Major, volatile, ore, and trace elements in magmatic melts from main geodynamic settings. II. Similarity and differences

全文:

В первой части (Наумов и др., далее Часть 1) мы оценили средние составы магматических расплавов на основании наиболее полной базы данных, включающей анализы расплавных включений в минералах и стекол магматических пород. Все анализы разделены на 6 геодинамических обстановок. Для каждой из обстановок определены средние содержания главных, редких и летучих элементов и показано, что между составами расплавов существуют значимые различия. Во второй части мы более детально рассмотрим средние составы и попытаемся определить главные причины сходств и различий расплавов близкого состава из разных геодинамических обстановок и расплавов разного состава из одной геодинамической обстановки. Поскольку мы рассматриваем только средние значения большого количества анализов, многие процессы, а также вещество, участвующее в образовании и эволюции магматических комплексов, останутся за рамками данной статьи. Мы рассмотрим только наиболее общие особенности составов расплавов, влияющие на глобальные средние значения. Многочисленные примеры детального анализа конкретных магматических комплексов с определением роли различных процессов и источников вещества можно найти в использованных источниках (Часть 1).

СОСТАВЫ ОСНОВНЫХ МАГМ

Влияние кристаллизационной дифференциации – одна из очевидных проблем, возникающих при сравнении средних составов расплавов из разных геодинамических обстановок. Атомное отношение Mg# = Mg/(Mg+Fe) в средних мафических составах варьирует от ~0.6 в обстановках I и VI (Часть 1) до ~0.53 в остальных обстановках. Первичные расплавы в равновесии с остаточной мантийной ассоциацией должны иметь более высокие значения Mg# ~ 0.7 (Frey et al., 1978). При этом высокомагнезиальные составы характеризуются относительно низкими содержаниями наиболее некогерентных элементов. До какой степени такое относительное обеднение могло быть связано с меньшей степенью дифференциации магм срединно-океанических хребтов? В предыдущих работах мы не рассматривали этот вопрос, полагая, что это влияние значительно меньше, чем различие между составами расплава, обусловленное разнообразием мантийных источников (Niu et al., 1996; Hofmann, 1997; Storch et al., 2022; Tilhac et al., 2022; и др.). Кроме того, кристаллизация небольшого количества главных минералов (оливина, плагиоклаза, пироксена) слабо влияет на отношения концентраций большинства некогерентных элементов. Тем не менее оценка этого эффекта является, безусловно, интересной и важной.

С этой целью мы рассчитали составы «псевдопервичных» расплавов, используя средние составы стекол из Части 1 и данные экспериментальных исследований. Поскольку мы оперируем средними составами большого количества расплавов, которые могли образоваться из разных источников при разных температурах и давлениях, мы можем провести только самые приблизительные оценки. Поэтому полученные составы мы называем псевдопервичными, и целью данных расчетов является приведение средних составов к некоторому единому уровню. Предполагается, что в первом приближении можно считать, что первичные магмы образуются путем плавления лерцолитовой мантии, а при эволюции первичных расплавов возможно удаление оливина, плагиоклаза и клинопироксена как наиболее распространенных минералов-вкраплеников в основных магматических породах.

Составы мантийных источников могут различаться, особенно в отношении второстепенных элементов (Ti, щелочи и др.). Но присутствие в рестите оливина, пироксенов и глиноземистой фазы (шпинели или граната) накладывает ограничения на активности ряда главных элементов, вследствие буферирующего влияния следующих реакций (M = Mg+Fe; Ol – оливин, Opx – ромбический пироксен, Cpx – моноклинный пироксен, Sp – шпинель, Grt – гранат, L – расплав):

M₂SiO₄ (Ol) + SiO₂ (L) = M₂Si₂O₆ (Opx),

M₂Si₂O₆ + 2MO (L) = 2M₂SiO₄ (Ol),

1.5M₂Si₂O₆ (Opx) + CaO (L) =
= CaMSi₂O₆ (Cpx) + M₂SiO₄ (Ol),

M₂SiO₄ (Ol) + Al₂O₃ (L) =
= MAl₂O₄ (Sp) + 0.5M₂Si₂O₆ (Opx),

1.5M₂Si₂O₆ + Al₂O₃ (L) = M₃Al₂Si₃O₁₂ (Grt).

Принимая во внимание эти реакции, мы рассматриваем плавление мантийного перидотита в упрощенной системе SiO₂–Al₂O₃–MgO–FeO–CaO. В этой проекции определялись приблизительные составы частичных расплавов вблизи солидуса мантийного перидотита в поле гранатового и шпинелевого перидотита. Для этого были выбраны экспериментальные данные по составу расплавов в равновесии с ассоциацией оливин-ортопироксен-клинопироксен-гранат при 2.5–3.5 ГПа и T < 1450°C (Elthon, Scarfe, 1984; Yaxley, Green, 1998; Mallmann, O’Neill, 2007; Davis et al., 2011, 2013; Mallik, Dasgupta, 2012; Barr, Grove, 2013; Davis, Hirschmann, 2013) и оливин-ортопироксен-клинопироксен-шпинель при 0.5–1.5 ГПа и T < 1280°C (Meen, 1990; Takahashi, Kushiro, 1983; Draper, Johnston, 1992; Baker et al., 1995; Sen, 1982; Schwab, Johnston, 2001; Pickering-Witter, Johnston, 2000; Bulatov et al., 2000, 2002; Laporte et al., 2004, 2014; Lambart et al., 2009; Chalot-Prat et al., 2010, 2013; Collinet et al., 2015). Предполагалось, что родоначальные мантийные выплавки базальтовых расплавов могут быть аппроксимированы линейной комбинацией расплавов из источников, содержащих гранат и шпинель. Очевидно, составы первичных расплавов могли быть модифицированы за счет кристаллизации минералов-вкрапленников. Таким образом, средний состав расплавов может быть аппроксимирован следующей линейной комбинацией:

