СРАВНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЙ ПЕТРОГЕННЫХ, ЛЕТУЧИХ И РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В РАСПЛАВАХ ОКЕАНИЧЕСКИХ ХРЕБТОВ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ВКЛЮЧЕНИЙ В МИНЕРАЛАХ
И ЗАКАЛОЧНЫХ СТЕКОЛ ПОРОД
© 2014 г. В. Б. Наумов*, В. А. Дорофеева*, А. В. Гирнис**, В. В. Ярмолюк**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19 E-mail: naumov@geokhi.ru **Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017Москва, Старомонетный пер., 35 E-mail: girnis@igem.ru Поступила в редакцию 18.06.2012 г. Принята к печати 14.08.2012 г.
На основе созданной нами базы данных, включающей опубликованные к настоящему времени содержания петрогенных, редких и летучих элементов в расплавных включениях в минералах и в закалочных стеклах вулканических пород, проведено сравнение для 71 элемента средних составов расплавов срединно-океанических хребтов (MORB) Атлантического, Тихого и Индийского океанов, а также определен средний состав MORB всех океанов Земли ("глобальный состав MORB"). Рассчитаны средние отношения некогерентных редких и летучих компонентов (H2O/Ce, K2O/Cl, Nb/U, Ba/Rb, Ce/Pb, Nb/U и др.) в магматических расплавах всех океанов. Определены вариации этих отношений и установлены значительные различия расплавов Атлантического и Тихого океанов.
Ключевые слова: океанические хребты, расплавные включения, закалочные стекла пород, редкие элементы, летучие.
DOI: 10.7868/S0016752514050070
Система срединно-океанических хребтов является наиболее ярко выраженной глобальной структурой, которая разделяет верхнюю оболочку планеты на ряд крупнейших литосферных плит. В пределах этих хребтов зарождается новая (юве-нильная) океаническая кора. Ее формирование неразрывно связано со спредингом — процессом раздвигания литосферных плит в осевой зоне хребтов. Воспроизводство океанической коры в зоне раздвига сопряжено с интенсивным магматизмом, областью питания которого является конвектирующая верхняя мантия. При этом вне зависимости от интенсивности мантийного ап-веллинга скорости спрединга и продуктивности магматизма, плавление мантии с образованием базальтовых расплавов происходит в узком интервале РТ-условий [1]. Благодаря однородному составу источника (обедненный верхнемантийный резервуар — DMM), простой схеме кристаллизации и низкой степени контаминации, составы базальтовых расплавов срединно-океанических
хребтов (МОЯБ) характеризуются большей однородностью по сравнению с основными расплавами других геодинамических обстановок [2, 3]. Поэтому анализы стекол МОЯБ являются привлекательным объектом для оценки состава обедненной мантии [4 и др.].
Несмотря на сравнительную однородность МОЯБ, в породах срединно-океанических хребтов отмечаются значительные вариации содержаний К, На, Бе, М§ и И. Природа этих вариаций, по-видимому, многофакторная и зависит от скорости спрединга, продуктивности магматизма, диапазона РТ условий дифференциации базальтового расплава и т.д. Так, зависимость содержаний титана и отношения железа к магнию с увеличением скорости спрединга была отмечена еще в 1980 г. [5]. С другой стороны, при малых скоростях спрединга, затрудняющих выход базальтовой магмы на поверхность, возрастает степень ее дифференциации, появляются порфировые и даже крупнопорфировые разности базальтов [5].
Наибольшие различия в скоростях спрединга устанавливаются между Восточно-Тихоокеанским поднятием, являющимся тектонотипом быстро-спрединговых хребтов (более 7 см/г.), и низкоспре-динговым (менее 3 см/г.) Срединно-Атлантиче-ским хребтом. Поэтому в соответствующих им магматических ассоциациях проявляются отмеченные выше особенности составов. Различия состава базальтов обоих океанов определяются не только скоростями спрединга, но и участием мантийных плюмов в образовании расплавов. Особенно важной была роль последних в образовании Срединно-Атлантического хребта и Атлантического океана в целом. Раскрытие океана было связано с активностью группы плюмов Африканского горячего поля мантии, которые и по сей день участвуют в его развитии и, в частности, контролируют позицию ряда островов, например, Исландии, Азорских, Вознесения и др. [6].
Участие плюмового компонента в источнике магм особенно ярко отражается в геохимических характеристиках магм. Так, магмы, сформированные в результате плавления деплетированной верхней мантии — основного источника расплавов в срединно-океанических хребтах, выделяются низкими содержаниями литофильных элементов и продуцируют геохимический тип базальтов М-МОЯБ (нормальные). Базальты, в образовании которых важную роль играл плюмовый компонент, обогащены литофильными элементами и выделяются как геохимический тип Е-МОЯБ (обогащенные) [7 и др.]. При явном преобладании обедненных составов (М-МОЯБ), в пределах Атлантического океана составы типа Е-МОЯБ играют существенную роль [8]. В этой связи важной проблемой является выявление региональных различий составов МОЯБ и в первую очередь различий составов магм основных океанических бассейнов — Атлантического, Тихого и Индийского. Такие исследования важны для оценки степени гомогенности конвектирующей верхней мантии, что задает граничные условия для построения глобальных геодинамических моделей.
