Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Происхождение и эволюция магм вулканического массива Шивелуч (Камчатка) по геологическим и петролого-геохимическим данным

ВАК РФ 25.00.04, Петрология, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Происхождение и эволюция магм вулканического массива Шивелуч (Камчатка) по геологическим и петролого-геохимическим данным"

На правах рукописи

ГОРБАЧ Наталия Владимировна

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ МАГМ ВУЛКАНИЧЕСКОГО МАССИВА ШИВЕЛУЧ (КАМЧАТКА) ПО ГЕОЛОГИЧЕСКИМ И ПЕТРОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Специальность 25.00.04 - петрология, вулканология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

'П ..г ¿т

005536270

Владивосток, 2013

005536270

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Портнягин Максим Владимирович, (ГЕОХИ РАН, г. Москва)

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Тарарин Игорь Александрович (ДВГИ ДВО РАН, г. Владивосток) доктор геолого-минералогических наук Колосков Александр Валерианович (ИВиС ДВО РАН, г. Петропавловск- Камчатский)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (г. Москва)

Защита состоится 22 ноября 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного

совета Д 005.006.01 при Федеральном бюджетном учреждении науки

Дальневосточном геологическом институте ДВО РАН по адресу:

690022, г. Владивосток, пр-т 100 лет Владивостоку, 159.

Тел.: +7(423)231-87-50, Факс: +7(423)231-78-47,

E-mail: sbi@yandex.ru, office@fegi.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ДВО РАН (адрес тот же).

Автореферат разослан «/$» октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 005.006.01 кандидат геолого-минералогических наук

Б.И. Семеняк

ВВЕДЕНИЕ

Вулканический массив Шивелуч на Камчатке привлекает огромное внимание исследователей в силу ряда исключительных особенностей. Шивелуч расположен в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (Рис.1). Характерным типом пород вулканического массива являются магнезиальные андезиты, нетипичные для других активных вулканов Камчатки (Уо1упе1з, 1994). Масштабы и частота извержений делают вулкан наиболее активным эксплозивным центром Камчатки в голоцене (Ропошагеуа е1 а1., 2007). После Ключевского вулкана Шивелуч является вторым по продуктивности (36 млн.т/год), а по количеству изверженных андезитов не имеет аналогов среди четвертичных вулканов в пределах Курило-Камчатской островной дуги (Мелекесцев и др., 1991).

Целью работы являлась реконструкция эволюции магм вулканического массива Шивелуч на основе детальной петролого-геохимической характеристики пород, соответствующих различным временным этапам его формирования. В работе решались следующие задачи:

1) Уточнение геологического строения вулканического массива Шивелуч, картирование и геохимическое опробование пород различных этапов его формирования;

2) Петрографическая типизация пород, а также определение их относительных возрастных и объемных соотношений;

3) Детальная минералогическая и геохимическая характеристика выделенных типов пород;

4) Оценка физико-химических условий образования и эволюции магм на различных этапах формирования вулканического массива;

5) Анализ существующих моделей образования и эволюции магм вулканического массива Шивелуч. Разработка новой взаимосогласованной модели, учитывающей петролого-геохимические особенности пород и геофизические данные. Актуальность исследований. Проблема происхождения магнезиальных андезитов - одна из центральных в петрологии и геохимии. Интерес к магнезиальным андезитам обусловлен близостью состава таких пород к среднему составу континентальной коры (напр., Ке1етеп с! а1., 1995, 2003) и выяснение условий их происхождения является важным для понимания образования и эволюции континентальной коры. Реконструкция условий эволюции магм в питающей магматической системе вулканического массива Шивелуч имеет также особую актуальность в связи с высокой эксплозивностью его извержений и связанной с ними опасностью.

Научная новизна. На основе новых фактических данных построена схема геологического строения вулканического массива Шивелуч, отражающая особенности состава изверженных пород; реконструированы эруптивные центры позднеплейстоценового лавового комплекса; определены относительные объемные и временные соотношения различных типов пород. Впервые дана детальная петрологическая и изотопно-геохимическая характеристика пород, отвечающих различным этапам формирования вулканического массива Шивелуч: от ранних этапов активности и до продуктов текущих извержений. Предложена взаимосогласованная петрологическая модель строения и эволюции питающей

системы вулканического массива, которая не противоречит имеющимся на сегодняшний день геофизическим данным.

Фактическая основа работы. Работа основана на изучении коллекции более 300 образцов вулканических пород, собранных автором в ходе полевых работ 2004-2011 гг. Коллекция сформирована с учетом стратиграфической позиции образцов и охватывает все этапы формирования вулканического массива. Образцы начального периода формирования современного экструзивного купола (экструзивные лавы, изверженные в 1980-1981 гг.) были переданы автору Ю.М. Дубиком. Ряд образцов экструзивных лав и пирокластики, характеризующих извержения 1993-1995 и 2001 гг. были любезно предоставлены С.А. Хубуная.

При выполнении работы использовались методы геологического картирования, дешифрирования аэрофотоснимков, полевое описание пород и их предварительная макроскопическая типизация. Петрографическими методами было исследовано около 400 прозрачно-полированных шлифов и мономинеральные фракции оливина, пироксена, амфибола и плагиоклаза из представительных образцов. Для геохимической и минералогической характеристики пород вулкана были использованы методы рентгенофлюоресцентного анализа (главные и редкие элементы в породах - 106 анализов; электронно-зондового анализа (петрогенные элементы и ряд микроэлементов в породообразующих минералах и интерстициапьных стеклах — около 3500 анализов), масс-спектрометрия с индукционно-связанной плазмой (ICP-MS; редкие и редкоземельные элементы в породах - 30 анализов), масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS; изотопный состав стронция и неодима - 20 анализов). Все анализы за исключением части электронно-зондовых исследований, выполненных в ИВиС ДВО РАН, были проведены в Центре исследований океана им. Гельмгольца (Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, GEOMAR) и в Институте наук о Земле при Университете им. Кристиана-Альбрехта (г. Киль, ФРГ) с соблюдением международных стандартов как в пробоподготовке, так и при выполнении анализов.

Личный вклад автора. Организация и проведение полевых работ на вулкане, картирование и геохимическое опробование, петрографическое изучение и типизация пород. Подготовка каменного материала для различных анализов, отбор мономинеральных фракций, изготовление прозрачно-полированных препаратов и их анализ на электронном зонде. Анализ и систематизация полученных результатов и сравнение с литературными данными.

Практическое значение. Новые геологические, геохимические и минералогические данные, полученные в ходе выполнения работы, могут быть использованы в дальнейших исследованиях вулканического массива Шивелуч, в том числе и для оценки опасности его будущих извержений, а также при построении моделей генерации магм в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Структура и объем. Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения и дополнительных материалов, включающих каталог изученных образцов (Приложение 1), таблиц химических анализов пород (Приложение 2) и минералов (Приложение 3). Основной материал изложен на 172 страницах, содержит 12 таблиц, 59 рисунков. Список литературы включает 192 наименования. Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 статьи в рецензируемых изданиях, входящих в список ВАК. Результаты исследований

докладывались на российских и международных совещаниях и конференциях: Ежегодные конференции, посвященные дню вулканолога (Петропавловск-Камчатский, 2006; 2007; 2011), Симпозиумы по вулканологии и палеовулканологии (Улан-Удэ 2006; Петропавловск-Камчатский, 2009), Международном симпозиуме, посвященном проблемам эксплозивного вулканизма, Петропавловск-Камчатский, 2006; Новые идеи в науках о Земле, Москва, 2007; Конференции «Merapi and Merapi Type Volcanoes in the World with Their Phenomena» (г. Джогджакарта, Индонезия, 2006); Рабочем совещании в рамках проекта «Partnership for Volcanological Research and Education», (Ванкувер, США, 2007); Biannual workshops on Japan-Kamchatka-Alaska Subduction processes: mitigating risk through international volcano, earthquake, and, tsunami science (JKASP) Япония, 2006; CIIIA, 2009; Петропавловск-Камчатский, 2011; Рабочих совещаниях по проекту KALMAR - Kurile-Kamchatka and the Aleutian Marginal Sea-Island Arc Systems (Петропавловск-Камчатский, 2009; Trier, Germany, 2011).

Благодарности. Автор выражает огромную благодарность научному руководителю М.В. Портнягину за руководство работой и создание условий для ее выполнения,

B.В. Пономаревой и И.В. Мелекесцеву (ИВиС ДВО РАН), М.М. Певзнер (ГИН РАН), А.Д. Бабанскому (ИГЕМ РАН), Г.П. Авдейко, A.B. Колоскову, Е.Г. Сидорову,

C.А. Хубуная и А.Ю. Озерову (ИВиС ДВО РАН) за обсуждение результатов работы и ценные замечания, C.B. Высоцкому, A.A. Чащину, В.Ф. Полину и С.О. Максимову (ДВГИ ДВО РАН) за доброжелательную критику, Т.М. Философовой (ИВиС ДВО РАН) за помощь в микрозондовом анализе на начальных этапах исследования, Д. Pay и М. Тёнер (GEOMAR, Киль, ФРГ) за помощь в проведении анализов пород и минералов, Ф. Хауфф (GEOMAR, Киль, ФРГ) за проведение изотопных анализов и Д. Гарбе-Шенбергу за проведение микроэлементного анализа (Университет г. Киль, ФРГ). Особая благодарность Г.Е. Богоявленской за мотивацию к изучению андезитовых вулканов и С.А. Хубуная за первый совместный маршрут к активному кратеру вулкана Шивелуч. Большое спасибо моим друзьям и коллегам Р.Н. Сагитовой, И.И. Тембрелу, С.Б. Самойленко и Т.М. Маневич за неоценимую помощь в осуществлении полевых работ.

Работа выполнена в Лаборатории активного вулканизма и динамики извержений ИВиС ДВО РАН, возглавляемой академиком Е.И. Гордеевым. Автор искренне признательна всему коллективу за поддержку.

Полевые исследования выполнены при поддержке грантов ДВО РАН 06-III-B-08-369, 07-Ш-Д-08-094, 07-III-B-08-095, 09-III-A-08-422, РФФИ-ДВО РАН 11-0598555 р_восток_а. Аналитические исследования выполнены в рамках российско-германского проекта КАЛЬМАР (подпроект «Пространственная и временная эволюция вулканизма и магматизма в области Алеутско-Камчатского сочленения») при поддержке министерств Науки и Образования РФ и ФРГ.

Работа посвящена светлой памяти Марии Егоровны Бояриновой с благодарностью за первые уроки полевой геологии.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Начало истории изучения вулканического массива Шивелуч относится к середине XIX века. Большую историческую ценность представляют на сегодняшний день первые сообщения об активности вулкана (Erman, 1848; Bogdanovitsh, 1904),

цитируется по (Меняйлов, 1955). Работы Б.И. Пийпа и А.Н. Заварицкого положили начало изучению современных извержений и петрографии пород Шивелуча (Заварицкий, 1936; Пийп, 1945). Первое систематическое описание вулкана и его изверженных продуктов дано А.А. Меняйловым (1955). Позднее сведения о строении вулканического массива и составе его пород были существенно дополнены данными И.В. Мелекесцева с соавторами (Мелекесцев и др., 1991).

В 1970-ых годах были начаты систематические работы по реконструкции эруптивной деятельности вулкана в голоцене. В результате этих работ была не только восстановлена история извержений Молодого Шивелуча, но и получена тефростратиграфическая шкала, позволяющая датировать различные события в пределах полуострова (Ponovareva et al.,1998, 2007). Датированные прослои тефры крупнейших извержений Молодого Шивелуча являются возрастными маркерами, которые используются для расчленения и корреляции голоценовых вулканогенных и осадочных отложений Камчатки (Braitseva et al.,1997).

Современным извержениям вулкана посвящено большое количество публикаций (Меняйлов, 1955; Пийп, Мархинин, 1965; Токарев, 1967; Горшков, Дубик, 1969, Белоусов, Белоусова, 1995; Хубуная, 1995; Фирстов и др., 1996; Мелекесцев и др., 2003; Федотов и др., 2001, 2004; Гирина и др., 2006; Горбач, 2006; Овсянников, Маневич, 2010; Жаринов, Демянчук, 2008, 2013; Dirksen et al., 2006; Humphreys et al., 2006 и др.).

