Образование расплавов андезитового состава связывается с: 1) анатексисом пород нижней коры, 2) контаминацией основных магм коровым материалом, 3) фракционной кристаллизацией базальтовых магм, 4) анатексисом мантийных перидотитов, 5) анатексисом океанической литосферы в зонах субдукции под континентом [2]. В составе андезитов выделяют две генерации: толеитовую и известково-щелочную, которые относят к мантийным и мантийно-коровым образованиям соответственно. Несмотря на многочисленные исследования в этой области, проблема генезиса андезитов до сих пор не нашла однозначного решения. И. Д. Рябчиков с соавторами [7] связывает образование андезитовых магм с процессами ассимиляции базальтовым расплавом осадочного материала коры и последующей кристаллизационной дифференциацией такой гибридной силикатной магмы (контаминационно-кристаллизационная гипотеза). Цель настоящей работы – оценить с помощью термодинамических расчетов правомерность данной концепции и проследить направленность дифференциации гибридных расплавов в условиях меняющихся температур и давлений при подъеме магмы от источника зарождения до излияния на поверхность.

Нами проанализированы модели образования андезитов с позиций ассимиляции базальтовым расплавом песчано-глинистого материала в различных соотношениях базальт/порода, равных 1:1, 1:0.5, 1:0.3, 1:0.1 и отражающих соответственно степень ассимиляции базальтовым расплавом чужеродного материала 50, 33, 23 и 9 %. В качестве ассимилированных пород рассматривались амфиболиты, сланцы, песчаники и граувакки, средний состав осадочных пород земной коры [6], а также комбинации сланцев и песчаников. Учитывая, что в разрезе коры на ранних этапах ее становления преобладают граувакки, образование толеитовых андезитов рассчитывалось для системы базальт + граувакка. В качестве «родоначального» для известково-щелочных андезитов принимался рассчитанный расплав толеитовых андезитов, к которому добавлялась вода в количестве от 3 до 5 мас. %. В этом варианте моделировалось образование андезитов известково-щелочной серии. Помимо петрохимического состава пород, участвующих в построении моделей, для образования андезитов обеих генераций в систему вводилось 0.1 мас. % газов Толбачинского извержения [5]. Верхняя температурная граница для толеитовых андезитов (1300 °С) взята на основании определения температур гомогенизации расплавных включений в андезитах вулканов Карымский и Безымянный на Камчатке (1250–1350 °C, в отдельных случаях – 1400–1440 °C [4]), для известково-щелочных – 1200 °C [2].

Состав базальта заимствован из работы [1], осадочного материала (граувакки) – из [6]. Моделирование проводилось с помощью компьютерной программы «Селектор» методом минимизации свободной энергии Гиббса для кристаллизующихся твердых фаз и газа в равновесном приближении. Базовая мультисистема состояла из 18 независимых компонентов: Si-Ti-Al-Fe-Mn-Mg-Ca-Na-K-P-Cr-C-Cl-F-N-S-H-O и 183 индивидуальных веществ. В газовой фазе присутствовали H₂O, H₂, O₂, CO, CO₂, CH₄, HCl, HF, F₂, Cl₂, сера и ее соединения, а также хлориды и фториды железа, натрия и калия. Термодинамические константы независимых компонентов взяты из [8, 9].

1. Образование андезитов толеитовой серии. Анализ данных показывает, что состав толеитовых андезитов (плагиоклаз + клинопироксен + ортопироксен + кварц + роговая обманка + акцессории) в интервале температур 1300–1000 °C зависит, главным образом, от давления (глубины залегания очага магмы) и степени ассимиляции исходным базальтовым расплавом корового материала и, в меньшей мере, от температуры. Их формирование происходит при активном участии газовой фазы сложного углекисло-хлоридно-водного состава с ведущей ролью воды, содержащейся во флюиде до 50 мас. % от его общего веса. Заметная роль в газовой фазе принадлежит сере и ее комплексам. По мере уменьшения температуры в газовой фазе увеличивается роль CO₂ и уменьшается – всех остальных компонентов флюида. Чем больше температура и общее давление, тем выше в расплаве парциальное давление кислорода, других газов и воды. Эти зависимости хорошо прослеживаются и в других вариантах расчетов, характеризующих различную степень ассимиляции базальтовым расплавом осадочных пород.

2. Образование андезитов известково-щелочной серии. Основным парагенезисом при кристаллизации такого расплава является плагиоклаз (андезин) + амфибол. Их количество зависит от температуры кристаллизации и величины ассимилированного расплавом осадочного материала. В зависимости от вариаций этих параметров к ним добавляется либо орто-, либо клинопироксен. Во всех случаях процесс кристаллизации магмы происходит с образованием ильменита и магнетита (7–8 мас. %). Концентрация твердых минеральных фаз контролируется, в основном, парциальным давлением воды, содержание которой во флюиде составляет не менее 99 мас. %. На долю остальных газовых компонентов приходится в сумме не более 1 мас. %, из которых основная доля представлена H₂ и CO₂. В целом, поведение газовой фазы регулируется глубиной становления магматического очага и степенью ассимиляции осадочного материала. Парциальное давление кислорода для всех рассчитанных вариантов общего давления зависит, главным образом, от температуры и варьирует от 10^-7 при Т = 1200 °C до 10^-11 для Т = 900 °C.

