CC BY
16
УДК 553.3
ГЕОХИМИЯ ПОРОД ВУЛКАНИЧЕСКОГО ЦЕНТРА УКСИЧАН (СРЕДИННЫЙ ХРЕБЕТ, КАМЧАТКА)
М.Ю. Давыдова1
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, 690022, Россия, г. Владивосток, пр. 100 лет Владивостоку, 159.
Изучены содержания главных петрогенных и микроэлементов среднеплиоценового и позднеплейстоцен-голоценового этапов вулканического центра Уксичан. Все анализируемые породы характеризуются единым мантийным источником с островодужным типом распределения микроэлементов (Nb и Ta минимумы, повышенные содержания Cs, Rb, Ba, Th, U, K, Sr, Pb). В вулканитах обнаружены зоны Au эпитермального оруде-нения. Наблюдаемые вариации в содержании петрогенных и микроэлементов могут быть связаны с фазовым составом источника, влиянием флюида и степенью плавления мантийного субстрата. Библиогр. 15 назв. Ил. 5.
Ключевые слова: Камчатка; Срединный хребет; вулкан Уксичан; микроэлементы.
GEOCHEMISTRY OF LAVAS FROM UKSICHAN VOLCANIC FIELD (SREDINNY RIDGE, KAMCHATKA)
M.Yu. Davydova
Far East Geological Institute Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences,159, Prospekt 100—letiya, Vladivostok, 690022, Russia.
The contents of major and trace elements of Middle Pliocene and Late Pleistocene-Holocene volcanic rocks from Uksichan volcanic field have been studied. All analyzed rocks are characterized by a single mantle source with a subduction signature (minimum of Nb and Ta, elevated concentrations of Cs, Rb, Ba, Th, U, K, Sr, Pb). Au epithermal zones of mineralization detected in volcanic rocks. Observed variations of major and trace element compositions can be associated with the phase composition of the source, the influence of slab-derived fluid and the extent of mantle melting. 15 sources. 5 figures.
Key words: Kamchatka; Sredinny Ridge; Uksichan volcano; trace elements.
Введение. Курило-Камчатская дуга, в том числе и ее Камчатский сегмент, является единственным в России регионом, где возможно изучение современного субдукционного вулканизма. За последние 30 лет в отечественной и зарубежной литературе опубликовано большое количество работ как по минералогическим, петрохимическим и изотопно-геохимическим особенностям плейстоцен-голоценовых лав полуострова [2], так и по вещественной эволюции магм отдельных вулканических сооружений. Прежде всего, это относится к Ключевской [10] и Мутновско-Гореловской [11] группам вулканов. В меньшей степени изучены разновозрастные вулканиты Срединного хребта (Цен-трально-Камчат-
ский вулканический пояс), занимающего тыловое положение по отношению к структурам современной островодужной системы полуострова Камчатки [4, 12,
15].
Изучение геохимических особенностей вулкана Уксичан, который является одним из наиболее крупных построек Срединного хребта Камчатки (рис. 1), позволяет рассмотреть эволюцию вулканических процессов от развития тылового вулканического пояса островодужной системы до этапа становления современной структуры Камчатки, т.е. для временного диапазона ~ 3.5 млн лет.
В истории развития вулканического центра выделяются этапы: - миоцен-плиоценовый - формирование
Давыдова Мария Юрьевна, младший научный сотрудник, тел.: 89143218764, e-mail: [email protected]
Davydova Maria, Junior Researcher, tel.: 89143218764, e-mail: mydavydova@mail. ru
Рис.1. Схема геологического строения вулкана Уксичан [5]:
1 -голоценовые ^4) ареальные шлаково-лавовые вулканические конусы; 2 - позднеплейстоце-новые ^3)) щитовые вулканические постройки; 3 - среднеплиоценовая (N2) постройка вулкана Уксичан; 4 - стратовулкан; 5 - щитовой вулкан; 6 - кальдера-вулкан; 7 - внутрикальдерный экструзивный комплекс; 8 - миоцен-плиоценовый (N¡-N2) вулканогенный фундамент; 9 -участки эпитермального оруденения; 10 - кольцевые разрывные нарушения кальдеры; 11 -разрывные нарушения кальдеры, грабена долины р. Уксичан и вулканогенного фундамента (1), другие предполагаемые и дешифрованные разрывные нарушения (2); 12 - максимальные и маркирующие абсолютные высотные отметки, наименования горных сооружений и рек. На врезке: положение вулкана Уксичан (залитый знак ромба) и вулканических поясов на территории Камчатки
вулканогенного фундамента;
- среднеплиоценовый - развитие сложной постройки вулкана Уксичан, представляющей вулканический аппарат центрального типа, в бортах трого-вой долины р. Уксичан в составе вулканитов обнаружены зоны Аи эпитер-мального оруденения;
- позднеплейстоцен-голоценовый -площадные излияния с формированием небольших щитовых вулканов и ареаль-ных конусов. Горячие источники в до-
лине р. Уксичан действуют и в настоящее время.
