ГЕОХИМИЯ, 2007, № 2, с. 131-149
ЛЕТУЧИЕ КОМПОНЕНТЫ В БАЗАЛЬТОВЫХ МАГМАХ И МАНТИЙНЫХ ИСТОЧНИКАХ ОКЕАНИЧЕСКИХ ОСТРОВОВ: I. ОЦЕНКА СОСТАВА РАСПЛАВОВ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ РАСПЛАВНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ И СТЕКОЛ ПОРОД
© 2007 г. В. И. Коваленко*, В. Б. Наумов**, А. В. Гирнис*, В. А. Дорофеева**, В. В. Ярмолшк*
*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017 Москва, Старомонетный пер., 35, e-mail: vik@igem.ru **Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19, e-mail: naumov@geokhi.ru Поступила в редакцию 15.06.2005 г.
Проведен статистический анализ массива данных по составам стекол из пород и расплавных включений в минералах основных пород океанических островов. Исходная база данных включает более 45000 опубликованных анализов, представляющих магматические породы океанических островов из разных регионов мира. Основное внимание уделено содержаниям и отношениям летучих компонентов (H2O, Cl, F, S) между собой и с нелетучими элементами с близкой степенью некогерентности (Ti, P, K, Ce). Показано, что средние составы расплавных включений совпадают со средними составами стекол из пород, включая летучие компоненты, при учете несколько большей степени дифферен-цированности стекол пород (примерно на 20%). Средние составы расплавов океанических островов отличаются от составов магм срединно-океанических базальтов большими вариациями концентраций и повышенными концентрациями наиболее некогерентных элементов (Sr, Nb, Ta, Ba, U, Th и др.), а также H2O, F и Cl. На основании корреляций летучих компонентов друг с другом и с другими некогерентными элементами мы выделили три главные группы составов базитовых магм океанических островов: I - низкокалиевая, бедная фосфором, титаном и близкая к магмам срединно-океа-нических хребтов, II - высококалиевая, богатая церием, фосфором и титаном, и близкая к базито-вым магмам континентальных рифтов, но бедная водой, Ill - высококалиевая, богатая водой, церием, фосфором и титаном, и близкая к магмам континентальных рифтов. Все три типа расплавов установлены только в Гавайском архипелаге, в то время как в других океанических островах преобладает один из них. Предполагается, что выделенные типы расплавов отражают различия (гетерогенность) в составах источников.
Надежные оценки составов природных магм различных геодинамических обстановок могут быть получены при исследовании составов первичных расплавных включений в минералах и закалочных стекол пород. Особенно важны такие данные для оценки содержаний летучих компонентов, которые в той или иной степени теряются в процессах извержения или кристаллизации магм. Уже длительное время мы создаем соответствующую базу данных по составам магм на основе результатов анализов первичных расплавных включений и закалочных стекол. Она использовалась нами для оценки средних составов магматических расплавов различных геодинамических обстановок [1, 2]. В настоящее время в базе данных имеется более 260000 определений летучих, петрогенных и редких элементов (всего 73 элемента) в расплавных включениях и закалочных стеклах магматических пород различных геоди-
намических обстановок. В данной работе мы обсуждаем проблему оценки составов магм и источников океанических островов и океанических плато с целью разработки модели вещественной структуры мантийных плюмов. Основное внимание уделяется содержаниям летучих компонентов (Н20, С1, F, S), а также несовместимых элементов, поведение которых в ходе мантийного магмооб-разования сходно с поведением летучих (К, Се, Т1, Р и др.). Из-за большого количества данных, результаты исследования представлены в двух статьях. В первой статье мы обсуждаем средние составы расплавов, оцененные по данным анализов стекол включений и пород, и вариации составов, связанные с существованием различных источников. Во второй статье будут рассмотрены возможные составы мантийных источников и вещественная структура мантийных плюмов.
п = 3800
1200
800
400
40
50 SiO2
60
Рис. 1. Гистограмма распределения содержаний SiO2 в природных магматических расплавах океанических островов, п - количество определений.
ФАКТИЧЕСКИМ МАТЕРИАЛ
В настоящее время в нашей базе данных имеется около 45000 анализов стекол включений и пород океанических островов и плато из 108 работ. Преобладающее количество анализов опубликовано в 50 работах, в каждой из которых приведено более 20 анализов [3-52]. В табл. 1 приведены средние содержания петрогенных, летучих и редких элементов, включая 800 определений Н20, 1385 С1, 840 определений F, 1915 определений Б, а также более 7000 определений нелетучих редких элементов. Главные элементы анализировались с помощью электронного зонда. Определения редких и летучих элементов основаны на различных аналитических методах (электронный и ионный микроанализ, инфракрасная спектрометрия и др.). В принципе, точность определений концентраций элементов зависит от метода анализа, но в задачу настоящей работы не входила оценка этого фактора. Мы считали, что при использовании большого количества разнообразных аналитических данных возможные систематические ошибки в отдельных работах в значительной степени взаимно компенсируются, что позволяет получить надежную оценку среднего состава расплавов. Об этом, в частности, свидетельствует тот факт, что начиная с некоторого объема используемой базы данных, добавление даже большого количества новых анализов слабо влияет на средние составы и дисперсию.
Имеющиеся аналитические данные представляют различные океанические острова, плато и
дно прилегающих акваторий. Наибольшее количество составов базитовых магм имеется для Гавайских островов (более 600 определений), первые десятки определений - для Канарских островов, Кергелена, Реюньона и плато Онтонг.
