В. А. Симонов, В. Ю. Колобов, С. В. Ковязин

Институт геологии ОИГГМ СО РАН,

г. Новосибирск

 

 

Детальные исследования каменного материала, собранного при непосредственном участии авторов во время 13-го рейса НИС “Академик Александр Несмеянов” (1988 г.), 9-го рейса НИС “Антарес” (1990–1991 гг.), 15-го и 18-го рейсов НИС “Академик Николай Страхов” (1992, 1994 гг.) в Центральной и Южной Атлантике, а также в Тихом океане позволили установить особенности магматических систем, связанных с развитием “горячих точек”. Были изучены магматические комплексы в зоне трансформного разлома 15° 20¢ (Центральная Атлантика), в районе тройного сочленения Буве (Южная Атлантика) и на гайоте Кастор в западной части Тихого океана.

В ходе исследований основное внимание уделялось анализу расплавных включений в минералах. Привлекались также данные по магматическим стеклам и эффузивным породам. Включения исследовались по методике, описанной ранее [1, 6]. Составы расплавных включений установлены на рентгеновском микроанализаторе “Camebax-micro” (ОИГГМ СО РАН, г. Новосибирск). Содержания редких и редкоземельных элементов (РЗЭ) во включениях определены методом вторично-ионной мас-спектрометрии на ионном микроанализаторе IMS-4f в Институте микроэлектроники РАН (г. Ярославль) по методике [2].

“Горячая точка” в зоне трансформного разлома 15° 20¢ (Центральная Атлантика). Исследования летучих компонентов в базальтовых стеклах зоны разлома 15° 20¢ позволили установить структуру геохимической аномалии с расплавами типа E-MORB в пространстве. Согласно распределению Н₂О в стеклах, отобранных вдоль рифтовой долины, выясняется сложное строение аномалии с двумя максимумами (в районе 14°30¢ с.ш. и около разломного трога). В разрезе вкрест простирания Срединно-Атлантического хребта (САХ) прослеживается явный рост Н₂О от периферии к оси САХ с максимумом в рифтовой долине, т. е. роль воды в магматических системах увеличивается со временем и интенсивность аномалии в настоящий период растет. Данные по летучим компонентам в базальтовых стеклах показали, что расплавы аномалии обогащены не только водой, но и другими газами (СО₂, СН₄). Изучение взаимосвязей содержания Н₂О в базальтовых стеклах с их химическим составом показало, что в магматических системах типа N-MORB (северный разрез) заметную роль играли процессы фракционирования с незначительным накоплением воды, щелочей и железа, в то же время расплавы аномалии (южный разрез и район сочленения рифта с разломным трогом) были обогащены водой и калием изначально в глубинных условиях мантии, и эти геохимические особенности практически не изменялись в последующих процессах кристаллизационной эволюции магм.

Исследования расплавных включений в минералах из базальтов зоны разлома 15° 20¢ показали широкий интервал температур магматических процессов, начинавшихся с кристаллизации оливинов (1350–1220 °С) и продолжавшихся с образованием клинопироксенов и плагиоклазов (1250–1170 °С). В результате изучения расплавных включений в оливинах было выяснено, что высокотемпературные (1280–1340 °С) и высокомагнезиальные расплавы аномальных магматических систем типа E-MORB имели широкий диапазон содержаний калия от минимальных (K₂О/TiO₂ до 0.1 – аналогично примитивным начальным расплавам N-MORB) до значительных (K₂О/TiO₂ – 0.24).

Оценки глубин плавления мантийного субстрата с образованием базальтовых магм, выполненные по методу [4], свидетельствуют, что в целом для района развития аномальных расплавов они оказываются значительно более глубинными (более 80 км) по сравнению с базальтами северного сегмента САХ (менее 50 км). Максимальные оценки хорошо соответствуют значениям глубин выплавления первичных расплавов в этом регионе по данным предыдущих исследователей – около 85 км [5].

