Петрология, 2021, T. 29, № 1, стр. 19-30

ВВЕДЕНИЕ

Полуостров Камчатский Мыс занимает уникальное геологическое положение, находясь на тройном сочленении Евразийской, Северо-Американской и Тихоокеанской плит (например, Avdeiko et al., 2007; Konstantinovskaia, 2001). В его пределах выделяется офиолитовый комплекс мелового возраста (Хотин, Шапиро, 2006), который привлекает внимание исследователей своими геохимическими и петрологическими особенностями (Батанова и др., 2014; Портнягин и др., 2005; Portnyagin et al., 2009, 2008). Высокая степень плавления мантии, оцениваемая как для вулканических пород (Portnyagin et al., 2009), так и для реститовых перидотитов (Батанова и др., 2014), а также различные геохимические маркеры в составе пород и реконструированных расплавов (Portnyagin et al., 2009, 2008) позволили исследователям связать петрогенезис офиолитов Камчатского Мыса с влиянием протогавайского плюма.

Вулканические породы с примитивным (до Fo₉₀) оливином в пределах офиолитового комплекса Камчатского Мыса были впервые найдены только в 2014 г. (Савельев, 2014). Они представляют собой плагиоклаз-оливин-порфировые базальты, валовый состав которых отвечает составу пикритов из-за обилия кумулятивного оливина – до 50–60 об. %. Их изотопно-геохимические характеристики и восстановленные параметры кристаллизации отвечают типичным базальтам срединно-океанических хребтов (MORB). В этих породах было также установлено проявление ранней сульфид-силикатной несмесимости, что вкупе с остальными характеристиками делает их идеальным объектом для изучения процессов генерации и ранней эволюции океанических магм (Korneeva et al., 2020; Savelyev et al., 2018).

Хорошая сохранность оливина позволила реконструировать составы родоначальных расплавов на основе изучения состава расплавных включений, захваченных ими (Korneeva et al., 2020). Наиболее интересными особенностями состава родоначальных расплавов этих пород являются весьма широкие вариации содержаний в них некогерентных рассеянных элементов и низкие содержания умеренно-некогерентных рассеянных элементов (к примеру, HREE) относительно примитивных стекол MORB (рис. 1). Микроэлементный состав оливина в этих породах указывает на то, что минералогический состав источника также соответствовал типичным для мантии MORB перидотитам (Korneeva et al., 2020). Данный факт позволяет нам предположить, что особенности содержаний рассеянных элементов в родоначальных расплавах этих пород связаны с химической гетерогенностью источника и различной степенью его плавления.

Уравнения, связывающие содержания рассеянных элементов в расплавах с их содержаниями в источнике и степенью его плавления, хорошо известны (например, Gast, 1968; Liang, Liu, 2016; Shaw, 1970; Zou, 1998) и позволяют моделировать широкий диапазон процессов плавления для источников различного состава. Однако в большинстве исследований авторы используют фиксированные модели (к примеру, Попов и др., 2017; Миронов, Портнягин, 2018; Portnyagin et al., 2007a, 2007b, 2009; Volynets et al., 2010) и/или состав источника (к примеру, Краснова и др., 2013; Тобелко и др., 2019; Liang, Liu, 2016; Nekrylov et al., 2018; Stolper, Newman, 1994) для оценки параметров плавления мантии. Данный подход обосновывается тем, что выбранные модели и составы источника позволяют адекватно описать полученные в работах составы природных образцов.

В настоящей работе мы предприняли попытку оценить одновременно возможный диапазон значений степени плавления и состава источника для описанных ранее индивидуальных расплавов оливин-порфировых пород Камчатского Мыса (Korneeva et al., 2020). Мы показали, что содержания рассеянных элементов в большинстве этих расплавов могут быть в равной степени хорошо описаны с помощью моделей порционного и кумулятивного фракционного плавления, которые дают при этом существенно отличающиеся оценки определяемых параметров.

ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Существуют две “граничные” равновесные модели, связывающие состав плавящегося исходного материала с составом результирующего расплава – модель кумулятивного фракционного плавления (accumulative fractional melting, здесь и далее – AFM) (1) и модель порционного плавления (batch melting, здесь и далее – BM) (2).

где $C_{i}^{l}$ – концентрация элемента в результирующем расплаве, $C_{i}^{s}$ – концентрация элемента в исходном материале (далее источник), D_i – коэффициент разделения элемента между расплавом и источником, F – степень плавления.

