Петролого-геохимическая систематика магматических пород

Такая систематика основана на эмпирически установленных особенностях распределения и уровнях накопления редких элементов в магматических породах. Установлено, что содержания и отношения редких элементов контрастно изменяются не только при переходе от семейства с одним уровнем кремнекислотности к другому, но и в пределах каждого семейства при изменении общей щелочности или принадлежности к той или иной серии (толеитовой, известково-щелочной, щелочной). Они также разнятся для пород близкого петрохимического состава, но имеющих различное происхождение. В целом, в основу геохимической классификации магматических пород положен генетический принцип. Наиболее явно и последовательно это выражено в определении Л.В.Таусона: “Геохимический тип магматических пород это группа пород, характеризующихся общностью способа и условий образования материнских маг, что находит отражение в их приуроченности к определенным геодинамическим обстановкам, а также в сходстве химического, редкоэлементного и минерального состава”.

Наиболее известной у нас в стране является геохимическая типизация Л.В.Таусона, разработанная первоначально для гранитоидов, а позднее при участии М.И.Кузьмина и для базальтов. Зарубежные классификации в большей степени делают упор на приуроченность пород различного редкоэлементного состава к определенным геодинамическим обстановкам. Этот же принцип использован в последней систематике базальтов М.И.Кузьмина.

Для вулканитов, прежде всего основных, наиболее удобным является типизация по геодинамическим обстановкам, так как для них более отчетливо проявлена связь редкоэлементного состава с геодинамическими условиями образования.

Наиболее общий принцип и первый этап систематизации базитов это определение их принадлежности к серии (толеитовой, известково-щелочной, щелочной), а также выявление характера ассоциации (дифференцированной, непрерывной или бимодальной). Хотя нет исключительной приуроченности к геодинамической обстановке, каждая магматическая серия типичная для одной или нескольких обстановок. Магмы океанических и континентальных рифтов представлены преимущественно базальтами толеитовой серии с сильным обогащением железом. В островных дугах проявлены и толеитовая, и известково-щелочная серия, но первая более типична для незрелых океанических дуг. На активных окраинах континентов к ним добавляются и породы щелочной серии. Для окраинно-континентальных обстановок и коллизионных орогенов наиболее типичны кислые породы известково-щелочной серии. Породы щелочной серии немногочисленны и преимущественно ограничены океаническими островами и континентальными рифтами. Внутрикратонные магматиты представлены щелочными сериями или кимберлитами.

Лекция №3

Классификация магматических серий по тектоническим обстановкам

Окраины плит		Внутриплитные
Субдукцион- ные зоны	Океани- ческие хребты	Океаничес- кие	Континентальные
		Океаничес- кие острова	Рифты	Кратоны	Коллизион-ные зоны
Толеитовая Известково-щелочная	Толеито-вая	Толеитовая Щелочная (бимодальная)	Бимодаль-ные толеитовая и щелочная	Щелочная бимодальная	Известково-щелочная

Мультиэлементные диаграммы

Для базальтов обычно используются диаграммы двух типов, нормированные по примитивной мантии и NMORB. В любом случае элементы располагаются в порядке от высоко несовместимых к умеренно несовместимым и совместитым, от наиболее мобильных к наиболее инертным и в порядке групп: LILE, HFSE, LREE, MREE, HREE, переходные металлы (для мантийной нормировки). Такие диаграммы имеют преимущества перед другими типами диаграмм:

1. делают возможным прямое сравнение петрогенных и редких элементов с близкой совместимостью (например, K-La, K-Rb, P-Nd, Ti-Sm, Al-Sc),

2. выявляют связь HFSE и REE близкой совместимости (Nb(Ta)-La, Zr-Sm) и т.д.

3. позволяют анализировать распределение сразу широкого круга элементов.

LILE являются чувствительными к изменениям и поэтому обычно не используются на геохимических дискриминантных диаграммах. Мультиэлементные диаграммы также используются для оценки мобильности-немобильности отдельных элементов и групп элементов.

