1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Петрология
  4. T. 31, № 3, 2023

Петрология, 2023, T. 31, № 3, стр. 238-263

Магнезиальные базальты кальдеры Медвежья: основные магмы и их источники на примере вулкана Меньший Брат (о. Итуруп)

Д. В. Кузьмин a, *, И. Р. Низаметдинов a, С. З. Смирнов a, Т. Ю. Тимина a, А. Я. Шевко a, М. П. Гора a, А. В. Рыбин b

a Институт геологии и минералогии им В.С. Соболева СО РАН
Новосибирск, Россия

b Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН
Южно-Сахалинск, Россия

* E-mail: kuzmin@igm.nsc.ru

Поступила в редакцию 05.04.2022
После доработки 05.12.2022
Принята к публикации 23.12.2022

Аннотация

Приведены новые данные об условиях образования базальтов посткальдерного вулкана Меньший Брат (кальдера Медвежья, о. Итуруп). Показано, что ликвидусная ассоциация представлена оливином (Fo 85.3–90.1 мол. %) и хромистой шпинелью (Cr# = 0.46–0.6), которые кристаллизовались при 1090–1170°С и фугитивности кислорода NNO +0.6 (σ = 0.2) – NNO +0.2 (σ = 0.14) для различных моментов извержений. Изучение включений минералообразующей среды в ликвидусных вкрапленниках оливина позволило установить, что исходные расплавы содержали до 15.5 мас. % MgO, были низкоглиноземистыми и низкокалиевыми со средним содержанием воды 5.5 мас. %. Полученные новые данные позволили предположить, что выплавление основных расплавов происходило при Т ~ 1225°С из существенно перидотитового источника с небольшой примесью пироксенитового компонента при активном участии флюидов, отделяющихся от субдуцирующей плиты. Отделение флюида от субдуцирующей плиты под о. Итуруп происходило на глубинах 95–105 км при 670–705°С. Таким образом, новые данные помогают понять условия образования и эволюцию основных магм, служащих как источником тепла, так и поставщиком летучих компонентов при катастрофических кальдерных извержениях.

Ключевые слова: расплавные включения, оливин, родоначальные магмы, Курильские острова, о. Итуруп, кальдера Медвежья, вулкан Меньший Брат, кальдерные извержения

Список литературы

  1. Авдейко Г.П., Палуева А.А., Хлебородова О.А. Геодинамические условия вулканизма и магмообразования Курило-Камчатской островодужной системы // Петрология. 2006. Т. 14. № 3. С. 249–267.

  2. Дистлер В.В., Юдовская М.А., Знаменский В.С., Чаплыгин И.В. Элементы группы платины в современных фумаролах вулкана Кудрявый (остров Итуруп, Курильская островная гряда) // Докл. АН. 2002. 387. № 2. С. 237–241.

  3. Еремина Т.С., Хубуная С.А., Колосков А.В., Москалева С.В. Известково-щелочные и субщелочные базальты и андезибазальты вулканов Ключевской, Харчинский и Плоский Толбачик (ТТИ-50) – вулканические продукты разноглубинной мантии // Материалы ежегодной конференции, посвященной Дню вулканолога “Вулканизм и связанные с ним процессы”. 2014. С. 69–82.

  4. Ермаков В.А., Семакин В.П. Геология кальдеры Медвежья (о. Итуруп, Курильские острова) // Докл. АН. 1996. Т. 351. № 3. С. 361–365.

  5. Ермаков В.А., Штейнберг Г.С. Вулкан Кудрявый и эволюция кальдеры Медвежья (о. Итуруп, Курильские острова) // Вулканология и сейсмология. 1999. № 3. С. 19–40.

  6. Коваленко В.И., Наумов В.Б., Толстых М.Л. и др. Состав и источники магм кальдеры Медвежья (о. Итуруп, Южные Курилы) по данным изучения расплавных включений // Геохимия. 2004. № 5. С. 467–487.