Р. Аревало и У.Ф. МакДоноф недавно оценили средний состав МОЯБ на основании выборки 792 составов пород [1]. Эти исследователи выявили статистически значимые различия между средними составами МОЯБ Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Было показано, что по сравнению с базальтами из Тихого и Индийского океанов базальты Атлантического хребта обогащены не только высоко некогерентными элементами (легкими РЗЭ, элементами группы И, Sr, Ба, РЬ, ТИ и и), но и менее некогерентными (например, тяжелыми РЗЭ). Было высказано предположение, что подобное обогащение могло быть связано либо с участием плюмового (рецик-лированного) компонента в источнике, либо с меньшими степенями плавления или большей
степенью фракционирования вследствие медлен-но-спредингового происхождения. Было также показано, что МОЯБ Тихого океана имеют наибольшую степень обеднения некогерентными элементами, что связывалось с высокими степенями плавления вследствие быстрого спрединга и низкой степенью дифференцирования. Было отмечено, что по сравнению с МОЯБ Тихого и Атлантического океанов базальты Индийского океана имеют промежуточные содержания высоко некогерентных элементов и обеднены более когерентными элементами (например, Т1, Сг, Sc, и тяжелые РЗЭ).
Предлагаемые в работах [1, 5] петрохимиче-ский и геохимический подходы к анализу вариативности составов МОЯБ наряду с геодинамическими механизмами важную роль отводят процессам кристаллизационной дифференциации, которые могут вызвать значительные вариации содержаний рассеянных элементов. В этой работе мы ставим задачу оценить составы исходных расплавов МОЯБ. В основу ее положены данные изучения расплавных включений, несущих информацию о составе магм, которые еще не испытали существенной кристаллизационной дифференциации.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И СРЕДНИЕ СОСТАВЫ РАСПЛАВОВ
В предыдущих работах [2, 3, 9] мы показали, что составы расплавных включений в минералах могут быть использованы для оценки составов магм и мантийных источников. Преимущество использования составов включений связано с тем, что это позволяет минимизировать влияние процессов контаминации и вторичных изменений. В частности, становится возможным исследовать содержания летучих компонентов в магмах [2, 3, 10—12]. К настоящему времени накоплен большой объем данных по составам включений в минералах МОЯБ, включая содержания редких и летучих элементов. В данном исследовании была поставлена задача на основании нашей базы данных, включающей более 750000 определений по 74 элементам в расплавных включениях в минералах и в закалочных стеклах вулканических пород, оценить возможные различия между средними составами МОЯБ Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Кроме того, рассчитан средний состав МОЯБ всех океанов Земли ("глобальный состав МОЯБ" по [1]).
В табл. 1 представлены данные о количестве публикаций и определений по расплавным включениям и закалочным стеклам пород срединно-океанических хребтов этих океанов. Общее количество публикаций составило 146, а количество определений — более 9800. Не имея возможности в этой статье процитировать все публикации, в спис-
Таблица 1. Количество публикаций и определений по расплавным включениям в минералах и закалочным стеклам базальтов ^Ю2 = 40—54 мас. %) срединно-океанических хребтов (СОХ)
Объект Количество
исследования публикаций определений закалочных стекол включений в минерах
Атлантический океан 76 3816 2948 868
Тихий океан 73 5216 2903 2313
Индийский океан 30 614 451 163
Все океаны 146 9804 6430 3374
ке литературы приводятся только те, в которых имеется более 30 анализов. Для Атлантического океана это работы [13—39], для Тихого океана — [20, 22, 38, 40—70] и для Индийского океана — [38, 71—77]. В этих основных работах представлено более 87% от всех определений, по которым были подсчитаны средние составы и отношения элементов. Отметим также, что 91% от всех 9804 определений получены в последние 20 лет, а 68% определений - в последние 10 лет.
На рис. 1 представлены гистограммы распределения содержаний 8Ю2 в гомогенных расплав-ных включениях в минералах и в закалочных стеклах вулканических пород срединно-океанических хребтов трех океанов (рис. 1а, б, в) и общая гистограмма для всех океанов (рис. 1г). Содержания 8Ю2 в расплавах изменяются от 46 до 54 мас. % с отчетливым максимумом на всех гистограммах при 50—51 мас. % 8Ю2. Однако заметно различие для Атлантического и Тихого океанов. Если для расплавов Атлантического океана на интервал содержаний 8Ю2 46—50 мас. % приходится 21% от всех 3816 определений, то для расплавов Тихого океана в этот интервал содержаний 8Ю2 попадает уже 42% от всех 5216 определений. Такая же большая разница наблюдается для двух океанов и для интервала содержаний 8Ю2 51—54 мас. %: для расплавов Атлантического океана 32%, а для расплавов Тихого океана 13%. Такая разница свидетельствует о большей степени диффере
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.