Изотопные и РЗЭ доказательства гетерогенности андезитового вулканизма

Изотопные и РЗЭ доказательства гетерогенности андезитового вулканизма.

Б.В.Иванов, В.Н.Голубев, В.А.Ляликова.

В статье приведены новые данные отношений Sr⁸⁷/Sr⁸⁶, Nd¹⁴³/Nd¹⁴⁴ и содержания РЗЭ в андезитах вв. Жупановские Востряки и Кизимен. Показаны четкие различия в происхождении ранее выделенных /Иванов, 1990/ толеитовых андезитов I типа мантийного происхождения и известково-щелочных II типа, мантийно-коровых. Корреляция изотопных данных с данными РЗЭ (по европию, неодиму и самарию) подтверждает заметное влияние коровой компоненты в происхождении II типа андезитов.

Рассмотрение изотопных значений Sr⁸⁷/Sr⁸⁶, Nd¹⁴³/Nd¹⁴⁴ и анализ содержаний РЗЭ на примере двух андезитовых вулканов Камчатки: Кизимен и Жупановские Востряки, позволяют получить новые данные, подтверждающие сделанные ранее выводы о существовании двух генетических типов андезитов [4]. Андезиты Камчатки по петрохимическим свойствам относятся к толеитовым и известково-щелочным породам нормальной щелочности, высокой глиноземности и известковостости. Сравнительный анализ петрохимических и геохимических параметров андезитов Камчатки и андезитов Тихоокеанского подвижного пояса (ТПП) свидетельствует о различных путях формирования толеитовых и известково-щелочных андезитов и об участии в генезисе вторых вещества коры. Этот анализ позволил выделить андезиты I типа (толеитовые) как мантийные производные, и II типа (известково-щелочные) как мантийно-коровые.

Под термином "мантийный" андезитовый вулканизм понимается тип вулканизма, который характеризуется, во-первых, приуроченностью к линейным сквозькоровым разломам и рифтовым зонам; во-вторых, достаточно простым глубинным строением вулканических аппаратов, выражающемся в непосредственной связи с верхней мантией, т.е. отсутствием системы достаточно крупных (поперечником более 3-5 км) долгоживущих коровых и периферических очагов; в-третьих, широким развитием базальтоидного вулканизма и всего ряда его производных от андезито-базальтов до риолитов; в-четвертых, характерным набором типов вулканических извержений (стромболианский, вулканско-стромболианский, плинианский).

Под термином "мантийно-коровый" андезитовый вулканизм понимается тип вулканического процесса, характеризующегося, во-первых, приуроченностью к разломам корового заложения, оперяющим линейные сквозькоровые разломы, и, как правило, локализующегося в пределах кальцевых и субкальцевых вулкано-тектонических структур; во-вторых, сложным глубинным строением вулканических аппаратов, обусловленным присутствием системы долгоживущих очагов, промежуточных, глубинных коровых и периферических, как имеющих, так и не имеющих связи с верхней мантией; в-третьих, широким развитием пород среднего и субкислого составов с петрохимически двойственной природой, обусловленной процессами взаимодействия магмы с веществом коры; в-четвертых, определенным типом вулканических извержений (преимущественно вулканский, направленные взрывы).

По минералогическому составу в первом типе преобладают двупироксеновые андезиты (>50%), во втором - роговообманково-пироксеновые и роговообманковые андезиты (до 80%). Характерными петрографическими признаками андезитов I типа являются: менее кальциевый состав вкрапленников клинопироксенов, постоянное присутствие в основной массе пижонитов, безамфиболовые гомеогенные включения и небольшое количество ксенолитов. Во II типе андезитов - более кальциевые клинопироксены, субкальцвый авгит в виде микролитов и субфенокристаллов, в основной массе редко - пижонит, много ксенолитов дунит-гарцбургитовой, пироксенитовой, габбро-амфиболитовой и гранитоидной ассоциаций. Значение изотопов Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ в ксенолитах 0,7037 - 0,7045, ср. 0,7042 [4]. Важной особенностью ксенолитов являются признаки взаимодействия с магматическими расплавами. К петрохимическим особенностям андезитов I типа относятся: меньший диапазон содержаний SiO₂ (57-59%), Fe₂O₃+FeO>7%, они менее щелочные, индекс глиноземистости al' =1,67 - 1,76, индекс фемичности >10. В андезитах II типа диапазон SiO₂ (59-63%), Fe₂O₃+FeO< 7 андезиты более щелочные и более глиноземистые (al' =1,76 - 2,01) с индексом фемичности <10. Андезиты I и II типов имеют заметные геохимические отличия: толеитовые обогащены Mn, V, Co, Zn, Ca, Ti, Sr, Sc; известково-щелочные - K, Na, Li, Rb, Ba. В первых устойчиво большие значения отношений Sc/Ni, Ba/Sr<1; во вторых Ba/Sr>1, более высокие значения Hf/Yb, Th/U. Изотопные отношения стронция имеют низкие значения и меньший разброс (0,7028-0,7038, среднее 0,7033) в андезитах мантийного питания, и более высокие значения и большой разброс (0,7030-0,0740, среднее 0,7035) в андезитах корово-мантийного происхождения [3]. Значение ¹⁸О в андезитах I типа от +4,1 до +7,7%, среднее +5,7%, андезитах II типа от +6,5% до 9,2%, среднее +7,7%. Значения изотопов Sr и O и их флюктуляции свидетельствуют об участии в образовании андезитов II типа корового вещества [2].