Геохимическим и петрологическим исследованиям пород вулкана посвящен ряд работ О.Н. Волынца (Волынец и др., 1997, 1998, 1999, 2000). Было установлено, что породы Шивелуча отличаются высокими магнезиальностью и относительно повышенными отношениями Sr/Y, K/Ti, La/Yb, Zr/Y, Th/Yb, Ni/Sc, Cr/Sc, а также низкими концентрациями Ca, Sc, Y, Yb (Волынец и др., 1998; 2000). Сходство этих геохимических характеристик с адакитами послужило основой для гипотезы о том, что вулкан питается расплавами субдуцирующей Тихоокеанской плиты (Yogodzinsky et al., 2001; Churikova et al., 2001).

Региональные проблемы геохимии вулканических пород Центрально-Камчатской депрессии (ЦКД) и вопросы происхождения магм этого региона рассмотрены в работах (Portnyagin et al., 2005, 2007; Portnyagin, Manea, 2008). Сделано предположение, что вариации состава вулканических пород по простиранию ЦКД могут быть обусловлены вариациями термального состояния мантийного клина, а также участием и различным вкладом пироксенитового компонента в образование магм (Portnyagin et al., 2009, 2011).

Несмотря на относительно хорошую степень изученности и повышенный интерес исследователей к вулканическому массиву Шивелуч, большая часть данных о геологии, петрологии и геохимии пород относится к голоценовому периоду деятельности. Ограниченность данных о ранних этапах формирования не позволяет в настоящее время ответить на ряд принципиальных вопросов, относящихся к проблеме образования и эволюции магм массива Шивелуч. А именно: Изменялся ли состав изверженных пород во времени? Связано ли формирование одного из крупнейших вулканических массивов на Камчатке с деятельностью единого источника магм? Как влияли процессы кристаллизационной дифференциации магм в коровых условиях на геохимическую специфику пород? Чем обусловлено резкое

преобладание пород среднего состава и ограниченное распространение пород основного состава среди продуктов эруптивной активности вулкана?

Работа была направлена на решение перечисленных проблем на основе геологического картирования и петролого-геохимического исследования пород вулканического массива от ранних этапов развития до настоящего времени.

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВУЛКАНИЧЕСКОГО МАССИВА ШИВЕЛУЧ

Вулканический массив имеет сложное строение и включает два главных структурных элемента - позднеплейстоценовую постройку Старого Шивелуча и действующий в голоцене эруптивный центр Молодой Шивелуч (Мелекесцев и др., 1991). В ходе начальной фазы деятельности (НФД) Старого Шивелуча была сформирована мощная толща грубообломочных пирокластических отложений, которая формирует не менее 60 % от объема позднеплейстоценовой постройки. Следующий этап развития вулканического массива в позднем плейстоцене был связан с обильными излияниями лав. На основе новых геологических данных реконструировано четыре центра, с которыми были связаны излияния лав (рис. 1). Завершающая деятельность позднеплейстоценового этапа была сосредоточена в юго-западном секторе массива (Байдарный отрог) и характеризовалась излиянием андезибазальтовых лав из центров Байдарный и Южный. На этом же этапе произошли внедрения побочных экструзий г. Семкорок на юго-восточном подножии и экструзий Северных на северо-восточном склоне Старого Шивелуча.

В конце плейстоцена южный сектор постройки Старого Шивелуча был разрушен в результате крупномасштабного обвала (Мелекесцев и др., 1991). Согласно данным (Певзнер и др., 2012), серия обвалов в южном секторе массива могла произойти в интервале 16-11.3 тыс. л.н. В голоцене эруптивная активность локализовалась в северо-западном секторе обвального цирка и была связана с мощной эксплозивной деятельностью и ростом экструзивных куполов Молодого Шивелуча. Излияния лав были характерны преимущественно для ранних этапов его деятельности (Горбач, Портнягин, 2011). На протяжении голоцена рост экструзивных куполов сопровождался формированием пирокластических потоков, обломочных лавин и лахаров, отложения которых покрывают южное подножие вулканического массива и занимают площадь около 250 км2 (Ропотагеуа е1 а1., 2007). Субсинхронно деятельности Молодого Шивелуча на западных склонах постройки Старого Шивелуча была сформирована группа побочных экструзивных куполов (экструзии группы Каран).

Современный кратер, образованный в результате катастрофического извержения 12 ноября 1964 г., находится в центральной части постройки Молодого Шивелуча и вмещает растущий экструзивный купол. Рост купола начался в 1980 г. и в настоящее время он представляет собой сложную многофазную экструзию. С ростом этого экструзивного купола было связано несколько эксплозивных извержений, которые сопровождались формированием пирокластических потоков (Хубуная и др., 1995; Федотов и др., 2001, 2004; Гирина и др., 2006 и др.). Последнее из таких крупных событий произошло в октябре 2010 г. (Овсянников, Маневич, 2010).

I6I°30'0'

Рис. 1. Схема геологического стрости вулканического массива lll»Kiyi Составлена на основе полевых данных автсца с испатьюванисм материалов (Логагган и др.. 1979 и Мелекесисв и др.. 1991) Пол« ратвити« голоисиовых пнрокластичсских отложений выаелены согласно (Ponoinarcva el al. 2007). IIa ■реке покатана региональная полиция вулканического массива

Старый Шивел>ч. Наичгьиая фаю Леятемости: I агломерат окис туфы НЫ-PI н ПЫРх аидститов. 2 лаки Ot-Cpx-P! анлетибатальтов, Лммый Ымпмкс: 3 лавы НЫР! н НЫ-Рх-РI вяаемтм. реже Рх-Р1 андегибаллльто«. 4 - лавы Px-PhOI андстибатальтов, S - жетрушвиые павы НЫ-PI ан.тститов. 6 реконструированные труптивные центры (1 • Цситжльиый. 2 - Западный. 3 Ьайларный. 4 - Южный): Молотой Шиве |)ч и жегрушв группы Каран: 7 лавы OlCpx-Ph МЫ анлетмбаильтов и аидститов, реже ■стсротакситовыс лавы. 8 »ксгрутивкыс лавы НЫ-PI и НЫ-Px-PI. реже OI-HbliPl «млетитов, 9 проксимальные пирокластичсскис от лож сии*

Другие обошаченив: 10 - блок осадочных пород фундамента: 11 дайки; 12 морены потднсплсйстоисиошхо оледенения. 13 - аллтовиалыю-пролюаиалыше отложения подножий. 14 - современные ледники, 1S - граница обвального кратера. 16 обвальные от,»ожени«. |7в современный кратер. 176 фрагменты ранних кратеров Молодого Шивслуча. I в граница распространения отложений катастрофического ишержеиия 19М г.

J

ГЛАВА 3. ПЕТРОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ ПОРОД

3.1. Петрографическая характеристика и типизация пород различных временных этапов формирования вулканического массива

Породы вулканического массива имеют порфировые и серийно-порфировые структуры и содержат от 10 до 40-50 об.% вкрапленников. Наименьшее количество вкрапленников характерно для пемз плинианских извержений Молодого Шивелуча, наибольшее зафиксировано в экструзивных лавах. Главными минералами-вкрапленниками являются оливин (01), клинопироксен (Срх), ортопироксен (Орх), плагиоклаз (Р1) и роговая обманка (НЫ). В подчиненном количестве, часто в виде включений во вкрапленниках присутствуют оксиды (хромистая шпинель (CrSp) в оливинсодержащих примитивных разностях пород, титаномагнетит и магнетит (Ti-Mt и Mt) — в более дифференцированных породах) и апатит. В составе пород начальной фазы деятельности и лавового комплекса Старого Шивелуча преобладает пять основных разностей: Рх-Р1±НЫ, Рх-НЫ-Р1 и Hbl-Pl андезиты; Ol-Cpx-Pl и Рх-Р1±01 андезибазальты. В составе лавового комплекса Молодого Шивелуча и экструзий группы Каран развиты как сходные петрографические разности, так и породы, сочетающие промежуточный набор фенокристаллов: 01-Рх-Р1±НЫ андезибазальты и андезиты, Ol-Hbl±Pl андезиты. Среди пород лавового комплекса Молодого Шивелуча были найдены гетеротакситовые разности, в которых в матриксе Ol-Px-Pl андезибазальта присутствуют крупные полосы, заливы и мельчайшие обособления Hbl-Pl андезита.

Немногочисленную, но важную группу составляют породы, в которых плагиоклаз отсутствует или же находится в малом количестве в виде субфенокристаллов. Минеральная ассоциация этих пород представлена оливином и амфиболом при подчиненной и переменной роли клинопироксена. К этим редким породам относятся 01-Срх-НЫ андезибазальты, НЫ андезиты Старого Шивелуча и Ol-Hbl андезиты и Ol-Cpx-Hbl±Phl базальты Молодого Шивелуча. По минеральным и текстурным особенностям эти породы близки к породам лампрофирового ряда.

Петрографические особенности включений и ксенолитов, которые обильны в породах вулканического массива, рассмотрены по литературным данным (Меняйлов, 1955; Мелекесцев и др., 1991; Колосков, 1999; Bryant et al., 2007) и дополнены новыми наблюдениями по петрографии включений в лавах растущего экструзивного купола.

3.2. Состав породообразующих минералов

Плагиоклаз является преобладающим минералом-вкрапленником большинства разностей пород. Состав ядер варьирует от Ап90 до Ап30. Для фенокристаллов плагиоклаза в породах Молодого Шивелуча и Ol-Cpx-Pl андезибазальтах Старого Шивелуча типичны сложная зональность, неоднородные текстуры, резорбированные ядра или промежуточные зоны. Плагиоклазы Px-Pl±Ol андезибазальтов Байдарного отрога выделяются из всей серии изученных пород преобладающей нормальной зональностью.

Фенокристаллы амфибола присутствуют во всех разностях пород вулканического массива - от единичных полностью или частично опацитизированных зерен в андезибазальтах до 20-25 % в наиболее дифференцированных экструзивных лавах. Паргаситовая и магнезиальная роговая обманка являются преобладающими типами амфиболов. Кристаллы магнезиальной

М (Ьинк

Я K.IWN«HH|MMírCN

II iiMMiK iai

II

■ —jíbJküd. ¿

ÁIL

Я « 9* M T| M

роговой обманки часто гстсрогснны по составу, что выражается в вариациях "П, N3. и А1 в центральных н краевых частях зерен. В лавах современных извержений Молодою Шивслуча

зафиксированы амфиболы с высоко- и низкоглиноземистым составом ядер.

Клинопирокссн

второй по распространенности вкрапленник в андезибаталы оных разностях пород. По составу отвечает диопсиду и авгиту WO44.43ElU2.u1FS4.il. в

андезитах эволюционирует до субкальцисвого авгита и пижонита \Уо)9~и>Ьп44-«зР^н.)« По содержаниям А1, "П. N8 и Сг клинопирокссны Шивслуча близки к составу этого минерала в породах Ключевского вулкана (Хубуная и др., 1993). Отличительной особенностью состава клинопироксснов как позднсплейстоценовых. так и голоисновых 01-Срх-Р1 андезибазальтов является четко проявленная бимодаи!ьность по величине (рис. 2). Для клинопироксснов Рх-РЧО! андезибазальтов Байдарного отрога, напротив, характерно нормальное распределение составов. Зональность большинства фснокристаллов прямая и выражена в снижении М{>#, Сг и повышении концентраций А1 и "П от центра к краю зерен. Обратная зональность встречается редко и зафиксирована только в ранних лавах Молодого Шивслуча ¿ядра 76-78, краевые зоны М^ 83-85).

