Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геохимия и петрология магматизма поднятия Афанасия Никитина и подводных гор Обь и Лена поднятия Конрад (Индийский океан)

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Геохимия и петрология магматизма поднятия Афанасия Никитина и подводных гор Обь и Лена поднятия Конрад (Индийский океан)"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ГЕОХИМИИ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. В.И.Вернадского

На правах рукописи

I И.иг

]^БорисоваАнастасия Юрьевна

Геохимия и петрология магматизма поднятия Афанасия Никитина и подводных гор Обь и Лена поднятия Конрад (Индийский океан)

Специальность 04.00.02 - геохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата

геолого — минералогических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Институте геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН

Научные руководители: доктор геолого —минералогических наук

Л.В.Дмитриев

кандидат геолого —минералогических наук Н.М.Сущевская

Официальные оппоненты: кандидат геолого —минералогических наук,

С.Ф.Карпенко

доктор геолого —минералогических наук Б.П.Золотарёв

Ведущая организация: Институт океанологии им.П.П.Ширшова

РАН

Защита состоится 25 декабря 1997г. в 10.30 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.59.02 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте геохимии и аналитической 'химии им. В.И.Вернадского РАН по адресу: 117975, ГСП—1, Москва — В 334, ул.Косыгина, 19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН

Автореферат разослан 25 ноября 1997г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат геолого—минералогических наук

А.П.Жидикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования

Магматизм поднятий Афанасия Никитина и Конрад достаточно слабо изучен на фоне других магматических структур Индийского океана мелового периода и генезис их магм остаётся проблематичным. В связи с этим исследование природы подобных структур важно для установления общей картины эволюции Индийского океана на ранних стадиях его раскрытия.

Актуальность темы исследования определяется тем, что до сих пор не решены следующие вопросы магматизма поднятий и плато Индийского океана: чем представлены обогащенные источники магм, на каких уровнях обогащаются расплавы: на коровых или мантийных, каким образом и когда обогащаются мантийные источники и каким образом континентальное коровое вещество могло контаминировать магмы океанических структур?

Решение поставленных вопросов необходимо для обоснования концепции процесса мантийного плавления под спрединговыми зонами Индийского океана, в ходе которого в пределах единого спредингового хребта появлялись как в различной степени обогащенные толеитовые, так и щелочные магмы. В свою очередь исследование магматизма поднятий океана в совокупности с данными по геохимии других структур Индийского океана может пролить свет на такой нерешенный вопрос магматизма Индийского океана как происхождение изотопной аномалии Дюпаль. Цель работы

Цель исследований состоит в разработке количественной модели

магматизма поднятий западных и центральных частей Индийского океана и выяснении причин его аномальных геохимических характеристик, на примере детального петролого-геохимического исследования представительной коллекции образцов коренных пород, слагающих поднятие Афанасия Никитина и гор Обь и Лена поднятия Конрад.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд следующих задач:

1) выделить генетически связанные серии пород исследуемых объектов,

2) установить петрохимические тренды кристаллизации базальтовых серий и сделать оценку условий фракционирования расплавов,

3) оценить составы родоначальных и первичных расплавов и источников магм и условия их генерации,

5) дать сравнительную характеристику геохимических особенностей магматизма

поднятия Афанасия Никитина и поднятия Конрад. Научная новизна

Исследование направлено на решение проблемы происхождения геохимических аномалий в базальтах Индийского океана на базе нового подхода, состоящего в разработке количественной модели магматизма поднятий океана на примере опорных объектов (поднятий Афанасия Никитина и Конрад) и сопоставления этой модели с другими поднятиями и плато Индийского океана. Для изученных объектов впервые реконструированы составы родоначальных расплавов и условия их фракционирования. Выяснена роль вторичных изменений вулканических серий. В ходе исследования впервые на количественном уровне определены состав источника, приводящего к обогащению расплавов. Практическая значимость работы

Результаты работы содержат информацию, необходимую для целенаправленного и эффективного развития фундаментальных исследований

по проблеме геодинамики океанической литосферы на стадии ее раскрытия и решения задач, связанных с проблемой соотношения мантийной и коровой составляющих магматизма океанов. Фактический материал

В работе исследовалась коллекция представительных образцов поднятия Афанасия Никитина, собранная в ходе 20-го рейса НИС "академик Мстислав Келдыш" с помощью ГОА (глубоководного обитаемого аппарата) "МИР" и коллекция пород вершинных частей гор Обь и Лена поднятия Конрад, драгированных в рейсах судов АЗЧЕРНИРО в 1981 году. Обе коллекции насчитывают около 100 образцов пород. Образцы для исследования были любезно предоставлены Г.Л.Кашинцевым и В.В.Никулиным.

Проведено детальное петрологическое исследование более 100 шлифов и прозрачно-полированных пластинок для всех образцов и нескольких десятков шашек для микрозондового анализа.

В изучавшихся образцах были определены содержания главных элементов и 25 редких элементов различными методами. Содержания редких элементов определялись на ионном микроанализаторе в расплавных включениях. Всего было сделано около 800 полных и 50 частичных микрозондовых анализов минералов, природных закалочных стекол и закаленных в эксперименте гомогенизированных расплавных включений в оливине.

В Институте геологии и геохронологии докембрия было проведено исследование изотопного состава наиболее представительных образцов из каждой выделенной магматической серии.

При обработке и систематизации фактического материала использовались все доступные литературные данные по исследуемой проблеме. Личный вклад автора

Личный вклад автора состоял в подготовке каменного материала для изготовления шлифов, пластинок, проведения различного вида анализов, отборе мономинеральных фракций, изготовлении шашек для микрозондового изучения.

Оптические исследования петрографии и минералогии объектов исследования, а также диагностика и классификация магматических включений в минералах.

Анализ редких элементов масс-спектрометрическим методом индуктивно связанной плазмой в Геохимическом институте Геттингенского Университета.

Расчёт количественной модели магматизма поднятия Афанасия Никитина и гор Обь и Лена поднятия Конрад, которая применима для других поднятий западных и центральных частей Индийского океана мелового периода. Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на; всесоюзном семинаре по геохимии магматических пород (г.Москва, ГЕОХИ РАН, 1993), конференциях по тектонике литосферных плит им. Л.П.Зоненшайна (Москва, 1993, 1995), симпозиуме по геохимии изотопов, посвященном 100-летию со дня рождения академика А.П.Виноградова (Москва, ГЕОХИ РАН, 1995), 11 международной школе морской геологии (г.Геленджик, 1994), Международном вулканологическом конгрессе, (г.Анкара, Турция, 1994), Европейских конгрессах геонаук (г.Страсбург, Франция, 1995, 1997), Геохимической конференции им.Гольдшмидта (г.Гейдельберг, Германия, 1996), Фрайбергском изотопном коллоквиуме (г.Фрайберг, Германия, 1996). Материалы диссертации опубликованы в 3 статьях и 10 тезисах докладов.

Структура и объем работы

Работа состоит из 4 разделов, введения и заключения. В первом разделе (глава Л) ставится задача исследования. Второй раздел (глава 2) посвящен методическим вопросам. В третьем разделе (главы 3, 4) "описывается" объект исследования. Четвертый раздел представляет собой обсуждение полученных результатов (главы 5, 6). Каждая глава завершается краткими выводами.

Текстовый материал изложен на 120 страницах, проиллюстрирован 50 рисунками, 40 таблицами, список литературы составляет 200 наименований. Благодарности

Автор выражает благодарность парным руководителям доктору геолого-минералошческих наук Л.В.Дмитриеву и кандидату геолого-минералогических наук Н.М.Сущевской за руководство работой, постоянную поддержку и внимание. Большую помощь в обработке материалов и обсуждении результатов оказал Б.В.Беляцкий и М.В.Портняптн. Существенное влияние на ход исследования оказывало обсуждение результатов с сотрудниками лаборатории геохимии магматических и метаморфических пород, в особенности с Б.Базылевым и А.С.Силантьевым, И.К.Никогосяном. Осуществление работы было бы невозможным без большого числа микрозондовых анализов, выполненных Н.Н.Кононковой.

Автор благодарит всех сотрудников Геохимического Института университета г.Геттингена за помощь в работе, особенно профессора Г.Вёрнера, з также студентов и аспирантов института. Автор также благодарит Дж.Барлинг, а также Д.Хасслер и Н.Маттиели, за помощь в обсуждении результатов и за предоставление оттисков своих работ.

