Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 1, стр. 26-32

ВВЕДЕНИЕ

Исследование мультиэлементного изотопного состава магматических пород позволяет реконструировать модели петрогенезиса и является сейчас неотъемлемым атрибутом исследований магматизма. Кроме таких важных вопросов, как источники магм, реконструкция процессов кристаллизации и контаминации, оценки роли флюидов (например, [1–4]), перспективными являются исследования изотопной неоднородности доменов мантии и блоков земной коры (террейнов), которые проливают свет на их геодинамическую природу и историю. Охотско-Чукотский вулканогенный пояс (ОЧВП) – крупнейший на западе Пацифики окраинно-континентальный пояс андийского типа с оцененным объемом известково-щелочных магм более 1 млн км³ [5], изверженных в течение от альба до кампана, в интервале от 106 до 78 млн лет [6, 7]. На континентальной окраине северо-востока Азии, на протяжении более 3000 км, ОЧВП перекрывает большое количество разнородных террейнов (от зрелых архейских микроконтинентов до океанических офиолитовых комплексов – рис. 1), это позволяет исследовать глубинное строение коры в перекрытых поясом фрагментах литосферы, а также процессы контаминации известково-щелочных магм через исследование радиогенных и стабильных изотопов. Однако горные породы пояса по латерали и в частных разрезах вулканоструктур все еще недостаточно исследованы по изотопному составу, а изотопный состав кислорода для магматической стадии не исследован вовсе. В работе [8] проведен анализ δ¹⁸O в адулярах из некоторых эпитермальных золото-серебряных месторождений ОЧВП, а в работе [9] обстоятельно изучен изотопный состав S, C, O в карбонатах и сульфидах месторождения Дукат. Эти данные позволяют обсуждать гидротермальную стадию.

Рис. 1.

Вариации изотопного состава Sr, Nd и O в известково-щелочных магмах Охотско-Чукотского вулканогенного пояса (ОЧВП). На карте темно-серым показаны кратонные террейны с архейским и неопротерозойским фундаментом, серым и светло-серым – мезозойские складчатые пояса, горизонтальной штриховкой – палеозойские террейны, крапом и точками мезо-кайнозойские вулканические пояса и осадочные бассейны. Карта модифицирована, использована основа из [11]. Разными оттенками зеленого на карте и диаграмме показаны сегменты ОЧВП, выделенные по первичным изотопным отношениям ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd, врезка вверху слева (по [6, 7, 10, 12–15]). Местоположение исследованных образцов и вариации +δ¹⁸O в магмах показаны на карте, буквы обозначают названия вулканоструктур и кальдер в табл. 1. Тип и окраска значков соответствуют изображенным на диаграмме (рис. 2). Справа внизу – фото шлифа риолита (обр. UR 1), в котором проанализированы фенокристы кварца (Qtz).

В нашем сообщении акцент сделан на магматическую стадию кристаллизации. Мы представляем первые данные по изотопному составу кислорода в фенокристах кварца, амфибола, клинопироксена, оливина, а также акцессорного циркона вулканических пород из семи вулканоструктур в трех выделенных сегментах ОЧВП (рис. 1).

КРАТКИЕ ДАННЫЕ ПО ГЕОЛОГИИ И ИЗОТОПНОЙ ГЕОХИМИИ

В.Ф. Белый первым отмечал, что пояс обладает сложной структурной и петрографической зональностью, выделял в нем внутреннюю и внешнюю продольные зоны, а также серию поперечных секторов и зон [5]. Продольная латеральная неоднородность лучше всего выражается в изменении доли кислых изверженных пород в том или ином сегменте пояса: выделяются Западно-Охотская и Восточно-Чукотская фланговые зоны, Охотский, Пенжинский, Анадырский и Центрально-Чукотский сектора [5]. Выражены Западно-Охотская зона и Центрально-Чукотский сектор с далеко вдающимися в континент областями с большим объемом игнимбритов и малым андезитов, антидромной последовательностью преимущественно турон-сантонского вулканизма (Куйдусунское поле в Приохотье, Пегтымельский прогиб на Чукотке). Во всех остальных секторах наблюдается гомодромная последовательность: лавы и туфы пропилитизированных андезитов, кислые туфы и лавы, затем снова андезиты, игнимбриты и туфы риолитов. Завершают разрезы субщелочные базальты и андезибазальты, формирующие локально развитые полого наклоненные плато.