Ортопироксен состав E1U7.74Fsjo.24WO). 5 во всех типах пород количественно подчинен клинопирокссну. Фснокристаллы и микролиты ортопирокссна характеризуются невысокой магнезиальностью (Мр# 69-77). Высокомагнезиальный ортопироксен (Mg# 80-85) был встречен только в реакционных каймах вокруг оливина. В андезитовых лавах Молодого Шивслуча ортопироксен иногда обнаруживает обратную зональность

Фснокристаллы оливина составляют 7-10 % в ()1-Срх-Р1 андезибазалыах и 03% в Рх-РШ)/ андезиба^альтах Старого Шивслуча. В позднсплсйстоисновых андезитах оливин редок, в андезитах же голоценового возраста отмечается повсеместно как в виде единичных корродированных кристаллов, заключенных в Рх-НЫ-М1 реакционную кайму, так и в виде ндноморных вкрапленников.

•'■> аи.4 ч«>. <м1.ч ш. 1ш.ч

Рнс. 2. Cocían фснокристалло« оливина, клниопироксема м плагиоклаза и различных петрографических типах порол вулканического массива Шивслуч. (I) - Ot-Cpx-PI андс-тибагальты Старого Шивслуча; ill) - Px-PfrOI андстибагальты Байдарного oipoia. (Ill) - О/ содержащие анлонбагалым и андезиты Молодого Шивслуча.

Состав ядер фснокрис галлов варьирует от Ро»;7 до Ро7бз- В 01-Срх-Р1 андезибазалыах Старого Шивслуча отчетливо выражены две генерации оливина, которые имеют сосгав Рочз-*) и Ромм-Наиболсе железистые оливины Ром-?» характерны для Рх-Р1±01 андезибазальтовых лав Байдарного отрога. Оливины всех типов пород характеризуются прямой зональностью, коюрая выражена в снижении магнезиальности, содержаний N1 и Сг и повышении концентраций Са и Мп к краям зерен.

Отличительной особенностью сосгава наиболее магнезиальных (>Рот>) оливинов вулканического массива являются высокие (до 0.53 мае. %) содержания N1. Содержания СаО в ядрах фенокристаллов варьируют от 0.05 до 0.13 мае. %.

Включения хромистой шпинели (с преобладающим составом Сг#=60-76, М£#-^30-60, Рсг'/Ре>'"3.5-1) обильны в ма! незиальных оливинах 01-Срх-Р1 андезибазальтов Старого Шивслуча и оливинсодсржащих породах Молодого Шивслуча. В более железистых оливинах Рх-Р1±01 андезибазальтовых лав Байдарного отрога редко встречающаяся шпинель имеет Сг# 49-56, Мд#=29-37, Рс;7Рс'*= 1.07-1.41, ТЮ*-1.6-2.6 мае. %, А1:0}= 13.6-19.1 мае. %. Сосуществующие шпинель и наиболее магнезиальный оливин (рис. 3) отвечают по составу мантийной ассоциации этих минералов (Ага1, 1994), что свидетельствует об их кристаллизации из примитивных расплавов, близких исходным мантийным магмам.

3.3. Общие закономерности петрографии пород и порядок кристаллизации

Петрографические и минералогические данные показывают, что в строении вулканического массива участвует близкая но минеральному составу и текстурно-структурным особенностям серия пород среднего состава, связанная с деятельностью единого магматического источника. Высокая магнсзиальность оливина (до Ро«2?). основной сосгав плагиоклазов (до Ап^о) и ранняя кристаллизация амфибола являются отличительными особенностями состава минералов андезибазальтовых и андезиговых пород Шивслуча. Порфировые структуры пород, присутствие нескольких генераций вкрапленников темноцветных минералов (О/. Срх. НЫ), дискретные вариации составов плагиоклаза и его контрастная зональность свидетельствуют о многостадийной истории кристаллизации магм, проявлении процессов кумуляции кристаллов и смешения магм в условиях промежуточных магматических камер. Наиболее отчетливо петрот рафичсскис признаки гибридного происхождения проявлены в 01-Срх-Р1 лавах Старого Шивслуча и в большинстве разностей пород Молодого Шивелуча.

Петро1рафические особенности пород и характер статистического распределения состава фенокристаллов предполагаю! последовательность

Оливин Ро. мол.% Рис. 3. Состав шпинелей в различных типах порол: I- OI-содержащис анлезибаталъты и анлоиты Мо.юлою Шивслуча, 2 OI-Cpx-PI анлетибагалыы Старого Шивслуча: 3 - Px-PhOI j иле тиба t.i. I ы ы Байдарного

отрога. Стрелкой показано направление »волюиим составов минералов при кристаллизации магм. OSMA иоле мантийного оливин-шнинслсвого нарагстиса (Ami. 1994).

кристаллизации серии пород вулканического массива, предположительно отвечающей трем уровням глубинности. Наиболее ранний этап кристаллизации при подъеме магм от места их генерации до промежуточного очага представлен ликвидусной ассоциацией сливина Го*^; и хромистой шпинели. Следующий пап кристаллизации андезибазальтовых магм в промежуточном коровом очаге фиксирует ассоциация вкрапленников Рокч к«. АП|*.я$ и Срхм,*к м На этом же этапе начинается кристаллизация паргаситового амфибола, в ядрах которого иногда отмечаются реликты клинспироксена \1gtf 85-87 и оливина Ро^л* Поздний этап кристаллизации в условиях близповерхностиой магматической камеры представлен устойчивой ассоциацией плагиоклаза и магнезиальной роговой обманки, которая наблюдается в большинстве экструзивных лав Молодою Шнвслуча и пирокластических пород НФД.

В отличие от большинства пород вулканического массива, минералогические особенности которых свидетельствуют о многостадийной кристаллизации в изменяющихся физико-химических условиях, состав минералов и истрофафическис особенности Рх-Р1±01 андетибазальтов Ьайдарного отрога указывают на то, что их кристаллизация происходила в условиях монотонного снижения температуры и давления. Об этом свидетельствуют преобладающая прямая зональность вкрапленников плагиоклаза, клинопирокссна и распад немногочисленных вкрапленников амфибола.

ГЛАВА 4. ГЕОХИМИЯ ПОРОД

В начале главы приведено описание аналитических мсгодов, использованных для геохимической и изотогной характеристики пород (раздел 4.1).

4.2. Главные элементы

Продукты различных временных этапов деятельности вулканического массива представлены известково-щелочной умеренно-калиевой серией порол среднего состава (5Ю2-53.5-63.8 мае. %, РеО'/М^Э 0.8-1.5, К20=0.73-1.67 мае. %; рис. 4 а,б). Из проанализированных в работе 106 образцов лав и данных но химическому составу пирокластических отложений Молодого Шнвслуча (Ропотагс\а с1 а1, 2007) только три разности пород имеют основной состав. Эта редкие породы

(пуна Шш-пч М<.м |чМ Н1мг.»ч

1 нр щ ¡щи.................... И111 л им* ц1.я Н1Кигм • иамвмрмиапячтжапшт«

■ ..^^«.Ч! • май N |1Нкм аиш» VI |а|*мй|шым ♦ ачерлт—< Ш» • ■«»«

Рис. 4. классификационные лиа(раммы .ги порол вулканическою массива Шивслуч. Горизонтальная линия на лиагр!ммс (в) разделяет область высоко-ма1 незиалышх (М$4М).6-0.7) и умсренно-ма1 нстиалышх (Мр»"0.5-0.6) составов: серая заливка ограничивает область примитивных (М{#>0.7) порол, которые М01ут находиться в равновесии с машинным (Ро >90) оливином. Средние составы примитивных анлетиюв Командорского блока (Л-тип) и вулкана Пийпа (Р-тип) согласно (Уо£ос171гс>к1 с» а1„ 1994. 1995).

представлены, во-первых, высоко-К 01-Срх-НЫ±РЬ1 базальтами (5Ю2=50.6-51.1; К20=1.9-2 мае. %, М8#=0.70-0.71), которые описаны как в голоценовых инрокласгическнх разрезах в виде прослоев тефры с возрастом 3600 |4С лет (далее но тексту базальт 3600 иС), так и в виде единичной находки в составе лавового комплекса Молодого Шнвслуча; и, во-вторых, умср«нно-К базальтами (5Ю2=51.5-52.0: К>0=0.95-1.16 мае. %, Мд#=0.69-0.71). усыновленными в внле прослоев тефры с возрастом 7600 |4С лет (далее по тексту базальт 7600 14С) (Волынси н др., 1997; Чурикова и др., 2010).

В постройке Старою Шивелуча пород с содержанием 5Ю2<53.5 мае. % и М§#>0.64 не обнаружено. Породы с содержанием кремнезема более 64 % гакже всгречаются исключительно редко. К примеру, пемза, отвечающая по составу дашлу, зафиксирована только для Молодого Шивелуча при извержении 7700 14С лет (Ропошагсуа с( а!.. 2007).

Все породы

вулканического массива

характеризуются умеренной и высокой магнсзиальностью, которая варьирует от 0.52 до 0.72 (рис. 4в). Среди пород, слагающих постройку Старого Шивелуча, преобладают

у мерен но-магнези альные андезиты и андезибазальты Mg#=0.52-0.59, высоко-

магнезиальные андезибазальты с Mg#>0.60 распространены 01раничснно и занимаю! резко подчиненный объем. Среди пород голоценового и современного периода

активности вулкана доля высокомагнсзиал ьн ы х разносгей больше (рис. 4в.) Рх-Р1±01 андезибазальты Байдарного

М«о

Рис. 5. Диаграммы распределения содержаний главных элементов к породах вулканического массива Шивслуч. Составы порол вулканов Ключевской и Безымянный по данным <А1тее\ с!, а!.. 2013; Portnyagln е< а1. 2007), Условные оботачення см. на рис. 4.

отрога по величине коэффициента глинозсмистости (а1-1.26-1.4) относятся к высокоглиноземистым породам.

По содержанию большинства главных элементов, за исключением Са, № и К наиболее магнезиальные породы вулканического массива близки составам магнезиальных базальтов Ключевского вулкана (рис. 5), которые относятся к числу

Cr

íí

Ba

наиболее примитивных вулканических пород четвертичного возраста, известных на Камчатке (напр., Хубуная и др., 1993; Volyncts, 1994; Portnyagin ct al.. 2007). В области менее магнезиальных составов породы вулканического массива Шивслуч отличаются от пород Ключевского вулкана меньшими содержаниями ПО;, АЬОь FeO*. СаО и повышенными SiOj и Na20.

4.3. Редкие н редкоземельные элементы

Максимальные концентрации Сг (до 700-800 г/т) и Ni (до 180-200 г/т) зафиксированы в базальтах 3600 и 7600 14С (рис. 6). При понижении содержания MgO до ~5 мас.% породы *" ^ •

позднсплсйстоцснового этапа формирования вулканического массива резко обедняются ЭТИМИ компонентами (рис.6) и в целом следуют тренду андезнбазальтов и андезитов вулканов Ключевской и Безымянный. Породы

Молодого Шивслуча во веем интервале содержаний MgO обогащены Сг и Ni по сравнению с породами Старого Шивслуча.

Высокие содержания Sr являются характерной

особенностью всех пород массива Шивслуч. По сравнению с породами Ключевского и Безымянного вулканов (рис. 6) при близких содержаниях MgO и SiOj породы Шивслуча обогащены стронцием в -1.5 раза (Sr=451-654 г/т). Аномально обогащены стронцием два образна - лавы г. Каран (обр. 7449. Sr=l008 г/т) и породы дайки НЫ андезитов, расположенной в 100 м воеючнее данной экструзии (обр.7448. Sr^ 1037 г/т). Содержания Ba. Rb и Zr в породах сходной

Sr

•"«fc»,.

Мк» м8о

Рис. 6. Диаграммы распределения содержаний редких элементов в породах вулканического массива Шивслуч. Составы порол вулканов Ключевской и Безымянный по данным (АЬпееУ е1 а!.. 2013; Роппуа£н< с» а!.. 2007). Условные обозначения см. на рнс. 4.