Проведение работ в Геохимическом Институте Университета г. Геттингена эыло бы невозможно без финансовой поддержки Общества Университета г.Геттингена им. Георга Августа. Автор благодарит также Международный научный фонд им. Дж. Сороса и Соросовскую образовательную программу, а гакже Российский фонд фундаментальных исследований, выделившие гранты на настоящее исследование.

Глава 1. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, ТЕКТОНИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ПОДНЯТИЙ ПОДНЯТИЯ АФАНАСИЯ НИКИТИНА И КОНРАД

Поднятие Афанасия Никитина

Поднятие Афанасия Никитина, расположеное в Центральной котловине Индийского океана в 550 милях к юго-юго-востоку от Цейлона (рис.1), (Литосфера..., 1990) является магматическим по природе и представляет собой протяженный в меридиональном направлении фундамент, увенчанный многочисленными вулканическими конусами (Сборщиков и др., 1991; Кашинцев и др., 1992). Наиболее высокий из них назван горой Афанасия Никитина (Литосфера..., 1990). Гравиметрические и батиметрические данные :видетельствуют о том, что поднятие закладывалось на молодой океанической коре вблизи к оси спрединга (Paul et al., 1990). Период магматической деятельности определяют в интервалах: 75-90 млн. лет (Сборщиков, 1990) и 80-90 млн .лет. (Paul et al., 1990).

На основе детального исследования северной части поднятия в ходе 20-го рейса НИС "академик. Мстислав Келдыш" с помощью ГОА выделено два главных этапа магматической деятельности, сформировавшей поднятие: трещинная

стадия, в течение которой был образован фундамент поднятия и стратовулканическая, во время которой образовалась гора, венчающая фундамент в северной части поднятия (Кашинцев и др., 1992).

Горы Обь и Лена поднятия Конрад

Поднятие Конрад, расположенное в юго-западной части Индийского океана между котловинами Эндерби и Крозет, венчает цепь подводных гор: Обь, Лена и Марион Дюфре, которая протягивается между 40° и 53° в.д. с северо-запада на юго-восток (рис. 1) (Schlich, 1982). Горы Обь и Лена на глубинах около 250 м ниже уровня моря.

На основании геолого-геофизических исследований, проведенных в ряде французских экспедиций НИС "Марион Дюфре" в 1973,1975 и 1976 годах (Goslin, Schlich, 1982), было установлено, что цепь гор Обь, Лена и Марион Дюфре была сформирована в то же время, что и окружающая океаническая кора: 100-80 млн лет (Schlich, 1982), 82-87 млн.лет (Diament, Goslin, 1986). Существующие данные свидетельствуют о том, что поднятие заложено на молодой океанической коре вблизи юго-западного Индийского хребта (Diament, Goslin, 1986).

Рисунок 1, Тектоническая карта Индийского океана. Показаны поднятия Афанасия Никитина (1)> Конрад (2), плато Кергелен (3) и Натуралпст(4), хребты Брокен (5) и Восточно-Индийский (6). ,

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ петрогенных элементов, а также Nb, Zr, Y, Sr, Ba, Rb в образцах выполнен рентгено-флуоресцентным методом в ГЕОХИ РАН на приборе PW-1400 фирмы "Philips" по методике (Цамерян и др.71980) тг в Исследовательском Центре Морской Геологии (GEOMAR, Киль, Германия) на приборе PW-1600 фирмы "Philips" по методике описанной в (Bednarz, Schminke, 1994), в Геохимическом Институте Геттингенского Университета на приборе PW-1480 по методике, описанной (Hartmann, 1994), Нейтронно-активационный метод применялся д\я определения Та, Th и Hf и редкоземельных элементов. Анализы Та, Th Hf выполнены в Геологическом институте РАН по методике (Ляпунов и др., 1980), содержания редкоземельных элементов определялось в Институте геохимии и аналитической химии по методике (Kolesov., 1976). Анализ редких элементов в породах гор проводился методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (Тихомирова и др., 1991). Анализ редкоземельных элементов, а также Th, Та, Hf, Pb был проведен, используя масс-спектрометрический метод индуктивно связанной плазмы, в Геохимическом Институте Геттингенского Университета по стандартной методике (Ionov et al., 1992).

Электронно-зондовый микроанализ использовался для определения содержания петрогенных элементов в минералах и стеклах. Анализы выполнены в МГУ на энергодисперсионном анализаторе Link Systems, совмещенным с электронным микроскопом CamScan, при ускоряющем напряжении 15 кВ и токе

зонда 50 нА и на микроанализаторе CAMEBAX-Microbeam, фирмы "САМЕСА" при ускоряющем напряжении 15 кВ и токе зонда 30 нА. В обеих лабораториях качество анализа контролировалось с использованием аттестованных стандартов природных минералов и стекол (Jarosevich, 1980; Лаврентьев и др., 1974).

Содержание редких элементов и Н20 в стеклах определялись методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на ионном мнкроанашзаторе IMS-4f в Институте микроэлектроники РАН, г.Ярославль по методике (Соболев, 1996; Sobolev, Chaussidon, 1996). ,Для анализа применялась методика энергетического фильтра (Shimizu, Hart, 1982).

В работе также использовались данные по изотопному составу пород. Измерения проводились в изотопной лаборатории Института геологии и геохронологии докембрия РАН (Санкт. Петербург) группой исследователей: Б.В.Беляцким, Г.В. Овчинниковой, И.М. Васильевой. Содержания Pb, U, Sm, Nd, Rb, Sr определялись методом изотопного разбавления, выделение проводилось по методике (Mahnes et al., 1978). Выделение Sm, Nd, Sr и Rb для изотопного анализа проводилось по методике (Richard et al., 1976). Измерение изотопного состава исследуемых элементов выполнялось на 8-коллекторном масс-спектрометре Finnigan МАТ-261 в статическом режиме с одновременной регистрацией лонных токов разных изотопов элемента. Обработка первичных U-Pb данных проводилась по программе К..Людвига "PBDAT" (Ludwig, 1991а). Параметры линейных корреляций рассчитыва\ись с 95%-ным доверительным интервалом по программе К.Людвига "ISOPLOT" (Ludwig, 1991b).

Для расчетов фракционной кристаллизации расплавов применялась программа COMAGMAT (Ariskin, et al., 1993).

Глава 3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГМАТИЗМА 3.1 Выделение магматических серий поднятий Поднятие Афанасия Никитина

По составу минеральных ассоциаций среди базальтов поднятия Афанасия Никитина три выделенные серии пород: оливин-порфировые базальты, слагающие вулканический конус у подножия фундамента, отнесены к толеитовой оливин-порфировой серии, 2) плагиоклаз-порфировые базальты и долериты фундамента отнесены к толеитовой плагиоклаз-порфировой серии и 3) клинопироксен-оливин-плагаоклазовые породы горы Афанасия Никитина, отнесены к субщелочной трахибазальт-трахитовой серии (рис. 2а).

5102 мас.%

Рисунок 2. Классификационные диаграммы (.\lacdonaId, Ка1гига, 1964) и (Сох, 1979) пород поднятия Афанасия Никитина (а) и подводных гор Обь и Лена поднятия Конрад (б).

Поднятие Конрад, горы Обь и Лена

Породы названы в соответствии с классификацией Кокса (1979) (рис.2б), учитывая петрографические особенности. Главным критерием разделения пород по сериям являлся факт наличия фельдшпатоидов (лейцита). Среди изверженных пород выделяются базальты, тефрит, трахибазальты и трахиты. Сильноизмененные трахиты попадают в поле трахиандезитов и андезитов. Классификационный анализ и наличие в породах фельдшпатоидов позволяют разделить породы гор Обь и Лена на две серии: субщелочную трахибазальт-трахитовую и щелочную базанит-тефритовую.