C_i^L = a₁C_i^GM + a₂C_i^SM – a₃C_i^Ol – a₄C_i^Pl – a₅C_i^Cpx,

где C_i^j – содержание элемента i в фазе j (GM – выплавка из гранатового лерцолита, SM – выплавка из шпинелевого лерцолита), а коэффициенты
a₁…a₅ – массовые доли фаз. Состав первичного расплава определяется как сумма мантийных выплавок, a₁C_i^GM + a₂C_i^SM, нормализованная к общей массовой доле расплава:

C_i^PM = (C_i^L + a₃C_i^Ol + a₄C_i^Pl + a₅C_i^Cpx)/(a₁+a₂).

Количество кристаллизующегося клинопироксена всегда оказывалось небольшим и сильно менялось при небольших изменениях составов минералов. Поэтому было принято a₅ = 0 и учитывалась только кристаллизация оливина и плагиоклаза. Такое упрощение связано с тем, что в данной работе мы рассматриваем только средние величины концентраций, полученные на основании обобщения данных для множества комплексов, характеризующихся уникальными составами своих первичных расплавов. При рассмотрении конкретных комплексов, для которых возможно определение состава единой первичной магмы, необходим учет влияния не только пироксенов, но и других возможных фаз, например, шпинелей и сульфидов, но в данной статье мы такую задачу не ставили. Коэффициенты a₁-a₄ определялись методом наименьших квадратов. В результате оказывается, что для перехода к псевдопервичным расплавам необходимо добавить к средним составам 15–27 % оливина и 4–14 % плагиоклаза. С учетом этих оценок корректировались также содержания редких элементов, используя экспериментально определенные коэффициенты распределения элементов между минералами и расплавом (Наумов и др., 2022). Надо сказать, что, учитывая большую неопределенность в средних составах расплавов, основной эффект для редких элементов был связан с «разбавлением» рассчитанного состава оливином и плагиоклазом, поскольку содержания большей части редких элементов в оливине и плагиоклазе очень низкие. Исключение составляет Ni и Co в оливине и Sr в плагиоклазе. Полученные оценки составов псевдопервичных расплавов приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Средние содержания элементов в псевдопервичных основных расплавах разных геодинамических обстановок, рассчитанные с учетом удаления оливина и плагиоклаза при кристаллизации первичных магм – I II III IV V VI

Компонент	I	II	III	IV	V	VI
SiO2, wt %	48.8	47.4	48.8	48.7	46.9	48.3
TiO2	1.0	1.51	0.79	1.01	1.19	0.83
Al2O3	13.8	13.5	14.8	15.3	13.9	13.4
FeO	9.07	9.83	8.84	9.0	9.06	8.57
MnO	0.16	0.16	0.16	0.15	0.15	0.16
MgO	14.0	14.5	11.8	11.2	12.8	14.8
CaO	10.25	9.91	9.57	8.90	9.26	9.66
Na2O	2.19	1.93	2.17	2.75	2.35	2.13
K2O	0.11	0.34	0.58	0.75	0.92	0.43
P2O5	0.11	0.20	0.14	0.26	0.35	0.14
H2O	0.21	0.30	1.47	1.53	0.84	0.59
Cl, ppm	74.4	142	654	613	917	492
F	140	312	291	571	1053	125
S	884	532	709	874	722	773
CO2	174	191	197	496	744	141
Li	4.7	3.4	4.8	7.3	8.2	4.7
Be	0.43	0.64	0.49	0.58	1.88	0.46
B	1.07	0.91	10.1	5.7	7.9	4.13
Sc	33.3	23.5	30.3	26.4	24.0	33.0
V	274	266	269	234	249	282
Cr	271	280	111	77.3	352	292
Co	64.9	67.4	48.2	49.5	64.0	65.7
Ni	225	281	90.4	75.4	561	241
Cu	63.9	69.2	74.6	107	96.5	80.7
Zn	86.2	101	77.5	105	102	87.7
Ga	14.8	16.8	14.0	20.4	16.7	13.2
Ge	1.45	1.49	1.55	–	1.60	1.64
As	0.15	0.41	0.89	–	1.06	0.19
Se	256	163	159	–	–	288
Br	0.35	–	–	–	4.9	0.81
Rb	1.28	5.99	6.07	11.2	22.2	2.35
Sr	107	226	268	436	488	146
Y	22.7	17.5	14.8	16.2	19.1	18.9
Zr	71.0	93.6	45.0	75.7	134	53.8
Nb	2.34	8.18	1.02	3.61	20.1	1.06
Mo	0.46	0.67	0.36	0.49	1.74	0.30
Ru	0.053	–	–	–	–	–
Pd	0.42	–	–	–	–	–
Ag	19.3	39.0	22.5	43.0	–	29.4
Cd	107	107	414	–	–	112
In	65.3	73.2	58.9		75.1	60.1
Sn	0.83	1.17	0.50	1.25	2.03	0.72
Sb	0.025	0.035	0.047	–	–	0.016
Te	0.0025	–	–	–	–	–
I	13.4	40.3	–	–	–	12.5
Cs	0.025	0.11	0.24	1.03	1.36	0.09
Ba	16.6	59.4	130	242	344	37.0
La	3.10	7.13	3.80	8.89	22.7	3.38
Ce	9.1	18.2	10.5	20.8	46.4	9.13
Pr	1.32	2.43	1.20	2.77	4.17	1.29
Nd	7.83	12.5	7.52	12.6	22.9	7.35
Sm	2.60	3.36	1.88	3.09	5.15	2.23
Eu	0.93	0.99	0.77	0.99	1.32	0.80
Gd	3.41	3.67	2.36	3.17	4.56	2.88
Tb	0.62	0.61	0.39	0.55	0.69	0.57
Dy	3.92	3.42	2.50	3.00	3.87	3.45
Ho	0.84	0.69	0.54	0.71	0.75	0.75
Er	2.42	1.74	1.45	1.69	1.93	2.10
Tm	0.35	0.24	0.21	0.26	0.26	0.31
Yb	2.33	1.50	1.42	1.53	1.54	1.91
Lu	0.36	0.22	0.22	0.25	0.22	0.31
Hf	1.87	2.31	1.04	1.79	3.16	1.16
Ta	0.26	0.71	0.071	0.29	1.11	0.086
W	0.041	0.15	0.094	0.18	0.68	0.047
Re	0.74	0.60	1.04	–	–	0.80
Os	0.0041	–	–	–	–	–
Ir	0.018	–	–	–	3.91	–
Pt	0.55	3.05	–	22.1	–	2.15
Au	1.26	–	1.83	–	108	2.72
Tl	10.5	19.9	34.7	–	55.3	40.8
Pb	0.48	0.74	1.41	3.31	2.50	0.75
Bi	0.0058	0.011	0.014	–	–	0.010
Th	0.28	0.82	0.47	0.97	1.96	0.38
U	0.074	0.30	0.22	0.56	0.77	0.12