магнсзиалыюсти для Шивслуча и Ключевского вулкана близки. Содержания Ва, ЯЬ и /г увеличиваются во всех типах пород вулканического массива по мерс снижения MgO. Породы Молодого Шивслуча несколько обобщены Ва но сравнению с породами Старого Шивслуча. Среди всех пород вулканического массива аномальным обогащением Ва (до 475 г/т), КЬ (до 41 г/т) выделяются высоко-К

/foJMHtU »IMIIN A'lWVMK'MVtl и (пшмшм

I g

5" «

I

с

базальты 3600 14С. Умерсннокалисвыс базальты 7600 |4С, напротив, обнаруживают наиболее низкие концентрации этих элементов среди всех изученных пород (Ва=238-242, ЯЬ=16 г/т). Содержания У в породах вулканического массива варьируют от 8 до 25 г/т и в целом несколько понижены в породах Молодого Шивелуча. В интервале Ч^О от 10 до 5 мае. % концентрации У варьируют несистематично. В породах с содержанием <5 мае. % наблюдаегся резкое снижение содержаний этого элемента. Наиболее низкие значения зафиксированы в самых дифференцированных

породах (например, обр. 7433, "ара" ч мокв . й„.

извержение 2004 г., У=8 г/т).

Содержания редких элементов. нормированные на содержания !М-МСЖВ. для пород разных возрастных этапов вулканического

массива имеют близкие спектры и показывают типичное для осгроводужных вулканитов обогащение

крупноионными лито-

фнльными элементами (С$, К, ИЬ, Ва, 8г), легкими РЗЭ, обеднение высоко-зарядны.мн элементами (ЫЬ, Та) и тяжелыми РЗЭ (рис. 8а). Спектры РЗЭ дифференцированы ([Ьа/УЬ]п=2.8-6.5, [1.а/8т]п =1.1-2.4) и субпараллельны для пород различных этапов формирования вулканического массива (рис. 7б,в). Характерной особенностью этих спектров является умеренное фракционирование легких РЗЭ ([ЬаТМс1]п=1.1-1.6), сильное фракционирование средних РЗЭ ([1МсИ)у]п=2.1-3.6) и слабое фракционирование в области тяжелых РЗЭ ([Эу/УЬ]п -1.01.3). Андезиты поздне-плсйстоценового и голоцено-вою напои развития вулкана демонсгрируюг различное

1

"»si* Л

Ямла «-W« м*м Г/Ф.1

Л» iMèKM МШЦ

I.*!« WlNTI).. WMIUW

1*(> Г|\4М1*ЫП»|И*||1а»и

:

6и

а*?, Ml МНМИП Ь МГ я,г«н* НФЛ

.1мм 1—i ПЩ 11

1m тру mm ( ртт

Стщ ft* Шывл.9ущ.

r) . _____ _|

К« mfjrm» .',A'«fM

< Mr M m шммк к|м>1.

ММ^ЦГНМ JfRTâ

*#ч >wtH|> ///««г ft* м им tmpt m*

al -г гяям Кчртм. bhiVmnu

■ . > . Г* MtaHMIkD, It- It 1>Ш<

I • <« ft 44 <

■ I.M I»P. IUI. I«HU

Рис. 7. Распределение редких н редкоземельных элементе» в породах ву.жаннческого массива Шнвслуч: (а) — спектры редких элементов. нормированные к составу N-MORB. составы пород вулканов Ключевского и Безымянною по (Almeev el al., 2013); (б-r) - содержания РЗЭ. нормированные на Cl-хонлрит в андезибаэальтах (6 и в) и андезитах (г и д) различных этапов формирования вулканическою массива. Серые линии на всех рисунках покатывают составы индивидуальных обраэцов. Кончен фации элементов в N-MORB и С1-хондритс no (Sun and McDoooogh, 1989). обогащение редкими землями - породы Молодого Шивелуча несколько обеднены РЗЭ (£РЗЭ=39.9-53.7 г/т) в сравнении с лавами и

пнрокластнкой Старою Шивелуча (£РЗЭ~46.6-73.1 г/т). Исключение из этой закономерности представляют лавы экструзии г. Каран (голоцен), когорыс имеют наибольшее обогащение РЗЭ (£РЗЗ до 86.3 г/т) и другими сильнонесовместимыми элементами (ТЬ. Ц Ва, К) среди всех изученных пород. Концентрации тяжелых РЗЭ фу. Но. Ег, Тт. УЬ, Lu) во всех разностях пород обратно коррелируют с содержанием КЮг- Наименьшие концентрации тяжелых РЗЭ (например. УЬ=1.11 г/т) характерны для наиболее дифференцированных пород с содержанием 8Юз >60 мае. %.

4.4. Отношения несовместимых элементов

Породы вулканического массива в большей степени обогащены Се, КЬ. Ва, К, РЬ, Бг. и, ТЬ, легкими РЗЭ и обеднены тяжелыми РЗЭ и У по сравнению с серией пород вулканов Ключевской и Безымянный (рис. 8), что отражается на величине индикаторных

отношений несовместимых элементов. Породы Шивелуча имеют в среднем более высокие отношения Ьа/Бш, РЬ/Се. ТЬ/Ьа, Ьа/МЬ, Эг/У и относительно пониженные Ва/ТЬ и Ва/Ьа (рис. 9). Такие особенности пород Шивелуча согласуются с предполагаемым в ряде работ большим вкладом расплавов из субдуиирующсй плиты в их источник по сравнению с вулканами Ключевской группы (напр., Волынси и др., 2000; Уо8Сккт*к| с! а1„ 2001; СЬипкоча с» а!.. 2001; Мйпксг с! а1., 2004).

Ряд отношений несовместимых элементов, обычно не фракционирующих при кристаллизационной дифференциации магм в силу крайне низких (<0.01) валовых коэффициентов распределения, показывают отчетливые корреляции с содержанием 8|Г): в магмах, например: ТЬ/Ьа (положительная корреляция, рис. 8в) и МЬ'Та (отрицательная корреляция, рис. 8г). Такие зависимости указывают на вероятность влияния коровой ассимиляции на состае магм Шивелуча.

4.5. Изотопная систематика Чг иN41

Отношения изотопов Бг и N(1 бы:« определены в представительных образцах, которые характеризуют различные временные этапы формирования вулканического массива. Для 8г-Ы11 характеристики базальтов 3600 |4С были использованы данные (Poгtnyagln е! а!.. 2007). Отношения изотопов стронция ""Зг/^Бг в породах Шивелуча

так » * й й ¡Г» • Ь аъ Ь и m

SHtl. «К.Ч *«>J. %

Рис. 8. Вариации отношений несовместимых элсменюв ■ порола* вулканическою массива Шивелуч. Составы N-MORB согласно (Sun and McDonough. 1989), составы порол вулканов Ключевского и Безымянною по ланным (Ponnyagin с« а!.. 2007; Almecv cl. al., 2013).

изменяются от 0.703215 до 0.703676, вариации отношения и,Ыс1/|4*М составляют 0.513123-0.513045, что отвечает еШ=9.5-7.9.

Породы Старого и Молодого Шивслуча имеют близкие интервалы изотопных отношений Бг и N41. которые типичны для четвертичных вулканитов Камчатки и занимают область перекрыт ия грех вулканических зон полуострова (рис. 9а). По сравнению с породами вулканов Ключевской и Безымянный породы Шивслуча характеризуются более низкими значениями * 55г/эг I

значениях Nd/ Nd (рис. 9а). Отношения "'Sr/^Sr в породах вулканического массива имеют тенденцию к положительной корреляции с содержанием SiO> (рис. 96) и обнаруживают отчетливую прямую зависимость с содержаниями калия (рис. 9в).

ГЛАВА 5. УСЛОВИЯ "ЭВОЛЮЦИИ МАГМ

5.1. Происхождение исходных магм вулканическою массива

Высокомагнезиальиый состав

минералов в базальтах и андезибазальтах (рис. 3) свидетельствует о мантийном происхождении исходных магм, формировавших серию пород

вулканического массива Шнвслуч. Комплекс полученных данных по петрографии, составу породообразующих минералов и 1СОХИМИИ не позволяет рассматривать андезиты и андезибазальты Шивслуча в качестве производных примитивных андезитовых магм, таких, к примеру, как андезиты Командорского блока (А-тип андезиюв. Yogod/.inski cl al., 1995) или вулкана Пийпа (Р-тии андезитов, Yogodzinski et al., 1994) в пределах Западных Алсуг. Геохимические спектры пород свидетельствуют о генетическом родстве преобладающих пород среднею состава и редко

при близких

■ *» ОН *.1«ы •.4M IWI

"SrrSr

•чи

*

и я 7

ri 2

</>

t

m

v

M

■С

Jff^

'v*

•

Jt if •

в)

(LlVM «.IUI «.KM 14» •.•»» HTM

"Sr/"Sr

■ ■ с тарыы Шылг iii • - МинючЛ Шиле.гуч

+ - «WOM.»-A' бвниыяы JM4 ( trm

• портЫ агиШ'» К т'Чгжгкон и ВгШШШЯЫЛ

Рис. 9. Sr-Nd систематика порол вулканического массива Шнвслуч. Поля изотопных составов вулканических тон Камчатки (СХ Срединный хребет; ВВФ Восточный вулканический фронг; ЦКЛ Центрально-Камчатская депрессия) согласно (Churikova et al.. 2001). Па рис. (а) и (в) покатаны возможные тренды ассимиляции порол фундамента метаморфических пород верхней (линия I) и нижней (линия 2) толщ Хавывснской серии и тренд смешения с мантийными высоио-К базальтами (линия 3). Состав порол Хавывснской серии приведен по данным (Тарарин и др.. 2007).

поступающих на поверхность высокомагнезиальных магм базальтового и андезибазальтового состава. В качестве вероятной родоначальной магмы может рассматриваться состав базальтовой тефры 7600 14С (Волынец и др., 1997; Ропошагеуа е1 а1., 2007), который характеризуется максимальными содержания мафических компонентов (Мц, Бе, Сг, N1) и минимальными содержаниями несовместимых литофильных компонентов (К, ЛЬ, Ва) во всей серии пород вулканического массива, а также содержат оливин Ро923, который может находится в равновесии с первичными мантийными магмами.

По данным ряда работ (НосЬэГаесИег е1 а1., 1996; ЭогепёогГ е1 а1., 2000; Portnyagin й а!., 2005; 2007; Р1апк е1 а1., 2005) состав мантии под ЦКД отвечает слабоистощенному источнику М(ЖВ с Ьа/5ш~1 и изотопными отношениями 875г/868г<0.7030 и |43Ыс1/|44Ш~0.5131. Повышенные значения "БгЛБг, обогащение примитивных пород Шивелуча крупноионными (К, Эг, Ва) и редкоземельными (ЛРЗЭ) литофильными элементами по сравнению с МОЙВ (рис. 7-9) указывают на участие в процессах генерации магм геохимически обогащенного компонента (вероятно, водосодержащего расплава, РоПпуа§ш с! а1., 2007) субдукционного происхождения. Источником этого компонента, способным объяснить геохимические особенности родоначальных магм Шивелуча, могут быть субдуцируемые гидротермально измененная океаническая кора и океанические осадки (напр., СЬипкоуа е( а1., 2001).

Особенностью примитивных магм Шивелуча является их изотопно-геохимическая гетерогенность и присутствие примитивных высоко-К базальтов 3600 14С, которые выделяются из всей серии пород вулканического массива максимальным обогащением Р, Шэ, Ва и имеют наиболее высокие отношения 873г/863г и низкие отношения 143Ыс1У144Ыс1. Для объяснения происхождения этих базальтов в работах (Волынец и др., 1997; Portnyagгn е1 а1., 2007) предполагалось участие метасоматизированной литосферной мантии. Как показано на рис. 9в, вариации изотопных отношений Б г, N(1 и содержаний К20 в типичных породах Шивелуча могут быть объяснены участием до 50% компонента, отвечающего по составу высоко-К базальту 3600 14С. Таким образом, вероятной моделью образования исходных магм Шивелуча может быть плавление мантийного клина под воздействием водосодержащего расплава из субдуцированной плиты и последующее взаимодействие мантийных магм с обогащенной литосферной мантией.