Обе рассматриваемые модели описывают упрощенные механизмы плавления мантии, которые не учитывают важных параметров магматической системы, таких как объемная пористость и процент расплава остающийся в источнике. Однако учет дополнительных параметров приведет к тому, что состав результирующего расплава полученных усложненных моделей будет находиться в промежуточной области между значениями, полученными с применением моделей BM и AFM (Zou, 1998). В случае высокой разницы между скоростями плавления и диффузионного переуравновешивания расплава с твердым остатком плавление также может быть неравновесным. Моделирование степени неравновесности плавления для реститовых перидотитов срединно-океанических хребтов показало, что для большинства образцов коррекция уравнений плавления дает результат в пределах “граничных” моделей равновесного порционного и фракционного плавления (Liang, Liu, 2016), что позволяет ей пренебречь. Данный факт позволяет нам использовать простые модели AFM и BM для того, чтобы рассчитать граничные значения степени плавления и состава источника на базе состава первичных расплавов оливин-порфировых пород Камчатского Мыса.

Для того чтобы оценить состав первичных расплавов оливин-порфировых пород Камчатского Мыса, мы предположили, что они были в равновесии с типичным оливином мантийных перидотитов – Fo₉₀ (на основе данных о составе оливина в абиссальных перидотитах (например, Dick, 1989)). Далее мы пересчитали состав родоначальных расплавов Камчатского Мыса (Korneeva et al., 2020) на равновесие с оливином Fo₉₀ путем симуляции обратной кристаллизации оливина, используя программное обеспечение Petrolog3 (Danyushevsky, Plechov, 2011). На этом этапе вычислений рассеянные элементы считались полностью некогерентными оливину. Рассчитанный состав первичных расплавов приведен в см. Supplementary: ESM_1.xls²².

Для моделирования плавления мантии мы использовали несколько допущений: (1) источник расплавов имел средний модальный минеральный состав, близкий к деплетированной мантии MORB – DMM (Depleted MORB Mantle) (Workman, Hart, 2005) (в %): 57 Ol, 28 Opx, 13 Cpx, 2 Spl; (2) валовые коэффициенты разделения рассеянных элементов между источником и расплавом $\left( {C_{{\text{0}}}^{i}} \right)$ (для Rb, Ba, U, Nb, Ta, La, Ce, Pb, Pr, Nd, Zr, Hf, Sm, Eu, Ti, Gd, Tb, Dy, Ho, Y, Er, Yb и Lu) также отвечали средним значениям для DMM (Workman, Hart, 2005); (3) коэффициент $C_{{\text{0}}}^{i}$ не изменялся в ходе процесса плавления (плавление было модальным); (4) содержания рассеянных элементов в источнике могли варьировать от типичных содержаний в обедненном DMM (D-DMM) до таковых в примитивной мантии (PM) (обедненный, обогащенный и средний DMM из работы (Workman, Hart, 2005), PM из работы (McDonough, Sun, 1995)). Используя эти допущения, мы рассчитали диапазон содержаний рассеянных элементов в источниках от D-DMM до PM с шагом 0.1 (к примеру, 0.9 D-DMM + 0.1 A-DMM, 0.8 D-DMM + 0.2 A-DMM и т.д.) и состав результирующих расплавов для каждого из них при степени плавления от 0.5 до 50%, используя модели BM и AFM (см. Supplementary: ESM_2.xls). Для каждого состава первичного расплава (см. Supplementary: ESM_1.xls) методом наименьших квадратов может быть найден наиболее близкий к нему состав модельного результирующего расплава, полученного при моделировании BM и AFM каждого состава источника. При этом тем же методом можно определить, какому источнику отвечает модельный результирующий расплав, дающий лучшую аппроксимацию состава первичного расплава. На данном этапе моделирования мы не учитывали содержания Sr и Th в первичных расплавах оливин-порфировых пород Камчатского Мыса, так как для большинства из них характерны положительные Sr- и отрицательные Th-аномалии (Korneeva et al., 2020). В качестве иллюстрации мы рассчитали наиболее близкие составы для модельных результирующих расплавов семи промежуточных источников от D-DMM до PM (с шагом 0.5), а также лучшие аппроксимации двух составов первичных расплавов под номерами D-1456-Mt1-gr5 и D-1456-Mt1-gr6 (рис. 2).

