ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2012, № 4, с. 3-22
УДК 549.26:551.21
СИЛИКАТНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СФЕРУЛЫ И ПРОБЛЕМА МЕХАНИЗМА ИГНИМБРИТОВЫХ ИЗВЕРЖЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ЯКУТИНСКОЙ ВУЛКАНО-ТЕКТОНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ)
© 2012 г. А. В. Гребенников, С. А. Щека , А. А. Карабцов
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН 690022 Владивосток, проспект 100-летия Владивостока, 159, e-mail: greandr@hotmail.com Поступила в редакцию 03.06.2009 г.
Детальное минералого-геохимическое и петрологическое изучение изверженных пород Якутин-ской вулканоструктуры Восточно-Сихотэ-Алинского вулканического пояса (Приморье) выявило широкое развитие в них силикатно-металлических образований ("шариков"). Это позволяет по-новому подойти к оценке механизма специфических большеобъемных "горячих" эксплозий. Металлическое ядро (состав колеблется от малоуглеродистых чугунов до когенита), окружается сим-плектитом, состоящим из кварца, магнетита и кремнеземисто-калиевого стекла (без Na), что позволяет рассматривать все образование как силикатно-металлическую сферулу. Результаты анализов газовой фазы пород приводят к выводу о ее водородно-метановом составе. Расчет реакций окисления этих газов показал, что процесс протекает со значительным сокращением объема и выделением тепла. Это позволяет предполагать, что механизм "горячих" игнимбритовых эксплозий обусловлен обрушением кровли очага в зону взрыва и формированием кальдеры обрушения с выбросом расплава и его последующим распылением на поверхности. Этому способствуют значительный перегрев магмы и насыщенность ее водородом, что сопровождается падением вязкости на несколько порядков даже для таких высококремнеземистых расплавов.
ВВЕДЕНИЕ
Игнимбритовые извержения являются одним из грандиозных и в то же время зловещих явлений природы, не менее опасных для человечества, чем столкновение Земли с космическими объектами. Огромные массы (тыс. км3) выброшенного при эксплозиях материала, высокие температуры не только лав, но и пеплов, явления их спекания на земной поверхности указывают на специфический характер механизма игнимбритовых извержений. Проблеме подобных извержений уделяется большое внимание с начала XX века в связи с тем, что продукты их с одной стороны покрывают огромные площади Италии, Японии, Калифорнии, Новой Зеландии, Камчатки, Приморья и других регионов, а с другой — их образование связано с разрушительным типом извержений, неоднократно приводившим к экологическим катастрофам на Земле. Термин игнимбрит (огненный дождь) ввел в 30-х годах прошлого столетия П. Маршалл [Marshall, 1935], чей классический труд по игнимбритам Новой Зеландии не утратил своего значения до наших дней, особенно в наблюдательной части. Им же выделены и основные геолого-петрографические особенности игним-бритов: 1 — исключительно однородные структуры пород с признаками флюидальности; 2 — интенсивное спекание вулканического материала,
вплоть до прослоев вулканического стекла; 3 — отсутствие конкретных вулканических аппаратов (конусов), свидетельствующее о трещинном характере эксплозий. Этот автор, признавая выброс материала в распыленном нагретом состоянии, допускает его литификацию не обычным спеканием с образованием вторичного расплава — фьямме, а "склеиванием" (adhesion) нагретых частиц. В работах, посвященных проблемам игним-бритообразования, представлены самые различные, зачастую противоречивые взгляды не только на происхождение, но и на механизм извержений игнимбритовых магм. Высказанные по этому поводу мнения можно объединить в три основные гипотезы: обычная туфовая [Заварицкий, 1947; Marshall, 1935 и др.], гипотеза лавового потока [Влодавец, 1961; Левинсон-Лессинг, 1928; Beck, Robertson, 1955; Kennedy, 1955; Lacroix, 1930 и др.] и связанная с ней теория ликвационного расщепления расплавов [Маракушев, 1979; Steiner, 1960] и гипотеза раскаленного пирокластического "ливня" [Rittmann, 1960].
Мы также считаем, что игнимбриты образованы из пирокластических потоков типа "палящих лавин", выброшенных в виде очень подвижной газово-жидкой эмульсии, состоящей из обрывков и капель расплава, частиц раскаленного пепла и другого пирокластического материала. Расширяющиеся газы придают потоку высокую подвиж-
ность. Газово-жидкая (расплавная), насыщенная кристаллами минералов, пеплом и редкими обломками пород, магматическая эмульсия палящей лавиной растекалась с огромной скоростью на десятки и сотни километров без разрыва сплошности извергнутого материала и, застыв, сохраняла своеобразный лавоидный облик.
Суммируя эти взгляды можно сделать вывод, что решение проблемы образования игнимбри-тов тесно связано с выяснением роли и характера флюидного режима, а также спецификой продуктов извержений, что и является основной целью предлагаемой работы.