Основные геологические особенности строения вулканического центра Уксичан и прилегающей территории описаны в [3, 7, 8, 9], а геохимическая типизация пород приведена в [1, 4].
Нами на основе изучения геохимических особенностей пород центральной части вулкана Уксичан сделана попытка выявления источника маг-могенерации среднеплиоценовых и
позднеплейстоцен-голоценовых вулканических образований.
Методы исследований. Аналитические работы производились в Дальневосточном геологическом институте (ДВГИ) ДВО РАН, Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Концентрации петрогенных элементов (72 образца) определялись в лаборатории аналитической химии ДВГИ ДВО РАН с применением гравиметрии (SiO2) и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (TiO2, AhO3, Fe2O3*, CaO, MgO, MnO, K2O, Na2O, P2O5) на спектрометре ICAP 6500 Duo (Thermo Electron Corporation, США). В качестве внутреннего стандарта добавлялся раствор кадмия (концентрация 10 г/т) (аналитики В.Н. Каминская, М.Г. Блохин, Г.И. Горбач). Преимущественно основной состав и относительно низкое содержание щелочей в исследуемых образцах дают основание применять для перевода в раствор метод открытого кислотного разложения в смеси кислот HF, HNO3, HClO4 («superapure», Merck) в отношении 2.5:1:0.5. Градуировочные растворы готовились из стандартных образцов состава ДВА, ДВБ, ДВД, ДВР, СА-1 (Россия) путем открытого разложения. Определение примесных элементов (42 образца) выполнялось методом ICP-MS на квадрупольном масс-спектрометре Agilent 7500 (Agilent Technologies, США) с использованием в качестве внутреннего стандарта 115In при конечной концентрации в растворе 10 мг/т. Для градуирования прибора использовали многоэлементные сертифицированные растворы CLMS -1, -2,- 3, -4 (США); в качестве стандартов - геологические образцы базальтов JB-2, JB-3, андезита JA-2 (Япония).
В Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН содержания породообразующих окислов (200 образцов) определялись на многоканальном X-Ray спектрометре CPM-25 (Россия) с
разделением F2O3/FeO методом титрования. Данные по концентрациям микроэлементов (40 образцов) были получены на масс-спектрометре с магнитным сектором ELEMENT 2 (Finnigan MAT, Germany) с подготовкой проб открытым разложением и на квадруполь-ном масс-спектрометре Agilent 7500 методом сплавления для кислых пород. Величины относительного стандартного отклонения, оцененные по повторным измерениям в стандартных образцах (с содержаниями микроэлементов, близкими к анализируемым породам) варьировали от 0.3-0.8% (Sr, Zr, Cs, Nd, La) до 7-8% (Cr, Zn, Tm). Достоверность анализа контролировали по международным стандартным образцам базальтов BIR-1, BHVO-1, JB-2, BCR-2, долерита DNC-1, риолита RGM-1 и андезита AGV-1.
Результаты исследования. Изученные вулканические комплексы характеризуются широкими вариациями петрохимических типов и серий по соотношению SiO2-K2O (рис. 2). Породы среднеплиоценового этапа относятся к высококалиевой серии и имеют значительные вариации кремнекислотности от 49 мас.% до 70 мас.% SiO2 (базальт-риолит). Вулканогенные образования позднеплейстоцен-голоценового этапа относятся к умереннокалиевой серии, характеризуясь кроме того более узким диапазоном величин содержаний SiO2 -от 48 до 58 мас.% (базальт-андезибазальт-андезит).
На диаграмме MgO - петрогенные элементы наблюдается закономерная эволюция пород, выраженная в падении содержаний MgO, FeO, CaO и росте содержаний SiO2, Na2O, K2O (рис. 3). Пет-рохимические тренды среднеплиоцено-вых и позднеплейстоцен-голоценовых пород имеют явные отличия. Базальты и андезибазальты позднеплейстоцен-голоценового этапа характеризуются более высокими содержаниями MgO и низкими концентрациями FeO и CaO.
Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН № 2 (43) 2013 7
6
5
4
3
2
1
0
о й
О
сч
48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76
ЭЮ2 (мас.%) 1-И 2-П 3- А 4- V 5-# 6-#
Рис. 2. Классификационная диаграмма ^20 + К2О^Ю2по [6], с небольшими изменениями:
1 - породы стратовулкана Уксичан N2); 2 - высокоглиноземистые породы вулкана Уксичан N2); 3 - породы щитового вулкана Уксичан (N2); 4 - породы кальдеры-вулкана Уксичан (N2); 5 - породы поздних щитовых вулканических построек 6 - породы ареальных конусов ^4)
75 70 65 60 55 50 45
12 10 8 6 4 2 0
12 10 8 6 4 2 0
22 21 20 19 1
17 16 15 14 13 12
БеО (мас.%) 1 ▲ 1
□ Л* •
4 аА
/
10
246 М§0 (мас.%)
10
246 М§0 (мас.%)
8 10
0
2
4
6
8
0
8
0
Рис 3. Вариации содержаний оксидов петрогенных элементов в зависимости от содержания MgO в породах вулканического центра Уксичан.
Условные обозначения см. на рис. 2
Графики распределения микроэлементов для всех изученных пород имеют типичные островодужные признаки. Это выражается в различной степени обеднения высокозарядными (HFSE) и тяжелыми редкоземельными элементами (HREE) и обогащения крупноионными и легкими редкоземельными элементами (LREE) (рис. 4).
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что для всех изученных пород характерно обеднение по HREE относительно N-MORB. Эта особенность ранее была отмечена для пород Восточного вулканического фронта, Центральной Камчатской Депрессии и Срединного хребта Камчатки [12, 2] и связывается с предшествующими актами плавления мантии. Все породы поздеплейстоцен-голоценового этапа отличаются от плиоценовых пород снижением концентраций HREE и увеличением кремнекис-лотности. Это, по-видимому, связано с изменением фазового минерального состава мантийного субстрата, в частности, присутствием граната, который концентрирует данные элементы. Кроме того,
1000
100
£ 10
ев
ч о
а 1 о 1
С
0.1
100
£ 10
ев
ч
о & 1
с
0.1
Стратовулкан
Щитовой вулкан
породы позднего этапа магматизма Q4) в существенно меньшей степени обогащены флюид-мобильными элементами (Cs, Rb, ^ ^ Pb) по отношению к породам вулкана Уксичан (N2) (см. рис. 4, 5).
Для составов всех изученных пород на графиках распределения маг-матофильных элементов наблюдается четкая Nb-Ta аномалия. Породы вулкана Уксичан (N2) и ареальных конусов
имеют концентрации HFSE ниже, чем базальты срединно-океанических хребтов (N-MORB). Базальты поздних щитовых вулканических построек ^3), напротив, имеют концентрации HFSE несколько выше, чем в N-MORB. Такая особенность отражает различную степень обогащения мантийного источника этими элементами и/ или различную степень плавления.
Породы ареальных конусов характеризуются самыми низкими концентрациями LREE по отношению к другим породам вулканического центра, тогда как поздние щитовые вулканические постройки ^3) отличаются наибо-
1000
Поздние щитовые вулканические постройки
Ареальные конуса
100 I
10
ев
ч
о
а
о
с
0.1
100 I
■ 10
св
ч
о
а
о
с
0.1
08 Ва и № Ьа РЬ Эг Ш Ш Ей Т1 Бу Но Тт Ьи Ск Ва И № Ьа РЬ Эг Ш Ш Ей Т1 Бу Но Тт Ьи ЯЬ ТЬ К Та Се Рг Р Zг Эт Оё ТЬ У Ег УЬ ЯЬ ТЬ К Та Се Рг Р Zг Эт Оё ТЬ У Ег УЬ
Рис. 4. Многокомпонентная диаграмма распределения содержаний некогерентных элементов, нормированных к N-MORB [14].
Полем показаны составы базальтов и андезибазальтов вулкана Уксичан (N2)
Рис. 5. Диаграммы Та/П-1Ъ/П, иМЬ-Ш/Та, MgO-Hf/Zr, MgO-Yb.
