 | Петрология и Геохимия Вулканических Пород на Острове Jeju: Плюм-магматизм на азиатской континентальной окраине |
Variations in major element and normative compositions of the Jeju volcanic rocks. Continuous and dot–dashed lines in the SiO2 vs Na2O + K2O diagram indicate the boundaries between alkalic and sub-alkalic series after Le Bas & Streckeisen (1991) and Miyashiro (1978), respectively. CIPW normative compositions are calculated by assuming Fe2+/(Fe2+ + Fe3+) = 0·9 in the magma. Jeju volcanic rocks can be broadly divided into alkalic and subalkalic series on a SiO2 vs total alkalis diagram; the alkalic series are further subdivided into two series, high-Al and low-Al series (abbreviated as High-Al ALK and Low-Al ALK, respectively), based on Al2O3 contents. Compositional trends defined by High- and Low-Al ALKs can be reasonably explained by fractionation of existing minerals, including olivine, plagioclase, clinopyroxene, magnetite, and apatite, from the magma. |
Trace element abundances vs SiO2 in Jeju volcanic rocks. |
N-MORB-normalized multi-element and chondrite-normalized REE diagrams for Jeju volcanic rocks and basement granites. Although Jeju lavas show incompatible element patterns broadly similar to those for hotspot magmas, they exhibit a relative depletion of Nb that is generally considered more typical of subduction-zone magmas. Normalization values from Sun & McDonough (1989) |
K/Y–K/Nb relationships for Jeju volcanic rocks, Quaternary arc lavas from the NE Japan arc, back-arc basin basalts from the Sea of Japan, intraplate basalts from NE China and Polynesia, and MORB. Data from this study, Kogiso et al. (1997b) and Tatsumi et al. (2000). Jeju volcanic rocks share characteristics common to intraplate basalts rather than subduction-related magmas, although they show ‘Nb depletion’ in multi-element MORB-normalized REE diagrams |
Sr–Nd–Pb isotopic compositions of Jeju volcanic rocks and related lavas. A mixing line between the least differentiated Low-Al ALK series magma and granite (dashed line) is shown in (d). |
Frequency distribution diagrams for olivine core compositions in Jeju volcanic rocks. The number in parentheses shows MgO content of the bulk-rock sample. Dashed lines indicate Mg-number of olivine in equilibrium with the bulk composition, which is estimated based on Fe–Mg exchange partitioning. Arrows indicate the compositional range of olivine phenocryst |
Composition of core (filled symbols) and rim (open symbols) of pyroxenes in Jeju volcanic rocks. No reversely zoned pyroxene was observed |
Frequency distribution diagrams for core compositions of plagioclase phenocrysts in Jeju volcanic rocks. Arrows indicate the compositional range of plagioclase phenocryst rims. |
a) Compositions of spinel inclusions in olivine phenocrysts of Jeju volcanic rocks. (b) Relationship between spinel inclusions and their host olivine phenocrysts. (c) fO2 relative to the FMQ buffer inferred from spinel compositions of Jeju and other volcanic rocks (after Ballhaus et al., 1990, 1991; Ballhaus, 1993). |
SiO2 vs isotopic ratios for Jeju volcanic rocks and basement granite. The composition of an undifferentiated basalt that is contaminated by a granitic melt is shown by the continuous lines, with the fraction of granitic melt indicated. Most Jeju volcanic rocks exhibit rather constant isotopic ratios with increasing SiO2 content, suggesting at most only a minor role for upper-crustal contamination in the differentiation of Jeju magmas. |
Results of mass-balance calculations for High-Al and Low-Al ALK series magmas. The compositional variation for these magma series can be reasonably explained by fractional crystallization processes. Arrows towards the more SiO2-rich direction indicate the fractional crystallization trend and those towards the SiO2-poor direction show the back-calculation of an inferred parental magma for the High-Al ALK series |
