Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия




НазваниеМножественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия
страница1/5
Дата23.11.2012
Размер0.51 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4   5


На правах рукописи


Плечов Павел Юрьевич


Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия


Специальность

25.00.04 – петрология, вулканология


Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук


Москва – 2008 г.

Работа выполнена на кафедре петрологии геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова (МГУ).


Официальные оппоненты – академик РАН, доктор геолого-минералогических наук

Когарко Лия Николаевна

доктор геолого-минералогических наук

Геншафт Юрий Семенович


доктор геолого-минералогических наук

Гирнис Андрей Владиславович


Ведущая организация – Институт вулканической геологии и геохимии Дальневосточного отделения РАН (г. Петропавловск-Камчатский)


Защита состоится 7 ноября 2008 г. в 14-30 в ауд. 415 на заседании диссертационного совета Д.501.001.62 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова ( ГЗ, 6 этаж).


Автореферат разослан __ октября 2008 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.62

доктор геолого-минералогических наук

В.И.Фельдман


Огромное количество научных публикаций по эволюции надсубдукционных зон затрагивают практически все области геологии, демонстрируя сложность и разнообразие протекающих в них процессов. Благодаря современным методам исследований, в том числе и численному моделированию в последние десятилетия накоплен принципиально новый фактический материал. Он требует переосмысления многих положений, закрепившихся в науке с 1960-1970 гг. Особенное значение приобрела проблема наличия единого островодужного типа магм с общим источником их генерации. Наряду с островодужными известково-щелочными и толеитовыми базальтами были описаны другие типы островодужных магм [Crawford, 1989; Defant, Drummond,1990; Волынец, 1995]. Необходимо не только определить место этих источников в конкретной геодинамической обстановке, но и создать модель динамики подъёма магм к поверхности, их фракционирования и смешения с магмами различных источников.

Процессы, происходящие в островодужной системе, приводят к образованию максимального среди всех известных геотектонических обстановок разнообразия вулканических серий. Во многом оно объясняется различием в степени метасоматоза мантии и вариаций в механизмах плавления мантии надсубдукционного клина [Gill, 1981; Pearce and Peate, 1995; Portnyagin et al., 2007], а также возможного плавления субдуцированной плиты [Jogodzinsky et al.,1996]. При этом огромную роль в формировании вулканических серий играют процессы смешения магм [Eighelberger, 1978, Sakuyama, 1979, Иванов, 1990].

В настоящей работе показана возможность существования нескольких источников магм в нижней части островодужной коры. Их существование и развитие доказаны и охарактеризованы на примерах конкретных объектов в свете общей эволюции островодужной системы. В данной работе, на примере конкретных островодужных магматических систем. Рассматривается их петрология, кинетика и динамика процессов смешения контрастных по составу расплавов, которые зачастую являются «триггерами» крупных вулканических извержений [Sparks et al., 1977].


Актуальность работы.

Актуальность данной работы определяется ключевой ролью островодужного вулканизма в понимании геологии и геодинамики процессов, происходящих в конвергентных зонах Земли. Островодужный вулканизм – отражение комплекса взаимосвязанных процессов в погружающейся гидратированной океанической плите. Среди них первостепенное значение имеют (1) метаморфизм (2) дегидратация, (3) фильтрация потоков флюидов и расплавов в надсубдукционном мантийном клине, (4) частичное плавление мантии и островодужной коры и, наконец, (5) процессы гибридизации магм.


Цель и задачи работы.

Основные цели работы

– выявить и петрологически охарактеризовать основные типы островодужных серий нижнекорового происхождения,

– определить их вклад в общую эволюцию островодужного вулканизма,

– определить наиболее вероятный источник магмогенерации выделенных серий

– создать модель механизма гибридизации базальтов с кислыми магмами корового происхождения.

Эти цели предполагают решение следующих задач:

1) Выделение вулканических серий, типичных для зрелых островных дуг, определение их геологической позиции и приуроченности к этапам эволюции островодужных систем.

2) Петрологическая характеристика каждой из выделенных серий на примере конкретных объектов современного вулканизма. Выявление физико-химических условий эволюции исходных магм.