Стрелками показаны направления снижения степени плавления в источнике для разных возрастных типов пород. Остальные условные обозначения см. на рис. 2
лее высокими содержаниями данных элементов. На диаграмме распределения редкоземельных элементов составы пород вулкана Уксичан занимают промежуточное положение. Такое распределение ЬЯЕЕ предполагает различные степени плавления при условии, что субстрат был одного и того же типа. Таким образом, породы поздних щитовых вулканических построек ^3) образовались при меньших степенях плавления, чем ареальные конуса (04), что также подтверждает более примитивный состав последних. Такой же вывод делает и А.Б. Перепелов [4].
В данной статье мы рассматривали преимущественно основные породы, что позволяет исключить влияние процессов фракционирования и контаминации коровым веществом. К тому же в предыдущих работах [12] показано, что
субдуцируемые осадки практически не влияют на генерацию базальтовых магм Камчатки. Поэтому мы предполагаем, что наблюдаемое разнообразие химических составов может быть напрямую связано с гетерогенностью источников магм и физико-химическими условиями их образования. В качестве возможных компонентов источника изученных пород следует рассматривать мантийное вещество К-МОКБ-типа и водный флюид, отделяющийся от субдуцируе-мой плиты. Согласно [13], водный флюид, отделяющийся от плиты, поставляет большую часть легких литофильных элементов и в меньшей степени - легких редкоземельных элементов. Источником же тяжелых редкоземельных и высокозарядных элементов, которыми флюид обеднен, в основном является мантия [2]. Графики распределения
микроэлементов в изученных породах имеют явные островодужные признаки с четкими Nb-Ta минимумами и максимумами флюид-мобильных элементов.
Обращают на себя внимание высокие концентрации HFSE в поздних щитовых вулканических постройках ^3). Данная особенность также встречается и в других позднеплейстоцен-голоценовых моногенных образованиях Срединного хребта Камчатки [2, 15]. В [2,15] предполагается, что состав источника магм Срединного хребта может быть описан в рамках трехкомпонентной модели смешения флюида и двух мантий N-MORB-типа и OIB-типа. При этом высокие содержания HFSE в породах вызваны участием в магмогенерации обогащенного субстрата (OIB-типа). Данное предположение не объясняет геохимические особенности пород поздних щитовых вулканических построек ^3). Поскольку Nb/Ta и Zr/Hf отношения в магматических расплавах сохраняют информацию о составе источника плавления, то их близкие отношения во всех изученных породах вулканического центра Уксичан предполагают единый мантийный источник магм (N-MORB-типа) (см. рис. 5). Различия же лав среднеплиоценового и позднеплейстоцен-голоценового этапов связано, по-видимому, с величиной степени плавления мантийного субстрата, ролью флюида и фазовым минеральным составом источника.
Мы предполагаем, что относительно высокие концентрациями HFSE и LREE, а также низкие содержания М§0 (до 6.5 мас.%) в породах поздних щитовых вулканических построек ^3) связаны с низкой степенью плавления мантийного субстрата.
Породы ареальных конусов ^4), напротив, характеризуются относительно низкими концентрациями HFSE и LREE и высокими содержаниями М§0 (до 9 мас.%), что в свою очередь предполагают высокую степень плавления субстрата.
Уменьшение концентраций HREE
в основных породах позднеплейстоцен-голоценового этапа свидетельствует о появлении в реститовой минеральной ассоциации граната, что в свою очередь предполагает более глубинную магмоге-нерацию исходных для них магм в отличие от лав среднеплиоценового этапа (см. рис. 5). Кроме того, расплавы вулкана Уксичан (N2) образовались при значительно более высокой роли флюида в магмогенезе, чем магмы позднеплейсто-цен-голоценового этапа.
Выводы
1. Породы среднеплиоценового и позднеплейстоцен-голоценового этапов характеризуются островодужным типом распределения микроэлементов (№ и Та минимумы, повышенные содержания Cs, Rb, Ва, ТИ, и, К, Sr, РЬ).
2. Согласно геохимическим характеристикам, породы вулканического центра Уксичан характеризуются единым мантийным источником.
3. Различия лав среднеплиоценово-го и позднеплейстоцен-голоценового этапов связаны с фазовым минеральным составом мантийного источника, ролью флюида и с величиной степени плавления мантийного субстрата.