  7. Крашенинников С., Соболев А.В., Батанова В.Г. и др. Экспериментальная проверка моделей равновесия оливин–расплав в области высоких температур // Докл. АН. 2017. Т. 475. № 5. С. 559–563.

  8. Кременецкий А.А., Чаплыгин И.В. Содержание рения и других редких металлов в газах вулкана Кудрявый (о. Итуруп, Курильские острова) // Докл. АН. 2010. Т. 430. № 3. С. 365–370.

  9. Леонов В.Л., Гриб Е.Н. Структурные позиции и вулканизм четвертичных кальдер Камчатки. Владивосток: Дальнаука, 2004. 189 с.

  10. Магматические горные породы. М.: Наука, 1983. Т. 1. 368 с.

  11. Мартынов А.Ю., Мартынов Ю.А., Рыбин А.В., Кимура Дж.-И. Роль задуговых процессов в происхождении субдукционных магм: новые данные по изотопии Sr, Nd и Pb в вулканитах ранних этапов формирования о. Кунашир (Курильская островная дуга) // Геология и геофизика. 2015. Т. 56. № 3. С. 469–487.

  12. Миронов Н.Л., Тобелко Д.П., Смирнов С.З. и др. Оценка содержания СО2 в газовой фазе расплавных включений с использованием рамановской спектроскопии (на примере включений в оливине Карымского вулкана, Камчатка) // Геология и геофизика. 2020. Т. 61. № 5–6. С. 734–747.

  13. Назарова Д.П., Портнягин М.В., Крашенинников С.П. и др. Исходное содержание H2O и условия образования родоначальных магм вулкана Горелый (Южная Камчатка) по данным микроэлементной термобарометрии // Докл. АН. 2017. Т. 472. № 3. С. 311–314.

  14. Некрылов Н.А., Попов Д.В., Плечов П.Ю. и др. Гранат-пироксенитовый источник расплавов на Камчатке: состав расплавных включений и оливина голоценовых пород Кекукнайского вулкана // Петрология. 2018. Т. 26. № 4. С. 335–357.

  15. Низаметдинов И.Р., Кузьмин Д.В., Смирнов С.З. и др. Вода в родоначальных базальтовых магмах вулкана Меньший Брат (о. Итуруп, Курильские острова) // Докл. АН. 2019а. Т. 486. № 1. С. 93–97.

  16. Низаметдинов И.Р., Кузьмин Д.В., Смирнов С.З., Секисова В.С. Ренитсодержащая ассоциация из расплавных включений как индикатор эволюции магнезиальных базальтов вулкана Меньший Брат, о. Итуруп) // Материалы конференции: Физико-химические факторы петро- и рудогенеза: новые рубежи. М.: ИГЕМ РАН, 2019б. С. 130–132.

  17. Пискунов Б.Н., Рыбин А.В., Сергеев К.Ф. Петро-геохимическая характеристика кальдеры Медвежьей (о. Итуруп, Курильские острова) // Докл. АН. 1999. Т. 368. № 3. С. 380–384.

  18. Плечов П.Ю. Методы изучения флюидных и расплавных включений. М.: КДУ, 2014. 268 с.

  19. Плечова А.А., Портнягин М.В. Базанова Л.И. Происхождение и эволюция исходных магм фронтальных вулканов Камчатки по данным изучения магматических включений в оливине вулкана Жупановский // Геохимия. 2011. № 8. С. 787–812.

  20. Рыбин А.В., Чибисова М.В., Смирнов С.З. и др. Петрохимические особенности вулканических комплексов кальдеры Медвежья (о. Итуруп, Курильские острова) // Геосистемы переходных зон. 2018. Т. 2. № 4. С. 377–385.

  21. Секисова В.С, Смирнов С.З., Кузьмин Д.В. и др. Корово-мантийные ксенолиты: минералогия и петрогенезис // Геология и геофизика. 2021. Т. 62. № 3. С. 422–442.

  22. Тобелко Д.П., Портнягин М.В., Крашенинников С.П. и др. Состав и условия образования примитивных магм Карымского вулканического центра (Камчатка) по данным изучения расплавных включений и микроэлементной термобарометрии // Петрология. 2019. Т. 27. № 3. С. 258–282.

  23. Толстых М.Л., Наумов В.Б., Кононкова Н.Н. Три типа расплавов, учавствовавших в формировании андезитобазальтов кальдеры Медвежья (о. Итуруп, Южные Курилы) // Геохимия. 1997. № 4. С. 391–397.

  24. Чибисова М.В., Рыбин А.В., Мартынов Ю.А., Округин В.М. Химический состав и минералогия базальтов вулкана Меньший Брат (о. Итуруп, Курильские острова) // Вест. КРАУНЦ. Науки о земле. 2009. Вып. 13. № 1. С. 179–186.

  25. Almeev R.R., Holtz F., Koepke J. et al. The effect of H2O on olivine crystallization in MORB: Experimental calibration at 200 MPa // Amer. Mineral. 2007. V. 92. P. 670–674.

  26. Ballhaus C., Berry R.F., Green D.H. High pressure experimental calibration of the olivine-orthopyroxene-spinel oxygen Geobarometer: implications for the oxidation state of the upper mantle // Contrib. Mineral. Petrol. 1991. V. 107. P. 27–40.

  27. Beard J.S., Lofgren G.E. Dehydration melting and water-sa-turated melting of basaltic and andesitic greenstones and amphibolites at 1, 3, 6, 9 kb // J. Petrol. 1991. V. 32. P. 365–401.

  28. Blondes M.S., Brandon M.T., Reiners P.W. et al. Generation of forsteritic olivine (Fo99.8) by subsolidus oxidation in basaltic flows // J. Petrol. 2012. V. 53. № 5. P. 971–984.

  29. Bucholz C.E., Gaetani G.A., Behn M.D., Shimizu N. Postentrapment modification of volatiles and oxygen fugacity in olivine-hosted melt inclusions // Earth Planet. Sci. Lett. 2013. V. 374. P. 145–155.

  30. Chen Y., Provost A., Schiano P., Cluzel N. The rate of water loss from olivine-hosted melt inclusions // Contrib. Mine-ral. Petrol. 2011. V. 162. P. 625–636.

  31. Coogan L.A., Saunders A.D., Wilson R.N. Aluminumin-oli-vine thermometry of primitive basalts: evidence of an anomalously hot mantle source for large igneous provinces // Chem. Geol. 2014. V. 368. P. 1–10.

  32. Danyushevsky L.V., Plechov P.Y. Petrolog3: Integrated software for modeling crystallization processes // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2011. V. 12. № 7. Q07021.

  33. Danyushevsky L.V., Della-Pasqua F.N., Sokolov S. Re-equilibration of melt inclusions trapped by magnesian olivine phenocrysts from subduction-related magmas: petrological implications // Contrib. Mineral. Petrol. 2000. V. 38. P. 68–83.

  34. Del Moro S., Renzulli A., Landi P. et al. Unusual lapilli tuff ejecta erupted at Stromboli during the 15 March 2007 explosion shed light on the nature and thermal state of rocks forming the crater system of the volcano // J. Volcanol. Geoth. Res. 2013. № 254. P. 37–52.

  35. Eichelberger J.C., Izbekov P. Eruption of andesite triggered by dyke injection: contrasting cases at Karymsky volcano, Kamchatka and Mount Katmai, Alaska // Royal Soc. London Phil. Trans., Ser. A. 2000. V. 358. P. 1465–1485.

  36. Falloon T., Danyushevsky L. Melting of refractory mantle at 1.5, 2 and 2.5 GPa under anhydrous and H2O-undersaturated conditions: implications for the petrogenesis of High-Ca boninites and the influence of subduction components on mantle melting // J. Petrol. 2000. V. 41. Iss. 2. P. 257–283.