Исследование отношений радиогенных изотопов Sr, Nd, Pb в магматических породах ОЧВП показало существенную латеральную неоднородность источников известково-щелочных магм и разный состав ассимилированного корового материала вдоль ОЧВП на протяжении более 3000 км (рис. 1), что соответствует крупным блокам разновозрастной континентальной коры в основании пояса [6, 7]. Первичные изотопные отношения Sr, Nd, Pb в андезибазальтах, дацитах и риолитах охотской ветви (Охотский и Анадырский сектора) относительно деплетированы и близки к линии смешения мантийных компонентов PREMA и BSE ((⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀ = 0.70444–0.70332, (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)₀ = 0.51286–0.51257, eNd = от +6.5 до +0.8; ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb = 38.5–38.04)) [6]. В Западно-Охотской фланговой зоне источник магм содержит существенную примесь обогащенного компонента EM-1 ((⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀ = 0.70408–0.70475, (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)₀ = 0.51196–0.51258, eNd = от +1.4 до –12.2; ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb = 37.36–37.96)), что согласуется с особым строением фундамента ОЧВП в этой зоне – докембрийским Охотским массивом (“Ох” на рис. 1б). Это подтверждается и самыми древними модельными Nd-возрастами по вулканитам Ульинского прогиба от 1.3 до 1.8 млрд лет [6, 15]. В Центрально- и Восточно-Чукотском секторах магмы ОЧВП существенно отличаются по составу радиогенных изотопов. При значительно более узких вариациях ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd в них наблюдаются высокие вариации ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr с ясно выраженным трендом в сторону компонента EM-2, вероятно демонстрирующим контаминацию магмами зрелого корового материала типа Кооленьского гранитно-метаморфического купола на Чукотке (“Ko” на рис. 1б). Учитывая разнонаправленную конфигурацию секторов, а также установленную разницу в Sr–Nd-изотопном составе магм, мы предлагаем выделять только три главных сегмента в поясе – западно-охотский, охотский и чукотский (рис. 1).

МЕТОДЫ

Изотопный состав кислорода исследован в мономинеральных фракциях, главным образом, фенокристов кварца (а также единичных зернах оливина, клинопироксена и циркона), которые в отличие от основной массы не изменены и, таким образом, надежно позволяют получить близкие к первичным значения для магм. Всего изучено 25 образцов вулканических пород (риолиты, дациты, андезиты, базальты) и один гранодиорит, которые характеризуют главные кальдерные и посткальдерные фазы магматизма в семи вулканоструктурах Западно-Охотского, Охотского и Чукотского секторов ОЧВП (табл. 1). В фундаменте этих структур залегают терригенные комплексы мезозоид, докембрийские комплексы Охотского кратонного блока (“Ох” на рис. 1) и протерозойские метаморфические комплексы, наиболее представительно обнаженные в Кооленьском гранито-метаморфическом куполе (“Ко” на рис. 1). При площади исследованных альб-кампанских кальдер в 300–500 км² оцененный объем извергнутого вулканического материала достигает 450–500 км³ за интервал времени накопления не более 5–10 млн лет.