4. Базальты среднеплиоценовой постройки вулкана Уксичан образовались при плавлении мантийного субстрата в отсутствие граната и при значительном участии в процессах магмообра-зования водного флюида. Магмы позд-неплейстоцен-голоценового этапа, напротив, образовались при значительно меньшем влиянии флюида, их формирование происходило на сравнительно более глубинных горизонтах надсубдукци-онной мантии, а магмогенерирующий мантийный субстрат был гранатосодер-жащим.
5. Высокие концентрации HFSE в породах поздних щитовых вулканических построек ^3) связаны с низкой степенью плавления мантийного субстрата.
6. Зоны эпитермального орудене-ния вулкана Уксичан связаны с источниками вещества из надсубдукционной
метасоматизированнои мантии и с процессами эволюции близповерхностных магматических камер.
Благодарности. Автор искренне благодарен В.Л. Леонову и А.Н. Рогозину за помощь и сотрудничество в организации и проведении полевых работ и особенно А.Б. Перепелову за предоставление образцов для исследования, а также за обсуждение материалов, ценные замечания и рекомендации в процессе подготовки статьи.
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-05-01009) и Интеграционного проекта СО РАН № 79.
Библиографический список:
1. Антипин В.С., Волынец О.Н., Перепелов А.Б. и др. Геологические соотношения и геохимическая эволюция извест-ково-щелочного и субщелочного вулканизма кальдеры Уксичан (Камчатка) // Геохимия магматических пород современных и древних активных зон. Новосибирск: Наука, 1987. С. 72-81.
2. Волынец А.О., Чурикова Т.Г., Вер-нер Г. Геохимия вулканических пород Срединного хребта Камчатки // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2005. № 2. Вып. 6. С. 21-33.
3. Огородов Н.В., Кожемяка Н.Н., Ва-жеевская А.А. и др. Вулкан Уксичан в Срединном хребте Камчатки // Вулканизм и геохимия его продуктов. М.: Наука, 1967. С. 93-111.
4. Перепелов А.Б. Геохимия поздне-каинозоиских высококалиевых вулканических серии островодужнои системы Камчатки: дис. ... канд. геол.-минералог. наук. Иркутск, 1989. 394 с.
5. Перепелов А.Б., Чащин А.А., Мартынов Ю.А. Срединно-Камчатская зона (плиоцен-голоцен) // Геодинамика, магматизм и металлогения Востока России: в 2 кн. Владивосток: Дальнаука, 2006. Кн. 1. С. 369-382.
СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2009. 198 с.
7. Скороходов В.Н. Динамика развития кольцевых структур на примере камчатских вулканов Уксичан, Крашенинникова и Малый Семячик // Проблемы глубинного магматизма. М.: Наука, 1979. С. 117-124.
8. Скороходов В.Н. Некоторые особенности эволюции четвертичного вулкана Уксичан (Срединный хребет Камчатки) // Палеовулканологические реконструкции. Новосибирск: Наука, 1976. С. 113-121.
9. Стефанов Ю.М., Широкий Б.И. Металлогения верхнего структурного этажа Камчатки. М.: Наука, 1980. 104 с.
10. Хубуная С.А., Гонтовая Л.И., Соболев А.В. и др. Магматические очаги под Ключевской крупой вулканов (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 2007. № 2. С. 98-118.
11. Чащин А.А., Мартынов Ю.А. Петрология пород вулканов Горелый, Мут-новский (Южная Камчатка). Владивосток: Дальнаука, 2011. 270 с.
12. Churikova T., Dorendorf F., Worner G. Sources and fluids in the mantle wedge below Kamchatka, evidence from across-arc geochemical variation // Journal of Petrology. 2001. V. 42. № 8. P. 1567-1593.
13. McCulloch M.T, Gamble A.J. Geo-chemical and geodynamical constraints on subduction zone magmatism // Earth and Planetary Science Letters. 1991. Vol. 102. P.
14. Pearce J.A. Role of the subcontinental lithosphere in magma genesis at active continental margins // Continental basalts and mantle xenoliths. Nantwich: Siva Publ., 1983. P. 230-249.
15. Volynets A., Churikova T., Worner G. et al. Mafic Late Miocene - Quaternary volcanic rocks in the Kamchatka back arc region: implications for subduction geometry and slab history at the Pacific-Aleutian junction // Contributions to mineralogy and petrology. 2010. V. 159. № 5. P. 659-687.
6. Петрографический кодекс России.
Рецензент доктор геолого-минералогических наук, профессор Иркутского государственного технического университета С.В. Ефремов
