ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 1, с. 102-110
УДК 550.42:552.323.5
ПРИСУТСТВИЕ МАНТИИ ИНДИЙСКОГО MORB-ТИПА ПОД КУРИЛЬСКОЙ ОСТРОВНОЙ ДУГОЙ: РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОТОПНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ МАФИЧЕСКИХ ЛАВ О-ВА КУНАШИР © 2012 г. Ю. А. Мартынов*, Дж. 'И. Кимура**, А. Ю. Мартынов*, А. В. Рыбин***, М. Катакузи****
*Дальневосточный геологический институт ДВО РАН просп. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022, Россия; e-mail: martynov@fegi.ru **Institute for Research on Earth Evolution, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology Yokosuka 237 0061, Japan; e-mail: jkimura@jamstec.go.jp ***Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН ул. Науки, 5, Южно-Сахалинск, 693022, Россия; e-mail: rybin@imgg.ru ****Kansai Construction Survey Co., LtD., Osaka 562, Japan; e-mail: maimai128@gmail.com
Получена в редакцию 22.03.2011 г. Получена после доработки 06.06.2011 г.
На основании новых данных по изотопии Hf, Pb и Nd в разновозрастных, преимущественно в основных, породах о-ва Кунашир рассматриваются вопросы природы надсубдукционной мантии южного звена Курильской островной дуги. По крайней мере, с позднего кайнозоя ее изотопный состав соответствовал мантии типа MORB Индийского океана. Граница с мантийным резервуаром тихоокеанского MORB-типа, проходила, вероятно, по Курило-Камчатскому желобу.
ВВЕДЕНИЕ
Зоны субдукции Западной Пацифики являются границами двух основных мантийных доменов Земли — индийского и тихоокеанского типов MORB (Klein et al., 1988; Rehkämper, Hofmann, 1997; Pearce et al., 1999; Nebel et al., 2007). Базальты срединно-океанических хребтов и островных дуг, производные мантийного резервуара индийского MORB-типа или DUPAL мантии (Milner, LeRoex, 1996; Peate et al., 1999), отличаются от пород мантии типа MORB Тихого океана элементным составом и изотопными отношениями Sr, Nd и Pb (Dupré, Allègre, 1983; Hamelin, Allègre, 1985; Mahoney et al., 1989, 1992). Наиболее информативными при выделении двух типов резервуаров считаются изотопы свинца, прежде всего величина 208Pb/204Pb отношения. По этому критерию мантия индийского типа MORB (DUPAL аномалия) была закартирована под островными дугами и задуговыми бассейнами Юго-Западной Пацифики (Loock et al., 1990; Haase et al., 2002; Hergt, Hawkesworth, 1994; Crawford et al., 1995 и др.), Северо-Восточной Японии и Японским морем (Hickey-Vargas 1991; Hickey-Vargas et al., 1995; Jol-ivet, Tamaki, 1992; Pouclet, Bellon, 1992 и др.). Присутствие мантии MORB-типа Тихого океана предполагалось под Камчатским полуостровом (Kesting et al., 1996; Straub et al., 2009; Мартынов и др., 2010).
Последние достижения плазменной спектрометрии (MC ICP-MS) позволяют использовать Hf-Nd изотопную систематику и созданные на
ее основе ковариационные диаграммы для уточнения различий и границ между мантийными доменами (Pearce et al., 1999; Woodhead et al., 2001; Munker et al., 2004). Это особенно актуально для субдукционных обстановок, где мобилизация Pb из измененной океанической коры и осадков может существенно менять первичный состав надсубдукционной мантии. Например, согласно (Pearce, Peat, 1995), до 75% свинца в островодужных базальтах контролируется суб-дукционными компонентами. В противоположность этому Hf и Nd практически немобильные в низкотемпературном водном флюиде, менее чувствительные к вторичным воздействиям, являются более надежными маркерами мантийных резервуаров под вулканическими островными дугами и задуговыми бассейнами (Pearce et al., 1999, 2007 и др.). Так, изотопы Hf позволили установить присутствие мантии индийского MORB-типа под Камчатским полуостровом (Munker et al., 2004).
В настоящей работе на основании новых данных по изотопии Hf, Pb и Nd в разновозрастных, преимущественно в основных, породах о-ва Кунашир рассматривается состав надсубдукцион-ной мантии южной зоны Курильской островной дуги, наименее изученной субдукционной системы Северо-Западной Пацифики.
Рис. 1. Схематическая карта Курильских островов и Курильской тыловодужной котловины. Серое поле в тыловой зоне о-ва Итуруп — область подводных вулканических сооружений, изотопный состав которых приведен в работе (Bindeman, Bailey, 1999); звездочкой помечен подводный вулкан Геофизик (Baranov et al., 2002).
Серая пунктирная линия — условная граница фронтальных и тыловодужных четвертичных вулканитов.
КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ
И ТЕКТОНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Курильская островная дуга, являющаяся частью глобальной геодинамической системы погружения Тихоокеанской океанической плиты под Северо-Американскую, состоит из Курило-Камчатского глубоководного желоба, Большой Курильской вулканической гряды и Курильской глубоководной котловины (рис. 1). При постоянной скорости сближения около 8.6 см/год возраст океанической коры вблизи Курило-Камчатского желоба составляет 90 млн. лет на севере и 118 млн. лет на юге. Максимальная глубина очагов землетрясений, до 650 км, также свидетельствует о древнем возрасте океанической коры. Все участки островной дуги классифицируются как зоны умеренного сжатия (Bailey, 1996).