Relationship between the percentage of plagioclase phenocrysts and the ‘plagioclase components'' in the Jeju magmas.Eu=2x(Eu)n/((Sm)n+(Gd)n), where (i)n denotes the chondrite-normalized concentration of an element i. No obvious correlation can be seen for these parameters, suggesting that accumulation of plagioclase phenocrysts played only a minor role in the differentiation of the Jeju magmas |
Ni–Mg-number relationships for olivine phenocrysts in the Jeju magmas. Mantle lherzolite values are from Takahashi (1990). Open diamonds and stars indicate olivine compositions in equilibrium with the bulk rocks and mantle lherzolite, respectively. The number in parentheses indicates the Mg-number and NiO contents in the residual mantle olivine during partial melting of the Jeju primary |
Normative [using the method of Walker et al. (1979)] compositions of the Jeju primary magmas projected onto the plagioclase–olivine–quartz plane from the diopside apex. Compositions of A-2 and other primary magmas are given in Table 10. Partial melt compositions obtained in peridotite melting experiments at various pressures (Hirose & Kushiro, 1993) are also shown. |
Trace element characteristics of the Jeju volcanic rocks suggesting the residual mineral phases in the magma source region (see text for discussion). Sizes of cation sites for minerals (Matsui et al., 1977) are indicated by arrows. Pl, plagioclase; Ph, phlogopite; Am, amphibole |
source: http://petrology.oxfordjournals.org/content/46/3/523.full
Петрология и Геохимия Вулканических Пород на Острове Jeju: Плюм-магматизм на азиатской континентальной окраине (YOSHIYUKI TATSUMI, HIROSHI SHUKUNO, MASAKO YOSHIKAWA, QING CHANG, KEIKO SATO и MOON WON LEE)
Восточный край азиатского континента - участок интенсивного каинозойского вулканизма, связанного с задуговой областью субдукции и межплитового плюмообразного магматизма.
Одновременное возникновение магматизма в ассоциации с мантийным даунвеллингом (downwelling – нисходящий поток) и апвеллингом (восходящий поток) в данной области обеспечивает редкую возможность для изучения циркуляций в пределах мантии Земли.
Проблемы, которые исследуются в данной статье включают:
(1) вклад компонентов субдукции, извлеченных от проваливающейся океанической литосферы от задужного бассейна и дальнейшей внутрипластины магматизм;
(2) вклад в магматизм континентального края континентальных компонентов, таких как континентальная кора и субконтинентальная литосферная мантия с геохимическими характеристиками, которые отличаются от астеносферной мантии;
(3) роль апвеллинга (резкого подъема), астеносферного мантийного материала в порождении такого магматизма и его контроль мантийной композиции.
Остров Jeju расположен между корейским полуостровом азиатского континента и Кюсю юго-западной Японской дуги в западной части Японского моря; Японское море является задужным бассейном позади the SW and NE Japan arc–trench systems. Магматизм острова Jeju, таким образом, отличается тем, что возникает на границе между задужным бассейном и границей континента.
Тектоническая и геологическая структура о.Jeju демонстрирует четвертичный вулканизм по восточному краю азиатского континента. Вулканические фронты расположены непрерывными линиями вдоль конвергентной границы плит, имеет место интенсивный вулканизм, связанный с субдукцией, когда как внутри плиты Евразийского континента появляются точечные вулканы, возможно связанные с плюм-тектоникой.
Мощные вулканические груды, накопленные на о. Jeju в течение последнего каинозоя включают два химически отличных ряда магмы: щелочной и субщелочной ряд (Lee, 1982; Park, 1994).
Эта статья посвещена петрографии и исследованию изотопного состава Sr-Nd-Pb для вулканитов о.Jeju. На основе этого набора данных выделены три ряда магмы, изучены процессы магматического дифференцирования, условия выплавки мантии, геохимические и минералогические характеристики источников верхней мантии.
ГЕОЛОГИЯ
Восточный край азиатского континента характеризуется обширным магматизмом. Большинство четвертичных вулканов в этой области находится над насходящимися краями слэба Tихоокеанской плиты и плиты Филиппинского моря, субдукцирующихся под Евразийский континент. Эта вулканическая дуга формируется на 100-200км выше сейсмофокальной зоны, расположенной на поверхности проваливающейся океанской литосферы (Tatsumi & Eggins, 1995). Далеко позади вулканических дуг со стороны континента спорадически прорываются внутриплитные вулканы типа Jeju. Хотя не обнаружено ни какого сейсмически активного слэба, недавние результаты томографии показали присутствие горизонтально залегающего субдукционного литосферного материала на границе верхней и более низкой мантии под внутриплитными вулканами (Fukao et al., 2001).
К востоку от о. Jeju задужный бассейн Японского моря сформировался позади японских Островов в 30-15МА (Tamaki и др., 1992) с ротацией по и против часовой стрелки SW и NE Japan arc, разворот случился 15МА (Otofuji и др., 1985). Хотя основная причина рифтинга в задужном бассейне спорна, задужный бассейн сформировался резким подъемом астеносферного материала, который в конечном счете создал новую океаническую кору. Поэтому было очень интересно сравнить химические характеристики резко поднимающейся астеносферы под задужным бассейном и внутриплитных областей.
Остров Jeju (80кмх40км) образован голоценовыми вулканитами. Это толстые лавовые потоки с примесью пирокластических пород, hyaloclastites и многочисленные паразитные конусы скория. Эти вулканические породы прорвал гранитное основание, хотя гранитные породы найдены только как ксенолиты в лавах и пирокластах.
Вулканическая деятельность на острове может быть разделена на четыре стадии на основании стратиграфических отношений ((Lee, 1982).
Радиометрические определения возраста лав Jeju показывают, что вулканическая деятельность началась 800 КА и продолжалась до исторических времен.
Стадия 1 начиналась с извержения базальтовых потоков лавы, которые сформировали щитовой вулкан, выросший на дне моря. Но стадия щитовой вулканической деятельности закончилась и на ее отложениях несогласно залегают вулканокласты формации Seoguipo.
Стадия 2 - базальтовые лавы формации Pyosunri формируют большую часть обнаженных вулканических пород в лавовых плато. Вторичные лавовые потоки состоят из трахиандезитов и трахитов и также прорваны в течение этой стадии.
Стадия 3 – вулканиты формируют щитовой вулкан Halla с высотой пика 1950м и они могут быть подразделены на четыре подстадии по стратиграфическим отношениям и петрографическим характеристикам.
Заключительная вулканическая деятельность, стадия 4, привела к формированию больше чем 360 паразитных конусов скория, которые распределены по оси острова.
Главные элементы от никеля до Th в составе вулканитов были измерены, детальные аналитические процедуры были описаны у Goto и Tatsumi , 1994, измеряны концентрации редкоземных элементов (REE) и 11 других элементов следа от Rb к U и описаны у Chang и др., 2003, изотопы Sr, Nd и Pb - Yoshikawa et al. (2001), Miyazaki et al. (2003) и Shibata et al. (2003)., микроанализ - Shukuno (2003).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Главный и составы элементов следа лав, вместе с модальными составами фенокристаллов.
Вулканические породы Jeju обладают широким диапазоном состава с содержанием SiO2 от 48 до 60 %, то есть от базальта до felsic андезита. Относительно изобилия щелочных элементов признаны два типа магмы: субщелочной и щелочной (Le Bas & Streckeisen, 1991).
Хотя некоторые базальты с содержанием SiO2 <50 % классифицируется как субщелочные, эти породы все же отнесены к щелочному ряду по двум причинам. Во первых, они формируют непрерывную химическую ассоциацию с типичными щелочными породами, имеющими более высокое содержание SiO2. Во вторых, они могут классифицироваться как щелочные на основании схемы классификации Miyashiro, 1978. Хотя субщелочные породы ряда гиперстена нормативны, некоторые ''щелочные'' породы ряда также гиперстено нормативны.
Чтобы избежать беспорядок в терминологии, идентификация рядов магмы на о. Jeju, название щелочной и субщелочной ряд базируется только на содержании щелочи.