3) С привлечением результатов решения задач (1) и (2) изучить характер и механизмы гибридизма магм на примере долгоживущих вулканических систем островных дуг, а также определить признаки гибридизма, определить физико-химические параметры формирования магм и оценить вклады химического и механического механизмов смешения кислых и основных магм.

4) Провести численное петрологическое и гидродинамическое моделирование процессов смешения магм в конкретных вулканических системах с возможностью прогноза характера извержения и потенциальной опасности вулканической системы для жизнедеятельности населения островных дуг.


Фактический материал.

Для детального изучения петрологических особенностей магм, возникающих в различных зонах магмогенерации, идеально подходит зрелая островная дуга с большим геохимическим разнообразием серий одновозрастных пород. К таким дугам, в первую очередь, относится Курило-Камчатская островная дуга, результаты изучения которой лежат в основе работы. Результаты исследований разнообразных по условиям магмогенерации и составу пород вулканических дуг Японии и Малых Антильских островов используются в данной работе в качестве тестов основных выводов работы.

В процессе работы использовались материалы, полученные автором в ходе полевых работ 1996-2007 гг в районах современного островодужного вулканизма Камчатки, Курил, Японии, Фиджи и Вануату. Для детальных петрологических исследований привлекался каменный материал с вулканов Суифриере Хиллз (Малые Антилы) и Сент-Хеленс (Каскадные горы), предоставленный коллегами из Бристольского университета.

Было исследовано около 850 шлифов вулканических пород с 135 вулканов и моногенных эруптивных центров, произведено около 6000 микрозондовых определений составов стекол и минералов. Было исследовано около 500 расплавных включений и проведены сотни закалочных экспериментов. Было получено около 80 определений рассеянных и летучих элементов в стеклах расплавных включений методами ионной масс-спектрометрии и LA-ICPMS.

Проведено 18 серий экспериментов по изучению минеральных равновесий в вулканических системах и кинетики реакций минерал-расплав.


Научная новизна и личный вклад автора.

Автором разработаны методы комплексного петрологического изучения вулканических серий, в основе которых лежит изучение расплавных и минеральных включений, усовершенствованы некоторые методы классической петрографии вулканических пород и впервые для таких вулканических объектов проведен анализ минеральных реакций с целью восстановления кинетических параметров вулканических систем.

В работе получены принципиально новые данные по составам и условиям существования родоначальных расплавов низкокалиевых островодужных серий, что позволило предложить модель их образования путём плавления амфиболитов в нижних частях островодужной коры.

Обобщены данные по петрографии и минеральному составу полей моногенных вулканитов Камчатки, показаны их систематические отличия от других типов вулканитов и предложена модель их происхождения путём плавления амфиболовых пироксенитов, которые в свою очередь являются реститами от выплавления магм вулканического фронта.

Разработана обобщенная модель эволюции вулканизма островодужных систем, объясняющая наличие областей развития островодужного вулканизма не приуроченных к современным зонам субдукции.

Впервые на основе петрологических данных и гидродинамического моделирования построена количественная модель конкретного извержения (вулкан Шивелуч, 2001-2004 гг). Разработанные методы были применены к андезитовым вулканам островных дуг, для которых характерна смена режима извержения от медленного роста лавового купола к катастрофическим взрывам.

Впервые проведено термодинамическое моделирование кристаллизации магм в системе с градиентом температур в применении к процессам гибридизации в островодужных системах и разработана модель механизма гибридизации кислых и основных магм, показана его широкая применимость к островодужным объектам.


Практическое значение.

Результаты, полученные в данной работе, служат цели построения общих геодинамических моделей островодужного магматизма, могут быть использованы при интерпретации геохимических данных с целью реконструкции палео-островодужных систем, прогнозирования характера извержений и общей вулканоопасности в районах активного вулканизма.


Основные защищаемые положения.


1. На основе детального изучения низкокалиевых островодужных магм андезибазальтового состава, приуроченных к активному вулканическому фронту развитой островодужной системы, доказано, что они формируются при частичном плавлении амфиболитов в нижней части островодужной коры при 8-10 кбар, 1130-1160oС и степенях плавления более 25%. Эти магмы являются родоначальными для типичных вулканических серий активного фронта развитых островных дуг.

