Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 1, стр. 50-59

ВВЕДЕНИЕ

В Северо-Восточном Китае на границе с Кореей располагается группа вулканов, возникших в плиоцене–голоцене. Они образуют Чанбайшаньский вулканический ареал, входящий в состав позднекайнозойской вулканической провинции Центральной и Восточной Азии. Провинция сложена преимущественно продуктами основного вулканизма повышенной щелочности [1]. На этом фоне вулканы Чанбайшаньского ареала выделяются тем, что в их строении помимо основных участвуют также кислые вулканиты, а лавы основных пород отвечают разным петрохимическим сериям. Ярким примером этому служат два рядом расположенных вулкана – Чанбайшань и Ван-Тянь. Первый из них сложен породами трахибазальт–пантеллеритовой бимодальной ассоциации, а второй – преимущественно толеитовыми базальтами и ассоциирующими с ними трахитами и щелочными риолитами. Вулканы возникли с незначительным разрывом во времени в интервале последних 4 млн лет, поэтому различия в составе слагающих их вулканических ассоциаций вызывают ряд вопросов о природе процессов, определивших разный характер магматизма в пространственно ограниченной части вулканической провинции в узком возрастном интервале ее развития. Для ответа на эти вопросы были изучены петрогеохимические характеристики пород, определяющие различия в составе магматических ассоциаций обоих вулканов, и получены геохронологические данные, позволившие уточнить возрастные границы их формирования. На основе полученных результатов сделан вывод, что проявления толеитового и щелочного магматизма не были синхронными и, скорее всего, были связаны с изменениями состава источников в области мантийного плавления.

Чанбайшаньский вулканический ареал расположен в северной краевой части архейско-протерозойского Сино-Корейского кратона в зоне пересечения рифтовой системы Таньлу северо-восточного простирания с Пэктусанской системой разломов северо-западного направления [2–4]. В его строении вулканы Чанбайшань и Ван-Тянь формировались на общем платобазальтовом основании, находясь друг от друга на расстоянии 30 км. Особенности состава пород вулканов Ван-Тянь и Чанбайщань были рассмотрены в ряде публикаций [2–7], в которых была подчеркнута их принадлежность щелочной серии пород. Ниже приведены характеристики пород этих вулканов, свидетельствующие об их принадлежности разным петрохимическим сериям.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Вулкан Ван-Тянь представляет собой крупный стратовулкан, продукты извержения которого распространены на территории площадью в 4000 км² (рис. 1). В истории его активности выделяют 3 этапа [5]: 1) трещинные излияния базальтовых лав щитовой постройки Чанбай, 2) этап становления конуса вулкана Ван-Тянь, отвечающий извержениям, главным образом, базальтов, 3) этап Хонгтоушань, ознаменовавшийся формированием некков и экструзивного купола трахит-щелочнориолитового состава.

Рис. 1.

Геологическая схема строения вулканов Ван-Тянь и Чанбайшань Чанбайшаньского ареала (составлена с использованием [4–7] и космических снимков Google). Возраст приведен по [4, 6, 7] и данным этой статьи: 1 – вмещающие породы; 2 – плато-базальты ареала Чанбайшань, этап Куанянь (4.50–4.00 млн лет); 3 – толеитовые базальты щитовой постройки вулкана Ван-Тянь, этап Чанбай (3.82–2.83 млн лет); 4 – толеитовые базальты конуса вулкана Ван-Тянь, этап Ван-Тянь (2.76–2.67 млн лет); 5 – купол и некки вулкана Ван-Тянь, этап Хонгтоушань (2.76–2.69 млн лет); 6 – щелочные базальтоиды щитовой постройки вулкана Чанбайшань, этап Тоудао (2.77–1.99 млн лет); 7 – щелочные базальтоиды щитовой постройки вулкана Чанбайшань, этап Байшань (1.64–1.11 млн лет); 8 – трахиты, комендеты и пантеллериты конуса вулкана Чанбайшань, этап Байтоушань (1.12–0.81 млн лет); 9 – игнимбриты, пемзы и пеплы кальдеры вулкана Чанбайшань, этапы Биньчань-Байюфень-Байгуамяо (7854–825 лет до н.э.); 10 – разломы; 11 – государственная граница; 12 – точки отбора образцов и их номера.