Всякой попытке интерпретации данных на мультиэлементной диаграмме должна предшествовать оценка степени перераспределения элементов при наложенных постмагматических процессах, а также за счет контаминации коровым материалом. Мерой степени мобильности элементов служит ионный потенциал Картледжа, равный отношению заряда к ионному радиусу. Элементы с умеренными величинами ионного потенциала относительно менее мобильны, чем с низким и высоким ионным потенциалом. Ионный потенциал HFSE и РЗЭ выше, чем у щелочных и щелочноземельных элементов, но ниже, чем у неметаллов. Общим правилом является, что Th, Nb, Ta, Zr, Hf, Ti менее мобильны, чем LREE. Инертность HFSE, Th, Ti сопоставима с HREE при низком до умеренного отношении вода/порода при гидротермальных процессах на морском дне или низкоградном региональном метаморфизме. Такие элементы как Cs, Rb, Ba, K, Na, Li весьма мобильны и образуют крайне неправильные распределения на мультиэлементных диаграммах, в отличие от плавных кривых для свежих MORB.

Коровая контаминация мантийных магм выявляется по одновременному обеднению Nb (Ta), P, Eu, Ti, и она сама может служить индикаторным признаком, поскольку не может наблюдаться для базальтов океанических бассейнов.

Базальты океанических хребтов - дивергентные границы плит

Характерны низкие содержания K₂O (<0,3%). Большинство являются оливин-нормативными с Mg#=55-65. Большинство MORB обеднены LILE (K, Rb, Cs, Sr, Ba, U), LREE и имеют высокие ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd и низкие ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0,702-0,704), что согласуется с образованием из деплетированного мантийного источника. Содержания несовместимых элементов и изотопные отношения в MORB изменяются вдоль хребтов и от океана к океану. Отчасти это может объясняться различием в степени плавления, фракционной кристаллизацией или смешением, но главным образом определяется вариациями состава деплетированного источника, разной степенью его обогащения несовместимыми элементами. Подразделяются на: деплетированные NMORB, недеплетированные TMORB (переходные) и слабо обогащенные EMORB разности.

Судя по экспериментальным данным, MORB образуются при 10-20% плавлении верхнемантийных источников на глубине 50-85 км, при этом образуются оливин-нормативные толеитовые магмы. Многие MORB являются толеитами или кварцнормативными толеитами, что обусловлено фракционной кристаллизацией вдоль оливин-плагиоклазовой котектики в малоглубинных камерах при низком давлении (< 10 кбар). Распределение редких элементов и изотопные отношения согласуются с такой моделью.

1. Являются ли MORB первичными выплавками из мантии или образуются в результате фракционирования первичных расплавов. Мантийный оливие имеет содержание форстерита 90-92%, расплав равновесный с нисм должен иметь атомное отношение Mg/(Mg+Fe2+) около 0,72. Средний Mg# MORB составляет 59, наиболее примитивные MORB имеют Mg#=70.

2. Важнейший процесс, контролирующий состав MORB, это фракционная кристаллизация. Основные кристаллизующиеся фазы это оливин, авгитовый клинопироксен, кальциевый плагиоклаз и шпинель. Скорость спрединга связана со скоростью пополнения магматической камеры. Базальты быстро спрединговых хребтов обычно более фракционированные (Mg#=53), чем медленно спрединговых (Mg#=57).

3. Второй фактор, который контролирует состав MORB это степень и глубина плавления. Чтобы исключить одновременное влияние фракционной кристаллизации, и вычленить только зависимость от процесса образования первичного расплава, принята процедура нормализации. MORB из каждого сегмента СОХ образуют индивидуальные тренды распределения петрогенных элементов относительно MgO, которые отражают процессы фракционной кристаллизации различных первичных расплавов. В целях сопоставления пород различных серий принято определять концентрации различных петрогенных элементов соответствующие содержанию MgO=8%, то есть соответсвующие одной и той же степени фракционной кристаллизации. Клейном и Лангмюром было показано, что средние составы коррелируют с глубиной оси хребта. Сопоставление с экспериментальными данными по плавлению перидотитов показало, что для объяснения различий в составе расплавов необходимо привлекать изменение в давлении при образовании расплава и в степени плавления. Например, содержание Na²O контролируется только степенью плавления. Содержание FeO практически не зависит от степени плавления, а определяется давлением при образовании расплава. Содержание FeO увеличивается с ростом давления и мало изменяется при фракционной кристаллизации.