 

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ

На рис. 1 представлены отношения концентраций элементов к показателям примитивной мантии (Palme, O’Neill, 2014). На этом рисунке элементы расположены приблизительно в порядке увеличения степени когерентности с мантийными минералами. Отдельно выделены летучие компоненты и редкие металлы. В целом концентрации падают с увеличением степени когерентности. Достаточно четко выделяется группа элементов с большими различиями между геодинамическими обстановками (от Cs до Pb), умеренными различиями (от P до Sn) и элементы, концентрации которых в средних составах расплавов практически идентичны для всех обстановок (от Na до Co). Летучие компоненты существенно варьируют в зависимости от геодинамической обстановки, а редкие металлы (кроме Au и Ag) характеризуются очень низкими нормированными концентрациями.

 

Рис. 1. Средние содержания редких компонентов в псевдопервичных мафических расплавах различных геодинамических обстановок (I–VI), нормализованные к составу примитивной мантии (Palme, O’Neill, 2014).

 

На рис. 1 хорошо видно, что отношения многих элементов также сильно варьируют в зависимости от обстановки. Анализ этих вариаций представляет большой интерес, поскольку отношения элементов значительно меньше меняются при изменении степени плавления источника и дифференциации магм по сравнению с содержаниями отдельных элементов. В качестве количественной характеристики степени вариативности отношений двух элементов (E₁ и E₂) будем использовать следующий параметр:

Q(E₁/E₂) = (max(E₁/E₂) − min(E₁/E₂))/(Ē₁/Ē₂),

где Ē₁ и Ē₂ – средние значения концентраций элементов в мафических расплавах всех геодинамических обстановок.

Значения Q обнаруживают любопытные закономерные вариации. Рассмотрим диаграмму для редкоземельных элементов (РЗЭ), к которой добавим Cs, как один из самых некогерентных элементов при плавлении мантии и кристаллизации ультраосновных и основных расплавов. Диаграммы значений Q, построенные для отношений РЗЭ к разным элементам, показаны на рис. 2 (в качестве примера приведены компоненты с сильно различающейся степенью некогерентности – Rb, H₂O, Hf и Y). Для Q(REE/Hf) наблюдается отчетливый минимум между Nd и Sm. Это означает, что отношение Nd/Hf и Sm/Hf варьирует незначительно при переходе от одной геодинамической обстановки к другой, и Hf можно считать геохимическим «родственником» Nd и Sm. Сходные минимумы наблюдаются и для отношений REE к другим элементам, но положение минимума сдвигается вправо для более когерентных элементов (Y) и влево для менее когерентных (H₂O, Rb) вплоть до выхода за пределы интервала РЗЭ (рис. 2). Рассматривая последовательно все элементы, можно расположить их в порядке геохимического сходства от наиболее некогерентных в левой части диаграммы к наиболее когерентным – в правой части (рис. 3). В этой последовательности находят свое место и летучие компоненты. Парадоксально, S и Se оказываются наиболее близкими к максимально когерентным элементам, т. е. отношения Sc/S и Sc/Se оказываются наиболее постоянными среди отношений элементов к S и Se в рассмотренных геодинамических обстановках. В некоторых случаях не наблюдаются выраженные минимумы Q, но таких элементов очень немного – B, Cr, Ni, Ga, Ge, Cd, Sb и Na. В общих чертах установленная последовательность элементов оказывается сходной с теми последовательностями, которые обычно принимаются при построении многоэлементных спайдер-диаграмм (Hofmann, 1988; Sun, McDonough, 1989), но в нашем случае порядок элементов определяется на количественной основе. Интересно, что сидерофильные и халькофильные элементы (Pt, Au, Bi, Ag, Cu, Zn, Se) оказались разбросанными по всей шкале. Это свидетельствует о том, что сульфидный контроль не является основным в формировании средних содержаний этих элементов и главную роль, вероятно, играла степень некогерентности в силикатных фазах. С другой стороны, для многих из этих элементов данных пока немного, и содержания их часто очень низкие, что предполагает невысокую точность анализов. Вполне вероятно, что порядок элементов в дальнейшем может измениться.

