The Impulsive Nature of the Late Pleistocene Basitic Volcanism of the Vetrovoy Bridge (Iturup Island, Kuril Islands)

Вулкан Клумба представляет собой посткальдерный стратовулкан позднеплейстоценового возраста, наложенный на пемзовые отложения крупного эксплозивного извержения Перешейка Ветровой (о. Итуруп, Курильские острова) произошедшего 20 тыс. л.н. [1], [9]. Грабен перешейка Ветрового практически полностью заполнен пемзовыми отложениями роковского дацитового комплекса, отнесенного к позднему плейстоцену. Отложения этой толщи перекрываются мелководными отложениями второй морской террасы верхнего плейстоцена. Наиболее поздними осадочными образованиям перешейка являются делювиально-пролювиальные отложения склонов и прибрежно-морские отложения первой морской террасы голоценового возраста [2].

Точные соотношения пемзовой толщи и более поздних осадочных отложений с вулканом Клумба установить невозможно из-за плохой обнаженности его подножья. На государственной геологической карте [2] этот вулкан отнесен к богатырскому комплексу позднего плейстоцена. 

Объем материала изверженного на перешейке Ветровом 20 тыс. л.н. по оценкам [3] составляет около 100 км3. Для извержения такого масштаба необходимы большие объемы базитовых магм, служащие или источником вещества, или источником тепловой энергии [7], [8], [5]. В районе Перешейка Ветровой только вулкан Клумба имеет основной состав и возраст близкий к возрасту извержения. В данной работе на основании анализа состава и зональности вкрапленников оливина проведена реконструкция характера функционирования подводящей системы этого посткальдерного вулкана.

Исследования были выполнены в ЦКП Многоэлементных и изотопных исследований СО РАН на базе Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (Новосибирск, Россия).

Определение химического состава оливина проводилось на рентгеноспектральном микроанализаторе JEOL JXA-8230 методом ВДС на базе методики прецизионного анализа этого минерала изложенной в [10]. Параметры съемки: ток зонда 250нА, ускоряющее напряжение – 20 кВ, время накопления сигнала элементов-примесей на пиках аналитических линий составляло 80 с для Mn, 120 c для Ca и Cr, 180 с для Al и 200 с для Ni. Фон измерялся с обеих сторон пика. Увеличение силы тока и времени накопления сигнала позволяют существенно снизить порог обнаружения примесных элементов. Предел обнаружения элементов (по критерию 3σ) составляет (мас. %): 0,0015 – Са, 0,002 – Ni, 0,003 – Cr, 0,004 – Mn. В качестве образцов сравнения использовались оливин Сан-Карлос USNM-111312/444 и USNM фаялит 85276 (Fe, Mn). 

Валовый состав продуктов извержений вулкана Клумба соответствует андезибазальтам. Лавы содержат вкрапленники оливина, орто- и клинопироксена и плагиоклаза, погруженных в тонкораскристаллизованный матрикс.

Оливин в лавах представлен двумя типами. К первому типу (оливин I) относятся вкрапленники, имеющие идиоморфные очертания. Для вкрапленников этого типа характерно отсутствие признаков реакционного взаимодействия с расплавом. Кристаллы обладают ярко выраженной прямой и обратной химической зональностью (рис. 1, а-б). 

Состав вкрапленников с прямой зональностью изменяется от Fo85-75 в ядерных зонах и до Fo82-73 к краевым частям. У вкрапленников с обратной зональностью ядра слагает оливин с Fo72-73, а внешние зоны имеют состав до Fo76-79. Границы между зонами размытые, что типично для магматических вкрапленников этого минерала. Оливин I содержит кристаллические включения Cr-Al-шпинели (Cr2O3 20-32.8 мас. %), плагиоклаза (An93-90), а также первичные расплавные и флюидные включения.

Во вкрапленниках оливина-I с понижением Fo снижаются содержания NiO от 0,16 до менее 0,05 мас. %, и Cr2O3 от 0,04 мас. % до практически пороговых значений, в то время как содержания MnO растут от 0,2 до 0,5 мас. %. Содержания CaO варьируют в относительно узких пределах 0,14 – 0,17 мас. %, но имеют тенденцию к снижению с уменьшением форстеритового минала. 