5.2. Эволюция магм в коровых условиях

5.2.1. Кристаллизационная дифференциация

Единые тренды составов пород Шивелуча на графиках вариаций содержаний главных и редких элементов относительно N^0 (рис. 6, 7) и закономерные изменения состава породообразующих минералов указывают на важную роль фракционной кристаллизации в формировании пород. Понижение СаО, РеО, МпО, ТЮ2, Сг, №, V и увеличение 8Ю2, Ыа20, К20, ЯЬ, Ва с уменьшением Г^О в породах отражает кристаллизацию железо-магниевых силикатов и оксидов: парагенезис 01±Яр+Срх в андезибазальтовых лавах сменяется на парагенезис НЫ±Рх+М1 в андезитах. Появление апатита на ликвидусе фиксируется по излому тренда Р205 при уменьшении N^0 до 4-5 мае. %. Далее в работе рассмотрены особенности кристаллизации магм Шивелуча в коровых условиях.

5.2.2. Роль кумуляции плагиоклаза

Плагиоклаз является преобладающей минеральной фазой большинства пород вулканического массива. Накопление А1203 и Sr с повышением Si02 и с уменьшением MgO в породах (рис. 5 и 6) находится в противоречии с большим количеством кристаллизующегося плагиоклаза и данными по составу расплавных включений в андезитах, в которых содержания Sr не превышают 360 г/т и обратно коррелируют с SiC>2 (Толстых и др., 2003; Humphreys et al., 2008). Данный факт свидетельствует о том, что процессы кумуляции кристаллов плагиоклаза оказывали влияние на валовый состав пород, поддерживая содержание А1203 и Sr в магмах на более высоком уровне, чем в равновесном расплаве на каждом последующем этапе фракционирования. Резкая и разнообразная по типу зональность в плагиоклазах свидетельствует в пользу такой модели и предполагает долговременное нахождение плагиоклазов в магмах и их взаимодействие с расплавами разного состава.

5.2.3. Роль фракционирования амфибола

Петрографические, минералогические и геохимические данные свидетельствуют о принципиальной роли фракционирования амфибола на различных этапах эволюции магм вулканического массива. Ранняя кристаллизация амфибола приводит к повышению вязкости базальтовых магм с высоким содержанием воды, что затрудняет их подъем к поверхности и способствует накоплению и дифференциации на нижних уровнях коры (Pichavant et al., 2002; Barclay, Carmichael, 2004). На основании этого предполагается, что в районах широкого развития пород среднего состава ассоциирующие с ними базальтоиды доминируют на нижних коровых горизонтах (напр., Annen et al., 2006). В качестве свидетельств такого процесса рассматриваются: 1) присутствие богатых амфиболом включений или ксенолитов в дифференцированных вулканических породах; 2) петрологические и геохимические свидетельства повторного разогрева и плавления обогащенных амфиболом кумулятивных пород и 3) в достаточно редких случаях -поступление на поверхность амфиболсодержащих базальтов (напр., Tiepolo et al,. 2007). Все из перечисленных признаков присутствуют в породах вулканического массива Шивелуч. Подавляющее количество включений и ксенолитов в породах вулкана представлено обогащенными амфиболом минеральными парагенезисами вплоть до развития мономинеральных сегрегаций, часто встречающихся в лавах современных извержений. Признаки контактово-реакционного взаимодействия с вмещающими андезитами также характерны для многих включений (напр., Мелекесцев и др., 1991). Немногочисленные находки пород, в которых преобладает Ol-Hbl ассоциация вкрапленников, представляют убедительные свидетельства ранней и глубинной кристаллизации амфибола в породах Шивелуча. Отсутствие в таких породах фенокристаллов плагиоклаза указывает на кристаллизацию магм в условиях нижнекоровых давлений при высоком давлении воды (Danyushevsky, 2001). Данные экспериментальных работ (Grove et al., 2003) также указывают на то, что подобная ассоциация высокоглиноземистого амфибола и магнезиального оливина отвечает кристаллизации водонасыщенных базальтовых расплавов в условиях высокого (до 8 kbar) давления. Таким образом, ранняя кристаллизация амфибола, которая приводит к преимущественной кристаллизации водных базальтоидных магм в глубинных условиях, способна объяснить резкое

преобладание андезитов в пределах вулканическою массива Шивелуч и офаниченнос распространение на поверхности основных пород.

Фракииони|х)ванис богатой амфиболом минеральной ассоииации на последующих этапах эволюции магм привело к формированию близких к адакитам геохимических особенностей в дифференцированных разностях пород. Высокие, близкие к адакитам. отношения 8г/У (до 71) и низкие содержания У (<18 г/т) для дифференцированных пород

характерны

V.frt

Su 4

п. <*». «V». <* щ

• $ш

• икмамиим N№2. мае. %

А)

• г*«:"- ■ • .

гь 1

SO, 3

MUVMUU» яиммпмимм

sioj. мх. % stox. ш. %

Рис. 10. Систематика содержал!« SiCb. Sr. Y и Yb в породах вулканическою массива Шивелуч. По (Горбач. Портиягми, 2011). с дополнениями. Обласп, алакнтовых составов (Y<18 ppm. Sr/Y>40. SiOi>56 мае. %) на рис. (а) и (6) покатана но данным (Defant. Dmmmond, 1990). Жирными стрелками на рис. (в) и (г) покатаны векторы направления изменения состава расплавов при кристаллизации ратличных фат. На врсткс к рис. (д) покатаны тренды изменения Yb при крмсталлитации батальтовою расплава бет амфибола (I) и с амфиболом в условиях нижней горы (2) и верхней и средней коры (3) по данным (Brophy. 2008). На рис (е) стрелками показаны тренды измен синя отношения Dy/Yb. отражающие присутствие фаната в источнике и процессы фракционирования амфибола согласно (Davidson еТ а!„ 2007).

вулканического массива, что интерпретируется во многих работах как важное свидетельство участия

продуктов плавления субду-иируюшей океанической коры в происхождении магм Шивслуча (напр., Yogodzinski et al„ 2001; Churikova el al„ 2001). Рассмотрение всей серии пород вулканическою массива (рис. 10а,б) показывает, что составы пород располагаются в области, переходной между составами типичных

островодужных магм

(Sr/Y<40) и породами с адакитовой спецификой (Sr/Y>100, La/Yb>20, (Defant and Drummond, 1990)). Содержания Y, ТРЗЭ, отношения Sr/Y и La/Yb показывают зависимосгь от MgO и SiO: в породах Шивслуча. Такое поведение Y и Yb (рис. 10в,д) при увеличении SiOi

соответствует фракционированию магм с участием амфибола (Brophy. 2008), который имеет высокие (>1) коэффициенты распределения минерал-расплав дня иттрия и тяжелых РЗЭ.

Присутствие 1раната в рестите является одним из основных критериев

алакитовых магм (Defant and Drummond. 1990, Martin. 2005. и др.). Поскольку фракционирование средних (Dy) и тяжелых (Yb) РЗЭ различно при удалении

доо

loo

амфибола из расплава и в присутствии граната в рсститс. для адакитовых составов характерна сильная прямая корреляция Dy/Yb и SiOj (Davidson et al„ 2007). В породах Шивслуча отношение Dy/Yb имеет слабую отрицательную корреляцию с SiOj (рис. 10е) и у каты нас г на фракционирование богатой амфиболом минеральной ассоциации.

5.2.4. Роль смешении магм

Наряду с процессами кристаллизационной дифференциации исходных

базальтовых ма!м процессы смешения примитивных и дифференцированных магм

широко распространены в формировании островодужных андезитов (напр., Anderson, 1976; Sakuyama, 1981). Гибридное происхождение пород обычно устанавливается по присутствию неравновесных минеральных парагенезисов, сложной

зональности феиокрисгаллов. обилию корродированных

вкрапленников и мсланократовых включений. антидромной

последовательности извержений (Eichelberger. 1978, 1980; Фролова, Ьурикова, 1997; Плсчов и др., 2008).

Прямым доказательством процессов смешения является одновременное извержение магм разного состава в виде гстеротакситовых лав (Волынси, 1979). Впервые присутствие гетеротаксиговых пемз в пирокластнчсских отложениях Шивслуча было отмечено в работе (Волынец, 1979).

"Л •

'Я л .. • хч

108«

а ■ .............* i i i ■ 1

»31S4M38MUMM

SiOj(«uic.%)

Рис. II. Систематика содержаний SiO> и Сг в породах вулканического массива Шиведуч. По (Горбач. Морит ин. 2011), с дополнениями. Тонкими линиями с кружками покатаны молельные тренды фракционной кристаллизации (FC) базальтового расплава с исходным содержанием Сг~700 г/т и SiO;~51.5 мае. % при различных тначениях валовою козффнциенга распределения (DCr) между минералами и расплавом Для расчета использована зависимость между содержанием SiO> и степенью кристаллизации но .таимым (Brophy. 2008). Стрелками показаны возможные тренды смешения дифференцированной магмы с SiO;-65 мае. примитивною 6а»альта (сплошная линия) и эндезибазалыа (пунктирная линия), полученного в результате 35% кристаллизации примитивною расплава. Черный круг отвечает составу примитивною базальта, белый круг обозначает состав дифференцированной магмы с SiO; 65 мае. %.

Признаки взаимодействия различных по составу расплавов были зафиксированы и в лавах современных извержений вулкана (Humphreys ct al., 2006; Dirkscn с» al„ 2006; Ciorbach, 2006). Данные по составу и характеру зональности фенокристаллов, а также геохимические особенности пород Молодого Шивслуча свидетельствуют о том. что процессы смешения магм были характерны для всей голоценовой истории вулкана.

Породы Молодого Шивслуча имеют слсдуюшис минералогические признаки гибридного происхождения: дискретные но составу группы ядер фенокристаллов

плагиоклаза и амфибола и их резкая зональность; обратная эональноегь пироксснов, присутствие высоко магнезиального оливина во всех разностях порол и его реакционные взаимоотношения с пироксенами и роговой обманкой.

Геохимический эффект процессов смешения магм наиболее огчегливо проявлен в распределении содержаний Сг и N1 - элсмстов. концентрации которых особенно контрастны в примитивных и дифференцированных породах. Как показано на графике вариаций содержания Сг в породах относительно 5Ю:(рис. 11), тренд фракционной кристаллизации базальтового расплава имеет строю нелинейную гиперболическую форму и приводит к резкому обеднению расплавов Сг (и N0 на ранних этапах кристаллизации. Составы лав и пирокластики Молодою Шивелуча отклоняются от тренда кристаллизации и формируют рассеянные линейные гренды, свидетельствующие о происхождении этих магм в результате смешения примитивной базальтовой магмы и в различной степени дифференцированных андезитов.

Вариации состава большинства пород Старого Шивелуча согласуются с модельными трендами фракционной кристаллизации и могу! быть получены в результате 30-40% (андезибазальты) и 60-65% (андезиты) кристаллизации примитивною базальтового расплава (рис. 11). Среди пород Старого Шивелуча роль гибридных процсссон можно предполагать только для андезибазалыовых лав, изверженных в конце начальной фазы деятельности.

5.2.5. Роль ассимиляции пород фундамента

Признаком ассимиляции пород континентальной коры в процессе дифференциации магм является корреляция между содержанием БЮ;, отношениями

изотопов стронция и отношениями сильно несовместимых элементов, которые не фракционируют при кристаллизационной дифференциации основных и средних магм. Как показано на рис. 8 и 9, в породах Шивелуча ряд отношений

несовместимых элементов значимо коррелируют с содержанием БЮ?, что указывает на вероятность ассимиляции о.?<ш «.том 0.7034 0,703» 0.704« пород фундамента. В качестве "БгЛНг вероятного ассимнлянта могут

Рис. 12. Систематика "ЭгЛвг - ТК'Ьа для порол рассматриваться метаморфические вулканического массива Шивслуч. Условные породы Хавывенской возвышенности,

обозначения см. на рис. 9. расположенной на западе п-ва Озерной.

