Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 513, № 2, стр. 196-205

ВВЕДЕНИЕ

Проявления внутриплитного вулканизма характеризуются, как правило, трещинными излияниями толеитовых и щелочных базальтовых лав [1–3], образующих плато-базальты, потоки, покровы, а также щитовые вулканы. Иногда излияния толеитовых лав чередуются с извержениями щелочных базальтов, как, например, в случае формирования Гавайских островов [4, 5]. Трахиты и более дифференцированные щелочно-салические породы, находящиеся в ассоциации с толеитовыми базальтами, редки [4, 6–10]. Вопрос об их происхождении до сих пор остается дискуссионным. Их появление объясняется фракционной кристаллизацией щелочных [8, 11], в меньшей степени – толеитовых [6, 12] базальтовых расплавов в приповерхностных магматических камерах, либо процессами мантийно-корового взаимодействия [11, 13].

В этой работе на основе данных изучения включений минералообразующих сред выявлены процессы, приводящие к формированию трахитов некка на северо-восточном склоне вулканической постройки вулкана Ван-Тянь, сложенной, главным образом, толеитовыми базальтами.

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВУЛКАНА ВАН-ТЯНЬ

Чанбайшаньский ареал представляет собой крупный вулканический центр в составе позднекайнозойской внутриплитной провинции Центральной и Восточной Азии, сложенной преимущественно продуктами трещинных излияний базальтовых лав повышенной щелочности [3]. Чанбайшаньский ареал выделяется на фоне других вулканических комплексов провинции тем, что он сложен контрастными по составу породами – от базальтов до риолитов, при этом базальты ареала относятся к разным петрохимическим сериям – толеитовой и щелочной [10]. Наиболее ярко эти различия выражены в строении двух рядом расположенных вулканов Чанбайшань (Китай–Северная Корея) и Ван-Тянь (Китай), сформировавшихся с незначительным разрывом во времени в течение последних 4 млн лет (рис. 1). В то время, как продукты вулкана Чанбайшань демонстрируют глубоко дифференцированную серию щелочных пород от трахибазальтов до комендитов и пантеллеритов [7, 14], породы вулкана Ван-Тянь представлены слабо дифференцированными толеитовыми базальтоидами, а также ассоциирующими с ними трахитами и риолитами [7, 9, 10, 15].

Рис. 1.

Геологическая схема строения вулканов Ван-Тянь и Чанбайшань Чанбайшаньского ареала [12]: 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.

Согласно результатам К–Аr-геохронологических исследований [10], история становления вулкана Ван-Тянь включает три главных эпизода: 1) этап Чанбай, характеризующийся трещинными излияниями толеитовых лав (3.82 ± 0.13–2.83 ± ± 0.09 млн лет); 2) этап Ван-Тянь, в течение которого сформировался конус, сложенный потоками толеитовых базальтоидов (2.76 ± 0.09–2.67 ± ± 0.20 млн лет); 3) этап Хонгтоушань, которому соответствует возникновение на склонах вулканического конуса трахит-щелочно-риолитовых экструзий, представленных некками и куполом (2.76 ± 0.07–2.69 ± 0.07 млн лет) (рис. 1).

ПЕТРОХИМИЧЕСКАЯ И ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОД

Нами изучены разрезы северного, южного и восточного склонов конуса вулкана Ван-Тянь, его некки, сформировавшиеся в течение этапа Хонгтоушань, а также щитовая постройка этапа Чанбай. По составу породы вулкана Ван-Тянь соответствуют базальтам и трахитам. Базальты, слагающие щитовую платформу и конус вулкана, отвечают толеитам и характеризуются высокими концентрациями железа (9.6–15.1 мас. % Fe₂O₃), титана (2.4–3.6 мас. % TiO₂), фосфора (P₂O₅ – до 0.7 мас. %) и низкими концентрациями магния (2.4–4.1 мас. % MgO) при вариациях содержаний SiO₂ 48.7–51.2 мас. % [10]. Содержания щелочей в них в сумме варьируют от 4.3 до 5.5 мас. %. Как было показано [10], толеитовые базальты щита и конуса вулкана Ван-Тянь представляют собой порфировые породы с крупными фенокристами плагиоклаза (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 фторапатит [9, 10].

