ГЕОХИМИЯ, 2007, № 4, с. 355-369
ЛЕТУЧИЕ КОМПОНЕНТЫ В БАЗАЛЬТОВЫХ МАГМАХ И МАНТИЙНЫХ ИСТОЧНИКАХ ОКЕАНИЧЕСКИХ ОСТРОВОВ:
11. ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЙ В МАНТИЙНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ
© 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 10.08.2005 г.
В статье рассмотрены средние составы (включая содержания H2O, Cl, F и S) и вещественная структура океанических мантийных плюмов на основе содержаний и отношений элементов в магмах океанических островов. Рассчитаны средние содержания летучих и нелетучих несовместимых элементов в мантийном субстрате плюмов по термической и более вероятной умеренно обогащенной моделям. Средние содержания в мантии плюмов составляют: K2O - 510 ppm, H2O -520 ppm, Cl - 21 ppm, F - 55 ppm, S - 83 ppm. Эти содержания заметно выше, чем в обедненной мантии (за исключением S). Нормированное к составу примитивной мантии среднее содержание воды в мантийных плюмах близко к содержаниям La и Ce, но ниже содержаний K, Cl и Sr. Это противоречит гипотезе "мокрых" мантийных плюмов. Три типа базальтовых магм, выделенные в нашей предыдущей работе (Часть I), характеризуют три типа источников плюмов (MI, MII, MIII). Применяя более предпочтительную умеренно обогащенную модель мы оценили средние содержания (в ppm) H2O, Cl, F и S в разных источниках: в источнике MI - 130, 33, 11, 110, в источнике MII - 110,
12, 65, 45, в источнике MIII - 530, 29, 49, 110, соответственно. Мантия плюмов неоднородна, и ее гетерогенность обусловлена наличием трех главных типов составов, один из которых (MI) близок к составу мантии срединно-океанических хребтов, а два других типа (MII и MIII) умеренно обогащены K, Ti, P, F и несовместимыми элементами-примесями, но обеднены Cl, H2O, иногда S. Составы MII и MIII различаются по содержаниям H2O, Cl и S: MII значительно беднее этими летучими, чем MIII. Компонент MII, возможно, близок к обогащенной мантии (ЕМ). К трем главным компонентам мантии плюмов могут добавляться компоненты с высоким Cl и низким F, связанные с рециклингом океанической и континентальной коры. Все выявленные закономерности составов мантийных плюмов удовлетворительно согласуются с зональной моделью, включающей центральную часть, горячую и бедную H2O, Cl и S, периферию, богатую летучими элементами, и вмещающую мантию, взаимодействующую с материалом плюма.
В первой части этой работы [1, далее Часть I] мы рассмотрели составы магматических расплавов океанических островов, используя базу данных, содержащую практически все опубликованные данные по составам расплавных включений и закалочных стекол пород. Было показано, что вся совокупность составов образует сложное поле, форма которого не может быть объяснена только процессами дифференциации химически однотипных магм. Используя содержания К20 и Н20, мы выделили три группы составов: (I) низкокалиевая; (II) высококалиевая с умеренным содержанием воды и (III) высококалиевая с высоким содержанием воды. Показано, что эти группы различаются также по содержаниям и отношениям других летучих (С1, Б, 8) и некогерентных элементов (Т1, Р, Се). Составы группы I близки к магмам срединно-океанических хребтов, II - похожи на базитовые магмы континен-
тальных рифтов, но бедны водой, III - также близки к магмам континентальных рифтов, в том числе и по содержанию воды.
В этой статье мы рассмотрим составы источников, предполагая, что базальтовые расплавы получены в результате частичного плавления мантийного материала с последующим фракционированием небольшого количества минералов при низком давлении. Попытки определить состав мантийных источников магм океанических островов предпринимались ранее для отдельных регионов, но обобщенные модели, охватывающие главные вещественные особенности таких магм глобально, т.е. для всех изученных регионов (например [2]), пока остаются недостаточно разработанными. Это особенно характерно для содержаний летучих компонентов. Надо подчеркнуть, что роль летучих компонентов в образова-
нии и динамике мантииных плюмов сейчас является одной из наиболее важных проблем петрологии. Решение вопроса о том, являются ли мантийные плюмы "горячими" [3, 4] или "влажными" [5], необходимо для моделирования состава и эволюции мантии. Используемый в нашей работе банк данных [6] предоставляет возможность количественной оценки содержаний летучих компонентов в источниках магм, что является задачей данной работы.
ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ
В качестве основного исходного допущения мы принимаем, что исходные магмы океанических островов образуются путем частичного плавления мантийного материала, а их дальнейшая эволюция может включать кристаллизационную дифференциацию и ассимиляцию корового вещества. В большинстве случаев рассматриваемые в данной статье вода, хлор, фтор, калий, титан, фосфор и редкие элементы являются несовместимыми в процессах плавления и дифференциации и накапливаются в остаточных расплавах. Отсюда допускается, что отношения содержаний Н20, С1, Б между собой и с концентрацией также несовместимых с мантией К, Т и Р в базитовых магмах примерно равны аналогичным отношениям в источнике этих магм [7]. В последние годы для оценки таких соотношений стараются привлекать несовместимые компоненты с максимально близкими величинами комбинированных коэффициентов распределения между кристаллами и расплавами [8]. Поэтому, предваряя анализ среднего состава и вариации составов магм плюмов, необходимо оценить, как различие в несовместимости компонентов может сказываться на отношениях этих компонентов в расплавах и их источниках.
Отношения элементов в мантийных выплавках зависят от условий и способа удаления расплава из кристаллической матрицы. Реальный механизм отделения расплава вероятно близок к критическому плавлению, которое является промежуточным между равновесным и фракционным плавлением. Поэтому отношения элементов в расплавах, полученных для равновесной и фракционной моделей, можно рассматривать как пределы возможных вариаций в реальном процессе. Концентрация элемента в расплаве (С1) является функцией степени плавления (К), комбинированного коэффициента распределения между твердой и жидкой фазами (Б) и исходного содержания элемента в источнике (С0) [9, 10]:
С1 = С/[Б + К(1 - Б)], для равновесного плавления и
С = Со[1 - (1 - К)1/Б]/К
(1)
(2)
для фракционного плавления. Отношение элементов в расплаве будет заметно отличаться от мантийного отношения в случае, если величина К близка к максимальному коэффициенту распределения [11]. Для количественной оценки этих эффектов будем рассматривать отношение концентраций элементов Сх/С2, причем коэффициент распределения для элемента 2 примем очень низким (Б2 = 105). Еще одна важная характеристика процесса отделения расплава - количество расплава, остающегося в матрице после удаления основного объема выплавки (г) [12]. Мы рассчитывали составы выплавок для значений г = 0 и г = 0.005 (0.5%).
Результаты расчета показывают (рис. 1), что отношение С/С2 может сильно отличаться от мантийного значения при низких степенях плавления (<5%) и (или) высоких коэффициентах распределения более когерентного элемента. Учитывая большой разброс данных по составам стекол и включений, можно считать, что отношения элементов, характеризующихся значениями Б < 0.01, в базальтовых расплавах равны соответствующим отношениям в мантийных источниках. Для щелочных пород, образование которых требует низких степеней плавления, эффект фракционирования некогерентных элементов может быть существенным и оценки по ним мантийных отношений правомерны только для элементов с близкими значениями Б.
Рассматриваемые элементы (К, Се, С1, Б, Н20) характеризуются низкими величинами Б, но некоторые отличия между ними имеются. Самыми низкими валовыми коэффициентами распределения между мантийными минеральными ассоциациями и базальтовыми расплавами характеризуются К и С1 (<0.01). Вода, по-видимому, немного более когерентна (БН 0 ~ 0.01-0.02 [13-15]) и близка в этом отношении к Се. Еще более когерентны Б (БР = = 0.036 [13, 16]) и Р (БР = Бш = 0.075 [17]). Таким образом, с большой степенью достоверности можно считать, что отношения К/С1, Н20/Се и Р/Ш в базальтовых расплавах равны соответствующим отношениям в источниках. Учитывая неопределенности в оценках коэффициентов распределения и сравнительно высокие степени плавления при образовании базальтовых магм, можно утверждать, что и отношения содержаний элементов с несколько различными значениями Б также не сильно отличаются от характеристик мантийных источников (например, С1/Н20, К/Н20, Б/С1 и т.п.).
Составы стекол пород и расплавных включений характеризуют расплавы разной степени дифференциации. Средние составы, оцененные в Части I, могут быть получены фракционированием до 50% оливина из расплава, равновесного с мантийным оливином (Ко88-90). Однако удаление такого количества оливина практически не ска-
жется на отношениях некогерентных элементов, даже если разница значений В будет 0.03-0.05.
Таким образом, мы можем сделать два вывода, важные для оценки надежности полученных в данной статье результатов: 1) различия в степени несовместимости используемых нами элементов (например, K2O и H2O или K2O и F) не должны приводить к значительным различиям отношений этих элементов в источнике и магмах (этот эффект существенно ниже дисперсии отношений в используемой выборке); 2) при необходимости отношения несовместимых элементов нетрудно привести к отношениям в источнике при любой разнице в несовместимости компонентов, используя уравнения (1) и (2) или рис. 1.
ОЦЕНКА СРЕДНИХ СОДЕРЖАНИЙ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ В МАНТИИ ПЛЮМОВ
В табл. 1 представлены средние отношения содержаний летучих компонентов между собой, а также со средними содержаниями K2O, TiO2 и P2O5. Эти отношения должны в первом приближении отражать составы источников, т.е. должны
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.