ГЕОХРОНОЛОГИЯ ИЗВЕРЖЕНИЙ И ИСТОЧНИКИ ВЕЩЕСТВА МАТЕРИНСКИХ МАГМ ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС (БОЛЬШОЙ КАВКАЗ): РЕЗУЛЬТАТЫ K-Ar И Sr-Nd-Pb ИЗОТОПНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ © 2010 г. В. А. Лебедев, И. В. Чернышев, А. В. Чугаев, Ю. В. Гольцман, Э. Д. Баирова
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017Москва, Старомонетный пер., 35; e-mail: leb@igem.ru Поступила в редакцию 23.04.2008 г.
Проведены комплексные геохронологические и изотопно-геохимические исследования позднечетвертич-ного вулкана Эльбрус (Большой Кавказ). Установлено, что вулкан имеет длительную (около 200 тыс. лет) историю развития, в течение которой он проявлял дискретную активность, когда периоды масштабных извержений сменялись продолжительными (примерно 50 тыс. лет) промежутками "затишья". Выделено три фазы активности Эльбруса: средненеоплейстоценовая (225—170 тыс. лет), поздненеоплейстоценовая (110—70 тыс. лет) и поздненеоплейстоцен-голоценовая (менее 35 тыс. лет назад).
Петрогеохимические и изотопные (Sr—Nd—Pb) характеристики лав Эльбруса свидетельствуют об их ман-тийно-коровом происхождении. Показано, что гибридные материнские магмы вулкана образовались в результате смешения и/или контаминации глубинных мантийных расплавов веществом палеозойской верхней коры Большого Кавказа.
Мантийный резервуар, принимавший участие в петрогенезисе лав вулкана Эльбрус, также как и большинства других неоген-четвертичных магматических пород Кавказа, был представлен нижнемантийным источником "Caucasus". Первичные расплавы, генерируемые этим источником, по составу отвечают K—Na субщелочным базальтам и имеют следующие изотопные метки: 87Sr/86Sr = 0.7041 ± 0.0001, 6Nd = +4.1 ± 0.2, Sm/144Nd = 0.105-0.114, 20брь/204рь = 18.72, 207рь/204рь = 15.52 и 20Spb/204pb = 38.78. Расчет Sr-Nd гиперболы смешения между источником "Caucasus" и усредненным оценочным составом верхней палеозойской коры Большого Кавказа показал, что эта кривая хорошо описывает эволюцию изотопных характеристик лав вулкана Эльбрус во времени. Показано, что в процессе развития Эльбруса соотношение ко-рового и мантийного вещества в материнских магмах вулкана плавно изменялось в сторону возрастания роли последнего: от ~60% на средне-неоплейстоценовой фазе — до ~80% на поздненеоплейстоцен-голо-ценовой, что свидетельствует об увеличении активности глубинного источника при снижении роли коро-вых выплавок или контаминации в течение времени.
Проведенная расшифровка истории развития вулкана и выявленный дискретный характер его деятельности вместе с отсутствием свидетельств завершения позненеоплейстоцен-голоценовой фазы активности, установленное на основании изотопно-геохимических данных возрастание роли глубинного мантийного источника в петрогенезисе эльбрусских лав, а также многочисленные геофизические и геологические свидетельства - все эти данные позволяют считать Эльбрус потенциально-активным вулканом с высокой степенью вероятности возобновления извержений. Рассмотрены наиболее возможные сценарии развития вулкана в случае продолжения его эруптивной деятельности.
ВВЕДЕНИЕ
В пределах Европейской части России Большой Кавказ является единственным регионом, где в четвертичное время была проявлена вулканическая активность, и сформировались крупные вулканические центры — Эльбрусский и Казбекский. Первый из них целиком расположен на российской территории на стыке двух густонаселенных республик Северного Кавказа — Кабардино-Балкарии и Карачаево-Черкессии. В юго-западной части Эльбрусского центра находится высочайшая вершина Европы и России — гора Эльбрус (5642м), которая представляет собой крупнейший на Европейской территории России спящий вулкан, потенциально опасный с точки зрения возобновления катастрофических извержений [1 и др.]. Пробуждение Эльбруса и стре-
мительное таяние его ледников могут привести к колоссальным по степени тяжести экологическим последствиям для природных экосистем, населения и экономики Северо-Кавказского региона. В этой связи проблема возможной активизации этого вулкана в последнее десятилетие стала объектом пристального внимания со стороны отечественных геологов, геофизиков и геохимиков.
Надежный прогноз возможного возобновления вулканических извержений в Приэльбрусье связан, в том числе, с детальной расшифровкой истории развития вулканизма в этом регионе, а именно, определением общей продолжительности вулканической активности, основных фаз или периодов максимальной активности, характера вулканизма (дискретный или непрерывный), дат последних из-
вержений и ряда других временных характеристик. Эта задача на сегодняшний день может быть успешно решена с помощью изотопно-геохронологического изучения продуктов вулканизма с привлечением результатов геоморфологических исследований, петрологических, геофизических и других данных. Важную роль при всестороннем изучении Эльбруса, как и любого другого вулкана, играют и петрохимические и изотопно-геохимические исследования, позволяющие определить источники вещества первичных магм и их петрогенезис, проследить эволюцию материнских расплавов и на основе выявленных закономерностей предсказать возможные сценарии будущих извержений.
