Петрология и Геохимия Вулканических Пород на Острове Jeju: Плюм-магматизм на азиатской континентальной окраине

Магматическое дифференцирование

Исследованы процессы дифференцирования трех рядов магмы на о.Jeju. Обычно распространен процесс , когда магма земли (terrestrial ) смешивается в разных соотношениях с различными магмами. Свидетельство смешения магм включает следующее характеристики нарушения петрографического равновесия (Eichelberger, 1975; Sakuyama, 1979; Bloomfield & Arculus, 1989; Kawamoto, 1992; Yang et al., 1999):

(1) присутствие фенокристов плагиоклаза с пыльной зоной, содержащей тонко расплавленные включения и с широким диапазоном состава;

(2) присутствие реверсной зональности пироксеновых фенокрист с округлыми ядрами с Mg оторочкой


(3) присутствие фенокристов ансамбля нарушения равновесия типа оливина и кварца. Вулканическиеи породы Jeju, однако, не иллюстрируют эти петрографические свойства, что предлагает, что смешивание магмы, возможно, не было главным процессом в этих магмах.

Доставленные из мантии высокотемпературные базальтовые магмы, вероятно вызывают частичное плавление пород коры с низкой температурой солидуса (lower solidus temperatures), и следовательно, могут быть загрязнены привнесенными в кору расплавами felsic. Основание вулкана Jeju, вероятно гранитное, потому что такие породы найдены как ксенолиты в вулканитах. Чтобы оценивать геохимический вклад корового загрязнения в дифференцирование магмы Jeju и результаты смешивания, использовались составы базальтовой магмы Low-Al ALK CJ-10 ) и общее количество гранитного расплава. Ясно видно, что загрязненная магма обогащена изотопическими следами от гранитных расплавов, но вулканиты Jeju, особенно высокоглиноземистый и низкоглиноземистый ряд щелочей обладают довольно постоянными изотопическим составом с увеличением содержания SiO2 , что указывает на незначительное вовлечение гранитного расплава в процессе магматического дифференцирования. С другой стороны, два образцасубщелочных вулканитов, которые характеризуются необычайным обогащением изотопов, похоже, сильно загрязнены гранитными породами фундамента.

Наблюдаемый широкий диапазон составов магмы вулканитов Jeju может быть вызван фракционной кристаллизацией. Стадии, вовлеченные в такие процессы дифференцирования, включают оливин, клинопироксен, плагиоклаз, магнетит и апатит. Количественное исследование методом наименьших квадратов подтверждают, что магматическое дифференцированиепроизведено разделением вышеупомянутых минералов. Эффект фракционной кристаллизации на композиционнриациях был исследован для редкоземельных (REE) элементов. Результаты моделирования указывают, что концентрации REE в магмах Jeju магмах могут быть воспроизведены фракционными процессами кристаллизации.

Режим плавления
Исследованы генетические отношения между тремя химически отличными рядами магм. Возможный механизм одства субщелочных магм из щелочных родительских магм - загрязнение и перенасыщание кварцем, " обогащение несовместимым элементом" пород коры. Изотопический состав 207Pb/206Pb субщелечного ряда можно объяснить этим механизмом, но на диаграммах изотопов свинца субщелочные поролды не лежат на линии смешивания, определенной щелочами и гранитными породами. Поэтому загрязнение коры не является вероятным процессом рождения субщелочных магм от щелочных магм на о.Jeju, и вероятнее всего, что и щелочные и субщелочные магмы были получены из мантии ниже острова.

Высокоглиноземистые щелочные магмы отличаются от низкоглиноземистых обогащением Al и Sr с вовлечением плагиоклаза. Это возможно, поэтому что высокоглиноземистые щелочные магмы получились из субщелочных магм сепарацией фенокрист плагиоклаза. Положительные Eu аномалии, наблюдаемые в некоторых высокоглиноземистых щелочных лавах также поддерживают это предположение. Однако, накопление плагиоклаза вряд ли, будет ответственным за производство высокоглиноземистых щелочных магм.