Как показано в ряде работ по геолого-структурным и геофизическим данным, Хавывенскос погребенное поднятие, состав пород которого ассоциируется с породами одноименной возвышенности, входит в состав фундамента Центрально-Камчатской депрессии и фиксируется под западным сектором Шивелуча (например. Иванов и др., 2001; Авдсйко и др., 2001). В работах (Тарарин и др., 2007, 2010) были описаны кристаллические сланцы верхней и нижней толши Хавывенской серии, которые могли быть ассимилированы магмами Шивелуча. Анализ возможного влияния ассимиляции на изотопный состав Бг и N<1 и отношения ТЬ/Ьа в породах

од»

а 1П

приведен на рис. 9а и рис. 12. Породы верхней толщи, гидротермально-измененные базальты типа МСЖВ (Тарарин и др., 2007) имеют высокие отношения |43Ш/144Ш и не могут быть возможным ассимилянтом (рис. 9а). Тренд ассимиляции пород нижней части Хавывенской серии может объяснять вариации изотопного состава Бг и N(1 в породах Шивелуча, однако в этих изотопных координатах тренд ассимиляции трудно отличить от тренда смешения с высоко-К мантийными базальтами. Возможность оценить влияние на состав магм мантийных высоко-К расплавов и ассимиляции пород нижней толщи Хавывенской серии возникает при анализе систематики отношений 87Бг/868г и ТЬ/Ьа (рис. 12). Точки составов пород вулканического массива располагаются между трендами смешения с высоко-К базальтами и ассимиляции, что подразумевает вероятное влияние обоих процессов на состав магм. Согласно этой модели количество ассимилированного материала составляет от 0 до 5%.

Голоценовые экструзивные лавы г. Каран выделяются аномальными содержаниями литофильных элементов (РЬ, Бг, Ва, ТЬ и и), что может указывать на вклад коровой компоненты экзотического состава в их образование. Внедрение экструзии происходило за пределами основных хорошо проработанных каналов, что, вероятно, способствовало процессам ассимиляции пород фундамента. Северные склоны экструзии г. Каран находятся в непосредственном контакте с блоком неогеновых осадочных пород, который впервые был описан (Лопатин и др., 1979). Осадочные породы несут следы термального воздействия экструзивных лав, в экзоконтактовой зоне экструзии г. Каран присутствует большое количество дезинтегрированных ксенолитов осадочных пород. Детальное изучение этих пород позволило диагностировать их как алевритистый мергель со следующим составом 8102=12.68, ТЮ2=0.23, А12Оз=3.93, Мё0=0.95, СаО=34.21, Ыа20=0.89, К20=0.57, Р2О5=0.2, С02=26.87 (мае. %), Се=33, Шэ=17, Ва=45877, 81=399, ТЬ=13 (г/т). Аномальное обогащение литофильными микроэлементами экструзивных и дайковых лав г. Каран может объясняться ассимиляцией около 2 % мергелистых пород.

5.3. Условия кристаллизации магм

Для оценки условий кристаллизации магм вулканического массива был использован эмпирический термобарометр и гигрометр (1ШоШ е1 а1., 2010), позволяющий оценить давление, температуру, фугитивность кислорода и содержание Н20 при кристаллизации амфиболсодежащих известково-щелочных пород, в том числе и гибридного происхождения. Расчетные физико-химические параметры кристаллизации показаны в координатах Т, Р, ГО2. и Н20 (рис. 13). Рассчитанные составы близки к кривой стабильности амфибола и показывают соответствие с эмпирическими параметрами устойчивости различных минеральных фаз, сосуществующих с амфиболом (рис. 13а) и наблюдаемыми минеральными ассоциациями в породах вулканического массива. Это является хорошим критерием достоверности полученных данных. В соответствии с вариациями состава амфиболов Шивелуча, среди которых присутствуют магнезиальная роговая обманка, магнезиогастингсит и паргаситовая роговая обманка, Р-Т интервал кристаллизации также достаточно широкий. Оливинсодержащие породы вулканического массива (в которых развит паргаситовый амфибол) группируются

800

Т(°С)

900

1000

1100

о

200

_ 400

ея

а.

С 600 е.

800 1000

-8 -9 -10

I"11 £

" -12 -13 -14

1100 looo

^ 900

и

о

ь 800

700

а»

j.6ku

S+Pt+Cpx. \<

-Ml film х ¿V-? i

Tsc-Prg+PI+Cp: *Opx+Mt+Ilm

(a)

7.S км \

Tsc-Prg+Pl+OI+Cpx +Opx+Mt+llm

Mg-Hbt+Pl \ + 0/И+Д/1 1.5 k\i +llm+Bl

' J.3 <cu

1100

.s^: /

(C)

нее нифийаш

Ф ачфиГнхш

о. швинсидерж-ищих разностей /т/хм)

1 4 6 8 10 12 НгСМм«.»/.)

Рис. 13. Р-Т (а), 1с^ГО2-Т (б) и Т-НзО расплав (с) диаграммы для амфиболов вулканического массива Шивелуч согласно систематике (1Шо1П е1 а1., 2010). На диаграмме (а) зелеными изолиниями показаны Р-Т пределы устойчивости равновесия магнезиальной роговой обманки (1У^-НЫ) и паргаситового амфибола (Тэс-Р^) с различными минеральными фазами (01, Срх, Орх, Р1, Ш, Ит). На диаграммах (а) и (с) показаны максимальный (пунктирная линия) и минимальный (точечная линия) пределы стабильности амфибола.

в высокобарной и высокотемпературной области (Р=590-550 МРа, Т=957-1011 °С, Д№Ю=0.5-1.9 и Н20 - до 7-8 мае. %). Составы амфиболов дифференцированных андезитов формируют протяженный тренд от высокобарной области до области низких давлений и температур (Т= 872-818 °С, Р=178-115 МРа, ДNN0=1.2-2.5, Н20=3.9-5.2 мае. %). Такой тренд находится в соответствии с петрографическими наблюдениями, согласно которым в ядрах магнезиальных роговых обманок наиболее дифференцированных экструзивных лав присутствуют высоко-А1 амфиболы. Условия кристаллизации этих реликтовых фаз следующие: Т=925-987 °С; Р=383-519 МРа; ANNC>=0.7-1.4; Н20=6.0-7.6 мае. %.

Полученные данные

показывают хорошее соответствие с определениями при помощи других методов. К примеру, параметры кристаллизации магнезиальных

роговых обманок согласуются с данными изучения расплавных включений в андезитах современного экструзивного купола: Т=~840°С; Ртах=160 МРа; ANNO-1.5-2.1; Н20тах=5.1 мае. % согласно (Толстых и др., 2003; Humphreys et al., 2006).

С целью тестирования полученных расчетных данных по глубинным условиям кристаллизации голоценовых и современных лав - как показателя позиций областей накопления магмы под вулканом -было проведено статистическое сравнение барометрических данных и коровой сейсмичности по данным каталога вулканических

землетрясений КФ ГС РАН за 20002009 гг. С учетом погрешностей при расчете давления кристаллизации, а

также с учетом того, что лавы Молодого Шивелуча поступают на поверхность на гипсометрических отметках, превышающих 1500-2000 м, а для гипоцентров вулканических землетрясений отсчет ведется от нулевой отметки земной поверхности, можно констатировать удовлетворительную сходимость полученных глубин кристаллизации и позиции двух асейсмичных зон. Таким образом, сопоставление независимых петрологических и геофизических параметров позволяет сделать вывод о возможном существовании двух областей накопления и кристаллизации магм под вулканом, которые отвечают близповерхностной магматической камере (3-5 км) и промежуточному коровому очагу (12-18 км).

5.4. Модель строения и эволюции питающей магматической системы вулканического массива

На основе полученных данных по эволюции состава пород и минералов с использованием расчетных данных по условиям кристаллизации и результатов численного моделирования была составлена схема строения питающей магматической системы для позднеплейстоценового (Старый Шивелуч) и голоценового (Молодой Шивелуч) этапов развития вулканического массива. При построении модели учитывались также результаты геохимического моделирования и различные механизмы дифференциации мантийных высокомагнезиальных магм с высоким содержанием воды, согласно (ВгорЬу, 2008).

Начало формирования питающей магматической системы Старого Шивелуча (рис. 14а), предположительно, было связано с внедрением в нижние горизонты коры выcoкo-Mg водосодержащих мантийных магм и формированием промежуточного корового очага на границе нижней и верхней коры на глубине около 20 км. Фракционирование оливина и клинопироксена и ранняя кристаллизация амфибола в условиях промежуточного очага приводила к формированию кумулятивных амфиболовых габброидов и значительных объемов дифференцированных магм. Поступление в верхние горизонты коры продуктов неполной кристаллизации этих магм привело к образованию крупной близповерхностной камеры (или камер) и экструзивно-эксплозивной активности начальной фазы деятельности вулканического массива. Заключительный этап начальной фазы деятельности Старого Шивелуча, связанный с небольшими по объему излияниями 01-Срх-Р1 базальтов, возможно, был обусловлен более интенсивным импульсом внедрения мантийных магм и пополнением промежуточного нижнекорового очага.

Последующее изменение характера эруптивной активности Старого Шивелуча - от эксплозивно-экструзивного к обильным излияниям лав, также могло быть следствием усиления притока магм в нижнекоровый очаг. Завершающие этапы деятельности Старого Шивелуча были связанны с излияниями Рх-Р1±01 андезибазальтовых лав Байдарного отрога. Монотонность состава этих лав и их ассоциация с серией даек выдержанного северо-восточного простирания позволяет предполагать значимую роль региональных тектонических факторов на этом этапе активности. Предположительно, активизация ослабленной разломной зоны северовосточного простирания способствовала массовому внедрению даек и быстрому поступлению на поверхность дифференцированных андезибазальтовых лав.

На голоценовом этапе развития вулканического массива (рис. 146) размеры и глубинная позиция предполагаемых областей накопления магм могли измениться, что привело к уменьшению роли промежуточного нижнекорового очага и сделало

возможным смсшсннс примитивных и дифференцированных магм в пределах близповсрхностной магматической камеры.

С крыи 111мшм>ч (а)

Мо ими» |||НК.|)Ч{(|

II.» к»

пнушы

Mall 1MB

Рис. 14. Схема строения и эволюции питающей системы вулканическою массива Шивслуч на ноэдиецлейстоиеиовом (а) и голоценовом (б) этапах развития. Глубинная пожни» прелпола! аемых магматических камер отраничена в соответствии со статистическими максимумами распределения барометрических оценок при кристаллизации амфиболов и данными геохимического моделирования ((Jorbach et al„ 2013). Кристаллизующиеся минеральные ассоциации приведены в соответствии с последовательностью выделения минеральных фат, описанной в разделе 3.3. Выделение зои кумулятивных образовании предполагается на основе схем коровой дифференциации волонасышенных мантийных магм в присутствии амфибола (Brophy. 2008) и подтверждается обилием гомсогснных включений амфиболовых габброилов и габбро-диоритов в лавах вулкаэш.

Предложенная модель строения и эволюции питающей магматической системы не прогиворечит имеющимся на сегодняшний день геофизическим данным и результатам предшествующих работ. На позицию близповерхностной магматической камеры на глубине около 5 км впервые было указано в работе Мсняйлова (1955) на основе общих геологических соображений. К сходным выводам пришли и авторы работы (Жаринов. Демянчук, 2008) на основе анализа данных по объему и расходу лав, формирующих современный экструзивный купол, а также данных (Humphreys el al.. 2006) о максимальном давлении в 1.6 kbar, рассчитанного по содержанию Н20 (5.1 мае. %) в распданных включениях из Hhl-Pl андезитов, изверженных в 2001 г. Существование и позиция более глубинного

промежуточного очага на глубинах от 8 до 25 км предполагались в работе (Горельчик и др., 1995) на основе анализа сейсмичности с 1964 по 1995 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы можно сформулировать в четырех защищаемых положениях:

1) Выделены и охарактеризованы основные типы пород, отвечающие различным временным этапам активности вулканического массива Шивелуч; реконструированы центры излияния позднеплейстоценовых лав; определены относительные объемные соотношения различных типов пород. Изучены вариации состава пород во времени и установлены различия в условиях дифференциации магм позднеплейстоценового (Старый Шивелуч) и голоценового (Молодой Шивелуч) этапов развития вулканического массива.