 

Рис. 2. Оценка геохимического сходства элементов в процессах образования и эволюции основных магм различных 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.

 

СРАВНЕНИЕ СРЕДНИХ СОСТАВОВ ОСНОВНЫХ МАГМ

Перейдем теперь к сравнению средних составов псевдопервичных расплавов из разных геодинамических обстановок. Используем для этого полученную последовательность элементов и составы расплавов разных обстановок нормализуем к среднему составу расплавов океанических островов (OIB, обстановка II). Нормализация к этому составу удобна, поскольку отношения элементов в нем наиболее близки к значениям в примитивной мантии, что позволяет наглядно выделять обедненные и обогащенные расплавы. Рассмотрим вначале составы геохимических резервуаров и сред, которые могут оказать влияние на составы магм.

На рис. 3 приведены нормализованные средние составы континентальной коры (Rudnick, Gao, 2014), осадков в зонах субдукции (GLOSS II по Plank, 2014), водного флюида в равновесии с эклогитом при 4 ГПа (Kessel et al., 2005) и океанических карбонатитов (Hoernle et al., 2002). Континентальная кора характеризуется почти недифференцированными спектрами умеренно-некогерентных элементов (от Sr до Se) и быстрым нарастанием концентраций наиболее некогерентных элементов (возрастание от Ce до Cs почти на порядок). Характерными метками континентальной коры являются высокие концентрации Tl, Pb и Bi, в меньшей степени – Li и Be и низкие – Nb и Ta. Почти такими же характеристиками обладает состав GLOSS II (Plank, 2014) при немного более высоких содержаниях редких элементов. Карбонатитовые расплавы очень сильно обогащены всеми REE, но относительно обеднены Ti, Zr, Hf, K и Rb. Таким образом, участие карбонатного метасоматоза в образовании первичных магм должно отражаться в повышенных отношениях REE к высокозарядным элементам. Водные флюиды способны транспортировать наиболее некогерентные элементы (Cs, Ba, U, La), но стерильны в отношении более когерентных элементов (начиная с Sm, Zr и Hf).

 

Рис. 3. Содержания элементов в различных геохимических резервуарах и средах и средних составах псевдопервичных мафических расплавов из разных геодинамических обстановок, нормализованные к среднему составу расплавов 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 флюида, отделяющегося от океанической коры в зонах субдукции и модифицирующего породы мантийного клина.

 

Рассмотрим теперь средние составы псевдопервичных расплавов разных геохимических обстановок. На рис. 3 состав обстановки II совпадает с линией y = 1. Состав магмы срединно-океанических хребтов образует почти монотонно убывающую последовательность от значений ~1.5 для наиболее когерентных элементов (Lu, Sc, S, Se) до ~0.2 для Cs, Ba, Rb. Никаких существенных аномалий на этом графике не наблюдается, что предполагает отсутствие заметного вклада обогащенных резервуаров и метасоматических процессов в формирование средних составов псевдопервичных магм обстановок I и II. Кроме того, очевидно, что процессы частичного плавления и кристаллизации не могут обеспечить закономерного увеличения степени обеднения расплавов срединно-океанических хребтов. Ни один из этих процессов не может привести к увеличению таких отношений, как La/Cs, в два раза. Таким образом, мы приходим к предположению о существовании не менее двух геохимически различных мантийных резервуаров. Один из резервуаров характеризуется отношениями наиболее некогерентных элементов практически такими же, как в примитивной мантии, а второй существенно обеднен, причем степень обеднения прямо коррелирует со степенью некогерентности. Надо отметить, что гетерогенность источников океанических базальтов установлена на основании многочисленных геохимических данных (Zinler, Hart, 1986; Hofmann, White, 1972; и др.).

Расплавы, связанные с обстановками континентальных окраин, резко отличаются от составов обстановок I и II (рис. 3). Для обстановки островных дуг (III) характерно постепенное снижение концентраций в правой части спектра, что указывает на ее сходство с расплавами из обедненного мантийного резервуара. Но это постепенно нарастающее обеднение не продолжается в левой части спектра, более того, отмечается умеренное обогащение наиболее некогерентными элементами (Cs, Ba, K). Отчетливо выражены другие коровые метки, например, относительное обогащение Li, Pb, Tl (Rudnick, Gao, 2014). Хорошо выражена отрицательная Ta–Nb аномалия – одна из наиболее ярких геохимических особенностей окраинных обстановок (Pearce, 1982). Таким образом, в образовании расплавов обстановки III, вероятно, участвовала обедненная мантия и континентальная кора.