3.2. Петрографическая характеристика пород магматических серий поднятий. Минералогия главных породообразующих минералов

Поднятие Афанасия Никитина -------

Оливин-порфировая серия

Оливиновые базальты, слагающие вулканический конус у подножия фундамента поднятия, представлены в различной степени измененными разностями. Оливин образует идиоморфные кристаллы размером 0.5 - 1.0 мм, их содержание составляет около 10-15% от объема пород. В измененных образцах оливин полностью замещен агрегатом иддингсита. Хромшпинелид присутствует в виде самостоятельных микрофенокристов размером до 0.3 мм и, главным образом, в виде кристаллических включений в оливине размером в среднем около 0.02 мм. Основная масса имеет микролитовую структуру и сложена оливином, плагиоклазом и клинопироксеном, образующие микролиты и тонкие кристаллиты, растущие от граней плагиоклаза и оливина, также замещенного иддингситом в большинстве образцов. Минералогия оливиновых базальтов Оливин

Средний состав фенокристов оливина варьирует: Fo = 86.8-87.0 мол.%. Зерна практически незональны (вариации состава оливина в пределах зерна не более 0.5 мол. % Fo). Содержание СаО в оливине варьирует в пределах 0.21-0.33 мае. %. Концентрация NiO в фенокристах оливина составляет 0.19-0.34 мас.%, что

типично ддя вкрапленников оливина океанических толеитов (Sobolev et al., 1991) и существенно отличает изученные оливины от минералов толеитовой серии Гавайский островов, характеризующихся более высокими содержаниями NiO (Соболев, Никогосян., 1994). Хромшпинелид

Хромшпинелиды, присутствующие в виде микрофенокристов и включений в оливине, близки по составу и характеризуются средними значениями Мд# =0.62-0.63; Сг# =0.53, ТЮ, = 0.93-0.97 мас.%; FeJ~ # =0.093-0.095. Их состав наиболее близок к шпинелям океанических толеитов (Dick, Bullen, 1984; Arai, 1992), Пониженные Сг# и ТЮ2 в изученных шпинелях отличают их от типичных внутриплитиых толеитов (Соболев, Никогосян., 1994, Arai, 1994). Основная масса

Оливин основной массы в наиболее свежем образце имеет удлиненный идиоморфный габитус и характеризуется диапазоном составов Рой9.гз.Общин интервал составов микролитов плагиоклаза в базальтах серии Ап^.,,, скелетных зерен клинопироксена - от WoJ3En3.Fs2fi до Wo10En51FsB.

Толеитовая плагиоклаз-порфировая серия

Коренные породы фундамента поднятия представлены плапюклазовыми и плагиоклаз-пироксеновыми базальтами. Наиболее ранней минеральной фазой плагиоклазовых базальтов является плагиоклаз первой генерации, образующий идиоморфные порфировые выделения (в редкопорфировых базальтах 5-7%, размер 1-2 мм, в кумулятивных базальтах 15-30%, размер 2-5 мм). Вторая генерация плагиоклаза, растущая совместно с клинопироксеном, занимает 5-10% породы. Третья генерация основной массы растет с клинопироксеном и ильменитом (титаномагнетитом).

В группе плагиоклаз-пироксеновых базальтов наиболее ранней ассоциацией является плагиоклаз и пироксен, занимающие 3-5% (первая генерация). Вторая генерация основной массы растет в ассоциации с рудными минералами. В основной массе отмечаются: плагиоклаз, клинопироксен и титаномагнетит или (и) ильменит. Структура основной массы варьирует в зависимости от степени раскристаллизации от долеритовой в микродолеритах до микролитовой и стекловатой в порфировых базальтах.

Состав ассоциации плагиоклаз-пироксен характеризуется некоторыми отличительными чертами по сравнению с составом ассоциации кумулятивных пород океанических толеитов. Клинопироксены кумулятивных базальтов отличаются более низкими концентрациями Ка20 (0.2-0.4 мас.%) по сравнению с составом клинопироксенов океанических толеитов (N320 = 0.4-0.8 мас.%), что может отражать как более низкие содержания ЫагО в расплаве, так и более низкие давления кристаллизации базальтов по сравнению с океаническими толеитами.

Субщелочная трахибазальт-трахитовая серия

Базальты серии, слагающие гору Афанасия Никитина, характеризуются сходным минеральным составом. Вкрапленники разных генераций и микролиты основной массы представлены оливином, плагиоклазом, который на поздних этапах кристаллизации сменяется анортоклазом, а также клинопироксеном и ильменитом, в некоторых базальтах в ассоциации с магнетитом и сульфидными глобулями. Размер минералов от 1.5-6 мм во вкрапленниках наиболее ранних генераций до 0.5-0.1 мм в основной массе. Вкрапленники плагиоклаза и оливина как правило содержат кристаллические включения оливина, титан-авгита и ильменита, (титаномагнетита), сульфидного расплава, что свидетельтвует об одновременном росте оливина, плагиоклаза, клинопироксена и рудных минералов.

Резкое повышение содержаний ТЮ;, А1.03 и Ка20 в пироксене кумулятивных базальтов объясняется процессом смешения с другим расплавом серии, характеризующимся более высокими концентрациями этих компонентов.

Поднятие Конрад, горы Обь и Лена

Выделены две магматические серии. Группа пород, включающая базаниты и тефрит и характеризующаяся присутствием лейцита во вкрапленниках, названа базанит-тефритовой серией. Щелочные базальты, гавайиты, бенмореиты и трахиты, не содержащие фельдшпатоидов, отнесены к трахибазальт-трахитовой серии.

Встречаются также сильноизмененные трахиты, в которых темноцветные минералы замещены полностью, а светлоцветные- частично. Кальцит и пренит заполняет миндалины и образуют жилы, альбит полностью замещает санидин и плагиоклаз, хлорит замещает темноцветные минералы: клинопироксен и биотит.

3.4 Петрологическое исследование оливин-порфировой серии Расплавные включения

В работе выделены и исследовались первичные расплавные и кристаллические включения как сопутствующие, так и комбинированные. Первичные расплавные включения присутствуют во вкрапленниках оливина.

Зключения имеют размер от 5 до 40 мкм (в среднем около 20 мкм). самостоятельные флюидные включения не обнаружены.

Экспериментальное исследование - ------------------

С целью восстановления состава захваченного оливином расплава и условий его кристаллизации было проведено несколько термометрических жспериментов с наиболее крупными (около 40 мкм) частично эаскристаллизованными включениями. Для экспериментов с первичными эасплавными включениями в минералах исследуемых образцов была юпользована малоинерционная высокотемпературная установка с оптическим контролем конструкции, разработанная А.В.Слуцким и А.В.Соболевым (Соболев, .983; Соболев, Слуцкий, 1984). Детали методики описаны в работе (Sobolev, )anyshevsky, 1994). Полная гомогенизация была зафиксирована при температуре 240±20"С. Общее время каждого эксперимента при Т>1050'С составляло около 5 мин., скорость подъема температуры вблизи точки гомогенизации - 1 "/мин. Состав гомогенизированных и природных стекловатых расплавных включений

По всем главным компонентам составы включений отвечают составам саименее измененных пород. Коэффициенты распределения К/*"4® между штейном и расплавом для закаленных в эксперименте расплавных включений 0.29 - 0.31, табл.1) соответствуют равновесным значениям (около 0.3, (Roeder, imslie, 1970)). Для расчета была использована средняя величина отношения :e2+/Fe3~ = 7.5 для расплава, полученная, используя уравнение (Maurel, Maurel, 982) из средней величины отношения Fe'"/Fe3" = 2.1 для шпинели в оливине.

Основные отличия составов природных стекловатых включений от омогенизированных включений являются более низкие содержания MgO, FeO, говышенные содержания Si02, А1,0., СаО, аномально низкие значения Кг= 0.09-|.14, что связано как с процессом обильной кристаллизации оливина на стенках ■ключений, так и с процессом переуравновешивания состава оливина, вложившегося на стенках включения с оливином - хозяином (Данюшевский, и р., 1991; Гуренко и др., 1991), что приводит к диффузии FeO из включений и, оответственно, к недооценке как FeO, так и MgO. Процесс диффузии FeO из ключений в оливине учитывался с помощью уравнений пересчета, используя (етод (Данюшевский, и др., 1991). В качестве температуры равновесия оливина с ■асплавом была принята независимо определенная температура гомогенизации асплавных включений (1240 С).

:остав родоначального расплава и условия кристаллизации

В качестве родоначального расплава изученных базальтов может быть ринят средний состав гомогенизированных и пересчитанных стекловатых ключений (табл.1). По содержанию нормативных минералов состав этого

асплава, также как и состав неизмененного базальта, являются толеитовым ¡шерстен-нормативными. Валовый состав наименее измененных базальтов лизок к составу родоначального расплава и к равновесию с вкрапленниками ливина, что свидетельствует об отсутствии существенных процессов кумуляции данных базальтах.

Температура гомогенизации включений в оливине по данным эксперимента оставляет 1240°С. Учитывая точность метода +20°С, (Sobolev, Danyshevsky, 1994), начение 1240°С может быть принято как температура кристаллизации наиболее !ашезиальных вкрапленников оливина изученных образцов.

Измеренное методом вторично-ионной масс-спектрометрии содержание 120 в стекловатых расплавных включениях варьирует в пределах 0.24 - 0.36мас.%.