Вкрапленники оливина второго типа (оливин II) в отличие от оливина I имеют признаки реакционного взаимодействия с расплавом. Оно выражается в том, что периферия вкрапленников оливина II сложена ортопироксеном, который отделен от оливина симплектитовой ортопироксен-магнетитовой каймой (рис. 1, в-г). Вкрапленники этого типа обладают относительно однородным составом: различие между ядерной и краевой частями составляет всего одну-две форстеритовых единицы. Состав оливина II изменяется в пределах Fo72-66. В качестве кристаллических включений оливин II содержит магнетит с повышенным содержанием Cr2O3 (3.8-5.6 мас. %).

Область составов оливина-II является продолжением тренда изменения составов оливина I. На (рис. 2) видно, что области составов оливина I и оливина II частично перекрывают друг друга. Это означает, что составы оливина обоих типов образуют непрерывный тренд и могут быть описаны в рамках общих закономерностей их изменения. Следует отметить, что содержания Cr2O3 < 0,003 мас. %, содержания NiO постоянны, а содержания MnO и CaO увеличиваются по мере снижения Fo.

Рисунок 1 - Оливин из лав вулкана Клумба:

а-б – вкрапленники оливина I, в-г – вкрапленники оливина II; Fo – форстеритовый минал, Cr-Al Sp – хром-алюмошпинель, Opx – ортопироксен

DOI:10.23670/IRJ.2022.124.66.1

По содержанию примесей оливин обоих типов отвечает составам магматических оливинов [10], [4]. На вариационных диаграммах (рис. 2) составы оливинов образуют общий протяженный тренд. Это означает, что они, вероятнее всего относятся к дифференциатам одной и той же исходной базальтовой магмы и могут быть описаны исходя из общих закономерностей ее эволюции.

Различия в составах оливинов, образующих вкрапленники разного типа, предполагают, что они кристаллизовались в разных условиях, вероятно в различных промежуточных камерах. Таким образом, оливин, не имеющий признаков замещения и оливин с симплектитовыми каймами, следует относить к различным генерациям.

Рисунок 2 - Содержания NiO, MnO, CaO и Cr2O3 в оливинах из лав вулкана Клумба:

1 – вкрапленники оливина I, 2 – вкрапленники оливина II; пунктирная линия – предел обнаружения Cr2O3

DOI:10.23670/IRJ.2022.124.66.2

Наиболее высокие содержания Fo во вкрапленниках, с которыми не ассоциируют симплектитовые каймы магнетит-ортопироксенового состава, говорят о том, что они образовались из менее дифференцированных основных расплавов. Оценки равновесных температур по включениям Cr-Al шпинелей в них [6] дают интервал температур 1140-1160°С, что может соответствовать начальному этапу кристаллизации в глубинном базитовом магматическом очаге под вулканом Клумба. Длительная дифференциация в одной камере или ассимиляция коровыми породами и более кислыми расплавами привела бы к образованию симплектитовых кайм. Их отсутствие позволяет утверждать, что материнская магма не претерпевала длительной кристаллизационной дифференциации в промежуточных малоглубинных камерах. 

Различие в характере зональности оливина I свидетельствует в пользу того, что состав материнского расплава периодически менялся. В камеру, вероятно, поступали более примитивные магмы, что привело к развитию у некоторых кристаллов обратной зональности. 

Особенностями вкрапленников второго типа, характеризующих наименее глубинные уровни эволюции магм, является железистый состав оливина и наличие симплектитовых магнетит-ортопироксеновых кайм. Возникновение кайм можно объяснить тем, что оливин, кристаллизовавшийся на ранних этапах эволюции, стал нестабильным и вступил в реакцию с расплавом. Это может произойти либо в результате обогащения расплава в ходе кристаллизационной дифференциации кремнеземом, либо благодаря контаминации магмы высококремнистыми вмещающими породами, либо в результате смешения с высококремнистыми магмами.

Таким образом, проведенное исследование показало, что подводящая система вулкана Клумба состояла из различных камер, различавшихся по степени дифференцированности заполняющих их магм. Различия в составах и зональности оливина позволяют сделать вывод об импульсном характере функционирования всей подводящей магматической системы вулкана Клумба.