Расплавы активных окраин (обстановка IV) сходны с расплавами островных дуг, но есть и определенные отличия (рис. 3). Так, в правой части спектра нет признаков обеднения – все элементы располагаются вблизи 1, т. е. идентичны расплавам океанических островов. Признаки корового резервуара также присутствуют, причем даже в несколько большей степени по сравнению с обстановкой III (например, обогащение Cs и Ba значительно более выражено). Присутствует также отрицательная Ta–Nb аномалия. Таким образом, расплавы этой обстановки могли образоваться при участии необедненного или слабо обедненного мантийного резервуара с добавлением коровых компонентов.

Расплавы континентальных рифтов (V) характеризуются плоским распределением в правой части спектра (от Ti до Sc) и умеренным обогащением более некогерентными элементами. При этом признаки влияния континентальной коры проявлены слабо. Также слабо выражена или отсутствует Ta–Nb аномалия, хотя такая аномалия часто устанавливается в континентальных породах (Hofmann, 1988). Обогащенная часть тренда (влево от Gd) примерно совпадает с интервалом элементов, которые могут эффективно переноситься водными флюидами (Keppler, 1996; Kessel et al., 2005). Таким образом, в качестве источника расплавов можно предположить метасоматически измененную исходно необедненную мантию.

Расплавы задуговых бассейнов (обстановка VI) сходны с составами магм островных дуг (рис. 3). Для них также можно предположить обедненный мантийный источник и влияние корового материала. Вклад коровых компонентов, связанных с субдукцией, устанавливается для многих основных пород задуговых бассейнов (Stern, 2002).

Отметим, что ни для одной из обстановок нет признаков участия карбонатитовых расплавов (высокие концентрации REE при умеренных Ti, Zr). Это, конечно, не означает, что метасоматоз при участии карбонатных расплавов в мантии отсутствует. Но этот процесс, по-видимому, играет второстепенную роль и практически не сказывается на средних составах мафических магм.

ОТНОШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Отношения редких элементов с успехом используются для определения характеристик источников расплавов (Weaver, 1991; Willbold, Stracke, 2006; Arevalo, McDonough, 2010; Turner, Langmuir, 2015). Для выбора индикаторных отношений целесообразно применять следующий критерий: отношение должно характеризоваться низкими вариациями в пределах каждой из геодинамических обстановок и значительной разницей между геодинамическими обстановками. Для количественной оценки эффективности отношений мы использовали следующий параметр:

Ψ = (max(R_i) – min(R_i))/σ_M,

где R_i – рассматриваемое отношение, а ó_M – среднее стандартное отклонение R_i, вычисляемое по формуле:

${\sigma }_M={\left[\left(\Sigma \sigma {\left(R_i\right)}^2\left(n_i-1\right)\right)/\left(\Sigma n_i-6\right)\right]}^{1/2},$

где суммирование производится по всем геодинамическим обстановкам, ó(R_i) – стандартное отклонение отношения i в отдельной обстановке, а n_i – соответствующее число измерений. В качестве потенциально информативных выбирались отношения, для которых значение параметра Ø значительно превышало 1 (в большинстве случаев в интервале 2–3).

Некоторые информативные отношения элементов приведены в табл. 2. Значительные различия средних значений отношений между отдельными обстановками и группами обстановок отражают специфику первичных расплавов и источников.

Обстановка I характеризуется наиболее высокими отношениями Lu/P, Y/K и Yb/Ba. Отношения Cl/Ta, Cu/Ni, H₂O/Hf, Ni/V и Sr/Ta в обстановках I и II практически идентичны, но по некоторым параметрам обстановки I и II четко различаются (Hf/Yb, Li/Ta, Sc/Nb и др.). Обстановки, связанные с границами плит (III и IV), отчетливо выделяются по многим отношениям. Наблюдается отчетливый Ta–Nb минимум в обстановке III и низкие содержания Ta и Nb относительно соседних элементов (La, Ce) в обстановке IV. Характерны высокие отношения Cl/Ta, Cu/Ta, Li/Ta, Pb/Ta, Sr/Ta, Cu/Ni, H₂O/Hf, Pb/Lu и Sr/Cr. Напротив, значения Ni/V и
Ni/Yb относительно низкие. По большинству отношений обстановки III и IV различаются незначительно, но есть исключения, например, относительно высокие отношения Cl/Ta и Sc/Nb в обстановке III. Континентальные магмы (обстановка V) выделяются отчетливым обогащением Mo и W (высокие отношения Mo/Lu, W/Hf, W/Lu), а также высокими отношениями Hf/Yb, Ni/V, Ni/Yb и низкими
Cu/Ta, Lu/P, Sc/Nb. Обстановка VI занимает промежуточное положение. Некоторые отношения аналогичны значениям, характерным для океанических обстановок (I и II): Cu/Ni, Lu/P, Ni/V,
Ni/Yb, Pb/Lu, Sr/Cr, Sr/Yb. По другим параметрам обстановка VI ближе к субдукционным магмам (III, IV): Cl/Ta, Cu/Ta, Li/Ta, Sc/Nb, что очевидно отражает наличие отрицательной Nb–Ta аномалии.