2. На основе детального изучения вулканитов умереннокалиевой высоко-титанистой серии, характерных для тыловых частей островных дуг, доказано, что они формируются путём частичного плавления пироксенитов при 8-16 кбар, 1230-1280oC и степени плавления 5-20%. Показано, что сами пироксениты являются реститами от выплавления магм активного вулканического фронта.

3. Множественность источников островодужных магм основного состава определяется последовательным вовлечением по мере эволюции островодужной системы нижних частей островодужной коры в зоны магмогенерации. Специфика вулканических серий развитых островных дуг определяется условиями плавления островодужной коры и процессами гибридизации магм из различных источников в долгоживущих приповерхностных магматических очагах.

4. Вулканические серии андезитовых вулканов Камчатки (Шивелуч, Кизимен, Безымянный) имеют гибридный генезис и образуются в результате взаимодействия глубинных базальтовых расплавов с риолитовыми магмами в приповерхностных очагах. Гибридизация магм сопровождается активной кристаллизацией минералов из более горячего расплава и растворением минералов в более холодном, и, приводит к локальному разогреву очага. Изучение минеральных реакций показало, что инъекции базальтов могут вызывать извержения в течение первых недель после поступления базальтовой магмы в приповерхностный очаг.


Структура работы.

Работа состоит из 10 глав, общим объемом 250 страниц, с 120 иллюстрациями и 23 таблицами. Список литературы содержит 419 наименований. Во введении дана общая характеристика работы, ее актуальность и научная новизна. Первый раздел, состоящий из 3 глав, посвящен описанию основных методов и подходов, использованных при выполнении данной работы, общей характеристике островодужного вулканизма и рассмотрению эволюции островодужной системы на примере Камчатки. Второй раздел, состоящий также из трех глав, посвящен петрологическому описанию конкретных объектов выделенных серий. В главах 8 и 9 рассматриваются вопросы гибридизации магм в близповерхностных очагах на примере нескольких долгоживущих центров андезитового вулканизма и результаты численного моделирования в открытых вулканических системах.


Апробация работы.

Результаты исследования изложены в 91 публикации, в том числе в 1 монографии и 18 статьях в периодических журналах. Они докладывались на международных и всероссийских конференциях (72 доклада) в 1997-2008 годах.

Работа выполнялась в рамках программы Президента РФ «Ведущие научные школы России» (грант 5338.2006.5, рук. Л.Л.Перчук), гранта Royal Society и проектов РФФИ-05-01-02901-ЯФ_а, РФФИ-06-05-64873, 07-05-00959. Часть результатов, использованных в работе, получены в рамках гранта РФФИ № 03-05-64629 и гранта KOMEX-2 Министерства Науки и Образования ФРГ (BMBF).


Благодарности.

Автор выражает признательность М.В. Портнягину, Л.Л.Перчуку, О.Э.Мельнику, Л.В.Данюшевскому, О.В.Дирксену за многолетнее плодотворное сотрудничество и моральную поддержку.

Автор признателен Л. Аникину, М.В. Портнягину, В.А.Ермакову, С. Чиркову, В.Л. Сывороткину, И. Н. Биндеману, А.О. Волынец, М.М.Певзнер, А.Б.Осипенко, М.Ю. Пузанкову, О.В. Дирксену, Л.И.Базановой, Т.Г.Чуриковой, Г.Вернеру, Дж.Бланди за предоставленные для исследования образцы.

Автор благодарен Е.В.Гусевой, Н.Н.Кононковой, Н.Н.Коротаевой, А.Кронцу и М.Тёнеру за помощь в проведении микрозондовых исследований; С.Г.Симакину и Е.В.Потапову за проведение ионно-зондовых анализов; Г.Вёрнеру за предоставленную возможность работы в Геохимическом институте Гёттингена; Л.В.Данюшевскому за возможность использования и помощь в освоении программ «Петролог-2.0» и «Fe-loss».

Л.Л.Перчуку, А.А.Маракушеву, И.П.Солововой, В.Б.Наумову, И.Н.Биндеману, И.В.Мелекесцеву, А.А.Арискину, В.А.Ермакову, А.А.Бармину, С.Спарксу, М.Хампфрей, В.В.Пономаревой автор признателен за конструктивные обсуждения отдельных аспектов данной работы.