2) Эволюция магм вулканического массива Шивелуч определяется процессами кристаллизационной дифференциации и смешения магм в условиях близповерхностной магматической камеры и промежуточного очага на границе нижней и верхней коры. Вариации в составе пород обусловлены различными условиями кристаллизации: малоглубинной кристаллизацией для магм Байдарного отрога и многостадийной кристаллизацией с участием амфибола для магм начальной фазы деятельности вулканического массива и голоценового этапа развития. Ассимиляция коровых пород имела подчиненное значение.

3) На голоценовом этапе развития вулканического массива важную роль в процессах петрогенезиса играло смешение магм. Магнезиальные андезиты Молодого Шивелуча имеют гибридное происхождение и представляют собой смесь кислых дифференциатов и высокомагнезиальных магм, периодически поступающих в близповерхностную магматическую камеру. Близкие к адакитам геохимические особенности дифференцированных пород (8г/У > 40, У < 15 г/т, БЮг > 60 мас.%) сформированы в результате процессов кристаллизационной дифференциации, сопровождаемых кумуляцией плагиоклаза и удалением амфибола из кристаллизующейся магмы.

4) Происхождение магм, исходных для серии пород вулканического массива, связано с плавлением деплетированного мантийного источника под воздействием водосодержащих расплавов из субдуцирующей Тихоокеанской плиты. Положительная корреляция отношений 878г/865г и степени обогащения примитивных пород несовместимыми элементами предполагает участие метасоматизированной литосферной мантии в процессах образования магм.

Список публикаций по теме диссертации: Статьи:

1. Горбач Н.В. Первый лавовый поток на экструзивном куполе вулкана Шивелуч, 2004 г. // Вулканология и сейсмология. 2006. №2. С. 6-12.

2. Горбач Н.В.. Портнягин М.В. Геологическое строение и петрология лавового комплекса вулкана Молодой Шивелуч // Петрология. 2011. Т. 19. №2 С. 140172.

3. Горбач Н.В Вулкан Старый Шивелуч: геологическое строение, реконструкция эруптивных центров и характер деятельности в позднем плейстоцене // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2011. Вып. 17 № 1. С.77-90.

4. Gorbach N.V., Portnyagin M.V., Tembrel 1.1. Volcanic structure and composition of Old Shiveluch volcano, Kamchatka // Journal of Volcanology and Geothermal research, 2013. V. 263. P. 193-208. doi: 10.1016/j.jvolgeores.2012.12.012

Тезисы и материалы конференций:

5. Горбач Н.В. Формирование экструзивного купола вулкана Шивелуч и состав его лав в 2004-2005 гг. // Сборник, посвященный проблемам эксплозивного вулканизма, Петропавловск-Камчатский, 25-30 марта 2006 г. С. 112-119.

6. Горбач Н.В. Состав лав, формировавших экструзивный купол вулкана Шивелуч в 2004-2005 гг.// Вулканизм и геодинамика. Материалы 3 Всероссийского симпозиума по вулканологии и палеовулканологии, Улан-Удэ, Изд. Бурятск. НЦ СО РАН, 2006. Т.З. С. 635-639.

7. Gorbach N. У. New lava of Shiveluch volcano: en evidense of magma mingling? // 5rd Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan-Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs (JKASP-5), Japan. July 9-14,2006. P. 133-137.

8. Gorbach N. V. Lava dome of volcano Shiveluch and composition of its eruptive products in 2004-2005. Proceeding Volcano International Gathering and Merapi workshop. Yogyakarta - Central Java, Indonesia., 4-8 September 2006. P. 60-65.

9. Girina O. A., Gorbach N. V.. Nuzhdaev A. A. and Demyanchuk Y. Geological Effect of 2005 Eruptions of Shiveluch Volcano, Kamchatka, Russia. // 5rd Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan-Kurile-Kamchatka-Aleutian Arcs (JKASP-5), Japan. July 9-14, 2006. P. 43.

Ю.Горбач Н.В. Признаки взаимодействия различных по составу и температуре расплавов в современных экструзивных лавах вулкана Шивелуч (Камчатка).// Материалы VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». 10-14 апреля 2007 г., Москва, РГГУ. Т.З. С. 84-88.

11 .Горбач Н.В. Лавовые образования Молодого конуса вулкана Шивелуч.//

Сборник материалов ежегодной конференции, посвященной дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский, 2007. С. 108-120.

12.Shipman J., Pallister J., Gorbach N.. et al. Bezymianny and Shiveluch volcanoes, Kamchatka, Russia and Mount St. Helens, WA, USA: Response of volcanoes that have experienced edifice collapse. Abstract. AGU, San Francisco, USA. 10-14 December, 2007.

13.Gorbach N. V. Geological map of a Young Shiveluch lava complex. Abstract. Understanding volcanoes. General Assembly IAVCEI, Reykjavik, Iceland. 17-22 August, 2008. Abstract.

14.Горбач Н.В. Геолого-геохимическая характеристика начальной фазы деятельности вулкана Шивелуч. // Вулканизм и геодинамика. Материалы 4 Всероссийского симпозиума по вулканологии и палеовулканологии, Петропавловск-Камчатский, 2009. С. 162-165.

15.Gorbach N.. Portnyagin М., Ponomareva V. Shiveluch volcano: volcanic geology and geochemical diversity. // KALMAR-First Bilateral Workshop on Russian-German Cooperation on Kurile-Kamchatka and the Aleutean Marginal Sea-Island Arc Systems. Programm and Abstarcts. April 27 - May 1, 2009, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia, Terra Nostra. Schriften der GeoUnion Alfred -Wegener-Stiftung. Abstract Volume, 2009. № 1. p. 30-32.

16.Gorbach N.. Portnyagin M., Ponomareva V. Volcanic and chemical geology of Shiveluch volcano: three major phases of evolution.// 6th Biennial Workshop on Japan- Kamchatka-Alaska Suduction Processes, Alaska, Fairbanks, USA, 22-26 June, 2009. Abstract.

17.Горбач H.B.. Портнягин M.B. Термобарометрия амфиболов лав Молодого Шивелуча: к проблеме строения питающей магматической системы вулкана // Материалы традиционной научной конференции, посвященной дню вулканолога «Вулканизм и связанные с ним процессы», 30 марта-1 апреля 2011 г., Петропавловск-Камчатский, С. 16.

18.Portnyagin M.V., Sobolev A.V., Mironov N.L.. Gorbach N.V.. Kuzmin D. and Hoernle K. The origin of primary magmas at the Kamchatka-Aleutian Arc junction by melting of mixed pyroxenite and peridotite mantle sources // 2nd Bilateral Workshop of KALMAR- Phase I: Kurile-Kamchatka and the Aleutian Marginal Sea-Island Arc Systems, Trier, Germany. May 16-20, 2011. P. 103-104.

19.Gorbach N. V.. Portnyagin M.V. Evolution of the Late Pleistocene Old Shiveluch Volcano, Kamchatka// 2nd Bilateral Workshop of KALMAR- Phase I: Kurile-Kamchatka and the Aleutian Marginal Sea-Island Arc Systems, Trier, Germany. May 16-20, 2011. P. 58-59.

20.Gorbach N. V.. Portnyagin M.V. Geochemistry and mineralogy of the Late Pleistocene Old Shiveluch volcano, Kamchatka // 7th Biennial Workshop on Japan-Kamchatka-Alaska Suduction Processes, Petropavlovsk-Kamchatsky, 25-31 August, 2011. Abstract.

ГОРБАЧ Наталия Владимировна

Происхождение и эволюция магм вулканического массива Шивелуч (Камчатка) по геологическим и петролого-геохимическим данным

Специальность 25.00.04 — петрология, вулканология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Подписано в печать 08.10.2013. Формат 60 » 84/16. Усл. печ. п. 1,63. Тираж 100 экз. Заказ № 13/10-2015

ИП Степанов Е. В. ИНН 410100615076. Широкоформатная типография «ИСКРА», т. Петропавловск-Камчатский, ул. Тундровая, 2а, тел. 22-22-10

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Горбач, Наталия Владимировна, Петропавловск-Камчатский

Федеральное бюджетное учреждение науки Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения

Российской Академии Наук

04201365910 Горбач Наталия Владимировна

На правах рукописи

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ МАГМ ВУЛКАНИЧЕСКОГО МАССИВА ШИВЕЛУЧ (КАМЧАТКА) ПО ГЕОЛОГИЧЕСКИМ И ПЕТРОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Специальность 25.00.04 - петрология, вулканология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: Доцент, канд. reo л.-мин. наук Портнягин М.В.

Петропавловск-Камчатский, 2013

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВУЛКАНИЧЕСКОГО МАССИВА 17

2.1. Общие сведения о строении вулканического массива 17

2.2. Начальная фаза деятельности Старого Шивелуча 22

2.2.1. Распространение и литология отложений 22

2.2.2. Характер деятельности вулкана на начальном этапе формирования 24

2.3. Лавовый и дайковый комплекс Старого Шивелуча 27

2.3.2. Последовательность формирования эруптивных центров Старого Шивелуча и объемные соотношения лав 32

2.3.3. Позиция даек в структуре вулканического массива 34

2.3.4. Проблема разрушения южного сектора вулканического массива 35

2.4 Молодой Шивелуч и экструзии группы Каран 36

2.4.1. Морфология и строение Молодого Шивелуча 36

2.4.2. Последовательность формирования и объем постройки Молодого

Шивелуча 42

2.5 Формирование современного экструзивного купола и характер

извержений 43

2.6 Выводы к главе 2 47 ГЛАВА 3. ПЕТРОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ ПОРОД 49

3.1. Петрографическая характеристика и типизация лав различных временных этапов формирования вулканического массива 49

3.1.1. Петрография пород Старого Шивелуча 50

3.1.2. Петрография пород лавового комплекса Молодого Шивелуча и экструзий группы Каран 65

3.1.3. Ксенолиты и гомеогенные включения в породах вулканического массива 71

3.2. Состав породообразующих минералов 74 3.2 .1. Плагиоклаз 75 3.2 .2. Амфибол 79 3.2 .3. Пироксены 83 3.2 .4. Оливин и хромистая шпинель 87

3.2.5. Ре-Т1 оксиды 94

3.3. Выводы к главе 3: Общие закономерности петрографии пород и порядок

кристаллизации минералов 95

ГЛАВА 4. ГЕОХИМИЯ ПОРОД 98

4.1. Методы исследований 98

4.2. Главные элементы в породах 100

4.3. Редкие и редкоземельные элементы 106

4.4. Отношения несовместимых элементов 113

4.5. Бг-Ыё- изотопная систематика пород 116

4.6. Выводы к главе 4 120 ГЛАВА 5. УСЛОВИЯ ЭВОЛЮЦИИ МАГМ 120

5.1. Состав и происхождение исходных магм для серии пород вулканического массива 122

5.2. Эволюция магм в коровых условиях 124

5.2.1. Роль кристаллизационной дифференциации 124

5.2.2. Роль процессов кумуляции плагиоклаза 124

5. 2.3. Роль фракционирования амфибола 125

5. 2. 4. Роль смешения магм 130

5. 2.5. Роль ассимиляции пород фундамента 133

5.3. Условия кристаллизации магм 136

5. 4 Предполагаемая модель строения и эволюции питающей магматической

системы вулканического массива 143

5.4.1. Периодичность пополнения магматического очага на голоценовом этапе развития вулканического массива 148

5.4.2. Временные вариации состава пород и динамика питающей магматической системы 149 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154-172

ВВЕДЕНИЕ

Вулканический массив Шивелуч на Камчатке привлекает огромное внимание исследователей в силу ряда исключительных особенностей. Шивелуч расположен в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (рисЛа). Деятельность вулкана в голоцене, связанная с эруптивным центром Молодой Шивелуч, характеризуется мощными плинианскими извержениями и ростом экструзивных куполов. В его голоценовой истории зафиксировано 60 крупных извержений с объемом

л

более изверженных продуктов 1 км (Ponomareva et al, 2007). Масштабы и частота этих извержений делают вулкан наиболее активным эксплозивным центром Камчатки (Ponomareva et al., 2007). После Ключевского вулкана Шивелуч является вторым по продуктивности (36 млн.т/год), а по количеству изверженных андезитов не имеет аналогов среди четвертичных вулканов в пределах Курило-Камчатской островной дуги (Мелекесцев и др., 1991). По мнению многих исследователей, аномально высокая продуктивность вулкана является отражением специфики глубинных процессов в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Геодинамическая позиция вулкана приурочена к области тройного сочленения литосферных плит - СевероАмериканской, Охотского блока Евроазиатской плиты и субдуцирующей Тихоокеанской плиты. Кинематика сочленения литосферных плит, геометрия их границ и условия субдукции в данном районе дискуссионны. Согласно сейсмическим данным, краевая часть субдуцирующей Тихоокеанской плиты под вулканом имеет наименьшую глубину -100 км и более пологий угол погружения в сравнении с аналогичными параметрами для всех вулканов Камчатки (Федотов, 1991; Gorbatov et al., 1997). Для краевой части субдуцирующей Тихоокенской плиты предполагаются разрывы slab-window (Авдейко и др., 2001, 2006; Levin et al., 2002) или косая пологая и медленная субдукция, сходная с таковой для Западных Алеут (Волынец и др., 2000).