По комплексу экспериментальных, петрографических и петрогеохимических данных наиболее хорошо согласующимся механизмом образования андезитов является фракционная кристаллизация андезито-базальтовых магм с умеренным содержанием H₂O (1,5 - 2%) с отделением магнетитовой ассоциации. Этот процесс идет при пониженном содержании H₂O и низкой летучести кислорода в магматическом канале при образовании андезитов I типа, и повышенных содержаниях H₂O, повышенной летучести кислорода и взаимодействии с веществом коры в промежуточных и глубинных коровых очагах при образовании андезитов II типа [4].

Приведенные доказательства в пользу существования двух типов андезитов нуждались в более весомых данных на изотопном уровне. Такая возможность появилась с получением значений изотопов Nd и дополнительных данных по изотопам Sr. Для сравнения были выбраны два вулкана: вулкан Жупановские Востряки и Кизимен. На первом ярко проявлены андезиты I типа, на втором - II типа. Как первый, так и второй находятся в пределах Восточного вулканического пояса. Вулкан Жупановские Востряки располагается в южной части Жупановской кольцевой структуры, вулкан Кизимен - в северной части Восточной вулканической зоны на Ю-В борту Щапинского грабена. Расстояние между вулканами 190 км. На рис. 1 и в табл. 1 представлены систематика пород вулканов на диаграмме FeO/MgO - SiO₂ и химические составы пород. Совершенно ясно видно разграничение андезитов I и II типов. Это разграничение заметно также по содержаниям микроэлементов; наиболее сильно - по содержанию щелочных элементов (Rb, Li, Cs) и Ba/Sr отношениям.

На рис.2 показаны соотношения изотопов неодима и стронция в породах рассматриваемых вулканов, а в табл.2 - результаты изучения изотопного состава Sr и Nd. Из приведенного материала отчетливо видна обособленность полей по изотопным меткам Nd и Sr андезитов I и II типов. Повышенные значения Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ в андезитах II типа свидетельствует об участии компонентов коры в их происхождении. Однако может появиться вопрос: не связаны ли повышенные значения изотопов Sr и Nd как в первом так и втором типах андезитов с различным составом пород верхней мантии под вулканами? Для разрешения этого вопроса нами были проведены исследования содержаний РЗЭ в тех же образцах андезитов. На рис. 3 показаны модели РЗЭ в андезитах I и II типа, а в табл. 3 - концентрации РЗЭ. При сравнении моделей РЗЭ обнаруживается их большое сходство, что свидетельствует о близком составе верхней мантии под вулканами Жупановские Востряки и Кизимен. Некоторые отличия улавливаются в значениях Eu/Eu*= Eu, где [Eu] - измеренное содержание европия, а [Eu*] - его содержание в хондритах [5]. В андезитах в.Жупановские Востряки Eu - 0,48, андезитах в.Кизимен 0,95, что свидетельствует о разной степени фракционирования расплавов андезитов I и II типов. Повышенные значения Eu также указывают на заметную роль корового материала. Отношение Sm/Nd может быть показателем степени дифференциации расплавов и процессов ассимиляции. В ходе дифференции Nd накапливается в остаточных расплавах, в то время , как концентрация Sm увеличивается незначительно, и породы, в генезисе которых участвует коровая компонента, имеют низкие Sm/Nd значения [1]. В породах Жупановские Востряки значения Sm/Nd в базальтах (0,30), андезито-базальтах (0,34) и андезитах (0,26). В андезито-базальтах и андезитах в.Кизимен значение Sm/Nd заметно ниже (соответственно 0,28 и 0,25). Значение Nd в двупироксновых андезитах I типа +9,1, в роговообмонково-пироксеновых андезитах II типа +8,6. Это означает, что андезиты II типа несут коровую нагрузку.

Проведенные исследования изотопного состав Sr и Nd в андезитах Камчатки позволяют сделать следующие выводы:

Андезиты с высокими значениями Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ и низкими Nd¹⁴³/Nd¹⁴⁴ относятся к известково-щелочным породам мантийно-корового происхождения.

Андезиты с низкими значениями Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ и высокими Nd¹⁴³/Nd¹⁴⁴ следует относить к толеитовым андезитам мантийного генезиса.

Корреляция изотопных данных с данными РЗЭ по европию, неодиму и самарию подтверждает вышесказанное.

Список литературы

Балашов Ю.А., Корпенко С.Ф., Филиппов Л.В. Изотопы стронция, неодима, кислорода и редкоземельные элементы как индикаторы источников и эволюции гранитоидного магматизма // Геохимия. 1982. N12. C. 1705-1716.

Иванов Б.В., Устинов В.И. Изотопный состав кислорода в андезитах Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1988. N4. C. 26-31.

Иванов Б.В., Плюснин Г.С. Изотопный состав стронция в андезитах Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1988. N6. C. 19-25.

Иванов Б.В. Типы андезитового вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. М.: Наука, 1990. C. 213.

Фор. Г. Основы изотопной геологии. М.: Мир, 1989. С. 590.