Для анализа выбраны образцы вулканических пород, где магматическая фенокристовая природа кварца и других минералов не вызывала сомнения, судя по наблюдениям в шлифах, а быстрая закалка обеспечивала низкую скорость диффузии кислорода в закристаллизованных вкрапленниках минералов (например, [16]). Для анализа из протолочек выбирались наиболее крупные кристаллы кварца (1–2 мм), нередко содержащие расплавные микровключения (рис. 1, врезка). Именно такие представляют фенокристы, характеризующие ликвидусную стадию кристаллизации кислых магм, что отличает их от микролитов в микрозернистом агрегате основной массы. Большинство исследованных пород – кислые вулканические лавы (риолиты и дациты, табл. 1). Важно заметить, что даже для разных пород значения дельты в конкретной кальдере сопоставимы. В одном из образцов (обр. VE6-1, табл. 1) изотопный состав кислорода был измерен в кварце и цирконе, и показал близкие расчетные значения для равновесного расплава (обр. VE6-1, табл. 1). Фенокристы минералов были выделены стандартными методами сепарации и перед анализом были протравлены HF для очистки от вторичных изменений, а затем отмыты в дистиллированной воде. Анализ изотопного состав кислорода выполнен в Орегонском университете (США) методом фторирования (используя BrF₅) с лазерным нагревом. Точность индивидуальных измерений в аликвотах минералов весом около 1.5 мг составила ±0.1‰ и менее [3]. Калибровка в шкалу V-SMOW проведена с использованием оливина SCO и граната UWG-2 [17]. Расчет величины δ¹⁸O в расплаве, равновесном фенокристам, проведен в соответствии с уравнениями из работы [3]. Для фенокристов пироксена и амфибола δ¹⁸O_(melt) = δ¹⁸O_(cpx-am) + 0.061*Si–2.72; для оливина δ¹⁸O_(melt) = δ¹⁸O_(ol) + 0.088*Si–3.57; для кварца δ¹⁸O_(melt) = δ¹⁸O_(qtz)–0.45; для циркона δ¹⁸O_(melt) = = δ¹⁸O_(zr) + 2. Где Si – содержание SiO₂ (мас. %) в вулканической породе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Вариации δ¹⁸O относительно стандарта VSMOW в исследованных фенокристах кварца, амфибола, клинопироксена, оливина и циркона составили от +4.7‰ до +10.4‰ (табл. 1). Рассчитанный изотопный состав кислорода в магме (~расплаве), равновесном с указанными фенокристами, варьирует от +4.5 до +10.7 (рис. 2, табл. 1). При этом большая часть данных, за исключением чукотских образцов, попадает в интервал от +5.2 до +6.9‰, приближающийся к таковым в магмах с “нормальным” изотопным составом кислорода (рис. 2 а), произведенных за счет дифференциации мантийных базальтовых расплавов [3, 19, 20]. Четкой корреляции от типа пород (по содержаниям SiO₂ и K₂O, табл. 1) не намечается, что видно из графика (рис. 2 а), но намечается корреляция с изотопно-тектонической сегментацией пояса, установленной по радиогенным изотопам. Величины δ¹⁸O_(melt), рассчитанные по кварцу из гранодиорита (обр. 06-51) и риолитов-дацитов Гайчанской кальдеры (обр. KA-66, KA-66-9 в табл. 1), достаточно близки, что позволяет считать ретроградный обмен маловероятным.

Рис. 2.

Вариации SiO₂, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (initial) против δ¹⁸O в известково-щелочных магмах ОЧВП. Тип и окраска значков соответствуют местоположению проб, изображенных на карте рис. 1. Серое поле – составы магм Камчатки [18, 19]. Рис. 2а: очерчены поля магм с нормальными, низкими и высокими величинами δ¹⁸O [3, 19]. Рис. 2б: стрелками c засечками (через 10%) показаны расчетные кривые смешения исходных мантийных магм (δ¹⁸O ~ 6‰) с высоко- и низко-δ¹⁸O материалом коры в ортогнейсах Кооленьского купола (Ko) и Охотского массива (Оk), ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_(i) = 0.7413 и 0.7133; δ¹⁸O = 10‰ и 4‰ соответственно.