Особую благодарность выражаю студентам и аспирантам кафедры петрологии – Н.Л.Миронову, С.А.Тетроевой, С.В.Трусову, К.А.Бычкову, Т.А.Шишкиной, В.Д.Щербакову, А.Е.Цай, С.П.Крашенинникову, И.С.Фомину, которые принимали участие в изучении полевого материала и его обработке в лабораторных условиях:


Методическая основа работы.

При исследовании природных объектов был использован комплексный подход изучения природного материала. Детали методики подробно рассмотрены в главе диссертации «Методы исследования». Были привлечены классические геологические, геохимические, петрографические и петрологические методы описания вулканических серий, наряду с новыми методами изучения расплавных включений, незавершенных минеральных реакций, термодинамического и гидродинамического моделирования. Для интерпретации результатов привлекались данные тефрохронологии, сейсмики и сейсмологии, мониторинга вулканической активности.

Для корректной интерпретации результатов исследования расплавных включений были проделаны серии методических экспериментов, которые позволили систематизировать эффекты, искажающие составы расплавных включений. Специально проведенные эксперименты по изучению граничного слоя [Плечов, Трусов, 2000], показывают, что влияние граничного слоя на состав включений незначительно. Частичная декрепитация включений, миграция включений по зерну, диффузионный обмен компонентами с минералом-хозяином, частичная или полная диссипация летучих, захват включений на фронте резорбции и другие эффекты способны гораздо больше влиять на измеряемые величины. Автором данной работы был опубликован ряд статей [Pletchov, Kotel'nikov, 1997; Плечов, Трусов, 2000; Граменицкий и др., 2000; Портнягин и др., 2000, 2005b; Плечов и др., 1999, 2000, 2003], посвященных методическим аспектам изучения расплавных включений.

Искажения состава расплава во время захвата включения минералом-хозяином происходят вследствие неучтенного влияния следующих эффектов:

- Граничный слой (кристаллизационный дворик) [Плечов, Трусов, 2000]

- Гетерогенный захват [Плечов и др.,1999]

- Захват включений на фронте резорбции [Плечов и др., 2000]

- Дорастание скелетных и футляровидных кристаллов [Pletchov, Kotel'nikov, 1997]

После захвата включения, кроме кристаллизации минерала-хозяина на стенки включения и образования дочерних кристаллов внутри включения [Roedder, 1984], могут происходить следующие эффекты, приводящее к изменению его состава:

- Частичная декрепитация. [Портнягин и др., 2000; 2005b]

- Миграция включений по минералу-хозяину.

- Изменение формы включений после захвата. [Clocchiatti, 1975]

-Диффузионный обмен с минералом-хозяином. [Danyushevsky, 2000; Gaetany, Watson, 2002]

- Диффузионный обмен с окружающим расплавом через минерал-хозяин [Qin et al., 1992; Spandler et al., 2007; Portnyagin et al., 2008]

- Вторичные изменения и девитрификация.

Из приведенного списка эффектов, влиянию миграции включений и вторичным изменениям, в том числе девитрификации стекла во включениях не уделялось достаточного внимания в литературе. Однако, такие включения легко распознаются при петрографическом исследовании и не рассматриваются в данной работе как источник информации о магматических расплавах.

Данные по мощности реакционных кайм, образовавшихся в результате реакции минералов с окружающим расплавом, используются в данной работе для определения интервалов времени нахождения кристаллов в неравновесном с ними расплаве. Детальному рассмотрению результатов, основанных на изучении реакционных кайм, посвящены работы [Dirksen et al., 2006; Плечов и др., 2008] и глава «Динамические системы смешения» данной диссертации. Мощности реакционных кайм измерялись на сечениях зерен в шлифах, ориентировка которых определялась при помощи универсального теодолитного столика Федорова. Для каждого зерна были определены сферические координаты как минимум 2 выходов осей индикатрисы.