Полученные при пересчете на первичные содержания Н.О в расплаве: 0.22-0.34мас.% характерны для расплавов океанических толеитов (Sobolev, Chaussidon, 1996).

Летучесть кислорода

Летучесть кислорода при кристаллизации расплава оценивалась по модели равновесия хромшпинелид-расплав (Ariskin, Nikolaev, 1996). В качестве исходных параметров для расчета были взяты средние составы гомогенизированных включений, хромшпинелида, а также температура гомогенизации расплавных включений. Полученные данные свидетельствуют о летучести кислорода при кристаллизации -8.4- -9.1 (в лог. единицах), что соответствует гипотетическому буферу MW.

3.5 Петрохимическая характеристика магматических серий Поднятие Афанасия Никитина Толеитовая оливин-порфировая серия

Базальты характеризуются практически постоянными отношениями: AI, Fe, Ti, Na. Наибольшей степенью вторичного изменения характеризуются низкомагнезиальные образцы, что находит отражение в значимой отрицательной корреляции между содержанием МдО в базальтах и потерями при прокаливании, основной вклад в величину которых вносит количество вторичных водосодержащих минералов.

Установлено, что причиной возникновения широких вариаций составов базальтов является их интенсивное вторичное изменение, на что указывают следующие факты: (1) Все изученные образцы характеризуются сходным первичным минеральным составом, пропорциями фаз и составом минералов основной массы (2) Базальты характеризуются близкими значениями отношений: AI, Fe, Na, Ti, которые близки значениям этих отношений в оцененном расплаве. В случае фракционной кристаллизации отношение этих элементов должно сильно меняться. (3) Наблюдается явная зависимость между составами базальтов и количеством потерь при прокаливании.

Установлено, что при процессе вторичного изменения базальтов серии А1203, TiOj, FeO, Na20 оставались неподвижными, Si02, СаО и МпО выносились в меньшей степени по сравнению с МдО, а К.О и Р205 привносились (рис. 3).

Особо следует отметить исключительно большие потери МдО из пород в результате данного процесса. Расчет показывает, что базальты теряли более 80% относительно первичного содержания МдО, что сопоставимо с данными по подводному выветриванию перидотитов (Snow, Dick, 1995). Процесс, при котором происходит вынос МдО протекает при высоком отношении вода/порода (от 10г (Seyfried,Bischoff, 1979) до 103-105 (Snow, Dick, 1995), низких температурах (0-150°С, (Snow, Dick, 1995; Thompson, 1973) pH раствора около 8 (Seyfried, Bischoff, 1979) и недосышенности воды минералами Mg (Snow, Dick, 1995).

При данной магаезиальности изученные расплавы имеют низкое содержание А1203 и повышенные для типичных толеитов отношения Si02/Al203 (до 3.5), что приводит к позднему появлению плагиоклаза (при 7 мас.%, МдО) при расчете кристаллицации родоначального расплава в отличие от типичных толеитов, которые при 8-9.5 мас% МдО находятся на линии оливин-плагиоклазовой котектики (Klein, Langmuir, 1987; Sobolev et al., 1989).

Толеитовая плагиоклаз-порфировая серия

Базальты серии характеризуются более низкими концентрациями К20, Р2Оз, БЮ/по сравнению с уровнем содержаний этих компонентов в расплаве оливин-порфировой серии (рис. 4). Базальты серии являются дифференщтатами одного родоначального расплава, близкого к ТОР-2 (толеиты океанических рифтов) фтИпеу, 1989). Однако, понижение БЮ.,=51.8 - 50.0 мас.% при падении МдО и отклонение от модельных трендов кристаллизации расплавов частично связано с процессом кумуляции плагиоклаза в базальтах.

Более низкие содержания ИеО в базальтах серии по сравнению с составами океанических толеитов типа ТОР-2 свидетельствуют о более низком давлении образования первичного расплава по сравнению с типичными ТОР-2

-Г-Г~

Т1 I М I К« Ми Мц Са Иа К

ГГгГШ^Тт^!!] it.Wt.hl Г П Ь < * Мм» Ки СЛЬ Н1 иС ./"и ^

Рисунок 3. Диаграмма демострнрует отношения содержаний компонентов в измененных базальтах оливин-порфировой серии к их содержанию в неизмененном базальте М1/34-5. Заштриховано поле значений отношений немобильных компонентов: Сизм.пор. /С неизм.пор.: (а) для А!; (б) для У, 2г, Щ !Ч'Ъ, Та.

Субщелочная трахибазальт-трахитовая серия

Линейный характер вариаций компонентов объясняется процессом смешения расплавов серии.

Необычно высокие концентрации фосфора в базальтах связаны с процессом вторичного изменения. Фосфор аккумулирутся в составе мелкодисперсного апатита, диагностируемый электронным микрозондом, и в агрегате иддингсита. Такой процесс мог быть сходным с процессом аккумуляции апатита в областях апвелинговых потоков.

Поднятие Конрад, щелочные серии гор Обь и Лена

Базанит—тефритовая серия характеризуется более высокими концентрациями Ыа20, А1203, и более низкими содержаниями СаО, ТЮ2 и БеО по сравнению с трахибазальт—трахитовой серией гор Обь и Лена.'

Таблица 1. Составы расплавных включений в оливинах базальтов оливин-порфировой серии

измеренные составы включений

Ml/34-5 Ml/34-4 состав пасплапа

sin? 1 2 n 4 5 6 7 8 9

50.37 50.98 57.81 55.74 54.14 56.21 55.14 53.71 54.18 51.35

TiO? 1.34 1.45 1.59 1.72 1.97 1.68 1.75 1.55 1.57 1.33

АЬОз 13.78 14.36 19.28 19.47 18.77 19.65 19.29 18.76 18.96 14.84

FeO' 10.12 9.44 4.16 4.49 5.50 4.03 4.11 5.94 5.64 9.09

MnO 0r10 0.14 0.04 0.08 0.(1 0.06 0.11 0.12 0.14 0.09

MnO 10.56 10.12 1.36 1.47 2.72 1.41 1.62 2.53 1.94 9.40

CaO 9.4!) 10.00 12.86 12.75 12.68 12.29 13.22 12.53 12.78 9.92

Na20 2.13 2.35 2.19 2.88 9.32 2.85 3.02 2.68 2.68 2.12

k?o 1.59 1.63 1.28 1.78 1.69 2.00 1.71 1.69 1.27 1.37

PiOs 0.41 0.49 0.36 0.43 0.46 0.47 0.58 0.41 0.41 0.38

сумма 99.89 100.95 100.91 100.80 100.36 100.65 100.54 99.92 99.57 99.89

Fo 87.54 87.43 86.92 87.05 86.86 86.73 87.38 86.44 87.23

Г гом 1240 1235 _ .

lonfOl -8.fi 1 -я.71 _ _ _ _ _

% ol _ 12.9 16.1

Kd 0.29 _ 0.31 . 0.09 _ 0.09 _ bj4 0.1cl 0.10 0.12 0.09

пересчитанные составы включений

SiOi 52.84 51.00 50.85 51.93 51.19 50.72 51.07 _

ТЮ2 1.22 1.34 1.58 1.31 1.37 1.25 1.25 _

AI2O.1 _ 14.74 15.21 1.5.10 15.22 15.08 15.18 15.14

FejO.4 _ 1.15 1.14 1.19 1.15 1.12 1.23 1.21 _

FeO - 7.78 7.67 8.03 7.73 7.56 8.32 8.17 _

MnO _ 0.03 (1.06 0.09 0.05 0.09 0.10 0.11 _

MaO _ - 9.48 9.04 9.36 8.90 9.10 9.19 9.35 _

CaO _ 9.83 9.96 10.20 9.57 10,34 10.14 10.21

Na?0 _ 1.67 2.25 1.87 2.22 2.36 2.17 2.13 -

KiO _ _ 0.98 1.39 1 36 1.56 1.34 1.37 1.01 _

psos - - 0.34 . 0,34 . 0,37 0.45 0.33 0.33 -

Примечание. Содержание оксидов в мас.%; 1,2-гомогенизнрованные включения; 3-9-стекловатые включения до и после пересчета (подробности в тексте). Fo - магнезиальность оливина, вмещающего включение в мол.%; Т гом - температура гомогенизации; Kd - коэффициент распределения FeO-MgO между оливином и расплавом. log f О, вычислены no (Ariskin, Nikolaev, 1996), подробности в тексте. FeO'- общее содержание железа; Fe,0, - пересчет сделан в соответствии буфером WM; %01 - вычисленное количество оливина, кристаллизовавшегося из включенного расплава на стенках включения, оцененная моделированием обратного хода кристаллизационной кристаллизации до равновесия с оливином. Содержание нормативных минералов в мол.%. Тире - значения не определялись.

