4527-1 (Природа геохимической зональности вкрест простирания Камчатской островной дуги), страница 3

Различные модели существуют относительно минерального состава и степени дегидратации субдуцируемой плиты [8,25,23], т.е. параметров, влияющих на состав флюида. Источником Rb, K, Ba и Sr в магмах может быть амфибол, удерживающий эти элементы до глубин 60-70 км. Разрушение фенгита сопровождается сильным привносом Rb в мантию и немедленным понижением K/Rb отношения. Это отношение переменно в лавах ВВФ (300-600) и ЦКД (400-600) но практически постоянно в островодужных лавах СХ (460-520), чуть повышаясь в породах ВПТ (~600). Таким образом, эффект фенгита не наблюдается в мантийных источниках Камчатки (в отличие от [30]). Сильное увеличение LREE и La/Yb отношения (при постоянном Yb) от фронта дуги к тылу может быть результатом дегидратации лавсонита [8,32], который, согласно экспериментальным работам, может быть устойчив до 10 GPa [25] и значительно влиять на состав пород СХ.

Нолл и др. [2] показали, что породы фронтальных зон островных дуг обогащены, в отличие от тыловых зон, некоторыми халькофильными элементами (As, Sb), бором и цезием, что обусловлено высокой подвижностью этих элементов во флюиде. As и Sb имеют высокие концентрации в лавах ВВФ и ЦКД, но в образцах СХ сравнимы с NMORB [18]. Уменьшение концентраций Cs, As и Sb на Ce-нормированных диаграммах вкрест простирания дуги объясняется обеднением субдуцируемой плиты по этим элементам на ранних стадиях дегидратации. Обогащение расплавных включений из пород ВВФ и ЦКД по S и Cl так же подтверждает вывод о значительной роли флюида в источнике этих пород.

Магмообразование вкрест простирания Камчатской дуги

Мы показали, что: (1) различные источники вовлечены в формирование магм Камчатской дуги; (2) обогащенный компонент типа OIB наблюдается в мантийном источнике тыловой части, (3) субдуговая мантия подобна или слегка обеднена в сравнении с источником NMORB; (4) общий привнос флюидной компоненты в мантийные источники меняется незначительно вкрест дуги.

Рисунок 13 суммирует наши результаты и иллюстрирует модель формирования Камчатского дугового вулканизма. Глубина субдуцируемой под Камчатку плиты увеличивается от 100 км под ВВФ до 200 км под ЦКД и далее на запад, достигая 400 км под СХ. Специфика размещения ЦКД заключается в её расположении над тройным сочленением плит, где Тихоокеанская плита субдуцирует под Евроазиатскую, формируя внутридуговой рифт.

Степень плавления вкрест Камчатской дуги изменяется от 9-12 % (для СХ и ЦКД) до 20% (для ВВФ), что согласуется с опубликованными данными для других вулканических дуг. Вероятно, высокая степень плавления в ВВФ вызвана большим количеством водного флюида, высвобождающегося из субдуцируемой плиты на первой ступени ее обезвоживания. Субдукция Гавайского Императорского подводного хребта в этом районе может играть важную роль в формировании такого флюида. Плавление в зоне ЦКД строго обусловлено двумя факторами: дегидратацией плиты, и восхождением мантийных потоков в результате внутри - дугового рифтогенеза. Плавление в СХ также обязано высвобождению флюида при глубинной дегидратации плиты, но в меньших объемах, чем в других зонах.