Продукты современных и голоценовых извержений вулкана представлены премущественно магнезиальными андезитами, которые имеют высокие концентрации крупноионных (К, Sr, Ва) и редкоземельных (La, Се, Nd) литофильных элементов, хрома, никеля и обеднены тяжелыми редкоземельными элементами (Dy, Er, Yb), иттрием и титаном (Volynets, 1994; Волынец и др., 1997; Ponomareva et al, 2007; Portnyagin et al., 2007). Подобные геохимические особенности могут свидетельствовать о сильнодеплетированном и/или низкотемпературном мантийном источнике магм (Волынец и др., 2000; Portnyagin et al., 2007) и возможном участии в процессах

мантийного магмообразования обогащенных несовместимыми микроэлементами расплавов - продуктов частичного плавления субдуцированной океанической плиты (Yogodzinsky е1 а1., 2001; Ошпкоуа й а1., 2001; РоПпуацт е! а1., 2007).

Уникальная геодинамическая позиция вулкана Шивелуч, геохимическая специфика его пород и аномально высокая продуктивность делают этот объект исключительно интересным для реконструкции магматической эволюции и определения генетической природы всего спектра пород вулкана. Однако, среди геологических и петролого-геохимических данных в настоящее время резко преобладают данные о новейшем, голоценовом периоде вулканизма (обзор в работах Ропошагеуа е1 а1, 2007; Горбач, Портнягин, 2011). Именно эти данные определяют наши представления о вулканическом массиве в целом, хотя в объемном отношении породы голоценового возраста имеют подчиненное значение по сравнению с продуктами ранних этапов вулканизма. Данные по ранним этапам формирования вулканического массива на сегодняшний день ограничены (Меняйлов, 1955; Мелекесцев и др., 1991) и не позволяют судить о составе пород Шивелуча в течение всей истории его развития и в частности о том, насколько представительны данные новейшем этапе вулканизма для вулкана в целом.

Целью работы ялялась реконструкция эволюции магм вулканического массива Шивелуч на основе детальной петролого-геохимической характеристики пород, соответствующих различным временным этапам его формирования. В работе решались следующие задачи:

1) Уточнение геологического строения вулканического массива, картирование и геохимическое опробование пород различных этапов формирования вулканического массива;

2) Петрографическая типизация пород и определение относительных возрастных и объемных соотношений различных типов пород;

3) Детальная минералогическая и геохимическая характеристика выделенных типов пород и определение их петрогенетических соотношений;

4) Оценка физико-химических условий образования и эволюции магм на различных этапах формирования вулканического массива;

5) Анализ существующих моделей образования и эволюции магм вулканического массива Шивелуч. Разработка новой взаимосогласованной модели, учитывающей петролого-геохимические особенности пород и геофизические данные.

Актуальность исследований. Проблема происхождения магнезиальных андезитов - одна из центральных в петрологии и геохимии. С одной стороны, интерес к магнезиальным андезитам обусловлен их особым составом - SiC>2>56 мас.%, MgO>5 мас.%, Петрографический кодекс..., 2008; или Si02>54 мас.%, Mg#(=Mg/(Mg+Fe*) >0.45, согласно Kelemen et al., 2003 - близким к среднему составу континентальной коры (например, Rudnick, Fountain, 1995; Kelemen et al., 1995, 2003). С другой стороны, магнезиальные андезиты - это породы с ярко выраженной известково-щелочной спецификой, встречающиеся преимущественно среди продуктов вулканизма островных дуг и активных континентальных окраин и являющиеся типоморфными для данной геодинамической обстановки (Gill, 1981). Выяснение условий происхождения магнезиальных андезитов является важным как для понимания образования и эволюции континентальной коры, так и понимания условий магмообразования в обстановке субдукционного сочленения литосферных плит. Возможность приблизиться к решению этой проблемы возникает при изучении единых серий пород, включающих магнезиальные андезиты. Вулканический массив Шивелуч является с этой точки зрения уникальным объектом исследования. Об актуальности проблемы и интересе международного сообщества свидетельствуют и многочисленные публикации последних лет в ведущих научных изданиях (Yogodzinski et al. 2001; Churikova et al. 2001; Levin et al., 2002; Miinker et al. 2004; Portnyagin et al., 2007 и др.).

Реконструкция условий эволюции магм в питающей магматической системе вулканического массива Шивелуч приобретает также особую актуальность в связи с высокой эксплозивностыо его извержений и связанной с ними опасностью. Извержения андезитовых вулканов относятся к наиболее мощным и опасным проявлениям вулканической деятельности (например, Иванов, 1990) и проблема прогноза масштабов таких извержений еще далека от решения. Крупнейшие катастрофические извержения андезитовых вулканов прошлого столетия, в числе которых наряду с извержениями вулканов Безымянного в 1956 г. и Сент-Хеленс (США) в 1980 г. присутствует и извержение Шивелуча (1964 г.), не были предсказаны (Богоявленская и др., 1985). Понимание процессов и механизмов близповерхностной дифференциации магм в питающих магматических системах андезитовых вулканов, наряду с непрерывным мониторингом эруптивной активности и комплексом инструментальных методов (сейсмологических, геофизических, геодезических и др.), может быть ключом к проблеме прогноза будущих извержений.

Фактическая основа работы. Работа основана на изучении коллекции более 300 образцов вулканических пород, собранных автором в ходе полевых работ 20042011 гг. Коллекция сформирована с учетом стратиграфичекой позиции образцов и охватывает все этапы формирования вулкана - от раннего этапа активности до текущих извержений. Образцы начального периода формирования современного экструзивного купола (лавы, изверженные в 1980-1981 гг.) переданы Ю.М. Дубиком. Ряд образцов экструзивных лав и пирокластики, характеризующих извержения 1993-1995 и 2001 гг. были любезно предоставлены С.А. Хубуная.

При выполнении работы использовались методы геологического картирования, дешифрирования аэрофотоснимков, полевое описание пород и их предварительная макроскопическая типизация. Петрографическими методами было исследовано около 400 прозрачно-полированных шлифов и мономинеральные фракции оливина, пироксена, амфибола и плагиоклаза из представительных образцов. Для геохимической и минералогической характеристики пород вулкана были использованы методы рентгенофлюоресцентного анализа (петрогенные и редкие элементы в породах - 106 анализов; электронно-зондового анализа (петрогенные элементы и ряд микроэлементов в породообразующих минералах и инстерстициальных стеклах - около 3500 анализов), масс-спектрометрия с индукционно-связанной плазмой (ICP-MS; редкие и редкоземельные элементы в породах - 30 анализов), масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS; изотопный состав стронция и неодима ~ 20 анализов). Все анализы за исключением части электоронно-зондовых исследований, выполненных в ИВиС ДВО РАН, были проведены в Центре исследований океана им. Гельмгольца (Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, GEOMAR) и в Институте наук о Земле при Университете им. Кристиана-Альбрехта (г. Киль, ФРГ) с соблюдением международных страндартов как в пробоподготовке, так и при выполнении анализов.

Научная новизна. На основе новых фактических данных построена схема геологического строения вулканического массива Шивелуч, отражающая особенности состава изверженных пород; реконструированы эруптивные центры позднеплейстоценового лавового комплекса; определены относительные объемные и временные соотношения различных типов пород. Впервые дана детальная петрологическая и изотопно-геохимическая характеристика пород, отвечающих различным этапам формирования вулканического массива Шивелуч: от ранних этапов активности и до продуктов текущих извержений. Предложена взаимосогласованная петрологическая модель строения и эволюции питающей системы вулканического

массива, которая не противоречит имеющимся на сегодняшний день геофизическим данным.

Личный вклад автора. Организация и проведение полевых работ на вулкане, геологическое картирование, геохимическое опробование, петрографическое изучение и типизация пород вулкана. Подготовка каменного материала для различных анализов, отбор мономинеральных фракций, изготовление прозрачно-полированных препаратов и их анализ на электронном зонде. Анализ и систематизация полученных результатов и сравнение с литературными данными.

Практическое значение. Новые геологические, геохимические и минералогические данные, полученные в ходе выполнения работы, могут быть использованы в дальнейших исследованиях вулканического массива Шивелуч, в том числе и при оценке опасности его будущих извержений, а также при анализе и построении моделей генерации магм в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения и дополнительных материалов, включающих каталог изученных образцов (Приложение 1), таблиц химических анализов пород (Приложение 2) и минералов (Приложение 3). Основной материал изложен на 172 страницах, содержит 12 таблиц и 59 рисунков. Список литературы включает 192 наименования.

В первой главе приводится краткий обзор предшествующих работ и постановка задачи исследования. Во второй главе на основе результатов полевых работ рассмотрены особенности строения, распространения и литологии отложений начальной фазы деятельности (НФД), последовательность излияний лав в различных секторах постройки Старого Шивелуча, особенности строения лавового комплекса Молодого Шивелуча и приведены сведения о формировании растущего экструзивного купола. Третья глава посвящена петрографической типизации и рассмотрению особенностей состава породообразующих минералов в породах, соответствующих различным этапам формирования вулканического массива. В четвертой главе рассмотрены геохимические особенности пород, проведено сравнение состава продуктов позднеплейстоценового (Старый Шивелуч) и голоценового (Молодой Шивелуч) этапов деятельности вулканического массива. В пятой главе выполнена оценка роли кристаллизационной дифференциации, смешения магм и ассимиляции пород фундамента, показана принципиальная роль многостадийной кристаллизации амфибола в формировании геохимического облика пород и предложено объяснение

различий в составах пород Старого и Молодого Шивелуча. IIa основе полученных данных по эволюции состава пород и минералов с использованием расчетных данных по физико-химическим условиям кристаллизации предложена модель строения и эволюции питающей системы вулкана. Заключение содержит основные выводы проведенного исследования.

Защищаемые положения:

1) Выделены и охарактеризованы основные типы пород, отвечающие различным этапам активности вулканического массива Шивелуч; реконструированы центры излияния позднеплейстоценовых лав; определены относительные объемные соотношения различных типов пород. Изучены вариации состава пород во времени и установлены различия в условиях дифференциации магм позднеплейстоценового (Старый Шивелуч) и голоценового (Молодой Шивелуч) этапов развития вулканического массива.

2) Эволюция магм вулканического массива Шивелуч определяется процессами кристаллизационной дифференциации и смешения магм в условиях близповерхностной магматической камеры и промежуточного очага на границе нижней и верхней коры. Вариации в составе пород обусловлены различными условиями кристаллизации: малоглубинной кристаллизацией для магм Байдарного отрога и многостадийной кристаллизацией с участием амфибола для магм начальной фазы деятельности вулканического массива и голоценового этапа развития. Ассимиляция коровых пород имела подчиненное значение.

3) На го