Совместные исследования расплавных включений, базальтов и базальтовых стекол позволили выделить два четко различающихся тренда эволюции глубинных расплавов при их подъеме к поверхности дна океана: слабое накопление калия в магматических системах северного разреза (в пределах вариаций, характерных для N-MORB) и резкое обогащение расплавов, начавшееся еще в глубинных условиях (районы южного разреза и непосредственного сочленения рифта и разломного трога), с образованием аномальных магм типа E-MORB.

В целом, данные по расплавным включениям и по летучим компонентам в базальтовых стеклах свидетельствуют о том, что, наиболее вероятно, флюидные компоненты, прежде всего Н₂О, ответственны за развитие аномально обогащенных магм типа E-MORB в зоне разлома 15° 20¢ . Эти выводы хорошо согласуются с работами Э. Бонатти [3], по мнению которого, именно обогащение водой верхней мантии является лучшим объяснением особенностей развития “горячих точек” в САХ (в районах 35–45° , 14–15° и 2–4° с. ш.), чем повышение температуры. Таким образом, мантийный плюм, с результатом воздействия которого на нормальные магматические системы САХ связывается формирование аномальных расплавов в зоне разлома 15° 20¢ , был обогащен прежде всего летучими компонентами, не выделяясь при этом какими-либо сверхвысокими значениями температур.

“Горячая точка” острова Буве находится в области тройного сочленения срединно-океанических хребтов в Южной Атлантике. Основой для исследования магматических систем “горячей точки” Буве являются экспериментальные данные по расплавным включениям и результаты петролого-геохимических исследований образцов из района тройного сочленения Буве.

Исследования расплавных включений и магматических стекол позволили нам установить, что эндогенные магматические системы “горячей точки” острова Буве резко обогащены прежде всего щелочами (K₂О), а также летучими компонентами (СО₂, Н₂О, Н₂). В то же время температуры аномальных расплавов гораздо ниже, а диапазон их значений шире (1155–1210 °С), чем в нормальных сухих магмах САХ (1245–1265 °С). Таким образом, было выяснено, что характерной особенностью плюмового магматизма “горячей точки” Буве является, то, что обогащенные щелочами (прежде всего калием), литофильными редкими и редкоземельными элементами (La, Ce, Th, Nb, Rb) и летучими компонентами (Н₂, Н₂О, СО₂) расплавы имеют более низкие температуры кристаллизации, чем истощенные магмы срединно-океанических хребтов типа N-MORB. В результате, магматизм “горячей точки” острова Буве по существу не является таким уж горячим, то есть не температурные условия определяют характерные черты “горячей точки”, а скорее всего решающим фактором служит резкое обогащение щелочами и летучими компонентами, приводящее к снижению температур кристаллизации расплавов.

При сравнении особенностей распределения температурных и геохимических характеристик базальтовых расплавов в районе тройного сочленения Буве хорошо видна их как бы обратная зависимость. Области с минимальными значениями редких, редкоземельных элементов и их отношений соответствуют распространению расплавов с максимальными температурами (рифтовая зона САХ). Максимальные значения литофильных элементов и других геохимических характеристик в районе острова Буве отвечают расплавам с минимальными температурами. Отчетливо видимый след горячей точки Буве с обогащенными расплавами прерывается в рифтовой зоне, к которой в основном приурочен температурный максимум. Здесь ясно видно, как на обогащенный и низкотемпературный след горячей точки Буве накладываются более примитивные и высокотемпературные магмы, связанные со спрединговыми процессами в рифтовой зоне.

В целом, картины с распределением температурных и геохимических характеристик по площади района тройного сочленения Буве являются как бы моментальными снимками результатов взаимодействия двух крупных геодинамических систем: плюма “горячей точки” Буве и накладывающейся на след ее движения спрединговой рифтовой зоны.

Исследования геохимии редкоземельных элементов показали, что в районе тройного сочленения Буве развиваются и взаимодействуют два основных типа магматических систем: обогащенные расплавы Буве, формирующиеся в результате частичного плавления мантии на глубинах начиная с 110–100 км, и значительно менее глубинные (образуются при плавлении мантийного субстрата начиная максимум с 60–70 км) нормальные расплавы срединно-океанических хребтов типа N-MORB.

