Особенности островодужного вулканизма на различных мантийно-коровых субстратах

ОСОБЕННОСТИ ОСТРОВОДУЖНОГО ВУЛКАНИЗМА НА РАЗЛИЧНЫХ
МАНТИЙНО-КОРОВЫХ СУБСТРАТАХ

Государственный геологический музей им. РАН, Москва, *****@***ru

В ряде классических работ вариации в составе вулканических комплексов вдоль островодужных поясов связываются с разной степенью развития их сегментов, которое сопровождается наращиванием земной коры [Богатиков, Цветков, 1988; Фролова и др., 1989]. Другие исследователи вслед за С. Уйедой подчеркивают ведущую роль некоторых геодинамических параметров (тип и мощность земной коры, возраст погружающейся плиты, наклон зон субдукции и др.), которые скачкообразно меняются на границах сегментов [Гатинский и др., 2000]. В данной работе предпринята попытка оценить в какой мере эти вариации могут быть связаны с первичной гетерогенностью мантийно-корового субстрата. Другими словами, выявить особенности первичных расплавов и их дифференциации, а также эволюции вулканизма в островных дугах, развивающихся на разных субстратах. С этой целью мы провели анализ данных по составу вулканитов из островодужных поясов в Тихом и Индийском океанах с использованием методов многомерной статистики. Основу выборки составили первичные анализы из базы данных «GEOROC», размещенной в Интернете.

Гетерогенность мантийно-корового субстрата вдоль рассматриваемых островодужных поясов надежно фиксируется как по геофизическим данным, так и соотношению долгоживущих изотопов Sr, Nd и Pb в составе вулканитов. Для изотопной систематики пород был использован модифицированный «мантийный тетраэдр» А. Зиндлера и С. Харта, в котором наряду с традиционными конечными компонентами (деплетированная мантия – DM, высокоурановая HIMU-мантия, нижняя субконтинетальная литосфера EM1, верхняя субконтинентальная литосфера EM2) важное значение имеет компонент F (“focal”). Он представляет собой усредненную характеристику известных внутритетраэдрных компонентов (FOZO, C, PREMA и др.), уточненную методами многомерной статистики [Рундквист и др., 2000; Mironov et al., 2000]. В рамках данной систематики выделены четыре основных типа четвертичных вулканитов. Эти типы пространственно разобщены и слагают протяженные пояса островных дуг (рис. 1). Для пояса Суматра – Сунда – Банда характерно сильное обогащение расплавов веществом континентальной коры (тип F+EM2). Вулканиты внутреннего Западно-Тихоокеанского пояса (Кюсю – Рюкю – Лузон – Хальмахера – Сулавеси) в целом отвечают смеси (F+ EM1+EM2), однако существенное обогащение EM2 фиксируется, в основном, на окончаниях пояса (Кюсю, Сулавеси). Во внешнем поясе преобладают энсиматические дуги. Основную дисперсию состава их вулканитов определяет смешение F и DM. При этом относительно высокая доля DM проявлена лишь к северу от Марианской дуги. Для всех энсиматических дуг характерна также устойчивая примесь некого компонента, который по большинству изотопных характеристик близок к EM1, но отличается экстремально низкими значениями 207Pb/204Pb (за пределами «мантийного тетраэдра»). Аналогичную специфику имеют палеорифтовые базальты западной части Тихоокеанской плиты, а также породы Гавайев – крупнейших островов в пределах той же плиты, с субдукцией которой связано формирование внешнего пояса островных дуг [Mironov, 2004]. Вулканиты отдельных коротких сегментов внешнего пояса, которые заложены на древней континентальной коре (Новая Зеландия, Хонсю), отчетливо обогащены радиогенным 87Sr (компоненты EM). В то же время в вулканических комплексах Камчатки, которые формируются на более молодой коре континентального типа, в силу длительного периода полураспада материнского радинуклида 87Rb подобного обогащения не фиксируется, и по изотопному составу породы Камчатки аналогичны вулканитам прилегающих энсиматических дуг (тип F+DM).

Магмы, выплавленные из разных изотопных резервуаров, имеют ряд систематических различий не только в первичном составе, но и в особенностях их дифференциации (рис. 2). Прежде всего, базальтовые магмы, характерные для энсиалических дуг и связанные с плавлением резервуара EM1 (и в еще большей степени – EM2), в целом обогащены всеми высоконекогерентными элементами (La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, K, Rb, Th, U, Ba, Sr, Cs, Pb, Zr, Hf, Nb, P) относительно расплавов, поступающих из резервуаров DM и F. Однако различия по содержанию тех же элементов между кислыми дифференциатами магм, выплавленных из разных резервуаров, менее заметны. Таким образом, темп накопления высоконекогерентных элементов в «деплетированных» магмах выше, чем в первично «обогащенных» расплавах. Имеются некоторые геохимические различия и в продуктах плавления резервуаров F и DM. Так первичные базальтовые магмы с высокой долей DM обогащены Mg, Ni, и Cr по сравнению с расплавами, близкими по изотопному составу чистому компоненту F. Начиная с андезитобазальтовой стадии дифференциации начинают проявляться различия в содержанииях некоторых высоконекогерентных элементов (Nb, La). Примерно одновременно в расплавах из резервуара F начинают резко накапливаться Tb, Lu и Y, которые во всех остальных случаях обладают относительно низкой степенью некогерентности.