Кислые породы в строении вулкана редки и связаны только с некками и экструзивным куполом Хонгтоушань. Собранная нами коллекция кислых пород представлена трахитами, имеющими широкое поле составов: концентрации (Na₂O + + K₂O) в них варьируют в интервале 7.5–8.9 мас. % с преобладанием Na₂O над K₂O при диапазоне содержаний SiO₂ 61.5–68.5 мас. %. Для трахитов характерны высокие содержания Fe₂O₃, которые уменьшаются при увеличении кремнекислотности от 9.2 до 5.4 мас. %, так же, как содержания TiO₂ – от 1.3 до 0.4 мас. % и P₂O₅ – от 0.5 до 0.06 мас. % (табл. 1).

Все изученные трахиты вулкана Ван-Тянь имеют схожие петрографические характеристики. Они представляют собой порфировидные породы, содержащие до 35% вкрапленников плагиоклаза, субфенокристов оливина (Fo = = 20.1–25.9) и клинопироксена, представленного геденбергитом. Вкрапленники плагиоклаза характеризуются, как правило, средним составом (An_44.2–49.8Ab_45.8–51.0Or_3.7–4.8). При этом зональность в зернах плагиоклаза отсутствует. Часто субфенокристы оливина (Fo = 20.1–25.9) и геденбергита образуют минеральные сегрегации с рудными минералами, апатитом и железистым силикатным стеклом, для которого характерно до 25–30 мас. % FeO, 4–5 мас. % MgO, до 1.5–2 мас. % CaO, до 4 мас. % Al₂O₃ и не более 0.5 мас. % (Na₂O + K₂O) при содержании SiO₂ 42–45 мас. % (табл. 2). Основная масса трахитов сложена микролитами плагиоклаза и полевого шпата, кварцем, апатитом, ильменитом, титаномагнетитом и пирротином, а также стеклом трахитового состава. Стекло основной массы имеет трахитовый состав и характеризуется высокими концентрациями щелочей, в сумме достигающими 11–12 мас. %, FeO – до 3.6 мас. %, TiO₂ – до 0.2 мас. % при содержании Al₂O₃ 15–16 мас. % и SiO₂ 66–68 мас. %.

В геохимическом отношении толеитовые базальты представляют собой слабодифференцированную группу пород со схожими спектрами распределения элементов-примесей (табл. 1, рис. 2). Для них характерны низкие содержания РЗЭ с некоторым преобладанием легких редкоземельных элементов над тяжелыми ((La/Yb)_N = 7–9). Для всех толеитовых базальтоидов фиксируется слабо проявленная положительная Eu-аномалия (Eu/Eu* = 1–1.1). Они обогащены Ba (до 570 ppm), Pb и обеднены U (рис. 2). В целом характер распределения элементов-примесей сопоставим с таковым для базальтов океанических островов (рис. 2), отличаясь от последнего повышенными концентрациями Ba (до 570 ppm) и Pb (до 9 ppm), а также пониженными содержаниями Th, U, Nb и Ta (рис. 2, табл. 1).

Рис. 2.

Спектры распределения содержаний редких и редкоземельных элементов в породах вулкана Ван-Тянь. 1 – толеитовые базальты щитовой постройки и конуса вулкана Ван-Тянь; 2 – трахиты вулкана Ван-Тянь; 3 – базальты OIB-типа. Нормирование относительно примитивной мантии и хондрита по [16].

Трахиты некков имеют согласованные спектры распределения элементов-примесей, которые по сравнению с базальтами характеризуются более высокими содержаниями большинства несовместимых элементов (табл. 1, рис. 2). Для них характерна слабо проявленная отрицательная Eu-аномалия (Eu/Eu* = 0.7–0.9) и ярко выраженный Sr-минимум. Все они обогащены редкоземельными элементами, с преобладанием легких над тяжелыми ((La/Yb)_N = 6–8).