4. Ключевым фактором, определяющим состав расплавов, вероятно, является мантийная температура, так как оно контролирует и степень плавления, и среднюю глубину плавления. Малоглубинные сегменты СОХ перекрывют относительно горячую мантию. Горячая мантия пересекает солидус на больших глубинах и подвергается ьольшей степени плавления. Горячая мантия менее плотная и более плавучая, поэтому хребты над горячей мантией более приподняты. Холодная мантия будет плавиться на меньшей глубине и степень плавления меньше. По данным Клейна и Лангмюра для объяснения вариаций в составе MORB необходимы вариации в степени плавления 8-20% и в давлении от 5 до 16 кбар, различия в температуре должны составлять около 250^оС.

Внутриплитные магмы включают базальты дна (океанических плато, симаунтов и океанических островов), континентальных рифтов и кратонов.

Проявлены в двух главных тектонических обстановках: океанические острова и континентальные рифты. На океанических островах присутствуют и толеитовые, и щелочные вулканиты, но первые значительно преобладают. В обеих сериях базальты преобладают над средними и кислыми породами. Могут наблюдаться вариации состава магм во времени, например, Гавайско-Императорская цепь островов, ранние вулканиты представлены оливиновыми толеитами, за ними в большом объеме следуют железистые кварцевые толеиты, и завершают вулканизм малые объемы щелочных базальтов и их дифференциатов.

В целом характеризуются широкими вариациями петрогенных элементов, но большинство имеет относительно низкий Mg# (40-60) и низкие содержания Ni, что предполагает большую степень кристаллизационного фракционирования оливина и пироксенов, чем для MORB. Варьирующие и высокие SiO₂ и K₂O могут для некоторых платобазальтов частично отражать контаминацию пород континентальной коры.

Океанические плато и симаунты

Океанические плато это большие магматические провинции во внутриокеанической обстановке. Они могут быть результатом взаимодействия плюма со спрединговым центром (как в случае Исландии) или просто действия плюма (примером является плато Онтонг-Ява, часть тихоокеанского суперплюма). Для базальтов плато Онтонг-Ява характерно недеплетированное распределение РЗЭ и субгоризонтальный спектр на мультиэлементной диграмме, нормированной по примитивной мантии, за исключением щелочных и щелочноземельных металлов, что указывает на недеплетированный мантийный источник. Для плато Кергулен характерны недеплетированные до сильно обогащенных распределения редких элементов. С привлечением данных изотопной геохимии установлено, что магмы, ассоциирующие с деятельностью плюмов во внутриокеанической обстановке представлены производными разнообразных: недеплетированных или обогащенных мантийных резервуаров или их смесью. Симаунты, представляющие собой маленькие подводные вулканические центры, рассматриваются как производные малоглубинных плюмов. Для них также характерны вариации от деплетированных, через недеплетированные до обогащенных мантийных резервуаров.

Базальты океанических островов, также как и континентальных рифтов обогащены LILE, LREE, HFSE в сравнении с MORB. Наиболее отчетливо обогащенность Nb (Ta) проявлена на мультиэлементных диаграммах, нормированных по NMORB, а также всеми этими группами при нормировании по примитивной мантии. При этом характерны отчетливо проявленные минимумы на K, P. Изотопные отношения Sr: 0,702-0,706 для OIB и 0,703-0,710 для CRB (континентальные рифтовые базальты). Все это указывает на обогащенные мантийные источники для внутриплитных базальтов.

Внутриплитные базальты, обогащенные LILE, LREE, HFSE требуют одного или более источников, обогащенных несовместимыми элементами относительно источника NMORB. Для внутриплитных вулканитов предполагаются большие глубины образования и меньшие объемы магм. В зависимости от степени плавления образуются толеиты (>25%) или щелочные базальты (<15%), очень малые степени плавления могут объяснить сильное обогащение несовместимыми элементами щелочных базальтов.