Здесь кроется двойная причина. Во первых, модальное количество фенокристов плагиоклаза высокоглиноземистых и низкоглиноземистых щелочных породах не коррелируется с компонентным составом плагиоклаза в магмах, таким как концентрации Al и Sr, значение Sr/Ba и степенью положительных Eu аномалий. Во вторых, положительная Eu аномалия наиболее ясно выражена для наиболее исчерпанных на редкоземельные элементы, наименее дифференцированных пород и имеет тенденцию ослабевать с увеличением магматического дифференцирования. Поэтому более вероятно, что характерное обогащение компонента плагиоклаза в высокоглиноземистых щелочных породах является первичным, полученным в течение плавления мантии, и не связано с внутрикоровыми процессами.

Вышеупомянутые соображения предлагают производство трех типов магм в верхней мантии под о.Jeju. Чтобы исследовать P-T условия для трех рядов магмы, был оценен состав первичных магм для каждого ряда относительно частичного плавления перидотита на базе эксперимента. Первый шаг - оценить состав остаточной оливиновой мантии в равновесии с такими первичными магмами. Некоторые низкоглиноземистые щелочные и субщелочные магмы содержат обогащенное Mg (Mg номер> 80) оливиновые фенокристы. NiO-Mg-номер сродства для этих оливинов в обогащенных Mg образцах, вместе с выведенным оливиновым составом, который находится в равновесии с оптовой породой, оценен на основе обмена Fe-Mg-Ni, разделяющего оливиновое и силикатное плавление (Roeder и Emslie, 1970; Kinzler и др., 1990) и предположение о Fe2 + / (Fe2 + + Fe3 +) = 0, 9 в магме. Оливин в равновесии с оптовой породой имеет NiO-Mg-номер состава в пределах диапазона оливиновых фенокристов. С другой стороны, субщелочной образец CJ-2 содержит оливин, который является более никелесодержащим (nickeliferous), чем ожидалось. Такой необычный оливиновый фенокрист не является новшеством в базальтах и андезитах (Sato & Banno, 1983; Nabelek & Langmuir, 1986; Nakamura, 1995; Tatsumi et al., 2002, 2003).

Nakamura исследовал композиционные зоны оливиновых фенокристов в андезитах вулкана Yatsugatake в Центральной Японии, используя модель роста в Mg-Fe-Ni системе. Он указал, что характерные составы необычных оливиновых фенокристов можно объяснить процессами диффузии внутри нормально зонируемого оливина из-за обогащения по Fe без депрессии в содержании никеля. Это происходит из-за того, что коэффициент внутренней диффузии выше у Fe–Mg, чем коеффициент трассирующей диффузии никеля в оливине. Этовод сделан по крайней мере для образца магмы CJ-2.

Установлено, что оливин верхней мантии обладает постоянным содержанием NiO при сильно варьируемом Mg -номере (Sato, 1977; Takahashi, 1990). Если принимаем 0, 4 wt % NiO для оливинов мантии, то при условии равновесия с первичной магмой возможно оценить Mg –номер пересчетом точки equilibrium оливиновой композиции. Результаты таких вычислений, принимая Fe2 + / (Fe2 + + Fe3 +) = 0, 9 в магме и используя коэффициенты обмена Fe-Mg-Ni (exchange partition coefficients) по Roeder & Emslie, 1970, и Kinzler et al. , 1990.

Считается, что наблюдаемое композиционное изменение оливиновых фенокристов можно объяснить оливиновой фракциацией магмы. Пересчет допускает, что Mg –число при остаточном мантийном оливине -88 и 85 для Low-Al ALK и Sub-ALK серий соответственно. Довольно низкие Mg –числа остаточного оливина для магм субщелочного ряда могут быть вызваны обширным метасоматизмом при силикатно-карбонатном плавлении. На основе составов этих residual mantle olivines и оптовых пород bulk rocks могут быть пересчитаны главные элементы состава первичной магмы для каждой серии магм, принимая максимум olivine fractionation в магме. Образцы, используемые для этих вычислений, содержали фенокристы исключительно оливина (за исключением образца CJ-1, который содержит незначительную примесь клинопироксена), обеспечивая базу того, что единственной главной стадией фракций от первичной магмы в течение процессов дифференцирования был только оливин.

