позволяет сделать вывод о возможном существовании двух областей накопления и кристаллизации магм под вулканом, которые отвечают близповерхностной магматической камере (3-5 км) и промежуточному коровому очагу (12-18 км). Выделение же еще 2 зон с минимумом вулканических землетрясений на

глубинах 6-10 и 1-2 км, вероятно, требует дополнительного рассмотрения и обсуждения.

На рисунке 57 в показаны также гистограммы распределения глубинных условий кристаллизации амфиболов пород Старого Шивелуча. Эти данные имеют отчетливую бимодальность с двумя максимумами, которые на 1-2 км смещены по глубине относительно аналогичных данных для голоценовых и современных пород и отвечают глубинам 6-8 и 15-19 км.

5.4. Предполагаемая модель строения и эволюции питающей магматической системы вулканического массива

Длительная и сложная история развития вулканического массива Шивелуч, данные по составу минералов и геохимии пород, геологические свидетельства одновременного извержения различных по составу магм предполагают наличие сложно построенной питающей системы. Петрографические и минералогические особенности пород вулканического массива отражают различные стадии многостадийной кристаллизационной дифференциации и смешения магм. Характер вариаций петрогенных оксидов и элементов-примесей в породах Молодого Шивелуча свидетельствует о том, что в смешении участвуют магмы различной степени дифференциации. Полевые наблюдения подтверждают это предположение - потоки гетеротакситовых лав, обнаруженные в пределах голоценового лавового комплекса зафиксировали стадию неполного смешения 01-Срх-Р1 андезибазальта и НЫ-Р1 андезита. Эти магмы поступали на поверхность одновременно и, следовательно, одновременно сосуществовали в питающей системе вулкана. Для объяснения этого факта питающая магматическая система под Шивелучем должна иметь вертикальную зональность по составу и температуре и может быть представлена либо одним крупным расслоенным очагом, либо камерами на разных уровнях глубинности, выполненными магмами разной степени дифференциации. Этот вывод согласуется с результатами ряда исследований, указывающих на то, что питающие системы крупных долгоживущих андезитовых вулканов имеют сложное строение и могут быть представлены несколькими коровыми очагами или системами даек/силлов, рассеянных на различных уровнях коры и верхней мантии (Иванов, 1990, 2008; Myers et al., 2002, Price et al.,

1997; Gamble et al., 1999; Price et al.s 2012). К примеру, такая модель, основанная на сейсмических и геохимических данных, разработана для магматической системы вулкана Маунт Спурр на Аляске (Power et al., 2002). Согласно этой модели, магматическая система под андезитовым вулканом представляет сложную систему небольших тел, находящихся временами в состоянии конвективного течения. Движение магмы в такой системе часто приводит к смешению контрастных по составу магм из разных очагов.

(V) (И) (III) (IV) (I)

МАНТИЯ

Иодонасишсмиая оысоко-Mg островодулпая базальтовая магма

Рис. 58 Схематическая диаграмма, показывающая пять различных механизмов дифференциации первичных мантийных водонасыщенных высокомагнезиальных магм, которые могут проивести к образованию средних и кислых пород согласно (Brohhy, 2008).

Б.В. Иванов (2008) на основе комплекса геолого-геофизических данных предложил модель глубинного строения андезитовых вулканов на примере вулканов Восточного Вулканического Фронта Камчатки. Питающая система андезитовых вулканов может включать периферические очаги на глубине 2-5 км, глубинные коровые камеры (10-20 км), промежуточные очаги в «переходном» слое мантия-кора (20-40 км) и первичные очаги в верхней мантии на глубинах 50-70 км (Иванов, 2008). «Многоэтажность» системы питания андезитовых вулканов приводит к задержке движения магмы к поверхности, осложняет процессы кристаллизационной

дифференциации и способствует процессам взаимодействия магмы с веществом коры (Иванов, 2008).

В работе Дж. Брофи (Brohhy, 2008) суммированы существующие на сегодняшний день представления о механизмах дифференциации первичных водонасыщенных высокомагнезиальных мантийных магм, которые приводят к образованию средних и кислых дифференцированных пород (рис. 58). Три из них предполагает многостадийную кристаллизационную дифференциацию мантийных магм на различных уровнях земной коры с участием амфибола (I и II) и в его отсутствии (III). Механизмы IV и V более сложные и предполагают как раннее фрационирование оливина, клинопироксена и амфибола в условиях нижней коры так и последующее частичное плавление продуктов ранних этапов дифференциации под воздействием новых порций мантийных магм.