Используя значения Ø, можно также выделить отношения с минимальными вариациями между обстановками (например, Ø < 0.25). Такие постоянные отношения выделяются иногда в качестве «канонических» (Workman, Hart, 2005). Некоторые из таких отношений показаны в табл. 2. Мы не включили наиболее очевидные случаи отношений геохимически подобных элементов (например, многочисленные отношения соседних REE). Большинство из этих отношений близко к уровню примитивной мантии (Palme, O’Neill, 2014), что указывает на то что (1) космохимические оценки состава примитивной мантии достаточно достоверно отражают состав силикатной Земли в отношении многих элементов и (2) процессы дифференциации, приведшие к образованию глобальных геохимических резервуаров, не повлияли на отношения ряда элементов. К числу последних относятся отношения, значения которых в континентальной коре (Rudnick, Gao, 2014) практически не отличаются от значений в средних составах расплавов и примитивной мантии: Zr/Sn, Nb/Ta, Y/Ho. В некоторых случаях средние значения в мафических расплавах попадают между значениями примитивной мантии и континентальной коры: K/Cl, Na/S, Co/Dy, Ce/La, Yb/Lu, Zr/Sm. Интересны отношения, заметно выходящие за интервал между примитивной мантией и континентальной корой. Среди них – F/Th, S/Sc, La/Th, Rb/U. Очевидно, образование континентальной коры не может обеспечивать наблюдаемые различия этих отношений. Интересно, что значения Zr/Hf почти идентичны в примитивной мантии (34) и континентальной коре (35.7), но более высокие в мафических расплавах всех геодинамических обстановок (38–46). Это указывает на то, что магматические процессы, вероятно, приводили к образованию остаточного резервуара с высоким Zr/Hf отношением.

 

Таблица 2. Средние отношения элементов в мафических расплавах разных геодинамических обстановок, примитивной мантии (PM, Palme, O’Neill, 2014) и континентальной коре (CC, Rudnick, Gao, 2014)

Отношение	I	II	III	IV	V	VI	PM	CC
Отношения с значимыми различиями между обстановками
10-3Cl/Ta	0.29	0.2	9.2	2.15	0.83	5.7	0.7	0.35
Cu/Ni	0.28	0.25	0.83	1.4	0.17	0.33	0.01	0.46
10-3Cu/Ta	0.25	0.1	1.1	0.38	0.09	0.94	0.47	0.039
10-3H2O/Dy	0.53	0.89	5.9	5.1	2.2	1.7	1.5	-
10-3H2O/Hf	1.1	1.3	14.2	8.5	2.7	5.1	3.6	-
Hf/Yb	0.8	1.5	0.7	1.2	2.1	0.6	0.6	1.95
Li/Ta	18.5	4.8	67.6	25.4	7.4	54.1	37.2	22.9
103Lu/P	0.75	0.26	0.37	0.23	0.14	0.5	0.8	0.69
Mo/Lu	1.3	3	1.6	1.9	7.9	0.97	0.66	2.7
Ni/V	0.8	1.1	0.34	0.32	2.25	0.86	21.6	0.43
10-2Ni/Yb	0.97	1.9	0.64	0.49	3.6	1.3	39	0.31
Pb/Lu	1.3	3.3	6.4	13.1	11.4	2.4	2.6	37
Pb/Ta	1.9	1	19.9	11.6	2.3	8.7	4.3	15.7
Sc/Nb	14.2	2.9	29.6	7.3	1.2	31.1	27.5	2.7
Sr/Cr	0.4	0.8	2.4	5.6	1.4	0.5	0.009	2.4
10-3Sr/Ta	0.42	0.32	3.8	1.5	0.44	1.7	0.51	0.46
10-2Sr/Yb	0.5	1.5	1.9	2.8	3.2	0.8	0.46	1.7
W/Hf	0.02	0.06	0.09	0.1	0.21	0.04	0.04	0.27
W/Lu	0.12	0.7	0.43	0.7	3.1	0.15	0.17	3.3
102Y/K	2.6	0.62	0.31	0.26	0.25	0.53	1.6	0.13
102Yb/Ba	14	2.5	1.1	0.6	0.45	5.2	7	0.42
Отношения с незначительными различиями между обстановками
K/Cl	12	20	7.4	10	8.3	7.2	8.7	61
10-2F/Th	5	3.8	6.2	5.9	5.4	3.3	2.9	1
Na/S	18.4	27	23	23	24	20	13	57
S/Sc	26.6	22.7	23.4	33	30	23	12.2	18
10-2S/Yb	3.8	3.5	5.0	5.7	4.7	4.0	4.2	2.1
Co/Dy	16.6	19.7	19.2	16.5	16.5	19	141	7.4
Zr/Sn	86	80	90	61	66	74	74	78
Zr/Hf	38	40	43	42	42	46	34	35.7
Nb/Ta	9.1	11.5	14.4	12.6	18.2	12.4	13.8	11.4
Ce/La	2.9	2.5	2.8	2.3	2	2.7	2.6	2.2
Yb/Lu	6.5	6.8	6.4	6.1	7	6.1	6.7	6.3
Zr/Sm	27	28	24	24.5	26	24	23.7	34
Y/Ho	27	25	28	23	25	25	26	25
La/Th	11	8.7	8	9.1	11.5	8.8	8	3.6
Rb/U	17.2	20	27.5	20	28.7	20	26	38

 

СРЕДНИЕ И КИСЛЫЕ РАСПЛАВЫ

В отличие от основных расплавов, мы не можем выделить один основной процесс и набор минералов, которые могли бы описать вариации концентраций и отношений элементов в средних и кислых расплавах. Помимо кристаллизационной дифференциации основных расплавов, ведущую роль может играть частичное плавление коровых пород, ассимиляция, смешение магм, флюидный массоперенос и пр. Поэтому для этих расплавов мы проводим сравнение средних составов из разных обстановок с соответствующими характеристиками псевдопервичных основных расплавов. Один из важных вопросов – существует ли унаследование геохимических характеристик мафических расплавов и их источников в составах средних и кислых расплавов.

