ПЕТРОЛОГИЯ, 2007, том 15, № 4, с. 361-396
УДК 550.422
СРЕДНИЕ СОСТАВЫ МАГМ И МАНТИИ СРЕДИННО-ОКЕАНИЧЕСКИХ ХРЕБТОВ И ВНУТРИПЛИТНЫХ ОКЕАНИЧЕСКИХ И КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ОБСТАНОВОК ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ РАСПЛАВНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ И ЗАКАЛОЧНЫХ СТЕКОЛ БАЗАЛЬТОВ
© 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, Россия; e-mail: vik@igem.ru
**Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
119991 Москва, ул. Косыгина, 19, Россия; e-mail: naumov@geokhi.ru Поступила в редакцию 14.09.2006 г.
На основании обобщения составов расплавных включений и закалочных стекол базальтоидов определены средние составы магм срединно-океанических хребтов (СОХ), континентальных внутрип-литных обстановок (КР), океанических островов и плато (ОО). Эти составы используются для оценки средних содержаний редких и летучих элементов в мантийных источниках. Разработан метод оценки средних содержаний несовместимых элементов, включая летучие компоненты (H2O, Cl, F, S), в мантии. Сравнение полученных средних содержаний элементов для деплетированной мантии (ДМ) и опубликованных данных показали, что для наиболее несовместимых элементов-примесей (H2O, Cl, F, Be, B, Rb, Sr, Zr, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Hf, Ta, Th и U) средние содержания надежно оцениваются с помощью отношения содержаний K и соответствующего элемента-примеси в магмах СОХ и среднего содержания K в ДМ. Для Nb, Ti, P, S, Li, Y и тяжелых РЗЭ использованы отношения их содержаний с содержанием близкого к ним по несовместимости элемента в магмах СОХ (для Nb -уран, для остальных элементов - Dy). Этот подход был использован для оценки средних содержаний несовместимых элементов в мантии океанических плюмов (МОП) и мантии внутриплитных континентальных обстановок или континентальных плюмов (МКП). Установлено, что средний состав океанических и континентальных мантийных плюмов умеренно обогащен по сравнению с ДМ наиболее некогерентными элементами (K, U, Ba, La), включая летучие (H2O, Cl, F). Степень обогащения летучими компонентами плюмовой мантии не достаточна для существенного понижения температуры солидуса мантийного материала (500—1500 ppm H2O). Поэтому мантийные плюмы должны быть горячее окружающей обедненной мантии. Cредние содержания несовместимых элементов-примесей в МОП близки к составу примитивной мантии, что может быть связано либо с сохранностью примитивной мантии в областях возникновения плюмов, либо с фертилизацией ДМ за счет глубинного мантийного рециклинга материала коры. В случае глубинного рециклинга минимум воды в спектре МОП объясняется участием в ее образовании дегидратированной коры. Рассмотрены вариации составов магм и их источников из различных геодинамических обстановок и показано, что источники являются неоднородными в отношении редких и летучих компонентов. Эта неоднородность составов источников магм и наличие постепенных переходов между ними свидетельствует о взаимодействии мантийных резервуаров. Химические вариации магм континентальных и океанических плюмов могут быть объяснены наличием нескольких взаимодействующих источников, включая обедненный материал и, по крайней мере, два обогащенных резервуара с разными содержаниями летучих компонентов. Эти вариации согласуются с зональной структурой мантийных плюмов, состоящих из горячей и сравнительно сухой центральной части, более холодной внешней оболочки с высокими содержаниями летучих компонентов и зоны взаимодействия плюма с обедненной мантией.
В современной мантии Земли выделяют де-плетированную мантию (ДМ), являющуюся источником базальтов срединно-океанических хребтов (СОХ), мантию океанических плюмов
(МОП), являющуюся источником магм океанических островов и плато, мантию континентальных плюмов (континентальных рифтов, горячих точек и т.п., МКП) и мантию островных дуг и актив-
ных континентальных окраин. Задача настоящей статьи - оценка средних составов и взаимосвязи первых трех типов мантии и выплавляемых из них магм. Более строго следовало бы назвать МОП и МКП мантией внутриплитных геодинамических обстановок, поскольку в последние годы появилось много публикаций, сильно модернизирующих классическую концепцию мантийных плюмов, а иногда и отказывающихся от нее. В данной статье мы рассматриваем "плюмовые" и "внутриплатные" геодинамические обстановки как синонимы. Средний состав деплетированной мантии оценивался в ряде работ (Sun, McDonough, 1989; McKenzie, O'Nions, 1991; Salters, Stracke, 2004; Workman, Hart, 2005). Для мантии океанических плюмов имеются определения содержаний ряда элементов в конкретных регионах (Dixon et al., 2002), а оценки средних составов только появляются (Коваленко и др., 2006а, 20066; Рябчиков, 2006). Средний состав источников магм континентальных плюмов практически не исследован, и имеются только оценки состава литосферной мантии под континентами (McDonough, 1990).