Комплекс полученных геологических, минералогических и геохимических данных и различные схемы дифференциации мантийных водонасыщенных базальтовых магм согласно работе (Brophy, 2008) были использованы для построения модели строения и эволюции питающей системы вулканического массива на различных этапах его развития. Эти схематические модели представлены на рисунке 59. Глубинная позиция предполагаемых магматических камер ограничена в соответствии со статистическими максимумами распределения барометрических оценок при кристаллизации амфиболов и данными геохимического моделирования (Gorbach et al., 2013). Кристаллизующиеся минеральные ассоциации приведены в соответствии с последовательностью выделения минеральных фаз, описанной в разделе 3.3. Выделение зон кумулятивных образований предполагается на основе схем коровой дифференциации мантийных магм в присутствии амфибола (Brophy, 2008) и потверждается обилием гомеогенных включений амфиболовых габброидов и габбро-диоритов в лавах вулкана.

Предположительно, начало формирования питающей магматической системы Старого Шивелуча (рис. 59 а) было связано с внедрением в нижние горизонты коры высоко-Mg водосодержащих мантийных магм и формированием промежуточного корового очага на границе нижней и верхней коры на глубине около 20 км. Фракционирование оливина и клинопироксена и ранняя кристаллизация амфибола в условиях промежуточного очага приводила к формированию кумулятивных амфиболовых габброидов и значительных объемов дифференцированных магм. Поступление в верхние горизонты коры продуктов неполной кристаллизации этих магм

привело к образованию крупной близповерхноетной камеры (или камер) и экструзивно-эксплозивной активности начальной фазы деятельности вулканического массива. Заключительный этап начальной фазы деятельности Старого Шивелуча, связанный с небольшими по объему излияниями оливин-клинопироксен-плагиоклазовых базальтов, возможно, был обусловлен более интенсивным импульсом внедрения мантийных магм и пополнением промежуточного нижнекорового очага.

Старый Шивелуч (а)

Н, м 3000 -------------

ЕаиЬарный отрог

2000----

Молодой Шивелуч (б)

Растущий жструшвный купа!

Экструзии группы Каран .

Эруптивный центр 7600 ,4С

НЫ 1 аббро///й/ кучуляты

Фракционирование 01+СгЗр+Срх Ультрамафические кумуляты

30

Мангия

Фракционирование 01+Сг5р+Срх У.н>три.чафические куму:1нты

Высоко-М§ базальтовая

Высоко-Мй базальтовая

Рис. 59. Схема строения и эволюции питающей системы вулканического массива на позднеплейстоценовом (а) и голоценовом (б) этапах развития. Глубинная позиция предполагаемых магматических камер ограничена в соответствии со статистическими максимумами распределения барометрических оценок при кристаллизации амфиболов и данными геохимического моделирования (ОогЬасЬ еХ а1., 2013). Кристаллизующиеся минеральные ассоциации приведены в соответствии с последовательностью выделения минеральных фаз, описанной в разделе 3. Выделение зон кумулятивных образований предполагается на основе схем коровой дифференциации водонасыщенных мантийных магм в присутствии амфибола (ВгорЬу, 2008) и подтверждается обилием гомеогенных включений амфиболовых габброидов и габбро-диоритов в лавах вулкана. Предполагаемая мощность земной коры указана по (Балеста, 1981).

Последующее изменение характера эруптивной активности Старого Шивелуча - от эксплозивно-экструзивного к обильным излияниям лав, также могло быть следствием усиления притока магм в нижнекоровый очаг. Завершающие этапы деятельности Старого Шивелуча были связаны с излияними андезибазальтовых лав Байдарного отрога. Монотонность состава этих лав и их ассоциация с серией даек выдержанного северо- восточного простирания позволяет предполагать значимую роль региональных тектонических факторов на этом этапе активности. Предположительно, активизация ослабленной разломной зоны северо-восточного простирания способствовала массовому внедрению даек и быстрому поступлению на поверхность дифференцированных андезибазальтовых лав. На голоценовом этапе развития вулканического массива размеры и глубинная позиция предполагаемых областей накопления магм могли измениться (рис. 59 б), что позволило слабодифференцированным магмам поступать в близповерхностную камеру.