Результаты проведенного моделирования для составов реконструированных первичных расплавов оливин-порфировых базальтов Камчатского Мыса представлены в табл. 1 и в Supplementary: ESM_3.xls.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты моделирования состава источника и степень его плавления для первичных расплавов оливин-порфировых базальтов Камчатского Мыса показывают, что модели BM и AFM позволяют аппроксимировать эти расплавы, в среднем с одинаковой минимальной суммой квадратов разности содержаний рассеянных элементов между модельным и реальным составом расплава (рис. 3). Этот вывод верен как для составов с достаточно точной аппроксимацией (низкая наименьшая сумма квадратов), так и для составов, которые не могут быть хорошо аппроксимированы в рамках данной модели (высокая наименьшая сумма квадратов). Невозможность аппроксимации некоторых составов расплавов, наиболее вероятно, может быть связана с влиянием аналитической ошибки при анализе расплавных включений, на основе которых они были реконструированы, или с существенными отличиями состава источника (минералогического или химического) от принятых в рамках данной модели. В табл. 1 приведены и обсуждаются ниже только данные относительно тех первичных расплавов, которые удовлетворительно аппроксимируются хотя бы одной из используемых моделей плавления – 37 из 46 составов, для которых производился расчет. Из-за невозможности выбора объективного уровня суммы наименьших квадратов удовлетворительность аппроксимации определялась субъективным сопоставлением полученных спектров распределения рассеянных элементов.

Результаты моделирования с использованием модели BM показывают, что первичные расплавы оливин-порфировых пород Камчатского Мыса образовались при 2.5–18.5% плавления источников, состав которых варьировал от D-DMM до 0.5 E-DMM + 0.5 PM. Результаты моделирования с использованием модели AFM показывают более высокие оценки степени плавления (от 5.5 до 29%) и в среднем более обогащенный состав источника: от 0.5 D-DMM +0.5 A-DMM до PM. Полученные оценки степени плавления при использовании этих моделей хорошо коррелируют друг с другом (R² = 0.96), составы источников также находятся в прямой зависимости, но с меньшим коэффициентом корреляции (R² = 0.74) (рис. 4). Средние значения степени плавления для моделей BM и AFM составляют 9.1 ± 3.8 и 15.4 ± 5.2%. Средний состав источников – 0.5 A-DMM + 0.5 E-DMM и 0.9 E-DMM + 0.1 PM соответственно (рис. 4).

Для сравнения аналогичное моделирование было проделано и для выборки примитивных (Mg# > > 62 мол. %) стекол MORB на основе работы (Jenner, O’Neill, 2012). Удовлетворительная аппроксимация была получена для 67 из 79 примитивных стекол, пересчитанных на равновесие с Fo₉₀. Модель AFM позволяет лучше аппроксимировать состав большинства из них: 44 против 23 (рис. 3). Средний состав источника и степень его плавления, оцененные для них по модели AFM, отвечают 0.8 A-DMM + 0.2 E-DMM и 12.5 ± 3.8%, по модели BM – 0.4 D-DMM + 0.6 A-DMM и 7.4 ± 2.2% соответственно (рис. 4).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное моделирование возможных вариаций химического состава и степени плавления источника расплавов оливин-порфировых пород Камчатского Мыса позволяет сделать следующие выводы:

Модели BM и AFM в среднем с равной достоверностью описывают состав первичных расплавов оливин-порфировых пород Камчатского Мыса. Данный факт не позволяет заключить, к какому из этих механизмов был ближе реальный процесс плавления в данном случае.

Источник был существенно химически гетерогенным, вариации его состава в сравнении со стандартными составами источников могут быть описаны как от D-DMM до 0.5 E-DMM + 0.5 PM при использовании модели BM и от 0.5D-DMM + + 0.5 A-DMM до PM при использовании модели AFM. Диапазон среднего состава источника от 0.5A-DMM + 0.5 E-DMM до 0.9 E-DMM + 0.1 PM.

Средняя степень плавления источника – 9.1 ± ± 3.8% по модели BM, а согласно модели AFM – 15.4 ± 5.2%, что немного превышает значения для примитивных стекол MORB (7.4 ± 2.2 и 12.5 ± ± 3.8% соответственно). В то же время повышенные значения степени плавления источника расплавов изучаемых оливин-порфировых базальтов хорошо согласуются с таковыми, оцененными для других пород офиолитового комплекса Камчатского Мыса.

Низкое давление при плавлении мантии, вызванное повышенной скоростью декомпрессии, может объяснить повышенные оценки степени плавления, полученные для пород Камчатского Мыса, Sr-аномалии и раннее сульфидное насыщение.

Благодарности. Авторы благодарны М.В. Портнягину (ГЕОХИ РАН) за ценные замечания на самых ранних этапах подготовки статьи и В.С. Каменецкому (UTAS) за содержательную рецензию, позволившую существенно улучшить представление материала.

Финансовые источники. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 16-17-10145.