Выше было показано, что общий вклад флюидной составляющей в источники Камчатских лав довольно однороден вкрест простирания дуги. Это, однако, не обязательно подразумевает одинаковый поток флюида во всех трех вулканических зонах Камчатки. Одинаковые содержания микроэлементов могут быть получены двумя путями: (1) одинаковым количеством одинакового по составу флюида или (2) различным количеством флюида с разным содержанием микроэлементов. В результате высоких P-T условий и разложения высокотемпературных минералов, глубинные флюиды под СХ, будут, вероятно, более обогащены несовместимыми элементами. Бюре и Кепплер [8] показали, что флюиды, полученные при дегидратации амфибола будут преимущественно водными и низкокремнистые, но обогащенные LILE и, возможно, хлоридами. Такие флюиды высокоподвижны, формируя большие объемы расплава, как мы и наблюдаем в ВВФ и ЦКД. В отличие от них, глубинные флюиды (более 100 км), образованные при распаде лавсонита и других высокотемпературных минералов, будут обеднены водой, но обогащены кремнием и, вероятно, могут переносить некоторые количества HFSE. Такие флюиды более вязкие и менее подвижны. Высокие F и F/Cl в расплавных включениях из лав и ксенолитов СХ указывают, что в отличие от ВВФ и ЦКД, мантийный источник в тыловой части обогащен фтором, что может быть результатом плавления насыщенных фтором фаз (например, флогопита), либо обогащения глубинного флюида этим элементом. Поскольку глубина субдуцируемой плиты меняется от ВВФ к СХ в 4 раза, роль халькофильных элементы во флюиде значительно варьирует вкрест дуги [18], отношения B/La, B/Nb, B/Be, и B/Zr стремительно уменьшаются от фронта дуги к тылу от значений 5, 12, 55, и 0,25 (EVF) до менее, чем 0,5, 1,0, 10, и 0,05, соответственно [18], а расплавы СХ обогащены фтором, мы склонны придерживаться второго сценария. Мы считаем, что в то время, как плавление в ВВФ инициируется большим количеством относительно бедного микроэлементами флюида, плавление под СХ вызвано меньшим количеством более обогащенного флюида.

Район ЦКД характеризуется наивысшей продуктивностью магмы на Камчатке. Вероятно, это связано с внутридуговым рифтингом и восходящими мантийными потоками в этой области. Несмотря на то, что степень плавления в этом регионе не очень высока (около 12%), благодаря массивной декомпрессии под рифтовой зоной, большой объем мантийного вещества мог вовлекаться в плавление. Вероятно, высокая магмопродуктивность ЦКД вызвана сочетанием двух процессов: (1) внутридуговым рифтингом с последующим восхождением мантийных масс и декомпрессионным плавлением и (2) обильным флюидным потоком, отделяющимся от субдуцируемого под Камчатку Императорского подводного хребта.

Выводы

1. Распределение макро- и микроэлементов в породах северного Камчатского пересечения типично островодужное. Систематические вариации от вулканического фронта на вулкане Комарова к тыловой части дуги на вулкане Ичинский уверенно указывают на наличие одной зоны субдукции в настоящее время на Камчатке.

2. Наблюдаемая геохимическая зональность обусловлена тремя главными факторами: (1) в разной степени обедненными или обогащенными мантийными источниками; (2) переменными степенями плавления мантии и (3) составом флюида, отделенного от субдуцируемой плиты.

3. В сравнении с источником NMORB, мантия под Камчаткой обеднена в разной степени: от слегка обедненной в районе ВВФ и ЦКД до существенно обогащенной в СХ.

4. Мантийный источник под СХ обогащен компонентом типа OIB, причем в меньшей степени это проявлено в островодужных лавах вулканов СХ, но играет заметную роль в формировании шлако-лавовых конусов (ВПТ-лавы).

5. Согласно распределению редких элементов, общая добавка субдукционого флюидного компонента примерно одинакова в породах всех трех зон дуги. Однако, содержания халькофильных элементов и бора в лавах, а так же фтора в расплавных включениях варьируют вкрест дуги, что предполагает разнообразный состав флюида под Камчаткой.

6. Величина и скорость производства магмы зависят от интенсивности флюидного потока и глубинной геодинамики мантийного клина, заметно возрастая в зонах растяжения.

Авторы крайне благодарны А.Колоскову, Г.Флерову, О.Волынцу, К.Ойстерхуз, П.Плечову и А.Максимову за продуктивное обсуждение материала и помощь в течение полевых работ. Эта работа была поддержана проектами DFG Wo362/15-1+2, INTAS No. 94-3129, грантами DFG-РФФИ No. 98-05-04103 и 00-0504000 и фондом Фольксвагена.