К сожалению, данные для кислых и средних расплавов срединно-океанических хребтов ограничены, поэтому дальше мы рассматриваем только обстановки II–VI. Сравнение спайдер-диаграмм (рис. 1) указывает на то, что некоторые закономерности определенно сохраняются. В частности, в кислых и средних расплавах наблюдаются отчетливые Ta-Nb аномалии в окраинных обстановках (III, IV). Но есть и явные отличия от основных магм, например, отрицательные аномалии по Sr, P, Sc. Интересны также сравнительно небольшие различия в содержаниях летучих компонентов. Для более детального сравнения проследим вариации характерных отношений элементов (табл. 2) в ряду от основных расплавов к кислым.

На рис. 4 показаны вариации средних отношений элементов. В первом приближении можно выделить три типа вариаций. Некоторые отношения почти не меняются при переходе от основных расплавов к кислым. Такие отношения используются для выявления особенностей источников и механизмов образования и преобразования магм. Типичным примером является отношение Nb/Ta, которое находится на уровне примитивной мантии во всех типах расплавов из всех геодинамических обстановок. Другие подобные стабильные отношения геохимически близких элементов – Zr/Hf, Y/Ho, Ce/La, Rb/U. При этом небольшие закономерные вариации прослеживаются и для некоторых из этих отношений. В частности, средние отношения Zr/Hf и Ce/La несколько ниже во всех обстановках в кислых расплавах по сравнению с основными. Эти различия находятся на уровне стандартных отклонений, но одинаковое поведение во всех обстановках позволяет предполагать, что эти вариации отражают реальные процессы.

 

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 – индикаторные отношения со значимыми различиями между обстановками; б – отношения, практически идентичные 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 знакопеременные 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).

 

Очень слабые вариации при переходе от основных расплавов к кислым наблюдаются и для некоторых отношений, значимо различающихся в разных обстановках. Так, значение Li/Ta (рис. 4) остается минимальным в обстановке II, максимальным в обстановках III, IV и промежуточным в обстановке V, т. е. наследуется в кислых составах от мафических магм и их источников. Таким же образом ведут себя и некоторые другие отношения: Cl/Ta, Pb/Ta,
Hf/Yb, H₂O/Hf и H₂O/Dy.

Существует большое количество отношений, для которых характерны незакономерные изменения при переходе от основных расплавов к средним и кислым. Интервал вариаций отношений при этом может быть небольшим, но в результате такого поведения разброс отношений в кислых расплавах становится намного больше по сравнению с мафическими расплавами (например, Zr/Sm на рис. 4). Для индикаторных отношений, характеризующихся значительными отклонениями отдельных обстановок в мафических расплавах, такие вариации могут приводить к изменению относительного положения средних содержаний. Например, наибольшее значение W/Lu в мафических расплавах характерно для континентальной обстановки (рис. 4). В кислых расплавах максимальное значение наблюдается уже в обстановке IV, а разница обстановок V, III и VI нивелируется. Такое поведение характерно для многих отношений: Ni/V, Sr/Ta, Sr/Cr, Sr/Yb, W/Lu, Yb/Ba, La/Th, Zr/Sn, Zr/Sm, Yb/Lu, S/Sc и F/Th (рис. 4).

Существуют отношения, демонстрирующие монотонное и значительное изменение от основных расплавов к кислым, причем примерно параллельное для всех обстановок, например, Sc/Nb и S/Yb. В первом случае сохраняется заметно более высокое отношение в обстановках III и IV, а отношения S/Yb остаются примерно одинаковые для всех обстановок, но по крайней мере на порядок меньше, чем в основных расплавах. К числу таких закономерно меняющихся отношений относятся Pb/Lu, Cu/Ni, Cu/Ta, Mo/Lu, Ni/Yb, Sc/Nb, Y/K, Lu/P, K/Cl, S/Yb, Na/S и Co/Dy.

Изменения направлены от мантийных значений к составу континентальной коры, но в некоторых случаях отношения в кислых расплавах оказываются намного больше или меньше коровых. С другой стороны, отношение Lu/P, например, значительно увеличивается при переходе от основных к кислым, а его значения в мантии и коре практически идентичны.

Рассматривая вариации отношений элементов, нетрудно заметить определенную корреляцию с коэффициентами распределения элементов между минералами и расплавами (Наумов и др., 2022), что предполагает важный вклад перераспределения элементов при частичном плавлении и кристаллизации. Очевидно также, что это не единственный фактор. Достаточно четко проявлено снижение отношений халькофильных элементов и серы к литофильным (Ni/Yb, Co/Dy, S/Yb и др.), что может быть следствием удаления сульфидов. Но, с другой стороны, отношение Pb/Lu заметно возрастает, а Ni/V почти не меняется. Кроме того, простое удаление сульфидов вряд ли может обеспечить увеличение Cu/Ni отношения почти на порядок, поскольку оба металла являются примерно в одинаковой степени халькофильными. Вероятно, большое значение имеет также удаление Ni с силикатами. Значительное увеличение значения Lu/P в кислых расплавах можно приписать влиянию апатита. Этот же минерал может отвечать за небольшое снижение отношения Ce/La в кислых расплавах.