  37. Ford C.E., Russel D.G., Graven J.A., Fisk M.R. Olivine li-quid equilibria: temperature, pressure andcomposition dependence of the crystal/liquid cationpartition coefficients for Mg, Fe2+, Ca and Mn // J. Petrol. 1983. V. 24. P. 256–265.

  38. Gaetani G.A., O’Leary J.A., Shimizu N. et al. Rapid reequi-libration of H2O and oxygen fugacity in olivinehosted melt inclusions // Geology. 2012. V. 40. P. 915–918.

  39. Gavrilenko M., Herzberg C.,Vidito C. et al. Calcium-in-oli-vine geohygrometer and its application to subduction zone magmatism // J. Petrol. 2016. V. 57. Iss. 9. P. 1811–1832.

  40. Gelman S.E., Deering G.D., Gutierrez F.J., Bachmann O. Evolution of the Taupo Volcanic Center, New Zealand: petrological and thermal constraints from the Omega dacite // Contrib. Mineral. Petrol. 2013. V. 166. P. 1355–1374.

  41. Gertisser R., Keller J. From basalt to dacite: origin and evolution of the calc-alkaline series of Salina, Aeolian Arc, Italy // Contrib. Mineral. Petrol. 2000. V. 139. № 5. P. 607–626.

  42. Gill J.B. Orogenic andesites and plate tectonics. Springer-Verlag: Berlin–Heidelberg, 1981. 390 p.

  43. Grove T.L., Elkins-Tanton L.T., Parman S.W. et al. Fractional crystallization and mantle-melting controls on calc-alkaline differentiation trends // Contrib. Mineral. Petrol. 2003. V. 145. № 5. P. 515–533.

  44. Grove T.L., Till C.B., Krawczynski M.J. The Role of H2O in subduction zone magmatism // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2012. V. 40. № 1. P. 413–439.

  45. Haughton D.R., Roeder P.L., Skinner J.B. Solubility of sulfur in mafic magmas // Econom. Geol. 1974. V. 69. № 4. P. 451–467.

  46. Hellebrand E., Snow J.E., Dick H.J.B., Hofmann A.W. Coupled major and trace elements as indicators of the extent of melting in mid-ocean-ridge peridotites // Nature. 2001. V. 410. P. 677–681.

  47. Hermann J., Spandler C.J. Sediment melts at subar depths: an experimental study // J. Petrol. 2008. V. 49. P. 717–740.

  48. Hildreth W. Volcanological perspectives on Long Valley, Mammoth Mountain, and Mono Craters: several contiguous but discrete systems // J. Volcanol. Geoth. Res. 2004. V. 136. P. 169–198.

  49. Hofmann A.W. Chemical differentiation of the Earth: the relationship between mantle, continental crust, and oceanic crust // Earth Planet. Sci. Lett. 1988. V. 90. P. 297–314.

  50. Jarosewich E.J., Nelen J.A., Norberg J.A. Reference samples for electron microprobe analyses // Geostandards Newsletter: The Journal of Geostandards and Geoanalysis. 1980. V. 4. P. 43–47.

  51. Jull M., Kelemen P.B. On the conditions for lower crustal convective instability // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 6423–6446.

  52. Kamenetsky V.S., Crawford A.J., Meffre S. Factors controlling chemistry of magmatic spinel: an empirical study of associated olivine, Cr-spinel and melt inclusions from primitive rocks // J. Petrol. 2001. V. 42. № 4. P. 655–671.

  53. Kamenetsky V.S., Zelensky M., Gurenko A. et al. Silicate-sulfide liquid immiscibility in modern arc basalt (Tolbachik volcano, Kamchatka): Part II. Composition, liquidus assemblage and fractionation of the silicate melt // Chem. Geol. 2017. V. 471. P. 92–110.

  54. Kimura J.Ic. Modeling chemical geodynamics of subduction zones using the Arc Basalt Simulator version 5 // Geosphere. 2017. V. 13. P. 992–1025.

  55. Kimura J.Ic., Yoshida T. Contributions of slab fluid, mantle wedge and crust to the origin of quaternary lavasin the NE Japan arc// J. Petrol. 2006. V. 47. №11. P. 2185–2232.

  56. Kuno H. High-alumina basalt // J. Petrol. 1960. V. 1. № 2. P. 121–145.

  57. Lange R.A. The effect of H2O, CO2 and F on the density and viscisity of silicate melts // Eds. M.R. Carrol and J.R. Holloway. Volatiles in Magmas. Rev. Mineral. Mineral. Soc. Amer. Washington D.C. 1994. V. 30. P. 331–369.

  58. Macdonald R., Hawkesworth C.J., Heath E. The Lesser Antilles volcanic chain: a study in arc magmatism // Earth-Sci. Rev. 2000. V. 49. P. 1–76.

  59. Mallik A., Dasgupta R., Tsuno K., Nelson J. Effects of water, depth and temperature on partial melting of mantle-wedge fluxed by hydrous sediment-melt in subduction zones // Geochem. Cosmochim. 2016. № 195. P. 226–243.

  60. Mathez E.A. Sulfur solubility and magmatic sulfides in submarine basalt glass // J. Geoph. Res. 1976. V. 81. Iss. 23. P. 4269–4276.

  61. Martynov Y.A., Rybin A.V., Chibisova M.V. et al. Basaltic volcanism of Medvezhia caldera on the Iturup Island of Kurile Isles: impact of regional tectonics on subduction magmatism // Int. Geol. Rev. 2022. https://doi.org/10.1080/00206814.2022.2039885

  62. Mironov N., Portnyagin M., Botcharnikov R. et al. Quantification of the CO2 budget and H2O–CO2 systematics in subduction-zone magmas through the experimental hydration of melt inclusions in olivine at high H2O pressure // Earth Planet. Sci. Lett. 2015. V. 425. P. 1–11.

  63. Miyashiro A. Volcanic rock series in island arcs and active continental margins // Amer. J. Sci. 1974. V. 274. P. 321–355.

  64. Nekrylov N., Portnyagin M.V., Kamenetsky V.S. et al. Chromium spinel in Late Quaternary volcanic rocks from Kamchatka: implications for spatial compositional variability of subarc mantle and its oxidation state // Lithos. 2019. V. 322. P. 212–224.

  65. Plank T., Cooper L., Manning C.E. Emerging geothermo-meters for estimating slab surface temperatures // Nature Geosci. 2009. V. 2. P. 611–615.

  66. Plank T., Kelley K.A., Zimmer M.M. et al. Why do mafic arc magmas contain ~4 wt. % water on average? // Earth Pla-net. Sci. Lett. 2013. V. 364. P. 168–179.

  67. Portnyagin M.V., Hoernle K., Plechov P.Y. et al. Constraints on mantle melting and composition and nature of slab components in volcanic arcs from volatiles (H2O, S, Cl, F) and trace elements in melt inclusions from the Kamchatka Arc // Earth Planet. Sci. Lett. 2007. V. 255. P. 53–69.

  68. Portnyagin M., Almeev R., Matveev S., Holtz F. Experimental evidence for rapid water exchange between melt inclusions in olivine and host magma // Earth Planet. Sci. Lett. 2008. V. 272. P. 541–552.

  69. Portnyagin M.V., Mironov N.L., Botcharnikov R. et al. Dehydration of melt inclusions in olivine and implications for the origin of silica-undersaturated island-arc melts // Earth Planet. Sci. Lett. 2019. V. 517. P. 95–105.

  70. Portnyagin M.V., Duggen S., Hauff F. et al. Geochemistry of the late Holocene rocks from the Tolbachik volcanic field, Kamchatka: Quantitative modelling of subduction-related open magmatic systems // J. Volcanol. Geoth. Res. 2015. V. 307. P. 133–155.

  71. Rustioni G., Audétat A., Keppler H. Experimental evidence for fluid-induced melting in subduction zones // Geochem. Persp. Lett. 2019. V. 11. P. 49–54.