Список литературы

Авдейко Г.П., Антонов А.Ю., Волынец О.Н., Цветков А.А.. Подводный вулканизм и зональность Курильской островной дуги. Москва: Наука, 1993. 528 с.

Балеста, С.Т.. Строение земной коры и магматические очаги областей современного вулканизма Камчатки // Действующие вулканы Камчатки. М.: Наука, 1991. С.36-45.

Волынец О.Н., Успенский В.С., Аношин Г.Н., Валов М.Г., Патока М.Г., Пузанков Ю.М., Ананьев В.В., Шипицын Ю.Г.. Эволюция геодинамического режима магмообразования на Восточной Камчатке в позднем кайнозое (по геохимическим данным) // Вулканология и сейсмология. 1990. N 5. С.14-27.

Горельчик В.И., Гарбузова В.Г., Дрознин Д.В., Левина В.И., Фирстов П.П., Чубарова О.С., Широков В.А.. Вулкан Шивелуч: глубинное строение и прогноз извержения по данным детальной сейсмичности 1962-1994 гг. // Вулканология и сейсмология. 1996. .N 4-5. С.54-76.

Цветков А.А., Гладков Н.Г. , Волынец О.Н.. Проблема субдукции и изотоп 10Be в лавах Курильско-Камчатской островной дуги // Докл. АН СССР. 1989. Т.306. N5. С.1318-1322.

Ayers J.. Trace element modeling of aqueous fluid - peridotite interaction in the mantle wedge of subduction zones // Contributions to Mineralogy and Petrology. 1998. V.132. P.390-404.

Brenan J.M., Shaw H.F., Ryerson F.J., Phinney D.L. Mineral-aqueous fluid partitioning of trace elements at 900 degrees C and 2.0 GPa; constraints on the trace element chemistry of mantle and deep crustal fluids // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. V.59. P.3331-3350.

Bureau H., Keppler H.. Complete miscibility between silicate melts and hydrous fluids in the upper mantle; experimental evidence and geochemical implications // Earth and Planetary Science Letters 1999. V.165. P. 187-196.

Churikova T., Dorendorf F, Wцrner G. Sources and fluids in the mantle wedge below Kamchatka, evidence from across-arc geochemical variation // Journal of Petrology 2001a.. In revision.

Churikova T, Wцrner G, Kronz A, Plechov P. S, Cl and F in olivine melt inclusions from mafic arc rocks in Kamchtka. EUG 11. Strasbourg: Terra Abstracts. 2001b. In press.

Dorendorf F., Wiechert U., Wцrner G.. Hydrated sub-arc mantle: a source for the Kluchevskoy volcano, Kamchatka/Russia // Earth and Planetary Science Letters. 2000a. V.175. P.69-86.

Dorendorf F., Churikova T., Koloskov A.., Wцrner G. Late Pleistocene to Holocene activity at Bakening volcano and surrounding monogenetic centers (Kamchatka): volcanic geology and geochemical evolution // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2000b. December.

Gill J.B.. Orogenic andesites and plate tectonics. Berlin: Springer, 1981. 358 p.

Gorbatov A. V.. Sismicidad y estructura de la zona de subduction de Kamchatka. Ph.D. // Thesis, Instituto de Geofisica, UNAM, Mexico, 1997. P.144.

Hochstaedter A.G., Kepezhinskas P., Defant M., Drummond M., Koloskov A.. Insights into the volcanic arc mantle wedge from magnesian lavas from the Kamchatka Arc // Journal of Geophysical Research, B, Solid Earth and Planets. 1996. V.101. P.697-712.

Hofmann, A.W.. Chemical differentiation of the Earth; the relationship between mantle, continental crust, and oceanic crust. In: Welin, E. (ed.) Isotope geochemistry; the Crafoord symposium // Earth and Planetary Science Letters. 1988. Amsterdam: Elsevier. P.297-314

Kersting A.B., Arculus R.J. Pb isotope composition of Klyuchevskoy Volcano, Kamchatka and North Pacific sediments; implications for magma genesis and crustal recycling in the Kamchatkan arc // Earth and Planetary Science Letters. 1995. V.136. P.133-148.