Постоянство отношений содержания H₂O к литофильным элементам (Hf, Dy), а также отношения Cl/Ta свидетельствует о том, что дегазация не входит в число главных процессов, контролирующих средние составы расплавов. При этом мы ни в коей мере не ставим под сомнение важную роль дегазации в эволюции конкретных магматических комплексов. Поведение Nb и Ta заслуживает особого внимания, поскольку это один из главных индикаторов участия субдукционных процессов. Проявление Nb-Ta минимума в расплавах любых составов обстановок III и IV можно связать с кристаллизацией рутила или сохранением этого минерала в рестите (Green, Pearson, 1987; Xiong et al., 2005, 2011). Интересно при этом, что отношение Nb/Ta является постоянным и не зависит от состава расплава и геодинамической обстановки. Средние значения этого отношения очень близки также к значениям для примитивной мантии и континентальной коры. Но при этом коэффициенты распределения Nb и Ta между рутилом и расплавом заметно различаются и удаление даже небольшого количества рутила должно влиять на отношение Nb/Ta. Поэтому надо рассматривать и альтернативные причины появления Nb-Ta аномалий, включая влияние флюидного переноса (Baier et al., 2008; Rustioni et al., 2021) и вклад компонентов осадочного материала (Elliott et al., 1997).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мы показали, что между средними составами основных расплавов разных геодинамических обстановок существуют принципиальные различия. Наиболее очевидное объяснение этих различий предполагает существование нескольких контрастных геохимических резервуаров. При этом есть много геохимических характеристик расплавов, которые практически не зависят от геодинамической обстановки, что предполагает близкое сходство мантийных резервуаров в отношении большого количества элементов. В этом результате нет ничего принципиально нового, но важно, что такой вывод получен на основании анализа практически всех имеющихся к настоящему времени данных по составам включений в минералах и стекол пород.

Что касается ответа на вопрос о унаследовании характеристик составов основных магм в средних и кислых расплавах, то ответ здесь будет положительным. Это определяется наличием большого количества отношений элементов, не меняющихся при переходе от основных составов к кислым, а также отношений, закономерно уменьшающихся или увеличивающихся в этом направлении. При этом некоторые отношения элементов говорят о том, что связь основных и кислых расплавов не может определяться одним процессом (кристаллизационная дифференциация или частичное плавление). В пользу этого говорят незакономерные вариации некоторых характеристических отношений, а также очень большие интервалы вариаций ряда отношений, которые трудно описать одностадийным процессом. Так, отношения Ni/Yb, Cu/Ta и Co/Dy меняются более, чем на два порядка при переходе от основных расплавов к кислым, в то время как удаление примерно 1 % сульфида (фаза, наиболее сильно влияющая на отношения элементов) может изменить эти отношения менее чем на один порядок. Некоторые отношения литофильных элементов также демонстрируют очень высокие вариации: например, значения Sr/Ta в некоторых обстановках падают более, чем на два порядка. Таким образом, в образовании средних и кислых расплавов необходимо присутствие дополнительных контрастных по составу источников, имеющих глобальное распространение.

Созданная нами база данных по составам стекол из включений в минералах и основной массы пород позволяет ставить и решать разные вопросы, связанные с наиболее общими закономерностями магматизма Земли и их связей с геодинамическими процессами. По мере накопления опубликованных данных повышается точность определения средних содержаний элементов, что дает возможность использовать эти параметры для выявления черт сходства и различия геодинамических обстановок. Мы установили, что существуют значимые различия между основными расплавами разных геодинамических обстановок, причем эти различия в первом приближении коррелируют со степенью когерентности элементов при плавлении мантии и кристаллизации основных расплавов. Достаточно четко выявляется участие обедненных и обогащенных источников расплавов. Кроме того, для обстановок, связанных с субдукционными зонами и континентальными областями характерны аномалии в отношении отдельных элементов (Ta, Nb, Pb и др.). На основании количественных критериев выделены отношения редких и летучих элементов, которые могут быть использованы для уточнения геодинамической позиции расплавов. В первую очередь, это касается основных расплавов. Средние и кислые расплавы наследуют часть геохимических индикаторов основных магм, но некоторые показатели меняются, что ставит задачу выявления геохимических индикаторов специально для таких расплавов. В заключение следует отметить, что многие выводы, к которым мы пришли при анализе средних составов, повторяют заключения геохимиков, исследовавших отдельные магматические комплексы или их группы. Однако наше исследование представляет интерес, поскольку оно определяет геохимический фон в пределах наиболее крупного геодинамического расчленения Земли, на котором развивается все многообразие магматических проявлений.

Авторы благодарны Н. Л. Миронову, С. З. Смирнову, О. А. Луканину и анонимному рецензенту за конструктивную критику и ценные советы.

Работа выполнена в рамках тем Государственного задания ГЕОХИ РАН и ИГЕМ РАН.

作者简介

V. Naumov

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: naumov@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Kosygina, 19, Moscow, 119991

A. Girnis

Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy, and Geochemystry, Russian Academy of Sciences

Email: girnis@igem.ru
俄罗斯联邦, Starominetny, 35, Moscow, 119017

V. Dorofeeva

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: naumov@geokhi.ru
俄罗斯联邦, Kosygina, 19, Moscow, 119991

参考

补充文件