Рисунок 4. Вариационные диаграммы базальтов толеитовых оливин-порфировой и плагиоклаз-порфировой серий поднятия Афанасия Никитина (1). Показан состав кумулятивного базальта плагиоклаз-порфировой серии М1/33-3, линии дифференциации родоначального расплава оливин-порфировой серии (2) при различных давлениях: 1- 0.001 кбар, 2 - 3 кбар, в сухих условиях и в условиях гипотетического буфера МН' по программе СОМАСМАТ |Ап«кт, е1 а1., 1993); линии дифференциации ТОР-2 в безводных условиях при различных давлениях (3).

Глава 4. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАГМАТИЗМА ПОДНЯТИЙ АФАНАСИЯ НИКИТИНА И КОНРАД

4.1 Геохимия вторичных изменений

Общими минералого-петрохимическими признаками процессов вторичного изменения оливин-порфировой и субщелочной трахибазальт-трахнтовой серий является: 1) частотное или полное замещение оливина вторичным минеральным агрегатом иддингсита, который характеризуется: пониженным по сравнению с оливином содержанием МдО, МпО, Сг203, повышенными концентрациями РгО,, К^О; 2) аккумуляция апатита в тонкодисперсной или мелкокристаллической форме, приводящая к повышению концентрации Р,05 в базальтах: до 1 мас.% в наиболее измененных оливиновых базальтах и до 5.7 мас.% в трахибазальтах.

При данном процессе вторичного изменения базальтов содержания У, 1х, ЫЪ, Та, ТЬ, Бс оставались немобильными, и, 7x1 частично привносились, Со, Сг, V, РЬ, Се, Бг выносились (рис. 3). Специфическими особенностями изменения базальтов трахибазальт - трахитовой серии является сильный процесс

аккумуляции вторичного апатита, приводящий к привносу редкоземельных элементов, и возникновению Се минимума (рис. 5).

Вторичное изменение плагиоклаз-порфировых базальтов характеризуется частичным привносом Р и выносом Се (рис. 6).

4.2 Геохимия редких элементов

Поднятие Афанасия Никитина Толеитовая оливин-порфировая серия

Особенностью спектров родоначального расплава оливин-порфировой серии является наличие сильных отрицательных аномалий по ТЪ, Та, ГчтЬ, и и № и максимумов по Ва и РЬ (рис. 7). Расплав оливин-порфировой серии характеризуется высокими отношениями: (1_а/5т)0 = 2.7-3.2, (Ьа/УЬ)п = 5.8-6.6. Подобные величины характерны для океанических толеитов П-типа (плюмового типа) (Ье Яоех е! а1., 1983). Расплав характеризуется высокими 1-а/Та = 30-34, 1л/№ = 1.6-2.1 и Ьа/ТЪ = 10-19.

Толеитовая плагиоклаз-порфировая серия

Хондрит-нормализованные спектры плагиоклаз-порфировых базальтов характеризуются близкой степенью обогащения (рис.6). Отношения редкоземельных элементов в них: (1л/5т)„ = 0.7-1.7, (Ьа/УЪ).= 1.2-2.6 близки океаническим толеитам Т-типа (переходного типа) (Ье Яоех е! а1., 1983). Мантийно-нормализованные спектры базальтов показывают № и Та и ТЬ минимумы и РЬ максимум.

Линейные корреляции петрогенных, редких элементов и их отношений в узком диапазоне вариаций содержания МдО и (Ьа/Бт)^ объясняются существованием в пределах серии расплавов близкой степени обогащения и степени дифференциации, но в различной степени обедненных ЫЬ и Та относительно других несовместимых элементов.

I I I I I I 1 I I I I I I I I I I I I N -i I I I

ВЬВ*Т»и*»Т| К L(C«FkSttFjMZTBr&i»t£lTI)G4TkYYbli

Рисунок 5. Хондрит-нормализованная (а) и мантийно-нормализованная (б) диаграммы составов базальтов субщелочной серии поднятия Афанасия Никитина. Жирной линией и точками показан спектр сильноизмененного базальта M1/36-7. Составы для нормализации из (Sun, McDonougb, 1989).

Субщелочная трахибазальт-трахитовая серия

Характерные отношения в базальтах серии варьируют в следующих пределах: _(La/Sm)n = 2.8-5.6 (среднее 3.9), (Sm/Yb)n = 2.6-4.4 (3.6), (La/Ybjn = î2-!6 (12.7). Мантийно-нормализованные спектры показывают.небольшие минимумы по Nb, Та и максимумы по РЬ и Zr и Hf (рис. 5). Отмечены высокие отношения элементов в данной серии пород: La/Ta = 15.0-17.7, La/Nb = 0.9-1.3, La/Th = 3.8-8.2.

Составы базальтов трахибазальт-трахптовой серии поднятия Афанасия Никитина связаны линейными корреляционными зависимостями концентраций редких элементов и их отношений, что свидетельствует о процессе смешения базальтовых расплавов серии.

В базальтах субщелочной серии поднятия Афанасия Никитина и серий гор Обь и Лена наблюдается особенность обогащения наиболее дифференцированных расплавов Zr и Hf, выражающаяся в максимумах этих элементов на мантийно-нормализованных диаграммах (рис. 5, 8). Установлено, что степень несовместимости Zr (Hf) существенно повышается по сравнению с Sm и становится близкой Nb и Та в наиболее дифференцированных базальтах, в то время как ряд степеней несовместимости для остальных элементов остается характерным для океанических базальтов.

U Ct Pr '-J bm Eu Od Tb If. Ho i> 7,rr 1.

L- Ce i'r Sn-, t i. <-Л il Py Ho f'r ] m 1 b Lu

Ш1ПШ1К ucin Sr . S4 ZrBr*« f.nunrïtLi

l ] f 100 -4

t 1 f 3 з f

ilt HfSe Ги T1 Ll Ifc \

Рисунок 6. Хондрит-нормализованные |а, б) и мантийно-нормализованные (в, г) диаграммы составов базальтов толеитовой плагиоклаз-порфировой серия поднятия Афанасия Никитина. Составы наиболее измененных базальтов показаны на рисунках (б, г). Поля океанических толеитов по ЦеЙоех, 1983).

L. Ct п Sm Tu Gd :>■ !<;■ Ho Ir Tm U lu

I 1 I 1» Ы

1,,

i I I i i r i I i i , i I ' i i i

KUC.nir, Л. HtlH t. Il Cl Tt Y VV L«

Рисунок 7. Хондрит-нормализованные (а, б) и мантийно-нормализованные (в, г) диаграммы составов базальтов и расплавных включений толеитовой оливин-порфировой серии поднятия Афанасия Никитина. На диаграммах (б, г) нанесен состав родоначального расплава. Поля океанических толеитов по (Ьейоех, 1983).

Поднятие Конрад, щелочные серии гор Обь и Лена

Отличительной чертой пород щелочных серий гор Обь и Лена является высокая степень геохимической обогащенности литофильными элементами, типичная для островов Индийского океана (Schlich, 1982). .Для базЪнит-тефритовой серии (La/Sm)n и (Sm/Yb)n варьируют: 3.3-4.3 и 5.4-6.6 соответственно, для трахибазальт-трахитовой серии эти отношения варьируют в пределах: 3.2-6.6 и 2.1-7.0 соответственно.

i »

I

I

Рисунок 8. Маитийно-нормализованные диаграммы для пород субщелочной и щелочной серий гор Обь и Лена: 1) базаниты Г.Лена; 2) тефрит г.Обь; 3) гавайиты г. Лена; 4) бенмореиты и трахиты , г, Лена. Цифрами обозначены номера образцов. В скобках отмечены элементы, исключенные из рассмотрения. Условные обозначения как на рис. 2.

4.3 Изотопная геохимия

4.3.1 Влияние вторичных изменений на изотопный состав базальтов

Для установления первичных изотопных характеристик проведены эксперименты по выщелачиванию исследуемых образцов, подобно проведенным в работах (МсОопоид11, СЬаиуе1, 1991; Рогпап й а1., 1988Ь).

Из коллекции пород поднятия Афанасия Никитина были выбраны по несколько наиболее представительных образцов из каждой серии, наименее подверженных процессам вторичного изменения. Высоко радиогенные значения изотопных отношений Бг выщелоков, близкие к составу морской воды, указывают на то, что изменение составов базальтов после выщелачивания происходит в результате растворения минералов, возникновение которых связано с процессом взаимодействия с морской водой.