Средние составы расплавных включений и закалочных стекол пород в целом близки (табл. 1), хотя есть некоторые систематические различия. Главное из них заключается в том, что составы включений более магнезиальные и менее дифференцированные. Помимо содержаний магния об этом свидетельствуют пониженные содержания практически всех некогерентных элементов, включая воду, хлор и фтор. Отношение средних концентраций в стеклах пород к стеклам включений для большинства некогерентных элементов находится в пределах 0.5-0.9. Важно, что в этот интервал попадает и отношение для воды (0.83). Это показывает, что возможная потеря воды из включений за счет диффузии водорода через оливин [53-56] была не существенной. Учитывая это обстоятельство, в дальнейшем мы рассматриваем анализы включений и закалочных стекол совместно.
СРЕДНИМ СОСТАВ БАЗИТОВЫХ МАГМ ОКЕАНИЧЕСКИХ ОСТРОВОВ
В табл. 2 представлен средний химический состав магматических расплавов океанических островов, включая содержания таких летучих компонентов, как вода, хлор, сера и фтор. При этом мы использовали составы с содержанием кремнезема не более 54 мас. % (рис. 1), что соответствует главному максимуму базитовых составов магм океанических островов. Так как концентрации большинства малых элементов подчиняются в первом приближении логнормальному распределению (рис. 2), то для характеристики максимума распределения мы используем средние геометрические значения. В некоторых случаях, например для оценки глобальных потоков химических элементов, может также оказаться полезным среднее арифметическое содержание. Поэтому в таблицах приводятся оба значения с соответствующими стандартными отклонениями. Отметим, что распределение титана и фосфора близко как к нормальному, так и логнормальному распределению.
В табл. 2 средний состав расплавов океанических островов сравнивается со средним составом расплавов срединно-океанических хребтов, оцененным в нашей предыдущей работе [57]. Геохимические и изотопные различия составов базальтов срединно-океанических хребтов и океанических островов неоднократно обсуждались в литературе, однако будет интересно сравнить эти составы на основании глобальной базы по составам закаленных расплавов. В отношении многих породообразующих компонентов эти составы близки (БЮ2, А1203, Fe0, Mg0, СаО). Магмы океанических островов заметно обогащены некогерент-
п
0
Таблица 1. Средние содержания петрогенных, летучих и редких элементов в расплавных включениях минералов и в закалочных стеклах магматических расплавов океанических островов
Ком- Расплавные включения Закалочные стекла Ком- Расплавные включения Закалочные стекла
по- по-
нент п арифм. геом. п арифм. геом. нент п арифм. геом. п арифм. геом.
&02 1696 50.04 50.03 1751 50.40 50.39 V 107 195 192 155 312 317
2.04 2.10-2.01 2.09 2.17-2.07 84 91-62 83 108-81
ТЮ2 1635 2.03 1.56 1655 2.65 2.61 Сг 423 647 494 262 236 237
1.02 1.09-0.64 0.62 0.68-0.53 776 963-327 194 310-134
М2О3 1650 13.86 13.83 1655 13.87 13.86 N1 55 383 334 262 172 140
2.02 2.15-1.86 1.00 1.08-1.00 375 409-184 147 181-79
Fe0 1684 9.93 9.90 1657 11.26 11.25 Sr 297 198 177 196 314 273
2.28 2.64-2.08 1.18 1.41-1.24 199 334-115 273 312-145
Мп0 1221 0.14 0.14 938 0.18 0.19 Y 186 13.1 12.8 175 27.6 27.6
0.05 0.06-0.04 0.06 0.05-0.04 6.6 6.7-4.4 7.9 9.0-6.8
Мя0 1684 8.43 8.39 1740 6.54 6.49 Zr 283 70.0 48.9 193 124 124
2.32 2.85-2.13 1.46 1.77-1.40 80.5 145-36.6 70 80-49
Са0 1650 11.58 11.63 1655 10.99 10.95 № 156 10.9 9.3 168 18.1 10.8
2.00 2.43-2.00 1.12 1.37-1.22 10.1 7.7-4.2 38.6 13.6-6.0
№20 1635 2.22 2.20 1655 2.52 2.45 Ва 211 56.2 56.6 146 102 77.0
0.58 0.55-0.44 0.74 0.64-0.51 63.8 155-42 172 184-54
К2О 1600 0.48 0.48 1740 0.55 0.59 La 342 4.62 2.30 187 11.7 9.4
0.49 0.68-0.28 0.56 0.42-0.25 6.99 5.30-1.61 18.9 12.2-5.3
Р2О5 1336 0.26 0.26 1563 0.29 0.27 Се 230 6.27 3.37 185 26.1 22.7
0.21 0.34-0.15 0.21 0.13-0.09 13.8 5.15-2.04 27.6 24.9-11.9
Н2О 293 0.35 0.34 505 0.42 0.49 № 230 5.10 3.19 185 16.6 15.9
0.36 0.71-0.23 0.34 0.45-0.23 8.84 3.76-1.73 11.0 13.7-7.4
С1 512 230 190 873 380 310 Sm 245 1.89 1.26 187 4.48 4.49
260 400-130 390 540-190 2.53 0.80-0.49 2.36 2.61-1.65
F 326 600 570 513 7
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.