Субдукционно-связанные магмы

В отличие от WPB и MORB, островодужные базальты обычно кварц-нормативные. Они характеризуются SiO₂ (45-53%), Al₂O₃ (16-20%) и имеют низкий TiO₂ (£1%). Величины ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr для океанических дуг 0,702-0,705; для окраинно-континентальных - 0,703-0,710., что отражает различный вклад континентального корового материала. Наиболее типичная черта островодужных базальтов это обедненность Nb (Ta) относительно LILE и LREE. Среди них выделяются толеитовые (IAB) и известково-щелочные базальты (CABI, CABM). Первые типичны для незрелых океанических островных дуг и обладают умеренным обогащением LILE, слабой Nb-Ta аномалией и нефракционированным распределением РЗЭ и HFSE относительно NMORB. Они также отличаются от NMORB по низкому содержанию Ni и Cr. CABI и CABM (окраинно-континентальные (энсиалические) дуги и активные континентальные окраины) имеют большее обогащение LILE и увеличивающуюся Nb-Ta аномалию, а также все более отчетливое фракционирование LREE относительно HREE (повышенное La/Yb). Андезиты и более кислые вулканиты имеют распределения редких элементов подобные ассоциирующим с ними базальтам, но с влиянием процессов фракционной кристаллизации, то есть ростом содержания некогерентнных элементов

Имеются два основных источника определяющих состав островодужных магм: мантийный клин и субдукционный компонент. Мантийный клин может быть деплетированным, недеплетированным или обогащенным относительно MORB. Это отчетливо определяется по наклону левой части линии, проходящей через HREE, MREE, Zr, Hf, Nb (если только эти элементы ведут себя консервативно, то есть не перераспределяются в процессах плавления субдуцирующей базальтовой плиты). Таким образом, в формировании субдукционно-связанных магм могут принимать участие разнообразные мантийные источники, но преимущественно DM и EMII.

В качестве субдукционного компонента выступают водные флюиды и/или расплавы, отделяющиеся от субдуцирующего слэба. В зависимости от поведения в процессах дегидратации и/или частичного плавления слэба элементы делятся на консервативные и неконсервативные, в соответствии с их ионным радиусом и величинами коэффициентов распределения мантия/расплав или мантия/флюид. При дегидратации слэба Nb, Zr, Hf, Ti и HREE ведут себя консервативно и, следовательно, лежат на линии, определяющей состав мантийного клина. Высоко или умеренно неконсервативные элементы (Cs, Rb, Ba, K, Pb, Sr, U, Th, LREE) обогащают мантийный клин за счет воздействия флюидов из дегидратирующегося слэба, что определяет аномалии над базовой линией. Если термальные условия приводят к плавлению слэба, тогда Nb, Zr, Hf могут стать неконсервативными и дают положительные аномалии над базовой линией, экстраполированной от Ti.

Островодужные вулканиты имеют некоторые черты петрогенезиса отличные от MORB. Низкие содержания TiO₂ и быстрое снижение CaO/Al₂O₃ при уменьшении Mg# предполагают фракционирование оливина, клинопироксена и магнетита в мало-среднеглубинных камерах, тогда как для MORB главными фракционирующими фазами являются оливин и плагиоклаз. В пользу фракционирования магнетита свидетельствует то, что островодужные толеиты не обнаруживают сильно обогащения железом, характерного для MORB. Фракционная кристаллизация приводит к образованию дифференцированных породных серий от основных до кислых, генетическая связь которых подтверждается сходством в распределении несовместимых элементов и изотопных отношениях. Давнюю проблему представляет тесная ассоциация толеитовых и известково-щелочных вулканитов в пределах одной островодужной системы. Это возможно, так как мафические конечные члены этих серий геохимически практически неотличимы, и обе серии могут иметь один и тот же мантийный источник, а различие между сериями проявляется по более эволюционировавшим членам и обусловлено оно особенностями фракционной кристаллизации. Толеитовая серия кристаллизуется на малых глубинах в относительно сухих условиях и при высоких температурах, минорная кристаллизация магнетита приводит к тренду с умеренным обогащением железом. Редкость средних и кислых членов серии может быть следствием быстрой транспортировки магмы на поверхность. С другой стороны, известково-щелочные магмы, по-видимому, фракционируют в более глубинных камерах и при большем содержании Н₂О, о чем свидетельствует присутствие водных фенокристов, кристаллизация магнетита подавляет обогащение железом. Таким образом, различия в глубине кристаллизации и содержании Н₂О могут приводить к существованию двух магматических серий в островодужных системах.