Таким образом, рассмотренная модель подтверждает разделение по минеральному составу андезитов на две серии – толеитовую и известково-щелочную. Первая характеризуется плагиоклаз-двупироксеновым парагенезисом, вторая – плагиоклаз-амфиболовым. Главным фактором, обусловливающими образование пород той или иной ассоциации, является содержание воды в расплаве, концентрация которой для андезитов толеитовой серии составляет около 3 %, а для известково-щелочной – от 3 до 5 %. При этом количественные соотношения минералов регулируются степенью ассимиляции осадочного материала; на первом этапе базальтовым, а на втором – толеитовым андезитовым расплавом и общим давлением, при котором происходит кристаллизация, т.е. глубиной залегания магматической камеры.

И третье – контаминация расплавами осадочных пород определяет железистость андезитов. По расчетным данным ромбический пироксен, оливин и амфибол в толеитовых андезитах значительно более железистые по сравнению с таковыми из известково-щелочных разностей. При этом в обеих сериях андезитов состав плагиоклазов и моноклинного пироксена практически не меняется, первый представлен андезином, а второй – низкожелезистым диопсидом.

В случае ассимиляции осадочного материала, содержащего рудные минералы, при дальнейшей кристаллизации расплава будет происходить накопление рудных компонентов либо в остаточном расплаве, либо в газовой фазе. Этот процесс будет приводить к формированию рудных месторождений, связанных с андезитовым магматизмом.

В качестве источника воды обычно рассматриваются отложения, вмещающие магматический очаг. Обогащение расплава водой для толеитовых андезитов при моделировании решалось за счет воды в граувакке. Для известково-щелочных андезитов, формирующихся непосредственно в коре, источником воды, повидимому, являются флюидные системы, фиксирующиеся в складчатых областях по широко распространенным геоэлектрическим и сейсмическим неоднородностям в разрезах коровых отложений складчатых областей [3]. Образование их связывается с метаморфическими, захороненными морскими и метеорными водами.Вместе с тем, существенную роль при образовании толеитовых андезитов играют хлоридные газовые компоненты и углекислота, имеющие в большей мере эндогенную мантийную природу. Состав газовой фазы, несомненно, надо учитывать и при оценке продуктивности на полезные ископаемые, которые могут быть связаны с андезитовым магматизмом. Действительно, как показано в работе [2], для толеитовых андезитов характерен, в основном, сидерофильный парагенезис элементов (Ti, V, Ni, Co, Sr, P, Mn), а известково-щелочных – литофильная ассоциация (Li, Rb, Cs, U, Th, Mo, Pb, Zn, Au, Ag). Таким образом, результаты проведенного численного моделирования полностью подтверждаются наблюдаемыми природными данными. На основании этого можно утверждать, что гипотеза контаминационной кристаллизации гибридных расплавов хорошо согласуется с геологическими наблюдениями и может рассматриваться при интерпретации андезитов как наиболее вероятная.

 

1.      Дмитриев Л. В., Соболев А. В., Рейснер М. Г., Мелсон В. Д. Петрохимические группы закалочных стекол ТОР (толеиты океанических рифтов) и их распределение в Атлантическом и Тихом океанах // Магматизм и тектоника океана. М.: Наука, 1990. С. 43–107.

2.      Иванов Б. В. Типы андезитового вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. М.: Наука, 1999. 210 с.

3.      Кисин И. Г. Геофизические неоднородности и флюидная система консолидированной земной коры континентов // Геотектоника, 2002. № 5. С. 3–18.

4.      Красов Н. Ф. Условия кристаллизации современных лав вулканов Карымского и Безымянного. Дисс. канд. г.-м. наук. Новосибирск: СО АН СССР, 1980. 247 с.

5.      Меняйлов И. А., Никитина Л. П., Шапарь В. Н. Геохимические особенности вулканических газов // Большое трещинное Толбачинское извержение (1975–1976 гг.), Камчатка. М.: Наука, 1984. С. 285–309.

6.      Мияки Я. Основы геохимии. Ленинград: Недра, 1969. 326 с.

7.      Рябчиков И. Д., Богатиков О. А., Бабанский А. Д. Физико-химические проблемы происхождения щелочноземельных магм // Изв. АН СССР, сер. геол., 1978. № 8. С. 5–18.

8.      Holland T. J. D., Powell R. An enlarged and updated internally consistent thermodynamic dataset with uncertainties and correlation: the system K₂O–Na₂O–CaO–MgO–FeO–Al₂O₃–TiO₂–SiO₂–C–H₂–O₂ // J. Metamorphic geol., 1990. V. 1. P. 89–124.

9.      Reid H. R. C., Prausnitz I. M., Poling B. E. The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hill, 1987. 598 p.