Совместно с Л.В.Данюшевским для задач данной работы был разработан новый программный комплекс Petrolog-III, работающий в среде MS Windows [Плечов, Данюшевский,2006]. Он предназначен для моделирования прямой и обратной кристаллизации в ультраосновных и основных магматических системах. В программный комплекс включены возможности моделирования поведения расплавных включений в оливине: оценка эффекта потери железа и моделирование диффузионных профилей в оливинах вокруг расплавных включений. В программе Petrolog-III реализована пошаговая схема моделирования кристаллизации. На каждом единичном шаге кристаллизации из расплава вычитается тот минерал, у которого псевдоликвидусная температура максимальна. Такой алгоритм моделирования кристаллизации позволяет использовать независимо друг от друга модели описывающие равновесие каждого минерала с расплавом. На данный момент Petrolog-III включает в себя 46 опубликованных различными авторами моделей минерал-расплав для 8 минералов. Объектно-ориентированная структура программы позволяет добавлять неограниченное количество моделей для любого количества минералов. Для возможности сравнения и совместного использования моделей в водосодержащих системах при давлениях, отличных от атмосферного, в программе Petrolog-III предусмотрена возможность введения поправок к температурам равновесия, как функции от давления и/или содержания воды в системе. Также, в программе заложена возможность использования наборов коэффициентов распределения для 38 рассеянных элементов, наряду с использованием более сложных моделей распределения для отдельных элементов. По сравнению с другими программами моделирования, Petrolog-III имеет принципиально новые возможности: 1) возможность моделирования поведения рассеянных элементов на основе сложных моделей распределения (например, Beattie,1993; Kinzler et al.,1990); 2) возможность моделирования полибарической кристаллизации с заданием серии промежуточных очагов 3) моделирование кристаллизации в водонасыщенных условиях с количественной оценкой дегазации; 4) моделирование равновесной кристаллизации с учетом прохождения перитектических реакций; 5) возможность моделирования при различной степени фракционирования для каждого минерала в отдельности. Таким образом, программа Petrolog-III оптимально подходит для моделирования островодужных вулканических систем, характеризующихся высокими содержаниями воды в магмах и обилием промежуточных очагов.

  1   2   3   4   5

Похожие:

Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconНастоящая работа посвящена решению фундаментальной научной проблемы условий магмообразования в мантии и геохимических характеристик глубинных магм и флюидов. В
В основу предложенной работы положены оригинальные авторские исследования микровключений минералообразующих сред в минералах мантийных...
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconРеферат Данные, база данных, экспорт, импорт
«soap клиент. Схема алгоритма», «Модель импорта данных. Схема взаимодействия модулей», «Модель экспорта данных. Схема взаимодействия...
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия icon«Динамика»
Перечень цифровых ресурсов: 1 используется презентация «Динамика», разработанная в программе Microsoft PowerPoint
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconПрограмма поспецкурс у "газовая динамика"
Основные части и разделы газовой динамики. Области применения. Характерные черты газовой динамики. Качественные и оценочные данные...
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconТопологическая динамика
Е 69 топологическая динамика. Вопросы и задачи для самостоятельной работы по спецкурсу. Учебно-методическая разработка. Нижний Новгород:...
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconСборник задач по физике с решениями. Динамика
Решение задач по курсу общей физики. Динамика: учебное пособие/ С. И. Кузнецов, Т. Н. Мельникова, Е. Н. Степанова; – Томск: Изд-во...
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconТворческий «метод» Станиславского и мысленный эксперимент: динамика начального этапа становления
А иначе требуется отменить и все интерпретации закона эволюции и развития. То есть, речь идёт о том, что так называемые междисциплинарные...
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconРегламент взаимодействия Участников информационного взаимодействия, Оператора единой системы межведомственного электронного взаимодействия и Оператора эксплуатации
Оператора единой системы межведомственного электронного взаимодействия и Оператора эксплуатации инфраструктуры электронного правительства...
Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconСписок использованных источников элемент библиографического аппарата, который содержит библиографические описания литературных источников

Множественность источников островодужных магм и динамика их взаимодействия iconВ. В. Костюшев Санкт-Петербургский филиал
России, как институт омбудсмана2, фокусируется в триаде: акторы взаимодействия по поводу прав человека, практики взаимодействия,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница