Петрогенные, летучие, рудные и редкие элементы в магматических расплавах главных геодинамических обстановок земли. II. Сходства и различия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На основании средних и стандартных отклонений содержаний элементов, оцененных в первой части (Наумов и др., 2023), проводится детальное сопоставление выделенных геодинамических обстановок. Для сравнения основных расплавов введена поправка на изменение составов при фракционировании основных минералов. Используя численные критерии, определена последовательность элементов по степени когерентности при выплавлении и кристаллизации основных магматических расплавов. В рамках этой последовательности установлено закономерное изменение содержаний элементов, нормированных на средний состав расплавов океанических островов. Расплавы срединно-океанических хребтов демонстрируют монотонное увеличение нормативных содержаний от наиболее некогерентных (Cs, Ba, U, La и др.) к когерентным элементам (Sc, Ni, Cr). Обстановки конвергентных границ плит характеризуются относительным обогащением наиболее некогерентными элементами и заметной отрицательной Ta-Nb аномалией относительно элементов с близкой степенью когерентности. Магмы континентальных рифтов в наибольшей степени обогащены наиболее некогерентными элементами, а также Pb, Li и некоторыми другими элементами. Выделены индикаторные отношения элементов в основных расплавах, характеризующиеся значительными различиями между обстановками. Ряд отношений в основных расплавах идентичны (с учетом разброса значений) в разных обстановках. Сравнение средних отношений элементов в основных, средних и кислых магмах выявило три типа их поведения. Ряд отношений в средних и кислых магмах наследуется от составов основных расплавов. В эту группу попадают, в частности, «канонические» отношения, например, Nb/Ta и Zr/Hf. Некоторые отношения испытывают незакономерные вариации при переходе от основных к кислым расплавам (Sr/Cr, F/Th и др.). Кроме того, есть отношения, монотонно и существенно меняющиеся в ряду основные–кислые расплавы (Ni/Yb, Lu/P и др.). Вариации отношений связаны с кристаллизационной дифференциацией расплавов и образованием первичных магм за счет смешения расплавов, полученных при плавлении контрастных геохимических резервуаров.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Б. Наумов

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: naumov@geokhi.ru
Россия, ул. Косыгина, 19, Москва, 119991

А. В. Гирнис

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Email: girnis@igem.ru
Россия, Старомонетный пер., 35, Москва, 119017

В. А. Дорофеева

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: naumov@geokhi.ru
Россия, ул. Косыгина, 19, Москва, 119991

Список литературы

  1. Naumov V. B., Girnis A. V., Dorofeeva V. A., and Kovalenker V. A. Volatile, Trace, and Ore Elements in Magmatic Melts and Natural Fluids: Evidence from Mineral-Hosted Inclusions. II. Effect of Crystallization Differentiation on the Concentrations of Ore Elements. Geochemistry International., 60, 537–550 (2022). doi: 10.1134/S0016702922060040
  2. Naumov V. B., Dorofeeva V. A., Girnis A. V. Petrogenic, volatile, ore and rare elements in magmatic melts of the Earth's major geodynamic settings. I. Average contents. Geohimiya, 68, No. 12, 1253–1272 (2023) [in Russian]. doi: 10.31857/S001675252312004X
  3. Arevalo Jr. R., McDonough W. F. Chemical variations and regional diversity observed in MORB. Chem. Geol. 271, 70–85 (2010). doi: 10.1016/j.chemgeo.2009.12.013
  4. Baier J., Audetat A., Keppler H. The origin of the negative niobium tantalum anomaly in subduction zone magmas. Earth Planet. Sci. Lett. 267, 290–300 (2008). doi: 10.1016/j.epsl.2007.11.032
  5. Baker M. B., Hirschmann M. M., Ghiorso M. S., Stolper E. M.Compositions of near-solidus peridotite melts from experiments and thermodynamic calculations. Nature, 375, 308–311 (1995).
  6. Barr J. A., Grove T. L. Experimental petrology of the Apollo 15 group A green glasses: Melting primordial lunar mantle and magma ocean cumulate assimilation. Geochim. Cosmochim. Acta, 106, 216–230 (2013). doi: 10.1016/j.gca.2012.12.035
  7. Bulatov V. K., Girnis A. V., Brey G. P. Primary magmas of mid-ocean ridges: Analysis of experimental modeling. Geochemistry Int., 38, Suppl. 1, S108-S122 (2000).
  8. Bulatov V. K., Girnis A. V., Brey G. P. Experimental melting of a modally heterogeneous mantle. Mineral. Petrol. 75, 131–152 (2002). doi: 10.1007/s007100200021
  9. Chalot-Prat F., Falloon T. J., Green D. H., Hibberson W. O.An experimental study of liquid compositions in equilibrium with plagioclase spinel lherzolite at low pressures (0.75 GPa). J. Petrol., 51, 2349–2376 (2010). doi: 10.1093/petrology/egq060
  10. Chalot-Prat F., Falloon T. J., Green D. H., Hibberson W. O.Melting of plagioclase + spinel lherzolite at low pressures (0.5 GPa): An experimental approach to the evolution of basaltic melt during mantle refertilisation at shallow depths. Lithos, 172–173, 61–80 (2013). doi: 10.1016/j.lithos.2013.03.012
  11. Collinet M., Medard E., Charlier B., Vander Auwera J., Grove T. L. Melting of the primitive martian mantle at 0.5–2.2 GPa and the origin of basalts and alkaline rocks on Mars. Earth Planet.
  12. Sci. Lett., 427, 83–94 (2015). doi: 10.1016/j.epsl.2015.06.056
  13. Davis F. A., Hirschmann M. M. The effects of K2O on the compositions of near-solidus melts of garnet peridotite at 3 GPa and the origin of basalts from enriched mantle. Contrib. Mineral. Petrol., 166, 1029–1046 (2013). doi: 10.1007/s00410-013-0907-0
  14. Davis F. A., Hirschmann M. M., Humayun M. The composition of the incipient partial melt of garnet peridotite at 3 GPa and the origin of OIB. Earth Planet. Sci. Lett., 308, 380–390 (2011). doi: 10.1016/j.epsl.2011.06.008
  15. Davis F. A., Humayun M., Hirschmann M. M., Cooper R. S. Experimentally determined mineral/melt partitioning of first-row transition elements (FRTE) during partial melting of peridotite at 3 GPa. Geochim. Cosmochim. Acta, 104, 232–260 (2013). doi: 10.1016/j.gca.2012.11.009
  16. Draper D. S., Johnston A. D. Anhydrous PT phase relations of an Aleutian high-MgO basalt: an investigation of the role of olivine-liquid reaction in the generation of arc high-alumina basalts. Contrib. Mineral. Petrol., 112, 501–519 (1992). doi: 10.1007/BF00310781
  17. Elliott T., Plank T., Zindler A., White W., Bourdon B. Element transport from slab to volcanic front at the Mariana arc. J. Geophys. Res., 102 (B7), 14991–15019 (1997). doi: 10.1029/97JB00788
  18. Elthon D., Scarfe C. M. High-pressure phase equilibria of a high-magnesia basalt and the genesis of primary oceanic basalts. Am. Mineral., 69, 1–15 (1984).
  19. Frey F. A., Green D. H., Roy S. D. Integrated model of basalt petrogenesis: a study of quartz tholeiites to olivine melilites from southeast Australia utilizing geochemical and experimental petrologic data. J. Petrol., 19, 463–513 (1978).
  20. Green T. H., Pearson N. J. An experimental study of Nb and Ta partitioning between Ti-rich minerals and silicate liquids at high pressure and temperature. Geochim. Cosmochim. Acta, 51, 55–62 (1987). doi: 10.1016/0016-7037(87)90006-8
  21. Hoernle K., Tilton G., Le Bas M. J., Duggen S., Garbe-Schonberg D. Geochemistry of oceanic carbonatites compared with continental carbonatites: mantle recycling of oceanic crustal carbonate. Contrib. Mineral. Petrol., 142, 520–542 (2002). doi: 10.1007/s004100100308
  22. Hofmann A., White W. Mantle plumes from ancient oceanic crust. Earth Planet. Sci. Lett., 57 (2), 421–436 (1982). doi: 10.1016/0012-821X(82)90161-3
  23. Hofmann A. W. Chemical differentiation of the Earth: the relationship between mantle, continental crust, and oceanic crust. Earth Planet. Sci. Lett., 90, 297–314 (1988). doi: 10.1016/0012-821X(88)90132-X
  24. Hofmann A. W. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism. Nature, 385, 219–229 (1997). doi: 10.1038/385219a0
  25. Keppler H. Constraints from partitioning experiments on the composition of subduction-zone fluids. Nature, 380, 237–240 (1996). doi: 10.1038/380237a0
  26. Kessel R., Schmidt M. W., Ulmer P. and Pettke T. Trace element signature of subduction-zone fluids, melts and supercritical liquids at 120–180 km depth. Nature, 437, 724–727 (2005). doi: 10.1038/nature03971