  72. Shaw D.M. Trace element fractionation during anatexis // Geochim. Cosmochim. Acta. 1970. V. 34. P. 237–243.

  73. Shishkina T.A., Botcharnikov R.E., Holtz F. et al. Solubility of H2O- and CO2-bearing fluids in tholeiitic basalts at pressures up to 500 MPa // Chem. Geol. 2010. V. 277. P. 115–125.

  74. Sisson T.W., Grove T.L. Temperatures and H2O contents of low MgO high alumina basalts // Contrib. Mineral. Petrol. 1993. V. 113. P. 167–184.

  75. Smirnov S.Z., Nizametdinov I.R., Timina T.Yu. et al. High explosivity of the June 21, 2019 eruption of Raikoke volcano (Central Kuril Islands); mineralogical and petrological constraints on the pyroclastic materials // J. Volcanol. Geoth. Res. 2021. V. 418. Art. 107346.

  76. Sobolev A.V., Chaussidon M. H2O concentrations in primary melts from supra-subduction zones and mid-ocean ridges: Implications for H2O storage and recycling in the mantle // Earth Planet. Sci. Lett. 1996. V. 137. P. 45–55.

  77. Sobolev A.V., Hofmann A.W., Kuzmin D.V. et al. Estimating the amount of recycled crust in sources of mantle-derived melts // Science. 2007. V. 316. P. 412–417.

  78. Sobolev A.V., Asafov E.V., Gurenko A.A. et al. Komatiites reveal a hydrous Archaean deep-mantle reservoir // Nature. 2016. V. 531. P. 628–32.

  79. Sparks S.R.J., Sigurdsson H., Wilson L. Magma mixing: a mechanism for triggering acid explosive eruptions // Nature. 1977. V. 267. P. 315–318.

  80. Stolper E., Newman S. The role of water in the petrogenesis of Mariana trough magmas // Earth Planet. Sci. Lett. 1994. V. 121. P. 293–325.

  81. Syracuse E.M., Van Keken P.E., Abers G.E. The global range of subduction zone thermal models // Phys. Earth Planet. Int. 2010. V. 183. P. 73–90.

  82. Tamura Y., Tatsumi Y. Remelting of an andesitic crust as a possible origin for rhyolitic magma in oceanic arcs; an example from the Izu-Bonin Arc // J. Petrol. 2002. V. 43. P. 1029–1047.

  83. Van Keken P.E., Kiefer B., Peacock S.M. High-resolution models of subduction zones: Implications for mineral dehydration reactions and the transport of water into the deep mantle // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2002. V. 3. https://doi.org/10.1029/2001GC000256

  84. Yudovskaya M.A., Tessalina S., Distler V.V. et al. Behavior of highly-siderophile elements during magma degassing: a case study at the Kudryavy volcano // Chem. Geol. 2008. V. 248. № 3–4. P. 318–341.

Дополнительные материалы

скачать ESM_1.xlsx
Supplemntary 1: ESM_1. Composition of the olivins cores from the basalts of Menshiy Brat volcano (wt %)
 
 
скачать ESM_2.xlsx
Supplemntary 2: ESM_2. Composition of liquidus spinel and host-olivine from Menshiy Brat volcano basalts (wt %)
 
 
скачать ESM_3.xlsx
Supplementary 3: ESM_3. Measured and reconstructed glasses compositions of melt inclusion (wt %)
 
 
скачать ESM_4.xlsx
Supplementary 4: ESM_4. CO2 content in naturally quenched olivine-hosted melt inclusions from sample MD-5 Menshiy Brat volcano (calculated using the methodo from Mironov et al., 2020)
 
 
скачать ESM_5.docx
Supplementary 5: ESM_5. METHODOLOGICAL FEATURES OF THE H2O CONTENT ESTIMATION IN TRAPPED MELTS BY VARIOUS METHODS

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Петрология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал