научная статья по теме ПЕРВИЧНЫЕ МАГМЫ ВЫСОКОМАГНЕЗИАЛЬНЫХ БАЗАЛЬТОВ ВУЛКАНА МАУНА КЕА, ГАВАЙИ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Геология

Текст научной статьи на тему «ПЕРВИЧНЫЕ МАГМЫ ВЫСОКОМАГНЕЗИАЛЬНЫХ БАЗАЛЬТОВ ВУЛКАНА МАУНА КЕА, ГАВАЙИ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ»

ГЕОХИМИЯ, 2003, № 4, с. 366-379

ПЕРВИЧНЫЕ МАГМЫ ВЫСОКОМАГНЕЗИАЛЬНЫХ БАЗАЛЬТОВ ВУЛКАНА МАУНА КЕА, ГАВАЙИ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ

© 2003 г. Ä. В. Гирнис*, В. К. Булатов**, Г. П. Брай***

*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017 Москва, Старомонетный пер., 35; e-mail: girnis@igem.ru **Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991, ГСП-1, Москва, ул. Косыгина, 19 ***lnstitut für Mineralogie, J.-W.-Goethe-Universität Frankfurt am Main, Senckenberganlage 28, 60054 Frankfurt/M, Germany Поступила в редакцию 17.07.2001 г.

Проведено экспериментальное изучение кристаллизации составов первичных магм толеитовых и щелочных серий вулкана Мауна Кеа. Эксперименты проводились при давлении 30-50 кбар и температуре 1450-1650°С на установке типа "белт". Характер близликвидусной ассоциации зависит от давления и состава расплава. В толеитовой системе отмечается кристаллизация оливина и клинопи-роксена при 30 кбар и клинопироксена и граната при 40-50 кбар. В щелочных расплавах при 30 кбар вблизи ликвидуса также стабилен только клинопироксен и оливин, но оливин также присутствует в опытах при 40-50 кбар, сосуществуя с клинопироксеном и гранатом. Ортопироксен отмечался только при сравнительно высоких степенях кристаллизации. Коэффициенты распределения Na и Ti между клинопироксеном и расплавом меняются при изменении давления от 30 до 50 кбар:

Na2OCpx/Na2OLiq увеличивается от 0.4-0.5 до 0.8, а TiO^*/TiO^ понижается от 0.3 до 0.15-0.2. Отношение TiO2/Na2O в расплаве может быть использовано в качестве индикатора давления генерации магмы. Высокие отношения TiO2/Na2O в гавайских магмах свидетельствуют об образовании расплавов при давлении более 50 кбар и невысоких степенях плавления. При этих условиях состав расплава должен быть сильно недосыщен кремнеземом и соответствовать первичным магмам щелочной серии. Образование толеитовых первичных магм связывается с взаимодействием исходного щелочного расплава с обедненными гарцбургитами при давлении менее 30 кбар.

И.П. Соловова и др. [1] изучили особенности составов расплавов во включениях в минералах высокомагнезиального базальта послещитовой стадии вулкана Мауна Кеа, Гавайи. В этой работе были оценены составы первичных расплавов щелочной и толеитовой серий и было показано, что эти серии связаны постепенными переходами. Определение условий генерации первичных расплавов требует моделирования процесса плавления мантийных пород. В настоящее время имеются компьютерные программы, такие как MELTS [2] и PARMELT [3], позволяющие рассчитывать составы расплавов, образующиеся при плавлении перидотитов в зависимости от давления и температуры. Эти модели являются по существу эмпирическими и их приложение в основном ограничивается давлениями ниже 30 кбар, т.е., областью, где имеются надежные экспериментальные данные для природных составов. Первичные магмы Гавайских вулканов генерировались, по-видимому, на больших глубинах, в условиях стабильности граната [4, 5]. Высокомагнезиальные расплавы типа гавайских пикробазальтов могли обра-

зовываться при давлении существенно выше 50 кбар [6].

Особенностям геохимии и генезису щелочных и толеитовых магм гавайских вулканов посвящена обширная литература, включающая и экспериментальные исследования кристаллизации расплавов. Эксперименты при 1 атм (напр. [7-8]) выявили изменение порядка кристаллизации расплавов разного состава в зависимости от потенциала кислорода. Д. Грин и А. Рингвуд [9] моделировали кристаллизацию ряда щелочных и толеитовых расплавов при давлении до 27 кбар. Они показали, что оливин на ликвидусе высокомагнезиальных расплавов (оливиновые толеиты, пик-риты) присутствует при давлении до 18 кбар и замещается клинопироксеном при более высоких давлениях. При 27 кбар наблюдалась кристаллизация граната, ортопироксена и клинопироксена вблизи ликвидуса пикритового состава [9]. Составы расплавов в этой работе не определялись. С.М. Эггинс [10] изучал кристаллизацию гавайских толеитовых базальтов при давлении 1025 кбар. Т. Вагнер и Т. Гроув [11] исследовали фа-

зовые соотношения в пикритовых стеклах вулкана Килауэа при давлении до 30 кбар. Эти исследователи показали, что высокомагнезиальные толеи-товые расплавы могли быть равновесны с остаточной оливин-ортопироксеновой ассоциацией при давлении менее 25 кбар. Этот результат согласуется с данными Д. Грина и А. Рингвуда [9], но находится в противоречии с геохимическими данными, свидетельствующими о генерации первичных магм в зоне стабильности граната. Т. Вагнер и Т. Гроув [11] предположили, что первичный глубинный расплав мог изменить свой состав при взаимодействии с гарцбургитом в литосфере. На основании отношений некоторых элементов, чувствительных к изменению давления (Na/Ti, LREE/HREE), К. Путирка [6] показал, что генерация расплавов в гавайском плюме начиналась на глубинах 200-400 км. Недостатком таких эмпирических оценок является то, что отношения содержаний элементов зависят от состава расплава. Поэтому надежное определение глубины генерации возможно только при условии наличия экспериментальных данных для составов близких к исследуемым магмам.

Исходя из результатов предшествующих работ, были определены задачи экспериментального изучения. В основу были положены составы первичных магм, оцененные при изучении рас-плавных включений [1]. Первой задачей является определение составов расплавов и сосуществующих минералов при кристаллизации этих магм при предполагаемых давлениях генерации (30-50 кбар). Надо отметить, что эта область условий и составов расплавов экспериментально почти не изучена. Используя эти данные и опубликованные результаты других авторов, необходимо оценить давление, при котором могли образоваться расплавы с высокими отношениями Ti/Na, которые характерны для большинства гавайских вулканитов. Зная условия генерации, мы сможем ограничить состав расплава, который находился в равновесии с остаточной мантийной ассоциацией. Таким образом, экспериментальные результаты встраиваются в некоторую схему "последовательных приближений", когда исходные предположения относительно условий генерации и составов магм проверяются и уточняются на каждом этапе. В итоге, это позволит нам построить модель генезиса толеитового и щелочного магматизма вулкана Мауна Кеа.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Составы первичных магмы толеитовых и щелочных серий (табл. 1) были оценены на основании изучения включений [1]. Гомогенизированные расплавные включения в оливинах образуют область вытянутую вдоль линии оливинового контроля, в которой можно выделить составы с раз-

Таблица 1. Химический и нормативный состав исходных смесей, мас. %

Смесь T A U

SÍÜ2 48.3 44.6 40.9

TÍÜ2 1.8 2.3 2.8

A12O3 9.7 9.9 10.1

FeO 11.2 12.8 14.4

MgO 19 19.4 19.8

CaO 7.7 7.6 7.5

Na2O 1.6 2.2 2.8

K2O 0.3 0.7 1.1

P2O5 0.2 0.3 0.4

&2O3 0.2 0.2 0.2

Сумма 100 100 100

Or 1.77 4.14 2.16

Ab 13.54 12.01 -

An 18.4 15.07 11.74

Ne - 3.58 12.83

Di 14.86 16.65 18.44

Hy 20.51 - -

OI 26.83 43.29 44.97

Jim 3.42 4.37 5.32

Ap 0.46 0.7 0.93

Lc - - 3.41

Примечание. Смесь Т моделирует состав первичной магмы толеитовых базальтов, смесь А - умеренно щелочных и смесь и - сильно щелочных базальтов.

ным уровнем насыщения кремнеземом. Составы с относительно высокими и низкими содержаниями БЮ2 сопоставлялись с толеитовыми и щелочными сериями, соответственно. Принимая во внимание максимальную магнезиальность оливина в вулканитах Мауна Кеа [12], предполагалось, что первичные расплавы были в равновесии с оливином ^о91 для толеитовой серии (смесь Т) и ^о90 для щелочной серии (смесь А). Кроме того, подобно толеитовым [11], щелочные магмы также могли испытать некоторое взаимодействие с материалом литосферы при сравнительно низких давлениях. В этом случае, составы наиболее глубинных расплавов могли быть еще более недосыщенны-ми кремнеземом. В качестве такого гипотетического расплава был выбран состав, смешение которого с толеитовым (табл. 1) в пропорции 1 : 1 дает первичную щелочную магму. Этот расплав может быть равновесен с оливином ^о89 (смесь и).

Исходные смеси готовились смешением реактивов (ч.д.а. или о.с.ч.) БЮ2, ТЮ2, А1203, Ёе203, СаС03, М§0, Сг203, Ка2С03, К2С03, Са3(Р04)2. Реагенты перетирались в агатовой ступке в течение 2 час и прокаливались в графитовых контейнерах

Таблица 2. Условия экспериментов и фазовый состав продуктов

Опыт № Исходная смесь Давление, кбар Температура, °С Длительность, час Кристаллические фазы

184 T 30 1450 16 Opx

183 T 30 1500 3 Opx, Cpx

191 T 40 1500 18.5 Grt, Cpx

192 T 40 1570 4 Grt, Cpx

1099 T 50 1550 13 Grt, Cpx

1098 T 50 1650 1 Grt, Cpx

182 A 30 1350 15 Opx, Cpx

187 A 30 1500 16 Cpx

180 A 40 1500 4 Grt, Cpx

188 A 40 1570 4 Grt, Cpx

1091 A 50 1400 22 Grt, Cpx

1104 A 50 1550 27 Grt, Cpx, Ol

1100 A 50 1650 1.5 Grt, Cpx

186 U 30 1400 16 Ol, Cpx

185 U 30 1500 3 Cpx

189 U 40 1500 16 Grt, Opx, Cpx, Ol

190 U 40 1570 4 Grt, Cpx, Ol

1093 U 50 1400 16 Ol, Cpx, Grt, Ilm

1095 U 50 1550 2 Ol, Cpx, Grt, Ilm

1097 U 50 1650 1 Grt, Cpx, Ol

Примечание. Расплав присутствовал во всех опытах.

Символы минералов: Cpx - клинопироксен; Grt - гранат; Ilm - ильменит; Ol - оливин, Opx - ортопироксен.

при 1300°С. В дальнейшем материал снова перетирался до размера зерен менее 20 мкм и хранился в эксикаторе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Эксперименты проводились на установке типа белт в Институте минералогии Университета Франкфурта на Майне, Германия. Установка была откалибрована на основании реакций кварц-коэ-сит, оливин-шпинель и графит-алмаз [13]. Температура в опытах измерялась термопарой Р194ИЬ6-Р70РЬ30 и регулировалась в пределах 2°С от заданной. Точность определения температуры и давления составляет 15°С и 2 кбар, соответственно [13]. Поправка на изменение термо-эдс от давления не вводилась.

Примерно 15 мг исходной смеси загружалось в графитовый контейнер и заваривалось в толстостенную (0.2 мм) платиновую ампулу внешним диаметром 4 мм. Ампула помещалась в ячейку аппарата белт, изготовленную из природного поликристалличе

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.

Показать целиком