В статье обобщены изотопно-геохронологические данные, полученные авторами к настоящему времени в лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ИГЕМ РАН для лав Эльбруса, которые позволили определить основные временные характеристики активности этого вулкана. Кроме того, впервые приводятся и обсуждаются результаты комплексного изотопно-геохимического изучения продуктов магматической активности Эльбруса, на основе которых сделаны выводы о происхождении материнских расплавов, давших вулканиты.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИЧЕСКОМ СТРОЕНИИ ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС
Вулкан Эльбрус расположен в центральной части горной системы Большого Кавказа на северном склоне Главного Кавказского хребта на водоразделе бассейнов Черного и Каспийского морей. Он образовался на последнем — четвертичном этапе поздне-кайнозойского магматизма Кавказского сегмента Альпийского складчатого пояса, развивавшегося в этом регионе в течение последних 10 млн. лет. Начиная с позднего миоцена и до настоящего времени, на Кавказе на фоне продолжающейся конвергенции Аравийской и Евразийской литосферных плит и ряда микроплит и террейнов в активном состоянии находится "горячее поле" мантии [2, и др.], что явилось основной причиной масштабного проявления здесь магматической активности. Специфика геодинамического режима и геотектонические условия, в которых развивался неоген-четвертичный вулканизм Кавказа, привели к широким вариациям химического состава продуктов извержений, разнообразию типов вулканической активности и вовлечению в процессы магмообразования различных как мантийных, так и коровых источников вещества.
В пределах вулканической провинции Большого Кавказа традиционно выделяется три неовулканических области — Казбекская, Центрально-Грузинская и Эльбрусская. Четвертичный вулканизм Эль-брусской области протекал исключительно в пределах одноименного вулканического центра в ее юго-западной части. Эльбрусский вулканический центр расположен на северном склоне Главного Кавказ-
ского хребта на водоразделе рек Малка, Баксан и Кубань. Он включает непосредственно вулкан Эльбрус, а так же ряд мелких вулканических аппаратов по его периферии (Палео-Эльбрус, Чучхур, Чомарт-Кол, Сылтран, Таш-тебе, Ташлысырт, Тызыл). Первая магматическая фаза Эльбрусского центра связана с излияниями лав основного состава в долине р. Тызыл около 900 тыс.лет назад [3]. Затем, 800—700 тыс. лет назад вулканическая деятельность в этом районе приобрела преимущественно эксплозивный характер: были активны вулканы Палео-Эльбрус, Чомарт-Кол, Чучхур и возможно еще ряд аппаратов, извергавших пирокластические породы кислого состава и реже трахиандезитовые лавы [1]. Позднечетвертичная магматическая активность Эльбрусского центра связана с извержениями вулкана Эльбрус, а также его вулкана-спутника Таш-Те-бе в верховьях р. Худес и, предположительно, аппаратов на хребте Сылтран.
Двухконусный стратовулкан Эльбрус, извергавший лавы умеренно-кислого состава, приурочен к зоне пересечения субширотной Пшекиш-Тырныа-узской шовной зоны с поперечным Эльбрусским разломом (рис. 1). Средний диаметр основания Эльбруса составляет около 18 км. Фундамент вулкана вскрыт вплоть до абсолютных отметок 3000—3900 м и сложен преимущественно метаморфическими породами макерской серии и палеозойскими гранито-идами. Таким образом, относительная высота вулканической постройки составляет 2000—2500 м. Диаметр Эльбруса на высоте 5300 м — 1.2—1.5 км; далее на 300—350 м поднимаются два сросшиеся своими основаниями самостоятельных конуса (западный — 5642 м, восточный — 5621 м). Западные склоны вулкана обрываются отвесными уступами (стены Кюкюрт-лю и Уллу-Кам), где наблюдаются остатки вулканического аппарата "предшественника" Эльбруса — Палео-Эльбруса [1, 4].
Восточная вершина Эльбруса характеризуется прекрасной сохранностью первоначальных вулканических форм и представляет собой правильный усеченный конус с хорошо выраженной кратерной чашей, глубина которой достигает 80 м. Первоначальная морфология западной вершины сохранилась хуже, чем восточной. Диаметр ее кратерной воронки составляет около 500 м при глубине 250—300 м. Западная и юго-западная части западного конуса обрываются почти вертикальным уступом высотой до 200 м. Эльбрус является крупнейшим центром современного оледенения на Кавказе. Вся верхняя часть вулканической постройки, начиная с высот 3500—4000 м, покрыта ледниками и фирновыми полями. По этой причине для геологического изучения доступны преимущественно лавовые потоки, распространявшиеся от вулкана во всех направлениях, и в гораздо меньшей степени его вершинная часть.
Систематические исследования молодых вулканитов Эльбрусского центра впервые были проведены Г.В. Абихом [7]. В последующее время изучением
Рис. 1. Геологическая карта вулкана Эльбрус. Составлена В.А. Лебедевым на основании данных полевых наблюдений с использованием материалов В.М. Газеева [4], Н.В. Короновского [5] и крупномасштабных геологи
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.