Изучение магматических образований бого-польского комплекса (ранний палеоген) Якутин-ской вулкано-тектонической структуры (ВТС) (Приморье), проведенное с применением современной аналитической техники, позволило получить оригинальные минералогические и изотопно-геохимические данные по их составу, установить наличие отчетливой вертикальной зональности в распределении последовательно сформированных покровов игнимбритов и цикличности вулканических извержений [Гребенников, 2003; Grebennikov, Maksimov, 2006]. Эти исследования показали, что игнимбритообразующие расплавы являлись высоко восстановленными. Помимо преобладания двухвалентного железа над трехвалентным в минералах игнимбритов (исключительно ильменито-вый состав Fe-Ti оксидов, низкая степень окислен-ности вулканических стекол, крайне железистый состав пироксенов и оливинов), об этом же убедительно свидетельствуют и обнаруженные авторами силикатно-металлические глобулы, содержащие самородное железо и когенит.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Микроанализ минералов и стекол проводился на электронном микроанализаторе JXA 8100 (Япония) с тремя волновыми спектрометрами и энергодисперсионным спектрометром INCA (OXFORD, Англия) в Дальневосточном геологическом институте и в Университете Шимане, Япония. Ускоряющее напряжение и ток на образцах — 15—20 kB и 2 • 10-8 A, соответственно. Разрешение ППД — 137 eV В качестве стандартов использовались неоднократно апробированные во многих лабораториях природные и синтезированные минералы. Для количественного анализа углерода образцы и эталоны напылялись золотом. При анализе металлической части сферулы установлено, что при напылении образцов графитом наблюдается прирост концентрации углерода 5—6 мас. %. Определение микро- и макроэлементов в породах в основном выполнено рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре Rigaku RIX 2000 (Университет Шимане, Япония). Часть силикатных анализов была выполнена в Дальневосточном
геологическом институте стандартным методом "мокрой" химии.
Рентгеноструктурные исследования проведены на аппарате АРС-2 с монохроматизирован-ным FeKa излучением с источником ИРИС и камерой РКД — 57.3) фотометодом.
Для анализа газовой фазы минералов отбирались навески 100—200 мг мономинеральных фракций и стекла. Вскрытие навесок осуществлялось термическим методом (800—1000°С) в атмосфере чистого гелия с последующим определением Н2, СО, СН4, С02 и Н20 на хроматографе ЛХМ-8МД.
Выделение сферул проводилось как электромагнитной сепарацией из протолочек горных пород, так и отмывкой тяжелой фракции из элювия. Принадлежность сферул к первичному материалу подтверждена находками их непосредственно в шлифах и "сростками" с вмещающим игнимбри-товым стеклом.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Краткая геологическая характеристика Якутинской ВТС
Детальная геологическая, петрологическая и геохимическая характеристика Якутинской ВТС приведена ранее в ряде работ [Гребенников, 2003; Попов, Гребенников, 2000, 2001; Grebennikov, Макзтоу, 2006], поэтому ограничимся краткими сведениями. Рассматриваемая структура располагается в тыловой (западной) части Восточно-Сихотэ-Алинского вулканического пояса [Вулканические ..., 1984]. Она вытянута в северо-западном направлении на 40 км и достигает в поперечнике 20 км (см. рис. 1). На современном уровне среза она со всех сторон ограничена прямолинейными и дуговыми разломами, круто падающими к ее внутренним частям, часто заполненными дайками риодацит-порфиров и субвулканическими телами гранитов. Структура морфологически представляет собой депрессию с глубиной погружения фундамента до 2.5 км, в основании которой находятся интрузивы гранитного состава. В гравитационном поле она выражена интенсивным минимумом [Михайлов, 1989]. Западная и северо-западная части структуры в значительной степени эродированы до уровня приповерхностных магматических камер, выполненных субвулканическими гранитами. Вследствие этого стратифицированные образования отмечены только в южной и восточной части Якутинской ВТС.
В истории формирования вулканоструктуры выделяются два этапа. В первый (маастрихт) произошло накопление пирокластических отложений умеренно кислого состава, слагающих ее основание и отнесенных к сияновскому комплексу. Выходы этих пород наблюдаются в бортовых ча-
135°01' 135°10' 135°20'
1 2 3 |: ■ 4 5 6 ^7
Рис. 1. Схематическая геологическая карта Якутинской ВТС.
1 — терригенные породы фундамента; 2 — сияновский вулканический комплекс; 3—6 — богопольский вулканический комплекс: 3 — туфы различной степени спекания и игнимбриты с горизонтами вулканических стекол (покровы); 4 — граниты и риолит-порфиры (субвулканические тела); 5 — риолиты (брекчированные экструзивы); 6 — сферолитовые стекла (экструзивы); 7 — основные разломы. На врезке — географическое положение структуры. Разрез по линии А— В — на рисунке 7.
стях кальдеры и в эрозионных окнах среди толщ игнимбритов и туфов риолитов богопольского комплекса, сформированных во второй (даний-эоценый) этап.
Богопольский комплекс объединяет покровные эффузивные и вулканогенно-обломочные (потоки, покровы, пачки), экструзивно-жерловые (некки, вулканические жерловины, экструзивные купола) и субвулканические фации (корни вулканов — дайки, штоки, лакколиты). В целом комплекс характеризуется высококремнеземистым со-
ставом магматических пород, широким развитием вулканическ
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.