В развитии вулкана Чанбайшань (рис. 1) выделяют 4 этапа [3, 4, 6]: 1) трещинные излияния щелочнобазальтовых лав щитовой платформы; 2) излияния трахит-комендитовых лав конуса; 3) извержения пирокластического материала трахит-комендит-пантеллеритового состава с образованием кальдеры; 4) посткальдерный этап, к которому относится череда исторических извержений пирокластического материала трахит-комендитового состава.

ПЕТРОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Во время полевых работ в Северо-Восточном Китае нами были опробованы разрезы северного, южного и восточного склонов конуса вулкана Ван-Тянь, а также его щитовой постройки. В их строении преобладают базальты, демонстрирующие сходство в петрографическом отношении и представляющие собой массивные крупнопорфировые породы темно-серого цвета. Они являются высокожелезистыми (9.6–15.1 мас. % Fe₂O₃), высокотитанистыми (2.4–3.6 мас. % TiO₂) низкомагнезиальными (2.4–4.1 мас. % MgO) породами с высокими концентрациями P₂O₅, достигающими 0.7 мас. %, при содержаниях SiO₂ 48.7–51.2 мас. %. Содержания суммы щелочей в них варьируют от 4.3 до 5.5 мас. % (табл. 1), что позволяет отнести их к умеренно-щелочным базальтам. В качестве вкрапленников во всех образцах базальтов установлен плагиоклаз, как правило, отвечающий по составу битовниту (An_74.3–79.0Ab_20.0–25.5Or_0.2–1.3). Среди минералов основной массы установлены железистый оливин (Fo = 43.2–56.4), клинопироксен, представленный титанавгитом (#Mg = = 0.64–0.70), ильменит, титаномагнетит и фтор-апатит [8].

Среди пород вулкана Ван-Тянь нами были выявлены также щелочные базальтоиды, их распространение ограничено северным и северо-восточным склонами вулканического конуса, обращенными к вулкану Чанбайшань. Эти базальтоиды представляют собой массивные афировые породы, которые характеризуются трахиандезибазальтовым составом и содержат 7.0–7.9 мас. % (Na₂O + + K₂O) с преобладанием Na₂O над K₂O, 2.3–2.8 мас. % TiO₂, до 11.7 мас. % Fe₂O₃, 17.4–18.9 мас. % Al₂O₃, 0.6–0.8 мас. % P₂O₅ при содержании SiO₂ в  49.6–51.5 мас. % (табл. 1). Минеральный состав щелочных базальтоидов включает оливин (Fo = 55.6–71.4), клинопироксен, представленный салитом (#Mg = 0.64–0.73), плагиоклаз (An_65.8–70.2Ab_28.4–32.6Or_1.4–1.9), санидин, анортоклаз, ильменит и титаномагнетит.

Кислые породы вулкана образуют некки и лавовый купол в центральной кальдерной его части. Они сложены преимущественно трахитами, характеризующимися широким полем составов (рис. 2). Концентрации (Na₂O + K₂O) в них варьируют в интервале 8.0–9.2 мас. %, с преобладанием Na₂O над K₂O, в диапазоне SiO₂ 62.3–68.5 мас. %.

Рис. 2.

Химический состав пород вулканов Ван-Тянь и Чанбайшань на классификационной диаграмме [9]. 1 – толеитовые базальты щитовой постройки вулкана Ван-Тянь; 2 – толеитовые базальты конуса вулкана Ван-Тянь; 3 – трахиты некков вулкана Ван-Тянь; 4 – щелочные базальтоиды, сформированные на северном и северо-восточном склонах вулкана Ван-Тянь; 5 – щелочные базальтоиды щитового вулкана Чанбайшань.