ВКЛЮЧЕНИЯ МИНЕРАЛООБРАЗУЮЩИХ СРЕД ВО ВКРАПЛЕННИКАХ ТРАХИТОВ

Флюидные и расплавные включения. В плагиоклазе трахитов (обр. B-13) нами выявлены газовые включения углекислоты (рис. 3 а). Методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР) [17] в них установлены твердые фазы, отвечающие карбонату (рис. 4).

Рис. 3.

Флюидные включения и глобулы водосодержащего железистого стекла в плагиоклазе трахита вулкана Ван-Тянь: (а) в проходящем свете без анализатора; (б) в отраженных электронах. 1 – водосодержащее железистое стекло; 2 – аморфный углерод; 3 – включение CO₂.

Рис. 4.

Спектры комбинационного рассеяния плагиоклаза-хозяина, фаз во флюидных включениях и в водосодержащих железистых глобулах, а также стекол расплавных включений. 1 – плагиоклаз-хозяин; 2 – стекло расплавного включения; 3 – аморфный углерод в глобулах водосодержащего железистого стекла; 4 – флюидное включение CO₂ с реликтами карбоната.

Расплавные включения, обнаруженные в геденбергите и плагиоклазе трахитов, располагаются азонально и имеют округлую или эллипсоидную форму и размеры от 10 до 50 мкм. Для изучения выбирались наиболее представительные включения размером от 20 мкм. Включения в клинопироксене стекловатые и содержат стекло, кайму и рудные минералы (ильменит, титаномагнетит, пирротин). Включения в плагиоклазе частично раскристаллизованы и состоят из плагиоклазовой каймы и тонкозернистого агрегата, представляющего собой смесь кристаллов клинопироксена, плагиоклаза, титаномагнетита и ильменита.

Термометрические эксперименты с расплавными включениями в геденбергите и плагиоклазе показали, что полная гомогенизация включений в геденбергите происходит при 1080–1100°С, а в плагиоклазе – при 1050–1060°C (рис. 5 а, б).

Рис. 5.

Расплавные включения в плагиоклазе трахита, в проходящем свете без анализатора: (а) – при температуре 20°С, (б, в) – при температуре 1050°С. 1 – стекло расплавного включения; 2 – газовый пузырек; 3 – карбонат; 4 – CO₂.

Следует отметить, что расплавные включения в плагиоклазе гомогенизировались не всегда. Часто они взрывались, а в ряде случаев после закалки включения содержали стекло, кристаллическую фазу и газовый пузырек (рис. 5 в). По результатам исследования гретых расплавных включений методом КР-спектроскопии (рис. 4) было установлено, что расплавные включения после термометрического эксперимента зачастую содержат твердую фазу, в которой фиксируется пузырек CO₂ (рис. 4). Сама твердая фаза отвечает иону CO$_{3}^{{2 - }}$ с характеристическим пиком ~1077 см^–1 (рис. 4).

Cтекла гомогенизированных расплавных включений в плагиоклазе соответствуют по составу изученным трахитам и характеризуются высокими концентрациями FeO – до 6.0 мас. %, TiO₂ – до 1.0 мас. % и щелочей, в сумме достигающих 7.0–8.0 мас. %, при содержании SiO₂ 64–67 мас. % (табл. 2).

Глобулы, стекла и кристаллические включения в минералах трахитов. В фенокристах геденбергита и плагиоклаза трахитов обнаружены кристаллические включения, представленные апатитом, ильменитом и титаномагнетитом. Также в минералах трахитов (в геденбергите, плагиоклазе и апатите) выявлены различные глобулы: сульфидные, представленные пирротином, и силикатные, которые соответствуют железистому водосодержащему стеклу (рис. 3 а, б, табл. 2). Железистое стекло зачастую находится в срастании с титаномагнетитом и аморфным углеродом. Кроме того, аморфный углерод часто образует пленки на железистом силикатном стекле.