Leeman W, Wцrner, Churikova T., Tonarini S., Heuser A.. Boron and Fluid-Mobile Element (FME) Fluxes Across Kamchatka. EUG 11. Strasbourg: Terra Abstracts. 2001. In press.

McCulloch M.T. & Gamble, A.J.. Geochemical and geodynamical constraints on subduction zone magmatism. Earth and Planetary Science Letters. 1991. V.102. P.358-374.

Miller D.M., Goldstein S.L. , Langmuir C.H. Cerium/ lead and lead isotope ratios in arc magmas and the enrichment of lead in the continents. Nature (London). 1994. V.368. P.514-520.

Noll P.D. Jr., Newsom H.E., Leeman W.P. & Ryan J.G.. The role of hydrothermal fluids in the production of subduction zone magmas; evidence from siderophile and chalcophile trace elements and boron // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1996. V.60. P.587-611.

Pearce, J.A.. Role of the sub-continental lithosphere in magma genesis at active continental margins. In: Hawkesworth, C.J. & Norry, M.J. (eds) Continental basalts and mantle xenoliths; papers prepared for a UK Volcanic Studies Group meeting at the University of Leicester. Nantwich: Shiva Publ., 1983. P.230-249.

Pearce J.A. , Parkinson I.J. Trace element models for mantle melting; application to volcanic arc petrogenesis // Prichard H.M., Alabaster T., Harris N.B.W. , Neary C.R. (eds) Magmatic processes and plate tectonics. Geological Society Special Publications. London: Geological Society of London, 1993. P.373-403.

Plank T., Langmuir C.H. An evaluation of the global variations in the major element chemistry of arc basalts // Earth and Planetary Science Letters 1988. V.90. P.349-370.

Schmidt M.W. , Poli S.. Experimentally based water budgets for dehydrating slabs and consequences for arc magma generation // Earth and Planetary Science Letters. 1998. V.163. P.361-379.

Shibata T., Nakamura E. Across-arc variations of isotope and trace element compositions from Quaternary basaltic volcanic rocks in northeastern Japan; implications for interaction between subducted oceanic slab and mantle wedge // Journal of Geophysical Research, B, Solid Earth and Planets. 1997. V.102. P.8051-8064.

Stolper E., Newman S. The role of water in the petrogenesis of Mariana Trough magmas. Earth and Planetary Science Letters. 1994. V.121. P.293-325.

Sun S.S., McDonough W.F.. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts; implications for mantle composition and processes // Saunders A.D., Norry M.J. (eds) Magmatism in the ocean basins. Geological Society Special Publications. London: Geological Society of London, 1989. P.313-345.

Tatsumi Y., Eggins S. Subduction zone magmatism. Frontiers in earth sciences. Cambridge: Blackwell Science. 1995.

Tatsumi Y., Kogiso T., Hohda, S.. Formation of a third volcanic chain in Kamchatka; generation of unusual subduction-related magmas // Contributions to Mineralogy and Petrology. 1995. V.120. P.117-128.

Todt W., Cliff R.A., Hanser A., Hofmann A.W. ²⁰²Pb-²⁰⁵Pb spike for Pb isotope analysis // Terra Cognita . 1984. V.4. P.209.

Tribuzio R., Messiga B., Vannucci R., Bottazzi P. Rare earth element redistribution during high-pressure-low-temperature metamorphism in ophiolitic Fe-gabbros (Liguria, northwestern Italy); implications for light REE mobility in subduction zones // Geology (Boulder). 1996. V.24. P.711-714.

Yogodzinski G. M., Lees J. M., Churikova T. G., Dorendorf F., Wцrner G., Volynets O.N. Slab edge geochemical effects on arc magmatism and the torn Pacific Plate beneath Kamchatka and the Western Aleutians // Nature. 25 January, 2001.