Отличия щелочных базальтоидов от базальтов вулканического конуса достаточно значимые – в целом, они содержат больше щелочей и глинозема, меньше Fe₂O₃. В то же время эти базальтоиды близки к базальтам вулкана Чанбайшань (4). Отмеченные черты сходства и различия особенно выразительно прослеживаются на классификационных диаграммах (рис. 2, 3). На классификационной диаграмме SiO₂– (Na₂O + K₂O) (рис. 2) породы вулкана Ван-Тянь образуют три группы составов: к первой относятся умеренно-щелочные базальты щитовой постройки и вулканического конуса, ко второй – трахиты некков и экструзивного купола. Отдельную группу составов формируют трахиандезибазальты, установленные на северном и северо-восточном склонах вулкана (рис. 2). На диаграмму также нанесены точки составов щелочных базальтоидов щитовой платформы вулкана Чанбайшань [4]. Как видно на рис. 2, щелочные базальтоиды вулкана Чанбайшань образуют единое поле составов с трахиандезибазальтами, сформировавшимися на северном и северо-восточном склонах вулкана Ван-Тянь.

Рис. 3.

Химический состав пород вулкана Ван-Тянь на классификационной диаграмме AFM. 1 – толеитовые базальты щитовой постройки вулкана Ван-Тянь; 2 – толеитовые базальты конуса вулкана Ван-Тянь; 3 – щелочные базальтоиды, сформированные на северном и северо-восточном склонах вулкана Ван-Тянь; 4 – щелочные базальтоиды щитового вулкана Чанбайшань. Пунктиром показана линия, разделяющая толеитовую и известково-щелочную серии, по [10]. Стрелками отмечены боуэновский и феннеровский тренды кристаллизационной дифференциации.

На AFM-диаграмме (рис. 3) составы умеренно-щелочных базальтов щита и конуса вулкана Ван-Тянь лежат выше линии Ирвина-Барагара, что дает основание отнести их к толеитовой серии пород. Точки составов щелочных базальтоидов, сформировавшихся на северном и северо-восточном склонах вулкана Ван-Тянь, располагаются ниже линии Ирвина-Барагара (рис. 3), попадая на тренд пород вулкана Чанбайшань.

В геохимическом отношении толеитовые базальты представляют слабо дифференцированную серию пород. Они имеют близкие по конфигурации спектры распределения редкоземельных элементов (рис. 4), характеризующиеся величиной (La/Yb)_N = 7.0–8.4 и незначительной положительной европиевой аномалией (Eu/Eu* = = 1.04–1.13).

Рис. 4.

Спектры распределения содержаний редких и редкоземельных элементов в базальтоидах вулканов Ван-Тянь и Чанбайшань. 1 – толеитовые базальты щитовой постройки вулкана Ван-Тянь; 2 – толеитовые базальты конуса вулкана Ван-Тянь; 3 – щелочные базальтоиды, сформированные на северном и северо-восточном склонах вулкана Ван-Тянь; 4 – щелочные базальтоиды щитового вулкана Чанбайшань; 5 – Базальты OIB-типа. Нормирование относительно примитивной мантии и хондрита по [11].

Щелочные базальтоиды вулкана Ван-Тянь (рис. 4) отличаются от толеитовых базальтов более крутым наклоном спектра ((La/Yb)_N = 14–16) и повышенными содержаниями элементов-примесей левой части спайдер-диаграммы (Ba, Nb, Ta, Pb, Zr, Hf и легкие РЗЭ), в них отмечается отрицательная Sr-аномалия. В то же время они имеют большое сходство в содержании и распределении элементов-примесей с щелочными базальтоидами вулкана Чанбайшань.

В связи с разделением пород вулкана Ван-Тянь на разные петрохимические серии с разными геохимическими и петрохимическими характеристиками возникает вопрос об их принадлежности к продуктам общего для них магматического процесса. На подобное родство, помимо пространственного и структурного совмещения пород, должно указывать также общее для них время формирования. Для решения этого вопроса были выполнены геохронологические исследования главных типов пород вулкана Ван-Тянь, а также щитовых базальтоидов вулкана Чанбайшань и проведено их петролого-геохимическое сопоставление.

ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Согласно результатам K–Ar-датирования главных типов пород вулкана Ван-Тянь (табл. 1) нами установлено, что толеитовые лавы щитовой платформы (обр. В-15, B-19, ВТЕ-9) изливались 3.82 ± 0.13–2.83 ± 0.09 млн лет назад. Потоки толеитовых базальтов (ВТЕ-11, ВТЕ-22), участвующих в строении конуса вулкана, формировались в интервале 2.76 ± 0.09–2.67 ± 0.20 млн лет (табл. 1). Некки трахитов (обр. В-13, ВТЕ-06, ВТЕ-19) имеют тот же возраст 2.76 ± 0.07–2.69 ± 0.07 млн. лет (табл. 1). Щелочным базальтоидам, зафиксированным нами на северном и северо-восточном склонах вулкана Ван-Тянь (обр. В-14, ВТЕ-18), отвечает возраст 1.29 ± 0.05 и 1.09 ± 0.04 млн лет (табл. 1) соответственно. Также методом K–Ar-датирования был определен возраст щелочных базальтоидов щитовой постройки вулкана Чанбайшань (обр. B-4a), который составляет 1.40 ± ± 0.06 млн лет (табл. 1).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Проведенные геохронологические и петролого-геохимические исследования пород вулкана Ван-Тянь позволили зафиксировать три этапа его формирования. Трещинные излияние базальтов (этап Чанбай) произошли в интервале между 3.82 ± ± 0.13–2.83 ± 0.09 млн лет назад; формирование толеитовых лав вулканического конуса (этап Ван-Тянь) – в интервале между 2.76 ± 0.09–2.67 ± ± 0.20 млн лет назад; и образование трахит-щелочнориолитовых экструзий (этап Хонгтоушань) практически в том же интервале – 2.76 ± 0.07–2.69 ± 0.07 млн лет назад. Потоки щелочных базальтоидов на северном и северо-восточном склонах вулкана Ван-Тянь, характеризующиеся возрастом в 1.29 ± 0.05–1.09 ± 0.04 млн лет, существенно более “молодые” и возникли после завершения образования бимодальной серии пород вулкана Ван-Тянь. С другой стороны, возраст этих щелочных базальтоидов согласуется со временем трещинных излияний щелочнобазальтовых лав (1.64–1.11 млн лет), cформировавших щитовую постройку вулкана Чанбайшань (этап Байшань) [6]. Это предположение хорошо согласуется с петролого-геохимическими характеристиками щелочных базальтоидов щита Чанбайшань и вулкана Ван-Тянь. Все изученные щелочные базиты обладают схожим минеральным составом. Щелочные базальтоиды обоих вулканов обогащены Ba, Nb, Ta, Pb, Zr, Hf и легкими РЗЭ относительно состава базальтов океанических островов (OIB) и толеитовых базальтов вулкана Ван-Тянь. Геохимическое сходство щелочнобазальтовых лав вулкана Ван-Тянь с щелочными базальтоидами щита Чанбайшань, а также синхронность их излияний позволяют заключить, что появление щелочнобазальтовых потоков на склонах вулкана Ван-Тянь совпало с одним из этапов (этап Байшань) формирования щитового основания вулкана Чанбайшань. Образование этого основания характеризовалось ареальным типом излияний из многочисленных центров [2, 3, 7], один из которых возник на северо-восточных склонах вулкана Ван-Тянь. Из него сформировался поток (B-12 и ВТЕ-19), который распространялся вниз по долине (рис. 1), образуя с одновозрастными лавами вулкана Чанбайшань общий вулканический плащ в его основании.

Породы собственно вулкана Ван-Тянь, возникшие в интервале между 3.82 и 2.7 млн лет, представляют собой продукты эволюции толеитовых магм. Излияние щелочнобазальтовых лав происходило на склоне вулкана после замирания вулканической активности в его пределах и участвовало в образовании щитового основания вулкана Чанбайшань. Возрастные и структурные различия в распределении пород толеитовой и щелочной петрохимических серий в вулканическом районе позволяют предполагать, что их расплавы могли образовываться при различных потенциальных температурах плавления мантийного перидотита, либо в результате смешения продуктов плавления различных субстратов. Относительное обогащение толеитовых и щелочных расплавов такими флюидомобильными элементами, как Ba и Pb, указывает на участие в их образовании метасоматически преобразованной литосферной мантии.