Сопоставление полученных значений δ¹⁸O в магме с первичным изотопным составом Sr пород позволяет наметить два слабо выраженных тренда на графике, связанных, как мы полагаем, с ассимиляцией высоко- и низко-δ¹⁸O корового материала (Ko и Ok на рис. 2б). Разброс данных в области низких стронциевых отношений обусловлен, по-видимому, в разной степени проявленными процессами низко- и высокотемпературных изменений, характерных для слабо измененных пород. В целом вариации расчетных величин δ¹⁸O для магм ОЧВП такие же, как и для Камчатки, однако отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (i) в магмах первого существенно выше (рис. 2б). Это связано с тем, что ОЧВП заложился на более зрелой коре окраинно-континентального типа, его известково-щелочные магмы ассимилировали существенную долю разновозрастных коровых пород с высокими величинами δ¹⁸O в зоне генерации. Особенно характерны в этом смысле риолиты и дациты Петгымельского прогиба Арктической Чукотки (обр. VE6-1 и VE6, табл. 1), в которых визуально присутствуют ксенолиты триасовых аргиллитов. Изотопный состав кислорода в кварце и цирконе из этих образцов показал самые высокие значения δ¹⁸O от +10.7 до +8.8‰ (табл. 1), что может указывать на значительно более сильно проявленные процессы ассимиляции магмой древней и зрелой континентальной коры, вероятно, подстилающей Чукотский сегмент ОЧВП. Похожие высокие (+9.2‰) значения установлены и в кварце из риолитов Румилетской кальдеры, расположенной на самом удаленном окончании Восточно-Чукотской фланговой зоны (“У” на рис. 1). Магмы финальных посткальдерных стадий базальтового вулканизма пояса во внешней краевой зоне Охотского сектора (Хетинско-Ольское плато, “Х” на рис. 1), ассимилировали породы с более высокими величинами δ¹⁸O в сравнении с главными кальдерными комплексами в вулканоструктурах Аган и Гайчан (табл. 1). Примечательно, что величины δ¹⁸O в магмах Ульинского прогиба Западно-Охотского сегмента пояса оказались достаточно низкие (от +5.9 до +4.7 ‰, табл. 1), хотя ожидались как раз более высокие значения, учитывая, что по существующим представлениям вулканиты перекрывают там древнейшие структуры Сибирского кратона и Охотского массива с архейской корой и низкими отношениями ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd_(i) (“Оk” рис. 1, врезка). Контаминация меловыми известково-щелочными магмами такого материала должна была бы приводить к иным величинам δ¹⁸O. Однако относительно низкие, близкие к мантийным, величины изотопных отношений стронция для магм этого сегмента согласуются с низкими величинами δ¹⁸O. Это может быть связано с ассимиляцией гидротермально измененных пород ранних этапов развития докальдерных структур в этом регионе (фрагмент Удско-Мургальской энсиалической вулканической дуги, либо рифтогенная зона раскола Охотского кратонного массива). В подтверждение последнего предположения можно отметить, что наиболее низкие значения δ¹⁸O установлены также в ультракалиевых риолитах аскольдинской свиты (+4.7‰, табл. 1, рис. 2 б), которые обнажаются в рифтогенном линейном Омсукчанском прогибе (“О” на рис. 1).

Таким образом, исследование изотопного состав кислорода в фенокристах известково-щелочных вулканитов Охотско-Чукоткого вулканогенного пояса показало, что магмы имеют главным образом близкие к мантийным изотопно-кислородные характеристики, что согласуется с данными по отношениям радиогенных изотопов. Пространственные вариации изотопного состава Sr и Nd в магмах ОЧВП демонстрируют различие источников в Охотском и Чукотском сегментах пояса. Для магм Западно-Охотского сегмента пояса установлены самые низкие расчетные величины δ¹⁸О_(melt), по-видимому, связанные с ассимиляцией гидротермально измененных пород докальдерных комплексов. Для магм Чукотского сегмента установлены высокие значения величин δ¹⁸О, обусловленные ассимиляцией достаточно зрелой высоко-δ¹⁸O коры. Данные выводы справедливы при допущении примерно одинаковых температур кристаллизации кварца на ликвидусе для исследованных образцов, а также отсутствии существенного флюидного воздействия и ретроградного обмена.