Состав мантии Земли, являющейся основным источником базитовых магм, можно оценить по отношениям содержаний несовместимых элементов в этих магмах (Hofmann, 1997). Такие оценки требуют решения, по крайней мере, двух задач: 1) как оценить состав магм на основании возникших из них пород, 2) как исключить влияние различной степени несовместимости химических элементов на их соотношения в магмах при разной степени дифференциации и плавления (или как перейти от отношений элементов в магмах к отношениям в источниках).
Один из перспективных подходов, используемых для решения первой проблемы, - изучение первичных расплавных включений в минералах магматических пород и стекол, возникших при закалке расплавов при повышенном давлении, например, на дне океана. В настоящее время это, вероятно, самый надежный путь для оценки состава и физико-химических параметров магм. Он стал особенно эффективен после появления локальных методов количественного химического анализа (электронный и ионный зонд, лазерная абляция, локальная инфракрасная спектроскопия и др.). С помощью таких методов удается определить состав расплавных включений в отношении как породообразующих элементов, так и летучих компонентов и элементов-примесей. В собранном нами банке данных имеются анализы более 23000 разнообразных по составу расплавных включений и закалочных стекол из различных геодинамических обстановок (Наумов и др., 2004), многие из которых использованы в данной работе.
Вторая проблема в настоящее время не имеет общего решения. Часть исследователей (например, Но^апи, 2003) считает, что для оценки состава мантии можно использовать только отношения в магмах элементов с близкой несовместимостью, которые практически не меняются во всем интервале степеней дифференциации и степеней плавления (например, Та/КЬ, КЬ/и и т.п.). К сожалению, таких устойчивых отношений немного, и они могут использоваться для определения ограниченного числа "реперных" отношений и концентраций в моделях состава мантии.
Другой очевидный путь заключается в моделировании процесса образования и дифференциации магм. При этом в качестве первого шага необходимо определить состав магмы, отделявшейся от мантии. Такие оценки могут быть сделаны на основании изучения составов расплавных включений в оливине мантийного состава (Соболев, 1993), содержащем не менее 90% форстери-тового минала. Используя определенную модель образования такого расплава, можно добавить его к предполагаемому мантийному реститу для определения исходного состава мантийного источника. Такой подход правомерен, но в этом случае мы теряем огромное количество фактического материала по включениям дифференцированных расплавов.
В наших предыдущих работах (Коваленко и др., 2006а, 20066) мы использовали несколько иной подход, не разделяя процессы выплавления первичной магмы из мантии и ее последующей кристаллизационной дифференциации. Если рассматривать только базитовые составы, то минеральные составы мантийного рестита и ассоциации кристаллизующихся минералов оказываются сходными. Тогда кристаллизующиеся в коровых камерах минералы можно добавить к мантийному реститу и рассматривать соотношения в различной степени дифференцированных расплавов и такого объединенного кристаллического остатка. Задача в этом случае сводится к отысканию зависимости отношений несовместимых элементов в расплаве от соответствующего отношения в источнике. В нашей предыдущей работе (Коваленко и др., 20066) мы рассмотрели поведение отношения двух несовместимых элементов 1 и 2, характеризующихся комбинированными коэффициентами распределения D1 и D2, в зависимости от соотношения масс расплава и рестита и разницы величин D1 и D2 (предполагалось, что элемент 2 характеризуется максимальной несовместимостью: D2 = 105). Отношение концентраций несовместимых элементов в магме (С1/С2) может сильно отличаться от отношения в источнике (мантии) при низких степенях плавления (<5%) и (или) высоких коэффициентах распределения более совместимого элемента 1. Отношение С1/С2 в магме равно соответствующему отношению в ис-
точнике при D2 - D1 = 0 или степени плавления, равной 1 (Hofmann, 1997). В нашей работе (Коваленко и др., 20066) показано, что до величины (D1 - D2) ~ 0.03 (в этот интервал попадают K, Ce, H2O, Cl, F, P, Ti и многие другие интересующие нас элементы-примеси) величина С1/С2 в магме отличается от значения в источнике не больше чем на 10-20%, что сопоставимо с аналитической погрешностью определения многих элементов. Для щелочных пород, образующихся при низких степенях плавления, эффект фракционирования несовместимых элементов может быть существенным, и для них желательно использовать только элементы с близкими значениями D. Рассматриваемые в данной статье элементы характеризуются низкими величинами D, но некоторые отличия между ними имеются. Самыми низкими величинами D между мантийными минеральными ассоциациями и базальтовыми магмами характеризуются калий и хлор (D < 0.01). Вода, по-видимому, немного более совместима: D ~ 0.01-0.02 (Michael, 1995; Hirth, Kohlstedt, 1996; Dixon et al., 1988), и близка к церию. Еще более
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.