Различия в составе островодужных комплексов, формирующихся на разных субстратах, проявляются и в системе основных классификационных петрохимических параметров. Так, например, общая щелочность (в основном, за счет калия) в целом последовательно возрастает в ряду резервуаров: F+DM – F+EM1 – F+EM2 (рис. 3). Исключение составляют породы Камчатки, которые, как отмечалось выше, в силу относительно небольшого возраста субконтинентального субстрата по изотопному составу отвечают смеси F+DM, но по петрохимическому составу близки породам энсиалических дуг внутреннего пояса (тип F+EM1). При наличии значительного перекрытия составов пород из разных типов островных дуг в области составов нормальной щелочности наиболее надежными индикаторами энсиматических дуг являются: 1) наличие и преобладание на ранних стадиях развития дуг дифференцированных комплексов пониженной щелочности (известковистый или бонинит-марианит-дацит-риолитовый ряд по [Маракушев, 1989]; 2) слабая (преимущественно базальт-андезитовая) дифференцированность комплексов нормальной щелочности; 3) практически полное отсутствие комплексов повышенной щелочности. В энсиалических дугах преобладают непрерывнодифференцированные комплексы нормальной и повышенной щелочности, а в случае вовлечения в магмогенез вещества верхней субконтинентальной литосферы наряду с последними могут формироваться щелочные высококалиевые комплексы.

Таким образом, первичная гетерогенность мантийно-корового субстрата является важнейшим фактором островодужного вулканизма, который определяет не только особенности первичного состава и дифференциации расплавов, но и некоторые черты эволюции магматизма в целом. Отсюда возникают, по крайней мере, две проблемы, затрагивающие классические представления. Во-первых, насколько правомерно строить обобщенные ряды эволюции островодужного магматизма на основе объединения данных по конкретным островным дугам, заложенным на принципиально различном фундаменте? Во-вторых, действительно ли увеличение щелочности магматических пород вкрест простирания энсиалических дуг (зональность Х. Куно) связано с возрастанием глубины зон плавления по мере удаления от зоны субдукции, или это может быть обусловлено увеличением в том же направлении степени вовлечения вещества древней субконтинентальной литосферы? Исследования выполнены в рамках программы Президиума РАН «Мировой океан» при содействии гранта Президента РФ НШ-99.2003.5.

Список литературы

, Магматическая эволюция островных дуг. М.: Наука, 1988, 248 с.

, , и др. Зоны субдукции: действующие силы, геодинамические типы, сейсмичность и металлогения // Вестник ОГГГГН РАН (электронный научно-информационный журнал), 2000, Т.1 “Науки о Земле на рубеже веков”, №2(12). (URL: http://www. *****/russian/cp1251/h_dgggms/2-2000/subduction. htm#begin).

Новый принцип систематики изверженных пород // Известия АН СССР. Серия геол., 1989, №6. С.3-27.

, , Существует ли универсальный Sr-Nd-Pb изотопный индикатор нижнемантийных плюмов? // Докл. АН, 2000, Т.370, №2. С.223-226.

, , Магматизм и преобразование земной коры активных окраин. М.: Недра, 1989, 261 с.

Mironov Yu. V. Isotope provinces of the Quaternary island-arc volcanites in the Pacific and Indian oceans // 32nd Int. Geol. Congr., Abs. Vol., pt.1, 2004, abs.82-38. P.406-407.

Mironov Yu. V., Ryakhovsky V. M., Pustovoy A. A. Sr–Nd–Pb Isotopic Zoning in the World Ocean and Mantle Plumes // Geochemistry International, 2000, V.38, suppl. 1. P.20-27.

Рис. 1. Sr-Nd-Pb изотопная систематика и пояса четвертичных островодужных вулканитов Тихого и Индийского океанов. 1 – 9 –внешний пояс островных дуг (1 – Камчатка, 2 – Курилы, 3 – Хоккайдо – Хонсю, 4 – Идзу-Бонины; 5 – Марианская, 6 – Тонга – Кермадек; 7 – Нов. Зеландия. 10 – внутренний пояс островных дуг (8 – Кюсю – Рюкю, 9 – Лузон, 10 – Хальмахера, 11 – Сулавеси); 11 – островные дуги юго-восточной Азии (11 – Суматра, 12 – Сунда, 13 – Банда).

Рис. 2. Петрогеохимические спектры средних составов четвертичных островодужных базальтов и кислых пород (Тихий и Индийский океаны), выплавленных из разных изотопных резервуаров. Составы нормированы по среднему составу базальтов, выплавленных из резервуара F.

Рис. 3. Систематика островодужных вулканитов Тихого и Индийского океанов в координатах «кремнекислотность – общая щелочность». 1-3 – поля преобладающих составов четвертичных вулканитов, выплавленных из разных изотопных резервуаров (1 – F+DM, 2 – F+EM1, 3 – F+EM2); 4 – четвертичные вулканиты Камчатки, 5 – эоцен – олигоценовые вулканиты энсиматических дуг, 6 – границы между рядами щелочности [Маракушев, 1989] (И – известковистый, ЩИ – щелочно-известковистый, ИЩ – известково-щелочной, СЩ – субщелочной, Щ – щелочной, УЩ – ультращелочной).