  27. Lambart S., Laporte D., Schiano P. An experimental study of focused magma transport and basalt–peridotite interactions beneath mid-ocean ridges: implications for the generation of primitive MORB compositions. Contrib. Mineral. Petrol., 157, 429–451 (2009). doi: 10.1007/s00410-008-0344-7
  28. Laporte D., Toplis M. J., Seyler M., Devidal J.-L. A new experimental technique for extracting liquids from peridotite at very low degrees of melting: application to partial melting of depleted peridotite. Contrib. Mineral. Petrol., 146, 463–484 (2004). doi: 10.1007/s00410-003-0509-3
  29. Laporte D., Lambart S., Schiano P., Ottolini L. Experimental derivation of nepheline syenite and phonolite liquids by partial melting of upper mantle peridotites. Earth Planet. Sci. Lett., 404, 319–331 (2014). doi: 10.1016/j.epsl.2014.08.002
  30. Mallik A., Dasgupta R. Reaction between MORB-eclogite derived melts and fertile peridotite and generation of ocean island basalts. Earth Planet. Sci. Lett., 329–330, 97–108 (2012). doi: 10.1016/j.epsl.2012.02.007
  31. Mallmann G., O'Neill H.St.C. The effect of oxygen fugacity on the partitioning of Re between crystals and silicate melt during mantle melting. Geochim. Cosmochim. Acta, 71, 2837–2857 (2007). doi: 10.1016/j.gca.2007.03.028
  32. Meen J. K. Elevation of potassium content of basaltic magma by fractional crystallization: The effect of pressure. Contrib. Mineral. Petrol., 104, 309–331 (1990). doi: 10.1007/BF00321487
  33. Niu Y., Waggoner D. G., Sinton J. M., Mahoney J. J. Mantle source heterogeneity and melting processes beneath seafloor spreading centers: The East Pacific Rise, 18°-19° S. J. Geophys. Res., 101, 27711–27733 (1996). doi: 10.1029/96JB01923
  34. Palme H., O’Neill H.St.S. Cosmochemical estimates of mantle composition. Treatise on Geochemistry, 2, 1–38 (2007). doi: 10.1016/B0-08-043751-6/02177-0
  35. Pearce J. A. Trace element characteristics of lavas from destructive plate boundaries. Andesites: Orogenic Andesites and Related Rocks. Thorpe R. S. (Ed.), Wiley, Chichester. pp. 526–547 (1982).
  36. Pickering-Witter J., Johnston A. D. The effect of variable bulk composition on the melting systematics of fertile peridotitic assemblages. Contrib. Mineral. Petrol., 140, 190–211 (2000). doi: 10.1007/s004100000183
  37. Plank T. The chemical composition of subducting sediments. Treatise on Geochemistry 2nd Ed. 4, 607–629 (2014).
  38. Rudnick R. L., Gao S. Composition of the continental crust. Treatise on Geochemistry. 2nd Ed. 4, 1–51 (2014).
  39. Rustioni G., Audetat A., Keppler H. The composition of subduction zone fluids and the origin of the trace element enrichment in arc magmas. Contrib. Mineral. Petrol., 176, Art. No. 51 (2021). doi: 10.1007/s00410-021-01810-8
  40. Schwab B. E., Johnston A. D. Melting systematics of modally variable, compositionally intermediate peridotites and the effect of mineral fertility. J. Petrol., 42 (10), 1789–1811 (2001). doi: 10.1093/petrology/42.10.1789
  41. Sen G. Composition of basaltic liquids generated from a partially depleted lherzolite at 9 kbar pressure. Nature, 299, 336–338 (1982). doi: 10.1038/299336a0
  42. Stern R. J. Subduction zones. Rev. Geophys., 40 (4), pp. 3–1 – 3–38 (2002). doi: 10.1029/2001RG000108.
  43. Storch B., Regelous M., Noebel K. M., Haase K. M., Bauer J. Extreme geochemical heterogeneity beneath the North Tonga Arc: Interaction of a subduction zone with intraplate seamount chains. Chem. Geol. 603, 120903 (2022). doi: 10.1016/j.chemgeo.2022.120903
  44. Sun S., McDonough W. F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: Implications for mantle composition and processes. In Saunders A. D. and Norry M. J. (Eds.) Magmatism in the Ocean Basins. Geological Society of London, Special Publication, 42, 313–345 (1989).
  45. Takahashi E., Kushiro I. Melting of a dry peridotite at high pressure and basalt magma genesis. Am. Mineral., 68, 859–879 (1983).
  46. Tilhac R., Begg G. C., O’Reilly S.Y., Griffin W. L. A global review of Hf-Nd isotopes: New perspectives on the chicken-and-egg problem of ancient mantle signatures. Chem. Geol., 609, 121039 (2022).doi: 10.1016/j.chemgeo.2022.121039
  47. Turner S. J., Langmuir C. H. The global chemical systematics of arc front stratovolcanoes: Evaluating the role of crustal processes. Earth Planet. Sci. Lett., 422, 182–193 (2015). doi: 10.1016/j.epsl.2015.03.056
  48. Weaver B. L. Trace element evidence for the origin of ocean-island basalts. Geology, 19, 123–126 (1991). doi: 10.1130/0091-7613(1991)019<0123: TEEFTO>2.3.CO;2
  49. Willbold M., Stracke A. Trace element composition of mantle end-members: Implications for recycling of oceanic and upper and lower continental crust. Geochem. Geophys. Geosyst., 7 (4), Q04004 (2006). doi: 10.1029/2005GC001005
  50. Workman R. K., Hart S. R. Major and trace element composition of the depleted MORB mantle (DMM). Earth Planet. Sci. Lett., 231 (1–2), 53–72 (2005). doi: 10.1016/j.epsl.2004.12.005
  51. Xiong, X.L., Adam J., Green T. H. Rutile stability and rutile/melt HFSE partitioning during partial melting of hydrous basalt: implications for TTG genesis. Chem. Geol., 218 (3–4), 339–359 (2005). doi: 10.1016/j.chemgeo.2005.01.014
  52. Xiong X., Keppler H., Audétat A., Ni H., Sun W., Li Y. Partitioning of Nb and Ta between rutile and felsic melt and the fractionation of Nb/Ta during partial melting of hydrous metabasalt. Geochim. Cosmochim. Acta, 75, 1673–1692 (2011). doi: 10.1016/j.gca.2010.06.039
  53. Yaxley G. M., Green D. H. Reactions between eclogite and peridotite: mantle refertilization by subduction of oceanic crust. Schweiz. Mineral. Petrogr. Mitt., 78 (2), 243–255 (1998).
  54. Zindler A., Hart S. (1986) Chemical geodynamics. Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 14, 493–571. doi: 10.1146/annurev.ea.14.050186.002425

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Средние содержания редких компонентов в псевдопервичных мафических расплавах различных геодинами- ческих обстановок (I–VI), нормализованные к составу примитивной мантии (Palme, O’Neill, 2014).

Скачать (296KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Оценка геохимического сходства элементов в процессах образования и эволюции основных магм различ- ных геохимических обстановок на основании отношения Q(/Ei )= max(/Ei )− min(/Ei ) /(/Ei), где РЗЭ/Ei – отношение содержаний РЗЭ к рассматриваемому элементу в каждой обстановке, /Ei – отношение средних значений во всех обстановках. Положение элемента в ряду определяется минимумом функции Q.

Скачать (163KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Содержания элементов в различных геохимических резервуарах и средах и средних составах псевдопервич- ных мафических расплавов из разных геодинамических обстановок, нормализованные к среднему составу рас- плавов океанических островов (обстановка II). СС – средний состав континентальной коры (Rudnick, Gao, 2014), GLOSS – состав субдукционных осадков (Plank, 2014), карбонатит – средний состав океанических карбонатитов (Hoernle et al., 2002), как оценка состава карбонатитового расплава – агента мантийного метасоматоза, водный флюид – состав водного флюида в равновесии с эклогитом при 4 ГПа (Kessel et al., 2005), как оценка состава флюи- да, отделяющегося от океанической коры в зонах субдукции и модифицирующего породы мантийного клина.

Скачать (392KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Вариации отношений содержаний элементов в средних составах основных, средних и кислых расплавов из геодинамических обстановок II–VI. Отношения разбиты на группы следующим образом. Колонки выделяются по сходству или различию средних составов мафических расплавов из разных геодинамических обстановок: а – ин- дикаторные отношения со значимыми различиями между обстановками; б – отношения, практически идентич- ные для всех обстановок. Ряды объединяют разные типы изменения отношений от основных расплавов к кислым: 1 – значения в средних и кислых расплавах идентичны таковым в основных расплавах; 2 – незакономерные знако- переменные вариации; 3 – систематические параллельные изменения, иногда на несколько порядков. Приведены также средние значения отношений в примитивной мантии (PM; Palme, O’Neill, 2014) и континентальной коре (CC; Rudnick, Gao, 2014).

Скачать (524KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024