С другой стороны, высокоглиноземистые щелочные образцы не содержат обогащенные магнием оливины и эти методы не могут использоваться для оценки первичного состава магм. Чтобы преодолеть это, были применены два упрощенных метода. Первый базируется на систематической композиционной разнице между низко - и высоклканитами. Высокоглиноземистые породы обладают на 2 и 0, 5 wt % большим количеством Al2O3 и Na2O, и пониженным на 2, и 0, 5 wt % содержанием FeO и MgO по сравнению с низкоглиноземистыми щелочными вулканитами. Принимая эти различия для первичных магм, выведен состав такой магмы.

Экспериментальные методы, особенно техника ''бутерброда'' из базальта перидотита(Takahashi & Kushiro, 1983; Fujii & Scarfe, 1985; Falloon & Green, 1987, 1988; Falloon et al., 1988), облегчили определение композиции из частично расплавленного перидотита в условиях высоких давлений. Изучение процессов плавления перидотита, используя технику бутерброда, создало последовательный набор данных несмотря на использование различных составов перидотита. Последовательное и систематическое поведение расплава при составе от диопсида к плагиоклаз-оливие-кварц плану на четырёхграннике с базальтом позволили построить чувствительную к давлению сетку плавления, которая позволяет установить глубины разделения магмы для первичных составов магмы в пределах по крайней мере насыщенной кварцем части четырёхгранника базальта (Falloon & Green (1988), но эта сетка не была калибрована для степени содержания расплава менее 10 %, в условиях переменных и несовместимых концентраций элементов. Новая техника, которая использует агрегаты алмаза, вложенного между слоями перидотита, значительно улучшила возможности метода для условий малой степени содержания расплавленных пород (Baker et al., 1992; Johnson & Kushiro, 1992; Kushiro & Hirose, 1992). В этих экспериментах при малом содержании расплавленного материала проба может быть извлечена из слоев перидотита межпорового пространства между агрегатами алмаза и проанализирована электронным микрозондированием. Составы этих частично расплавленных пород, вероятно, лучше обеспечивает доступные оценки первичной композиции магмы, сформированной как функция переменных условий P-T в верхней мантии. Результаты Hirose & Kushiro (1993) подтверждают это утверждение, основанное на технике бутерброда перидотит-базальта и на простых эксперимента, когда в условиях большего давления формируется больше щелочных магмзон частичного плавления.

Поэтому можно использовать сетки и первичные составы магм Jeju для оценки P-T условия для окончательной балансировки между остатками верхней мантии и магмами острова. Субщелочные магмы были образованы при более низких давлениях и в условиях большей степени расплавления, чем щелочные магмы и далее может быть сказано, что низкоглиноземные щелочные магмы сформировались на больших глубинах, чем высокоглиноземные.

Различия в степени частичного расплавления между тремя типами магм Jeju также вызваны изобилием несовместимых элементов следа (incompatible trace elements): высокоглиноземистые серии ряда щелочей наиболее обогащены, а магмы субщелочного типа наименее обогащены несовместимыми элементами. Если принять идентичный перидотитовый источник для трех типов магмы, то самая высокая степень частичного плавления характерна для субщелочных магм и вероятно они формируют более богатые магнием оливины на остаточной стадии.

Однако все сложнее для магм Jeju.Здесь большая степень частичного плавления относительно обогащенной перидотитом мантии была ответственна за производство субщелочных магм.
Установлено, что присутствие volatiles типа H2O и CO2 в магмах вызывает существенные изменения в P-T условиях поколения магмы. В настоящее время, однако, оценки изобилия volatiles в магмах Jeju не доступны, чтобы оценить производство магмы ''сухого'' перидотита.

Петрология и Геохимия Вулканических Пород на Острове Jeju: Плюм-магматизм на азиатской континентальной окраине
References