Среди пород гор Обь и Лена для эксперимента по выщелачиванию были отобраны образцы, характеризующиеся разной степенью вторичных изменений, характерных для пород - серий гор, но. не содержащие видимых выделений кальцита. В качестве контрольных образцов были взяты образцы: базальта со~ вторичным пренитом, базанита с оливином, замещенным серпентином и миндалинами, заполненными пренитом, а также гавайита без заметного влияния вторичного изменения. Общей закономерностью является то, что при выщелачивании образцов не происходит существенного изменения величины 43i\d/!4J-\'d отношения, также как и отношения s?Sr/foSr. В наиболее измененном базальте (п.п.п.>5) при значительном понижении концентрации Sr величина "Sr/'°Sr отношения практически не меняется. Отсутствие существенных изотопных сдвигов по РЬ связано с тем, что вторичные: серпентин, хлорит и пренит практически не содержат его в качестве примеси, а небольшие сдвиги по Sr и Nd отражают вхождение редкоземельных элементов в структуру этих минералов.

4.3.2.0собенности первичных изотопных характеристик базальтов Поднятие Афанасия Никитина

1)По изотопным характеристикам базальты серий разделяются на две группы: изотопно-обогащенную, в которую входят толеитовые базальты оливин-порфировой серии и трахибазальты субщелочной серии, ко второй изотопно-деплетированной группе относятся плагаоклазовые толеитовые базальты. Обогащенные базальты характеризуются низкими отношениями A"Pb/"v'Pb= 16.787-17.756, точки составов базальтов занимают положение на РЬ-РЬ диаграмме слева от геохроны (рис. 9,10). На Sr-Nd изотопной диаграмме базальты занимают поле с низкими l4'Nd/14'N:d и высокими 8'Sr/8"Sr по сравнению с величиной валового состава Земли, изотопные отношения S7Sr/8iSr и ':3Nd/'"Nd варьируют в пределах 0.70588-0.70736 и 0.51216-0.51241 соответственно. Составы плагиоклазовых базальтов на Pb-Pb изотопной диаграмме занимают положение справа от геохроны, отношения 2'"РЬ/"1,РЬ= 18.011-18.435, на Sr-Nd диаграмме -поле с более высокими '';3Nd/U4Nd и более низкими ä'Sr/KSr по сравнению с величиной валового состава Земли: отношения °'Sr/r'Sr и K3Nd/:44Nd варьируют в пределах 0.70376-0.70469 и 0.51268-0.51295.

2) Базальты первой группы характеризуются низкими значениями отношений '"'8U/Ä4Pb и " Sm/"Nd: 3-8 и 0.11-0.16 соответсвенно, тогда как характерные отношения этих элементов в базальтах второй ipynnu варьируют: 14-25 и 0.21-0.27 соответственно.

3) Все базальты характеризуются высокими Д7/4= 11-25 и Л8/4 = 25-131, и занимают на Pb-Pb изотопной диаграмме область составов, характерных для района изотопной аномалии Дюпаль (Hart, 1984).

4) Для базальтов субщелочной серии на всех изотопных диаграммах наблюдаются линейные тренды, свидетельствующие о процессе смешения магм в пределах серии.

Поднятие Конрад, серии гор Обь и Лена

Характерно, что базальты серий обладают высокими значениями отношений OTPb/i0iPb = 15.51-15.59 и mPb/20JPb = 37.668-38.698, которые ложаться выше сверочной линии северного полушария (NHRL, рис.10). Величина изотопной обогащенности пород отражается на высоких значениях Д7/4 = 4-17 и

Д8/4 = 69-95 (Hart, 1984) и низких sNd = -3.4-0.0, характерных для района изотопной аномалии Дюпаль (Hart, 1984). Породы серий обладают (1 = 6.5-16.1 и '"Sm/'^Ncl = 0.09-0.15. На всех изотопных диаграммах существует линейные корреляции составов базальтов серий.

Глава 5. ОЦЕНКА СОСТАВОВ ИСТОЧНИКОВ И УСЛОВИЙ ГЕНЕРАЦИЙ МАГМ В ХОДЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ПОДНЯТИЙ АФАНАСИЯ НИКИТИНА И КОНРАД

По данным геохимии редких элементов и изотопным характеристикам выделены две группы пород, образующихся на различных стадиях формирования поднятий и различающихся по характеру трендов обогащения: 1) толеитовые серии фундамента поднятия Афанасия Никитина, формирующиеся в трещинную стадию; 2) субщелочные и щелочные серии подводных гор Афанасия Никитина, Обь и Лена, образованные в стратовулканическую стадию.

J II.3UU

МОИН - ъ fej Щ Iii

10% 1 .1 1 \ ^ ЪМ11 1 MI .Г.. 1111

J.

101 моиц

а -3 + л

0.7 0.70-1 0.7 Ob 0.708 U.71Ü H7Sr/til£r

'¿üb l'l) / ¿04 И»

Л

' dÄb ^ + N-IC Ж > А + +

_1 -1.1-11____

ll>

1

IP С

• * * /

,1.1 .Ii:; l______L-.

UNd -5

»All

v4

t '$ pr.

17 1» 1U

m РЬ / ш vt>

Рисунок 9. Моделирование процесса смешения источника океанических толеитов с гранулитами. На рисунке обозначены: 1- состав базальтов оливин-порфировой серии, 2-плагиоклаз-порфировой серии, 3-составы базальтов Восточно-Индийского хребта (Frey et ab, 1991), 4- базальты Юго-Восточного срединного хребта (Dosso et а!., 1989). Поля океанических толеитов Северной Атлантики и Тихого океанов (MORB) по IMahoney, 1995).

im

_i_i I 11

ы

ш

I Ii

5.1 .Толеитовые серии поднятия Афанасия Никитина

Выявленные линейные корреляции изотопных отношений Бг, РЬ, N<1 и отношений высоконесовместимых элементов и близость черт мантийно-нормализованных спектров показывают, что примитивные расплавы (источники) толеитовых серий могут быть связаны процессом смешения (рис. 9). Причем отмечается корреляция степени обеднения МЬ, Та и ТЬ в плагиоклазовых базальтах с их изотопным обогащением (понижением Бг, РЬ изотопных отношений).

Промежуточный по геохимических характеристикам состав плагиоклаз-порфировой серии, близкий к плапгоклазовым базальтам Восточно-Индийского хребта, может являться - результатом бинарного смешения первичных (родоначальных) расплавов либо источников магм типичных океанических толеитов (Sun, McDonough, 1989) и толеитовой оливин-порфировой серии, близкой по составу мантийной компоненте EMI.

Установление состава источника оливин-порфировой серии

Источник (первичный расплав) оливин-порфировой серии характеризуется намного более высокими отношениями Pb/Sr и Pb/Nd, чем источник (первичный расплав) типичных океанических толеитов, Эти характеристики, а также тот факт, что базальты оливин-порфировой серии характеризуются низкими "^Nd/'^Nd и ^Pb/^'Pb отношениями, повышенным 8'Sr/86Sr отношением, а также значительными Та, Kb минимумами и РЬ максимумом, указывают на континентальное происхождение источника оливин-порфировой серии (Hofmann et al., 1986; Weaver, 1991; Barling, 1994). В качестве предполагаемых источников могут выступать метасоматизированная мантийная часть континентальной литосферы (O'Nions, McKenzies, 1983), материал континентальной коры, например гранулиты или осадочное вещество (Weaver, 1989).

Проведенное численное моделирование показало, что фракционирование Nb от La в расплаве серии (элементов близкой степени несовместимости) не

может быть связано с необычным минеральным составом мантийного источника и наиболее вероятной причиной фракционирования Nb является специфический геохимический состав самого источника. Низкие концентрации несовместимых элементов, низкие отношения Pb/Nd, Pb/Sr, характерные для состава континентальной литосфернон мантии и отсутствие Nb минимума и РЬ максимума в мантийно-нормализованных спектрах литосферной мантии (McDonough, 1990; Jochrum et al., 1989) свидетельствуют о том, что континентальная .литосфера не могла служить в качестве источника расплава.

Добавление древних пелагических осадков в мантию могло бы объяснить изотопные черты базальтов, однако не объясняет геохимические черты базальтов, поскольку состав осадков характеризуется большим обогащением Th и U относительно редкоземельных элементов по сравнению с составом расплава серии.