Курило-Камчатский глубоководный желоб заполнен океаническими осадками, состоящими из континентального материала (17—80 об. %), кремнистого вещества биогенного происхождения (около 9 об. %), вулканического пепла (первые об. %) и небольшого количества карбонатов. Содержание континентального материала в осадках увеличивается с севера на юг (Ishikawa, Tera, 1997).
Формирование Курильской котловины относят к раннему-среднему миоцену (32—15 млн. лет). Несмотря на смену режима растяжения на сжатие в плиоцене (Baranov et al., 2002), магматические процессы в тыловой зоне оставались активными, по-видимому, вплоть до плейстоцена, о чем свидетельствуют высокий тепловой поток (до 105 мВт/м2) и наличие четвертичных (0.84—1.07 млн. лет) подводных вулканов на севере-востоке задугового бассейна (Baranov et al., 2002; Тарарин и др., 2000).
Зарождение Курильской вулканической дуги принято относить к олигоцену или раннему миоцену. Общая ее протяженность превышает 1150 км при ширине от 100 до 200 км. Традиционно в ее пределах выделяют северную, центральную и южную зоны или сектора. Глубина погружающейся Тихоокеанской океанической плиты варьирует от 94.2 км под Северными до 92 км под Южными Курилами (Syracuse, Albers, 2006). Мощность коры изменяется незначительно: от 28—33 км на юге, 25—30 км в центральной части и до 32—36 км на севере (Злобин и др., 1987). Присутствие в вулканитах ксенолитов метаморфиче-
ских пород (плагиоклаз-пироксеновых гранули-тов, кристаллических сланцев) свидетельствует о континентальной природе земной коры на всем протяжении Курильского архипелага (Фе-дорченко и др., 1989).
208pb/204pb
О 1 N 2 Л 3 V 4 5+6X7^8 9
Рис. 2. 208Pb/204Pb-206Pb/204Pb изотопные отношения в основных вулканитах Курило-Камчатсткой островодужной системы, в измененных базальтах и осадках Тихоокеанской плиты.
1—5 — лавы о-ва Кунашир среднемиоценового (1), познемиоценового (2), плиоценового (3), плиоцен-плейстоценового (4) и голоценового (5) этапов формирования. Залитые символы — вулканический фронт; незалитые — тыловая зона; 6 — плейстоцен-го-лоценовые вулканиты Южной Камчатки (Duggen etal., 2007); 7 — драгированные образцы подводных вулканов Курильской котловины (Baranov et al., 2002; Bindeman, Bailey, 1999); 8 — измененные базальты Тихоокеанской плиты (Duggen et al., 2007; Hauff et al., 2003); 9 — валовый состав осадков Тихого океана (Plank, Langmuir, 1998; Plank et al., 2007). При построении диаграммы использовались данные, опубликованные в работе (Martynov et al., 2010).
Вулканические и вулканогенно-осадочные породы, слагающие Курильские острова, подразделяются на два структурных яруса. Нижний сформирован умеренно деформированными неогеновыми отложениями, верхний — слабо деформированными плейстоцен-голоценовыми эффузивами. Вулканические породы обоих структурных ярусов варьируют по составу от базальтов до риолитов, но базальты и андезиты преобладают (Подводный вулканизм..., 1992).
АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Соотношение радиогенных изотопов Sr, Nd, Pb в разновозрастных лавах о-ва Кунашир, преимущественно в базальтах и андезитах, были получены ра-
нее (Martynov et al., 2010). 176Hf/177Hf отношение проанализировано в 5 образцах визуально слабо измененных магнезиальных базальтов (MgO = 5.27— 12.22 мас. %) среднемиоценового, плиоценового, плиоцен-плейстоценового и голоценового возрастов, отобранных как в пределах вулканического фронта, так и тыловой зоне (таблица).
Выбранные для аналитических исследований и истертые до пудры образцы в течение часа подвергали холодному кислотному травлению в 0.6 M растворе HCl. Твердый остаток промывали деионизи-рованной водой до полного удаления продуктов реакции. Высушенный порошок растворяли в тефлоновой кювете смесью HF-HNO3. Сепарацию Шпроводили по методу, описанному в (Blichert-Toft et al., 1997), после чего изотопный состав Hf определяли на приборе Plasma54 (VG Element) MC ICP-MS в университете Шимане (г. Матсуе, Япония). Аналитические данные по 176Hf/177Hf нормализовались к значению 176Hf/177Hf = 0.282160 (Bli-chert-Toft et al., 1997) во внешнем стандарте JMC 475. Общая аналитическая погрешность анализа не превышала ±0.000010.
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ Pb, Nd И Hf В ОСНОВНЫХ ЛАВАХ О-ВА КУНАШИР
На диаграмме 208Pb/204Pb-206Pb/204Pb (рис. 2) показано положение фигуративных точек составов проанализированных образцов о-ва Кунашир по отношению к дискриминантной линии MORB Тихого и Индийского океанов, по (Pearce et al., 1999). При близких значениях 206Pb/204Pb отношения разновозрастные основные вулканиты о-ва Кунашир характеризуются повышенными значениями 208Pb/204Pb по сравнению с плейстоцен-голоценовыми лавами Камчатского полуострова, формируя в поле MORB Индийского океана тренд, субпараллельный дискриминантной линии. Лавы задуговой Курильской котловины вместе с вулканитами Камчатского полуострова образуют единый кластер вблизи границы мантийных резервуаров. Измененная океаническая кора Тихоокеанской плиты (Hauff et al., 2003) по соотношению изотопов свинца соответствует мантии тихоокеанского MORB-типа, а осадочный чехо
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.