Железистые силикатные глобулы так же, как и железистое силикатное стекло, обнаруженное в минеральных сегрегациях основной массы пород, содержат до 30 мас. % FeO, до 5 мас. % MgO, до 2 мас. % CaO, до 4 мас. % Al₂O₃ и не более 0.5 мас. % (Na₂O + K₂O) при содержании SiO₂ 43–45 мас. % (табл. 2). Судя по дефициту суммы, железистые стекла содержат до 10–15 мас. % H₂O.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ проведенных петролого-геохимических исследований пород и данных изучения включений минералообразующих сред в фенокристах трахитов вулкана Ван-Тянь позволили выявить следующие закономерности.

Геохимические исследования. На спайдер-диаграммах (рис. 2) видно, что характер распределения элементов-примесей в толеитовых базальтах вулкана Ван-Тянь сопоставим с таковым для базальтов OIB-типа, отличаясь от последнего повышенными концентрациями Ba и Pb, а также несколько пониженными содержаниями ряда редких элементов, таких как Th, U, Nb и Ta. Эти их характеристики указывают на участие в формировании расплавов метасоматизированной литосферной мантии [10]. В ряду пород от базальтов к трахитам происходит обогащение последних практически всеми несовместимыми элементами. Исключение составляют Eu и Sr, что связывается с фракционированием плагиоклаза. Увеличение концентраций Ba и Rb при переходе от базальтов к трахитам указывает на то, что на момент формирования трахитов не кристаллизовался калиевый полевой шпат, поэтому Ba и Rb ведут себя так же, как и другие несовместимые элементы, накапливаясь в расплаве.

Для оценки роли кристаллизационной дифференциации при эволюции расплавов вулкана Ван-Тянь нами использовались содержания такого несовместимого элемента, как Nb, чей коэффициент распределения между кристаллическими фазами и расплавом стремится к нулю. На вариационных диаграммах (рис. 6) видно, что концентрации Zr, Ta, Th, а также практически всех РЗЭ в породах находятся в прямой корреляционной зависимости от Nb. Такое поведение элементов-примесей свидетельствует о доминирующей роли процесса кристаллизационной дифференциации при формировании всего спектра пород вулкана Ван-Тянь – от базальтов до трахитов.

Рис. 6.

Вариационные диаграммы содержаний различных микроэлементов (ppm) относительно концентраций Nb в породах вулкана Ван-Тянь. 1 – толеитовые базальты щита и конуса; 2 – трахиты.

Изучение включений минералообразующих сред. Присутствие в плагиоклазе включений углекислоты, в которых методом КР-спектроскопии установлены фазы, содержащие ионы CO$_{3}^{{2 - }}$ (рис. 4), указывает на то, что в системе присутствует карбонат. Ранее нами было описано присутствие феррокарбонатов в толеитовых базальтах вулкана Ван-Тянь [18], которые кристаллизовались из несмесимого с силиктным феррокарбонатного расплава. Феррокарбонатный расплав образовывался в результате реакции поднимающихся к поверхности базальтовых магм с вмещающими мраморами [18]. Имеющиеся в трахитах реликты карбонатного вещества, скорее всего, унаследованы от исходного базальтового расплава, содержавшего несмесимую с ним феррокарбонатную жидкость. Вероятно, внедрявшийся с базальтовой магмой феррокарбонатный расплав разлагался в приповерхностной камере согласно реакции:

Помимо реликтов карбоната, выявленных в газовых включениях CO₂, о процессе разложения феррокарбонатного расплава свидетельствуют находящиеся в ассоциации с включениями углекислоты магнетит и пленки аморфного углерода, установленных на железистых силикатных глобулах (рис. 3 а, 4). Кроме того, в расплавных включениях в плагиоклазе трахитов после термометрических экспериментов в ряде случаев фиксировались реликты карбонатов, аморфный углерод и углекислота (рис. 5 в), что также указывает на частичное разложение карбоната.