“Горячая точка” гайота Кастор (Тихий океан). В оливиновых вкрапленниках из пикритов были найдены и изучены расплавные включения. При нагреве в микротермокамере полностью гомогенными включения становятся в интервале 1290–1420 °С. Явно преобладают значения 1375–1420 °С. На серии диаграмм для расплавных включений, показывающих зависимость петрохимических компонентов от SiO₂, отчетливо видно, что расплавы, из которых кристаллизовались оливины, были базальтового состава, в то время как породы, содержащие данные минералы гораздо более магнезиальны – пикриты. На диаграмме TiO₂-FeO/MgO данные по включениям показывают эволюцию глубинных расплавов гайота Кастор при фракционировании оливина от примитивных до поля океанических островов (OIB) с ростом FeO/MgO (от 0.5 до 1.7) и титана до 2.2 мас.%. Большая часть включений с минимальной степенью дифференциации (FeO/MgO = 0.5–0.7), характеризующая наиболее примитивные расплавы гайота Кастор, показывает их резкое отличие от магм срединно-океанических хребтов. В целом, по характеру распределения титана и меньшей железистости магмы гайота Кастор существенно отличаются от расплавов океанических плато.

По типу спектров РЗЭ включения в оливинах гайота Кастор отвечают обогащенным расплавам с явным ростом роли легких лантаноидов. По характеру распределения РЗЭ включения существенно отличаются повышенными содержаниями всех элементов от гавайских толеитов и совпадают с данными по промежуточной серии Гавайских островов. Необходимо отметить резкое отличие данных по расплавам Кастора от базальтов плато Онтонг Джава, для которых характерен хондритовый тип распределения РЗЭ.

В целом, проведенные исследования оливинов и расплавных включений из пикритов и пикробазальтов свидетельствуют, во-первых, о сходстве магматических систем гайота Кастор и Гавайских островов, во-вторых, говорят об эндогенной (начиная с глубин около 18 км и при температурах 1420–1400 °С) кристаллизации рассмотренных минералов.

Согласно петрохимии, геохимии редких и редкоземельных элементов магматические системы гайота Кастор наиболее близки обогащенным расплавам срединно-океанических хребтов (E-MORB) и океанических островов (OIB), отчетливо отличаясь от магм типа N-MORB и океанических плато.

На основе данных по составам расплавных включений в оливинах были проведены оценки параметров выплавления из мантийного субстрата первичных расплавов. Расчеты проводились по методам [4, 5] с использованием как данных по валовому составу включений, так и по содержанию в них редких элементов. В результате установлено, что первичные расплавы гайота Кастор формировались как минимум на глубинах 75–90 км при температурах 1470–1510 °С.

Основные выводы

1. Для всех рассмотренных “горячих точек” глубина выплавления первичных мантийных расплавов (80–110 км) существенно больше, чем уровни магмогенерации нормальных расплавов срединно-океанических хребтов типа N-MORB – примерно 50–60 км и менее.

2. Устанавливается различная роль геохимических факторов в магматических системах рассмотренных “горячих точек”. В зоне разлома 15° 20¢ , наиболее вероятно, флюидные компоненты, и прежде всего Н₂О, ответственны за развитие аномально обогащенных магм типа E-MORB. Характерной особенностью магматизма “горячей точки” Буве является обогащение щелочами (прежде всего калием), литофильными редкими и редкоземельными элементами (La, Ce, Th, Nb, Rb) и летучими компонентами (Н₂, Н₂О, СО₂). Магматические системы гайота Кастор по петрохимии, геохимии редких и редкоземельных элементов наиболее близки обогащенным расплавам срединно-океанических хребтов (E-MORB), но существенной роли летучих компонентов не удалось установить.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №№ 02-05-64618, 02-05-64046).