Наиболее близкими по всем характеристикам оливин-порфировой серии являются гранулитовые гнейсы, гранулитовые ксенолиты и другие породы нижней континентальной коры, которые имеют Th, U, Та и Nb минимумы в мантийно-нормализованных спектрах (Kay, Kay, 1986; Othmann, 1984, Teylor, McLennon, 1985; Rudnick, Presper, 1990; Weaver, Tarney, 1980).

Расчет состава вещества, обогащающего расплав оливин-порфировой серии, который учитывал: петрологические, петрохимические особенности родоначального расплава серии и её геохимические особенности: содержания несовместимых элементов и изотопный состав, показал, что расплав серии является результатом практически полного плавления основных гранулитов, по составу близких к гранулитовым ксенолитам (Rudnick, 1990), т.е. основным источником базальтового расплава являлись основные гранулиты, представляющие глубинные части нижней континентальной коры.

Учитывая факт сдвига РЬ изотопных составов гранулитов в радиогенную область при взаимодействии с мантийными расплавами и температурном воздействии мантии (Rudnick, 1992), можно сделать оценку возраста и времени захоронения источника для оливин-порфировой серии поднятия Афанасия Никитина. По двухстадийной РЬ изотопной модели Стейси-Крамерса возраст соответствует: 960-1,140 млн. лет (ц=9.9-10.2). Оценка возраста предполагает, что гранулитовый материал, вовлеченный в генезис магм был захоронен от конвергирующей мантии в течение более чем 1 млрд. лет. Такое длительное время континентальный материал мог сохраниться только в качестве кратона. Толеитовая плагиоклаз-порфировая серия

Проведенный расчет моделировал: 1) процесс смешения расплавов, 2) процесс смешения источников. Для расчета использовались: уравнение смешения (Langnuir et al., 1978), средние изотопные составы базальтов серий и состав океанических толеитов северной части Атлантического океана (Mahoney et al., 1996), концентрации Sr, Nd, РЬ соответствовали содержаниям элементов в N-MORB, состав нижней континентальной коры (Taylor, McLennan, 1985) по изотопным характеристикам соответствует EMI (ZIndler, Hart, 1986). Расчет показал, что источник плагиоклаз-порфировой серии может образовываться при добавлении в мантийный источник типичных океанических толеитов 4-5% вещества нижней континентальной коры, по составу соответствующего источнику оливин-порфировой серии. Либо при смешении первичного астеносферного расплава типа N-MORB (Sun, McDonough, 1989) с гранулитовым расплавом в соотношении долей: 80:20 - 75:15 (рис. 9).

5.2. Субщелочные и щелочные серии

Установлено, что изменение степени несовместимости Zr в базальтовых сериях связано с процессом кристаллизационной дифференциации расплавов. Степень несовместимости примитивных базальтов подобна установленной для океанических толеитов, что свидетельствует о том, что источником магм являлась мантия.

Характерной особенностью трендов обогащения серий подводых гор является понижение ТХРЪ/2и'РЪ, шМ/шШ и La/Th, причем

последняя закономерность отличает характер обогащения щелочных серий от толеитовых.

Численным моделированием установлено, что чистый компонент BSE не участвовал в генезисе магм. Линейные тренды на всех изотопных диаграммах могут отражать: 1 ) событие мантийной дифференциации: выплавлением магм из гетерогенного обогащенного источника, изотопная гетерогенность которого связана с неоднородным процессом обогащения мантийного резервуара. В этом случае возраст события дифференциации мантийного источника (ц = 8-10, к = 3,15) оценивается по наклону вторичной изохроны как 2 млрд. лет назад. В этом случае мантийным источником магм могла быть субконтинентальная литосфера. 2) Бинарное смешение в источнике (Barling et al., 1994). Установлено, что наиболее вероятной обогащающей компонентой мантийного источника щелочных серий являются древние пелагические осадки. Максимальная оценка количества осадочного вещества, необходимого для образования источника наиболее обогащенных субщелочных магм горы Афанасия Никитина варьирует в пределах 1-3%, 4-8% (рис.10).

Оценка возраста захоронения осадков в мантийном источнике, сделанная по двухстадийной Pb-изотопной модели Стейси-Крамерса и по хондритовой Nd модели (DePaolo, Wassenburg, 1976) свидетельствует о том, что гетерогенность составов базальтов может быть результатом смешения мантии с древними

пелагическими осадками, вовлеченными в результате процесса субдукции около 800 млн .лет назад.

Глава 6. ГЕНЕЗИС МАГМАТИЧЕСКИХ СЕРИЙ ФУНДАМЕНТА (ТОЛЕИТОВЫХ) И СЕРИЙ ПОДВОДНЫХ ГОР (ЩЕЛОЧНЫХ). МОДЕЛЬ МАГМАТИЗМА ПОДНЯТИЙ.

6.1. Толеитовые серии поднятия Афанасия Никитина

Тот факт, что магматические серии, подобные плагиоклаз-порфировой серии поднятия Афанасия Никитина и Восточно-Индийского хребта практически одинаковы для обоих структур и тот факт, что серии не меняют свой состав на всем протяжении таких значительных по объему структур, дает объяснение промежуточному составу плагиоклаз - порфировой серии. Происхождение источника плагиоклаз-порфировой серии связано с процессом контаминации астеносферы (как источника типичных океанических толеитов) веществом нижних частей континентальной коры (4-5%). Механизм может быть близок к приведенному авторами (Storey et al., 1989; Mahoneyetal., 1989).

Itofc --- ♦

• ♦

1 LMl

.4

,„:,L i

Рисунок 10. Моделирование процесса образования мантийного источника субщелочных и щелочных серий гор Обь и Лена как результат бинарного смешения осадков с мантийным источником, по составу отвечающим первичной мантии. Процентами обозначены доли участия осадков в общем составе смеси согласно проведенному моделированию. Обозначение точек как на рис. 2. Показаны составы мантийных компонентов: BSE, EMI, ЕМИ по (Zindle'r, Hart, 1986).

Составы более обогащенных толеитовых серий всех магматических структур Индийского океана, образованных 80-120 млн. лет назад вблизи к раздвигающимся континентальным окраинам, образуют единые тренды, что указывает на единый процесс контаминации (рис. 11). Разделение трендов в обогащенной области отражает гетерогенность литосферного вещества, которое участвует в контаминации расплавов. Состав толеитов плато Кергелен (738 скв.), Брокен и Натуралист ложатся на один тренд повышения La/Ta, La/Nb, "Sr/8°Sr, сопровождающееся понижением La/Th и 2JuPb/i31Pb, что отражает изменение состава мантийного расплава при контаминации верхней континентальной .орой. Тренд составов базальтов толеитовых серий поднятия Афанасия Никитина, плато Кергелен и Восточно-Индийского хребта характеризуется си \ьным понижением "Tb/^Pb наряду с повышением La/Th и "'SrASr, что отражает изменение состава мантийного расплава при контаминации нижней континентальной корой.

Тот факт, что все указанные структуры формировались в период раскрытия континентальных окраин после распада Гондваны свидетельствует о том, что процесс обогащения (и образование расплавов аномалии "Дюпаль" в Индийском океане) заключался в контаминации астеносферы веществом нижней континентальной коры, участии гетерогенной континентальной коры в генезисе толеитовых магм и что данный процесс непосредственно связан с распадом Гондваны.

Ù.7H 11.7 Vi «.7 lu I1.7UU 07W.

J-LLU___I-1-L-

Л

Рисунок 11. Тренды толеитовых серий магматических структур Индийского океана мелового периода, вызванные контаминацией мантийных расплавов материалом верхней ШСС) и нижней (1-СС) континентальной коры (СС). Показаны составы толеитовых серий: 1-оливин-порфировой, 2- плагиоклаз-порфировой серии поднятия Афанасия Никитина, 3- хребта Брокен (МаЬопеу е1 а!., 1993), 4- плато Кергелен (738 скв.)|А1Ше[1, 1991), 5- плато Кергелен (747-750 скв.)(5аНеге е1 а!., 1992), 6-Юго-Восточного Индийского хребта (Эовво е! а1., 1989), 7-плато Натуралист (МаЬопеу е! а1, 1995). Поле океанических толеитов Северной Атлантики (МОЙВ) по (МаЬопеу е1 а!., 1095).

6.2. Генезис субщелочных и щелочных серий

По геохимическим особенностям субщелочные и щелочная серии подводных гор Обь и Лена близки сериям архипелага Кергелен и острова Херд (Gautier et al., 1990; Barling, Goldstein, 1990; Barling et al., 1994; Weis et al., 1993), что свидетельствует об идентичности состава источников этих структур. Их характеризует большая степень обогащения редкими элементами, подобные ряды несовместимости элементов и изотопные отношения, характерные для аномалии "Дюпаль".

Важно отметить, что мантийный источник щелочных магм гор Обь и Лена не испытывал разогрева и изотопного переуравновешивания с астеносферной частью мантии, ни частичного плавления в течение более чем 800 млн. лет. Эта оценка сделана на основании закономерностей, установленных при исследовании мантийных ксенолитов (Stiefenhofer et al., 1997; Zangana et al., 1997).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Изучение магматизма поднятия Афанасия Никитина и Конрад и сравнения с магматизмом других магматических структур Индийского океана мелового периода показало, что:

1) Базальты толеитовой оливин-порфировой серии фундамента поднятия Афанасия Никитина имеют сходство с типичными океаническими толеитами, на что указывают близость составов минералов ликвидуса к минералам океанических толеитов, типичные для океанических толеитов низкое содержание Н20 в расплаве и окислительно-восстановительные условия кристаллизации (буфер WM). Однако, от большинства океанических толеитов их отличает: высокие первичные содержания К20 и Р,05, низкое содержание Al1Oj и повышенные отношения Si0:/Al,03.

По составу базальтов и минеральных ассоциаций толеитовой плагиоклаз-порфировой серии фундамента поднятия Афанасия Никитина установлено, что расплавы серии характеризовались более низкими содержаниями Na,0 и FeO по сравнению с типичными океаническими толеитами (ТОР-2). Низкие содержания FeO в базальтах свидетельствуют о более низком давлении образования первичного расплава по сравнению с расплавами ТОР-2.

2) Линейный характер вариаций компонентов базальтов субщелочной серии горы Афанасия Никитина и вариации составов их ликвидусных ассоциаций объясняются процессом смешения расплавов серии.

Впервые выделены субщелочная и щелочная серии подводных гор Обь и Лена поднятия Конрад. Характерной особенностью щелочной серии является высокая степень недосыщенности кремнеземом, выражающаяся в появлении лейцита во вкрапленниках.

3) Широкие вариации петрогенных элементов в составе базальтов оливин-порфировой серии обусловлены интенсивным вторичным изменением, сопровождавшимся выносом до 80 отн. % МдО, частичным выносом СаО и SiO, и привносом К,0 и Р20,. Установленные значительные величины выноса МдО редки для океанических пород и описаны только для измененных перидотитов. При данном процессе вторичного изменения базальтов U и 2п частично привносились, Pb, Се, Sr, Со, Cr, V выносились. Процесс контролировался, по-видимому, растворением оливина и его частичным замещением агрегатом иддингсита. Подводное выветривание изученных базальтов происходило при относительно низких температурах (0-150"С), высоком отношении вода/порода

(102-10J), реагирующие растворы были недосыщены минералами Mg.

Специфическими особенностями изменения базальтов трахибазальт -трахитовой серии поднятия Афанасия Никитина является сильный процесс аккумуляции вторичного апатита, приводящий к привносу редкоземельных элементов, И возникновению Се минимума. Вторичное изменение плашоклаз-порфйровых базальтов поднятия характеризуется частичным привносом Р и появлением отрицательной Се аномалий.

4) Геохимические характеристики родоначального расплава толеитовой оливин-порфировой серии поднятия Афанасия Никитина являются уникальными, отличающимися первичными Nb, Та, Th, U минимумами и РЬ максимумом в мантийно-нормализованном спектре, и изотопным составом, характерным для EMI мантийного компонента. Источником магм служило древнее гранулитовое вещество, не испытывавшее процессов смешения с астеносферными расплавами и изотопного переуравновешивания с астеносферой в течение более чем 1 млрд. лет. Толеитовые EMI океанические магмы могут образовываться при плавлении докембрийских гранулитов, слагающих остаточные блоки континентальной литосферы.

Геохимическое обогащение плагиоклаз-порфировой серии поднятия Афанасия Никитина происходило в процессе контаминации мантийного источника типичных ТОР с добавлением 4-5% вещества нижней континентальной коры.

5) Источником субщелочных и щелочной серий подводных гор Афанасия Никитина, Обь и Лена являлась гетерогенная мантия. Ее гетерогенность могла возникнуть 2 млрд. лет назад в результате дифференциации мантийного субстрата (ц = 8-10, к = 3,15), либо путем бинарного смешения мантии, по составу близкой к первичной с древними пелагическими осадками, вовлеченными в нее при субдукции около 800 млн. лет назад.

- 6) Гетерогенный состав толеитовых и щелочных расплавов, обладающих аномальными геохимическими характеристиками обусловлен гетерогенным с зетовом континентальной коры и мантии, вовлеченных в генезис магм, что соответствуют данным о происхождении аномалии Дюпаль в связи с расколом суперконтинента Гондвана.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1) Borisova A.Yu., Portnyagin M.V., Frolova T.I. Peculiarities of pedogenesis of primitive basalts from subalkaline series of Aphanasii Nikitin seamount//Experiment in Geosciences, 1993, v.2, №3, p. 36

2) Borisova A.Yu., Portnyagin M.V. Penological constraints on the origin of subalkalic basalts from Aphanasey Nikitin Rise (Indian ocean)//Abstracts of LP. Zonenshain memorial conference on plate tectonics, Moscow, 1993, p.42

3) Borisova A.Yu., Portnyagin M.V., Levsky L.K., Belyazky B.V., Ovchinikova G.V. Geochemistry of Aphanasey Nikitin Rise magmas (Indian ocean) // Abstacts of International Volcanological Congress, Ankara, Turkey, IAVCEI, 1994, p. 13.

4) Борисова А.Ю., Фесюнов O.E., Мудров И.А. Геохимия поздних щелочных серий подводной горы Обь (Индийский океан)// Тезисы докладов 11 международной школы морской геологии, Геленджик, Россия, Москва, 1994, т.1, с. 100.

5) Borisova A.Yu., Levsky L.K., Belyazky B.V., Ovchinikova G.V. Enriched mantle source for Aphanasey Nikitin rise magmas (Indian Ocean) Terra. //Abstracts of EUG-8. Strasbourg. France. 1995, p. 16-4

6) Беляцкий Б.В., Овчиникова Г.В., Борисова А.Ю., Сущевская Н.М., Левский Л.К. Sr-Nd-Pb изотопные характеристики океанической мантии Индийского океана и происхождение DUPAL-аномалии // Тезисы XIV симпозиума по геохимии изотопов, посвященный 100-летию со дня рождения академика А.П. Виноградова, Москва, 1995, с. 18-19

7) Borisova A.Yu., Belyazky B.V., Levsky L.K., Ovchinikova G.V., Suschevskaya N.M. Mantle source for late alkaline suites of Aphanasey Nikitin Rise, Ob' and Lena Seamounts (Indian Ocean)// Abstracts of Vth Zonenshain memorial conference on plate tcctonics, Moscow, Russia, 1995, p. 7-8

8) Сущевская H.M., Овчиникова Г.В., Борисова А.Ю., Беляцкий Б.В., Васильева И.М., Левский Л.К. Геохимическая неоднородность магматизма поднятия Афанасия Никитина, северо-восточная часть Индийского океана//Петрология, 1996, 4, №2, 131-149

9) Borisova A.Yu. Continental lithosphere Source for Oceanic Island Magmas Depleted by Та, Nb, Th and U //Journal of Conference abstacts, Cambridge Publication, 1996, v. I, p.70 .

10) Borisova A.Yu., Belyazky B.V. Estimation of storage age of isotope enriched granulite source for olivine porphyritic series from Aphanasey Nikitin Rise (Indian ocean), // Proceedings, Freiberg isotopen kolloquium, TU Bergakademie Freiberg, 1996, p. 29-35

И) Борисова А.Ю., Никулин В.В., Беляцкий Б.В., Овчиникова Г.В., Левский Л.К., Сущевская Н.М. Геохимия поздних щелочных серий подводных гор Обь и Лена поднятия Конрад (Индийский океан) и особенности составов их мантийных источников//Геохимия, 1996, №6, 559-575

12) Борисова А.Ю., Портняшн М.В., Сущевская Н.М., Цехоня Т.И., Кононкова Н.Н. Исследование олнвиновых базальтов поднятия Афанасия Никитина (Индийский океан): петрология и особенности вторичных изменений//Геохимия, 1997, №4, 398-413

13) Borisova A.Yu., Portnyagin M.V., Belyazky B.V., Suschevskaya N.M., G.Worner Petrogenesis of oHvine-phyric basalts from Aphanasey Nikitin Rise (Indian ocean)//Abstracts of EUG-9. Strasbourg. France. 1997, p. 516