Обнаруженные в минералах трахитов железистые силикатные стекла (рис. 3, табл. 2) имеют схожий состав с таковыми, установленными нами ранее в качестве глобул во включениях в плагиоклазе и в основной массе базальтов щитовой постройки вулкана Ван-Тянь [9]. Высокие содержания воды (10–15 мас. %) в железистом силикатном стекле в минералах трахитов сопоставимы с таковыми в водосодержащих железистых стеклах в толеитовых базальтах вулкана Ван-Тянь [9]. Как было показано [9], присутствие железистых и кислых силикатных стекол в интерстициальном пространстве основной массы, а также в расплавных включениях в плагиоклазе базальтов свидетельствует о протекании процесса силикатно-силикатной жидкостной несмесимости на завершающих стадиях кристаллизации этих пород. Расслоение на две несмешивающиеся силикатные жидкости происходит при дифференциации ферробазальтовых магм по феннеровскому типу, как для закрытых по кислороду систем (массивы Скаергаард, Септ-Иль и др.), так и для открытых (трапповые провинции Сибири и Индии, вулканические комплексы Эль Лако, Ван-Тянь и др.), когда концентрации FeO в расплавах достигают 15–18 мас. % [2, 9, 20]. В частности, такой механизм был реализован при формировании щитовых базальтов вулкана Ван-Тянь. Судя по всему, в процессе кристаллизационной дифференциации базальтовых магм образующиеся трахитовые расплавы наследовали не только проявления силикатно-карбонатной, но и силикатно-силикатной несмесимости.

Образование трахитов с установленными характеристиками мы рассматриваем в рамках следующей модели. В приповерхностную магматическую камеру внедрялся базальтовый расплав, сопровождаемый небольшими порциями феррокарбонатного расплава, который образовался при реакционном взаимодействии силикатного расплава с карбонатной средой рамы. В результате кристаллизационной дифференциации по феннеровскому тренду базальтовый расплав расслаивался на две несмешивающиеся силикатные жидкости – кислую и железистую. Часть такой магмы, изливалась на поверхность, формируя щитовые базальты вулкана Ван-Тянь [9]. Оставшийся в магматической камере расплав продолжал дифференцировать, изменяя характер тренда в результате кристаллизации магнетита и таких железосодержащих силикатов, как клинопироксен и фаялит. В результате кристаллизационной дифференциации в приповерхностной камере образовывался трахитовый расплав, унаследовавший от исходной толеитовой базальтовой магмы несмесимые феррокарбонатную и водосодержащую ферробазальтовую жидкости. При подъеме такого гибридного расплава к поверхности при снижении температуры и давления феррокарбонатная жидкость разлагалась на магнетит, углерод и углекислоту.

ВЫВОДЫ

1. На основе метода изучения расплавных включений определено, что геденбергит и плагиоклаз трахитов вулкана Ван-Тянь кристаллизовались в приповерхностной магматической камере при температурах 1080–1100 и 1050–1060°C, соответственно, из трахитового расплава. В расплавных включениях в плагиоклазе после термометрических экспериментов были определены углекислота, аморфный углерод и ионы CO$_{3}^{{2 - }}$. В фенокристах трахитов были обнаружены водосодержащие железистые глобулы, а также включения CO₂, содержащие реликты карбонатов.

2. Результаты геохимического исследования пород вулкана Ван-Тянь показали, что весь спектр изученных вулканитов – от толеитовых базальтов до трахитов – формировался при доминирующей роли кристаллизационной дифференциации.

3. Показано, что образующийся при дифференциации трахитовый расплав наследовал от исходной базальтовой магмы существовавшие в ней несмесимые с силикатными феррокарбонатную и водосодержащую железистую жидкости. При подъеме такого гибридного расплава к поверхности при снижении температуры и давления феррокарбонатная жидкость разлагалась на магнетит, углерод и углекислоту.