Щелочной ряд может быть подразделен на две группы, основанные на содержании Al2O3: высоко-глиноземистый (Al) щелочной и низкоглиноземистый (Al) щелочной ( High-Al ALK и Low-Al ALK). Высокоглиноземистые породы имеют тенденцию иметь более высокие концентрации K, Rb, Sr, Zr, Nb, Ba и Th и пониженное содержание Fe, Мг, и Cu. Должно быть замечено, что все субщелочные породы принадлежат Pyosunri базальту стадии 2, а самые высокоглиноземистые щелочные вулканиты также найдены в стадии 2 (трахиты Sanbangsan и трахоандезиты Seoguipo).
Вариации главных элементов и нормативных композиций вулканитов Jeju.
Диаграммы SiO2 против Na2O + K2O указывают границы между щелочными и субподщелочными рядами (Le Bas & Streckeisen, 1991 и Miyashiro, 1978). CIPW нормативные составы рассчитаны, принимая Fe2+/(Fe2+ + Fe3+) = 0,9 в магме.
Композиционные тенденции, определенные как высокоглиноземистые и низкоглиноземистые щелочные породы можно объяснить фракционностью в магме таких минералов как оливин, плагиоклаз, клинопироксен, магнетит и апатит.
Нормальные базальты срединно-океанических хребтов (N-MORB) несовместимы с вулканитами Jeju. Образцы Jeju характеризуются истощением Nb при огромном изобилии свинца и стронция.
Производство магм с этими химическими характеристиками символизирует магматизм в сходящихся границах плит (Pearce, 1983; Hawkesworth et al., 1993).
Tatsumi и др., 2000 идентифицировали этот ‘аромат субдукции’ в магмах количественно и продемонстрировали, что K/Y и K/Nb могут использоваться, для отличия изобилия несовместимых элементов и истощения HFSE относительно большого ионного литосферного элемента (LILE) для магм дуг. В K/Y против K/Nb диаграммах магмы зоны субдукции отличны от магм других тектонических структур своими высокими отношениями K/Nb и K/Y, тогда как внутриплитные вулканиты имеют высокие значения K/Y, но низкие K/Nb . Если принять это различие, это подразумевает, что магмы Jeju имеют химические характеристики, идентичные таковым для внутриплитных областей (горячая точка), а не магм зон субдукции. Исходя из геохимических характеристик вулканитов Jeju, предлагается нахождение мантийного плюма под островом, хотя ни след горячей точки на поверхности, ни низко-скоростные аномалии в мантии не зарегистрированы (Fukao и др., 2001).
Лавы Jeju имеют положительные аномалии Eu по нормализованным по хондритам REE диаграммам (Sun & McDonough, 1989). Возможной причиной для этой аномалии является плагиоклазовый вклад, при котором Eu отделен от других REE при формировании и/или дифференцированию магм.
Положительные всплески стронция, наблюдаемые в MORB-нормализованных диаграммах также поддерживают это.
Гранитные породы фундамента на о.Jeju также высоко исчерпаны (highly depleted) в Nb относительно Th и K и сильно отличны в наличии a steep REE pattern и сильном истощении тяжелыми REE (HREE).
Изотопические составы
Вулканиты Jeju показывают широкий диапазон значений 87Sr/86Sr = 0,704128 до 0,705350, тогда как значения 143Nd/144Nd ограничены от 0,512810 до 0,512679. Sr–Nd изотопная композиция лав Jeju накладывается на таковые (overlap with those of Cenozoic intraplate basalts) внутриплитные каинозойские базальты, особенно субщелочные базальты северо-востока Китая (например базальбы Hannuoba; Song & Frey, 1989; Song et al., 1990) и идентичные им базальты задужной части Японского моря (Cousens и др., 1994).
Для внутриплитного магматизма северо-восточного Китая установлено, что субщелочные базальты обычно более обогащены Sr–Nd стронцием, чем сосуществующие щелочные базальты (Zhou & Armstrong, 1982; Zhou et al., 1988; Song et al., 1990), как это зарегистрировано для магматизма Hannuoba. Такие композиционные различия широко представлены для образцов Jeju: низкоглиноземистые щелочные ряды показывают самое низкое содержание стронция и наиболее высокие значения изотопов Nd , а ряд субщелочей характеризуется как более обогащенный.
Однако лавы, показывающие very depleted Sr–Nd isotopic signatures близки к таковым из MORB, типа щелочных базальтов Hannuoba, не зарегистрированных на о.Jeju.
Вулканиты Jeju, однако, отличны от базальтов как задужного бассейна Японского моря, так и от северо-восточного Китая, так как обладают намного большим количеством радиоактивного свинца. Далее, изотопические характеристики свинца отличаются от поведения стронция тем, что не демонстрируют различия между щелочными и субщелочными породами.
Мантийные геохимические резервуары в океане могут быть идентифицированы по изотопическим особенностям океанских базальтов горячей точки или базальтов океанических островов (OIB). Изотопная композиция Sr–Pb вулканических пород Jeju находится в пределах диапазона OIB с предлагаемым вкладом комбинации резервуаров HIMU и EMII , тогда как базальты горячей точки северо-восточного Китая показывают изотопические характеристики, близкие к EMI.
Петрография
Репрезентативные композиции фенокрист таковы: оливиновые фенокристы являются вездесущими в мафических лавах Jeju, хотя количество оливина <10 % . Оливиновые фенокристы в относительно недифференцированных породах (MgO>5 %) имеют узкий композиционный диапазон с пиковым составом, который находится в равновесии с породой в терминах обмена Fe–Mg при Fe2+/(Fe2+ + Fe3+) = 0,9 в магме. В противоположность этому обедненные на Mg или дифференцированные образцы содержат ''нарушение равновесия'' оливиновых фенокрист.
Незначительные количества клинопироксеновых фенокристов (<5 %) отмечено в некоторых образцах Jeju. Клинопироксены в субщелочном ряду более исчерпаны в компоненте диопсида и показывают более сильные нормальные зоны, чем в лавах ряда щелочи. Ортопироксены редко присутствуют в лавах субщелочного ряда как микрофенокристы или в основной массе.
Обильные фенокристы плагиоклаза (> 20 %) отмечены в некоторых низкоглиноземистых лавах ряда щелочей. Они характеризуются ограниченными композиционными диапазонами и не показывают текстуры нарушения равновесия типа реверсных зон, или пыльные и/или сотовидные структуры.
Кристаллы шпинели часто включаются в оливиновые фенокристы и характеризованы довольно высокими значениями Cr/Al и низким Fe3 + содержанием по сравнению с каинозойскими щелочными базальтами из северо-западной Японией, которые не связаны с субдукцией (Shukuno и Arai, 1999 ). Эта особенность составов шпинели может быть подтверждена оливин-шпинель композицией на диаграмме отношений (Arai, 1994), который указывает, что базальтовые магмы Jeju были бы в равновесии с остаточной шпинелью в мантии с более высокими значениями Cr/Al , чем с таковыми из северо-западной Японии. Ксенолиты мантии в базальтах Jeju содержат оливин и кристаллы шпинели (Choi и др., 2002), что хорошо ложится в плот множества оливин-шпинель ( Arai (1994) : шпинель в ксенолитах lherzolite имеет намного ниже значения Cr/Al, чем в ксенолитах harzburgite, а последний обладает значениями Cr/Al, идентичными включениям шпинели в оливиновые фенокристы Jeju.
Ballhaus и др., 1990-93, исследовал богатые Cr-Al шпинели и продемонстрировал, что Fe3 + в шпинели может обеспечить разумную оценку fO2 относительно FMQ (fayalite-магнетит-кварц) буфера для магмы, которая выкристаллизовала шпинель.
Показатель fO2 магм Jeju оказался выше такового для островных океанических базальтов и близок к показателю базальтовых магм островных дуг.
Next page
The Petrology and Geochemistry of Volcanic Rocks on Jeju Island: Plume Magmatism along the Asian Continental Margin