ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2015, № 5, с. 9-22
УДК 552.11/551.24
ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ АДАКИТОВ И Nb-ОБОГАЩЕННЫХ БАЗАЛЬТОВ (NEAB) НА КАМЧАТКЕ
© 2015 г. Г. П. Авдейко, О. В. Бергаль-Кувикас
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: kuvikas@mail.ru Поступила в редакцию 14.01.2014 г.
Ассоциация адакитов и пород, обладающих внутриплитными геохимическими характеристиками (NEAB), встречается на Камчатке, несмотря на то, что Тихоокеанская плита, субдуцируемая под Камчатку, является древней (возраст >93 млн лет) и холодной. Обзор и сравнительный анализ NEAB-адакитовых ассоциаций на Камчатке и в других зонах субдукции Тихоокеанского кольца позволили реконструировать геодинамические обстановки, обеспечивающие нагревание океанической коры для ее плавления и образования адакитов. Две геодинамические обстановки являются основными: (1) начальный период субдукции, при котором плавлению подвергается головная часть слэба, (2) формирование субдукционных окон. Обе эти обстановки имели место на Камчатке в течение короткого интервала времени. На Восточной Камчатке плавлению подвергалась головная часть слэба новой зоны субдукции, которая сформировалась в конце миоцена при блокировке зоны субдукции под Срединный хребет при перескоке ее на современное положение. В северной части Срединного хребта Камчатки NEAB-адакитовая ассоциация также была сформирована в головной части слэба Пракомандорской плиты. На модельных разрезах рассмотрены условия образования NEAB-адакитовых ассоциаций Камчатки на фоне геодинамической эволюции.
DOI: 10.7868/S0203030615050028
ВВЕДЕНИЕ
Адакиты — относительно новый петрографический термин, предложенный М.Дж. Дефантом и М.С. Друммондом [Defant, Drummond, 1990] для наименования кислых и средних пород (да-цитов и андезитов), образованных при непосредственном плавлении сравнительно молодой (моложе 25 млн лет) океанической коры. Адакиты характеризуются определенными геохимическими характеристиками, наиболее показательными из которых являются высокие Sr/Y и La/Yb отношения и низкие концентрации Y (<1.9) ppm и Yb (>18 ppm) [Defant, Drummond, 1990; Peacock et. al., 1994; Castillo, 2006]. Возможность плавления океанической коры активно дискутировалась в начальный период становления модели субдукции.
В последующие годы было установлено, что генезис вулканических пород островных дуг и активных континентальных окраин, т.е. зон субдук-ции, обусловлен плавлением перидотита мантийного клина, метаморфизованного флюидом из суб-дуцируемого слэба [Gill, 1981; Tatsumi et al., 1986; и мн. др.]. Эта модель была подтверждена практически для всех зон субдукции, в том числе и для Кури-ло-Камчатской островной дуги [Авдейко, 1994; Volynets, 1994].
После опубликования статьи [Defant, Drummond, 1990] появилось много новых данных о находках адакитов в других зонах субдукции и пород с адакитовыми геохимическими характеристиками, образовавшихся в структурах, отличных от зон субдукции. П.Р. Кастилло [Castillo, 2006] дал достаточно полный обзор этих пород. Места находок адакитов из зон субдукции Тихоокеанского кольца показаны на рис. 1. Многие из них располагаются в зонах субдукции с возрастом океанической коры древнее 25 млн лет. Так, в районе о. Адак (Алеутская дуга), давшего название "адакиты", где получены достоверные данные об образовании их в результате плавления океанической коры [Kay, 1978; Yogodzinski and Kelemen, 1998], возраст Тихоокеанской плиты здесь около 52 млн лет. Возраст той же плиты, субдуцируемой под Восточную Камчатку, где известны адакиты [Hoernle et al., 2009], превышает 93 млн лет [Syracuse et al., 20010]. Совершенно очевидно, что для образования пород за счет плавления холодной плиты с возрастом более 93 млн лет требуется дополнительный источник тепла.
С.М. Пикок с соавторами [Peacock et al., 1994] оценили условия, при которых происходит парциальное плавление субдуцируемой океанической коры с образованием адакитов. В основу их оценки положены экспериментальные данные по
100° 120° 140° 160° -180° -160° -140° -120° -100°
60°
40°
20°
80° -60°
20°
40°
60°
Рис. 1. Местоположение адакитов (ромбики) и КБЛВ лав (квадратики) в субдукционных системах Тихоокеанского кольца.
плавлению базальтовых систем с учетом температурных моделей зон субдукции. Результаты проведенного ими численного моделирования показали, что плавление поддвигаемой океанической коры может происходить при очень ограниченных условиях: (1) при высокой степени разогрева за счет сдвигового напряжения более 1 кбар при Т > 750°С в реакциях безфлюидного парциального плавления (за счет дегидратации амфибола) или (2) при субдукции молодой океанической литосферы с возрастом менее 2 млн лет при скорости конвергенции 10 см/год и менее 4 млн лет при скорости 3 см/год). Второму условию не отвечает большинство проявлений адакитового вулканизма, показанных на рис. 1. На Камчатке скорость конвергенции — около 8 см/год [ОогЪаШу К^о^оёоу 1997]. В связи с этим еще более остро стоит проблема дополнительного источника тепла для образования адакитов Камчатки.
Сопостовляя экспериментальные данные по плавлению амфиболита и эклогита базальтового состава с данными по стабильности плагиоклаза
и горнблендита и геохимическими характеристиками адакитов, авторы [Peacock et al., 1994] показали, что адакитовый расплав сосуществует с остаточной фазой, в которой присутствуют гранат, горнблендит и клинопироксен, но отсутствует плагиоклаз, в узком интервале давлений 1.82.2 GPa. Это соответствует глубине порядка 6070 км. Температура при этом должна быть не ниже 750-800°С. С. Сен и T Данн [Sen and Dunn, 1994], проведя эксперименты по дегидратационному плавлению, показали, что амфиболит базальтового состава при давлении 2.0 GPa плавится в две стадии в интервале температур 800-1100°С. Получающийся при этом модельный расплав при 10-15% плавления по составу идентичен адакитам, за исключением низких значений MgO и CaO. Модельные расплавы также не дают высоких Sr/Y-отношений. Авторы пришли к заключению, что если адакиты образуются путем парциального плавления слэба, то они должны подвергнуться значительному взаимодействию с породами мантийного клина или с корой. Обогащение Mg, по экспериментальным
0
о
данным [Rapp et al., 1999], происходит при реакции адакитового расплава с перидотитом мантийного клина. Состав конечного расплава зависит от соотношения адакитовый расплав/перидотит. При отношении 2/1 и давлении 3.8 GPa конечный расплав будет обогащенным Mg, изливающийся в виде магнезиальных андезитов.
Необходимо отметить, что имеются данные о возможности образования пород с адакитовыми характеристиками не только при плавлении суб-дуцируемой океанической коры, но и при плавлении водонасыщенных базальтов континентальной коры [Arculus et al., 1999; Castillo, 2006].
Необходимо подчеркнуть, что в зонах субдук-ции в ассоциации с адакитами часто встречаются базальты с геохимическими характеристиками близкими к OIB (Oceanic Island Basalt) типу. От IAB (Island Arc Basalt) типа они отличаются относительно высокими концентрациями Nb и Ta. На спайдер-диаграммах порода/MORB (Mid-Oceanic Ridge Basalt) или порода/неистощенная мантия в этих породах отсутствует или слабо проявлен Ta—Nb минимум. Эти базальты называются по разному: NEB, high Nb basalt NEAB (Niobium enriched arc basalt) и др. [Castillo et al., 2007]. На Камчатке адакиты и магнезиальные андезиты с ада-китовыми характеристиками также встречаются в ассоциации с базальтами, обогащенными Nb и Ta. Мы рассмотрим только адакиты, сформировавшиеся в результате плавления слэба. Цель статьи — оценка геодинамических условий образования адакитов в зонах субдукции на Камчатке и в Камчатско-Алеутском сочленении. Для этого дан критический обзор представлений об условиях образования адакитов и NEAB в зонах субдукции Тихоокеанского кольца, рассмотрена геодинамическая эволюции Камчатки и условия, обеспечивающие разогрев старой и, соответственно, холодной Тихоокеанской плиты и ее плавление. На основе этого предложена геодинамическая модель формирования адакитов и NEAB в зонах субдукции Камчатки и в Камчатско-Алеутском сочленении.
ОБЗОР ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРИРОДЕ СУБДУКЦИОННЫХ АДАКИТОВ ТИХООКЕАНСКОГО КОЛЬЦА
По результатам изучения химических особенностей, минерального состава и изотопных характеристик двух образцов магнезиальных андезитов из Алеутской островной дуги, РУ. Кей впервые обосновал плавление субдуцируемой океанической коры [Kay, 1978]. Один из этих образцов отобран на о. Адак. Второй образец магнезиального андезита был поднят драгированием с глубины около 1600 м в тыловой зоне Командорского сектора Алеутской
дуги. Возраст Тихоокеанской плиты вблизи о. Адак около 52 млн лет [Yogodzinski and Kelemen, 1998]. Модельные расчеты, проведенные Р.У. Кеем, показывают, что изученные им магнезиальные андезиты могут быть получены при частичном плавлении 3% эклогита и дальнейшего взаимодействия полученного расплава с перидотитом мантийного клина [Kay, 1978].
Последующее широкомасштабное изучение магнезиальных андезитов Алеутской островной дуги было проведено в экспедициях на НИС "Вулканолог" на подводном вулкане Пийпа и на подводных горах в тыловой зоне западной части Алеутской дуги [Волынец и др., 1992]. Образование адакитов в Алеутской дуге связывается с формированием субдукционного окна при косой субдукции [Yogodzinski and Kelemen, 1998].
Условия косой субдукции наблюдаются также в южной части Южной Америки. Все шесть голо-ценовых вулканических центров Австралийской зоны вулканического пояса Анд сложены андезитами и дацитами с отчетливыми адакитовыми характеристиками. С.Р. Стерн и Р. Килиан [Stern and Kilian, 1996] полагают, что наиболее вероятным источником этих адакитов являются магмы, образованные плавлением субдуцированных океанических базальтов, перекристаллизованные в гранатовые амфиболиты или эклогиты. Дополнительный разогрев для плавления коры с возрастом менее 24 млн лет происходит при небольшой скорости субдукции (около 2 см/год). Состав адакитов зависит от угла вза
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.