Кроме того, состав островодужных магм, особенно в отношении LILE и LREE, зависит от того, попадают ли в область плавления субдуцированные пелагические или континентальные терригенные осадки и в каком количестве. Оценка вклада этих компонентов может быть сделана на основании аномалий Eu и Ce в осадках. Отсутствие Eu аномалии в основных и средних вулканитах предполагает максимальный вклад континентальных терригенных осадков, с характерным Eu минимумом, на уровне 10%. Так как пелагические осадки имеют отчетливую Ce аномалию, их вклад в источник вулканитов не может превышать 1%. В тоже время изотопные данные по Sr, Pb, Nd допускают больший вклад терригенных осадков в островодужные магмы. Данные по радиогенному ¹⁰Be, накапливающихся в морской воде и затем пелагических осадках, также свидетельствуют о малом вкладе пелагических осадков в источник субдукционных вулканитов. В целом, геохимические и изотопные данные указывают не различный, но малый до пренебрежимо малого, вклад субдуцированных осадков в островодужные магмы.

Пространственные и временные вариации составов в островных дугах

Геохимические исследования показывают, что магматические породы островных дуг варьируют по составу в пространстве и во времени. Уже давно установлено, что некоторые островодужные вулканиты обнаруживают рост LILE и ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr с увеличением глубины до зоны субдукции (или расстояния от трога). Это изменение составов известно как полярность островных дуг, она хорошо проявлена и установлена для Японских островов. Из-за того, что многие или возможно большинство дуг не обнаруживают полярности составов, линейная зависимость между LILE и глубиной субдукционной зоны не может быть использована для определения полярности древних субдукционных зон, если она не подтверждена другими данными. Островодужные вулканиты могут проявлять латеральные вариации изменения составов вдоль дуги, как, например, в случае дуги Сунда-Банда, где установлено прогрессивное увеличение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Геохимические исследования предполагают, что дуга может быть разделена на четыре сегмента, границы которых коррелируют с тектоническим положением..

Некоторые океанические дуги, по-видимому, обнаруживают геохимическую эволюцию во времени. Лучшим примером является дуга Фиджи, где наиболее ранние вулканиты относительно деплетированы LILE, а более поздние имеют умеренное обогащение LILE и сильное обеднение субдукционным компонентом. Большинство океанических дуг не проявляют такой простой эволюции.

Задуговые бассейны

Задуговые базальты описаны, главным образом, из окраинных бассейнов Тихого океана. Они развиваются в различных тектонических обстановках от внутриокеанических (Марианская дуга) до континентальных (Южно-Китайское море). Типичным является вулканический пояс Рокас Вердес в Южных Андах, который не редко рассматривается как модель формирования архейских ЗКП. Наиболее ранние базальты, образующиеся при континентальном утонении представлены обогащенными LILE разностями, тогда как поздние аналогичны образовавшимся из NMORB источников.

В целом, базальты задуговых бассейнов имеют тенденцию обладать составами промежуточными между NMORB-подобными и островодужными толеитами, а также присутствуют и эти конечные члены. Высокое содержание Н₂О подавляет фракционирование плагиоклаза, что приводит к увеличению содержания Al₂O₃ и сдерживает накопление Fe₂O₃ и TiO₂. Соответственно, хотя Fe₂O₃ и TiO₂ относительно MgO образуют тренды очень похожие на MORB, тренды часто смешены к более низким содержанием Fe₂O₃ и TiO₂, подобно островодужным базальтам.

Детальные исследования таких типичных задуговых бассейнов, как бассейн Лау и другие привели к представлению о том, что нет такого особого типа магм, как задуговые. В этой обстановке образуются MORB, островодужные базальты и все переходные между ними разности. Кроме того, все различные типы магм могут извергаться практически одновременно в задуговой обстановке и могут перемежаться. Например, из хребта Валу Фа из двух проявлений базальты обнаруживают деплетирование LREE одновременно с обогащением щелочными элементами и обладают Sr-Nd, Pb-Pb, Sr-Pb изотопными характеристиками, которые перекрывают типичные для пород дуги Тонга и MORB.