Происхождение и эволюция магм Ключевского вулкана, Камчатка, по данным изучения расплавных включений в оливине

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДЫДУЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧИ ДАННОЙ РАБОТЫ

Ключевской вулкан - всемирно известный и крупнейший вулкан Евразии (высота ~ 4750 м, объем ~ 250 км³), расположен в Центральной Камчатской Депрессии, в северной части Восточного Вулканического Пояса Камчатки (ВВП) (Рис. 2-1, рис. 4-2).

Рис. 2-1 Расположение Ключевского вулкана на п-ве Камчатка. На верхней врезке показаны основные вулканические зоны Камчатской островной дуги (Восточный Вулканический Пояс - ВВП, Центральная Камчатская Депрессия - ЦКД и Срединный Хребет). Кроме Ключевского различными значками показаны главные вулканы из различных сегментов ВВП Камчатки: Северного, Центрального и Южного. Темным тоном показано распределение четвертичных вулканитов. Светлым полем показана проекция плиты, видимая с помощью сейсмических методов, пунктирные линии указывают глубину до субдуцируемой под Камчатку Тихоокеанской плиты [Gorbatov et al., 1997]. Карта из работы [Portnyagin et al., 2007a]

Происхождение активного вулканизма в данном районе, в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островодужных систем, связано с субдукцией Тихоокеанской плиты под Камчатку и плавлением мантийного клина под воздействием отделяющихся от субдуцированной плиты флюидов [напр., Portnyagin et al., 2007a,b]. Расстояние до плиты (сейсмофокальной зоны Заварицкого-Беньофа) под Ключевским вулканом составляет ~160 км [напр., Федотов и др., 1985; Gorbatov et al., 1997] (Рис. 2-1). Земная кора под вулканом относится к континентальному типу, ее мощность составляет 30-35 км. Крупных (>5 км) промежуточных очагов, располагающихся в коре под вулканом, не установлено [например, Балеста и др., 1981; Федотов и др., 1988]. Вулкан входит в состав Ключевской группы вулканов (Рис. 4-2), крупнейшей на Камчатке и включающей 12 вулканов, с общим объемов извергнутых пород около 5000 км³ за последние ~300 тыс. лет. Ключевской вулкан является наиболее молодым среди них, его возраст около 7000 лет [Braitseva et al., 1995]. Среднегодовой расход магм Ключевского вулкана составляет ~60 млн. тонн, что позволяет считать его наиболее продуктивным островодужным вулканом в мире [Действующие вулканы.., 1991].

История пристального изучения Ключевского вулкана началась в 30-х годах прошлого века. Список исследователей включает многие известные имена (напр. Б.И. Пийп, С.Г. Горшков, С.И. Набоко и др.). Петролого-геохимические исследования вулкана в последние 20 лет были направлены на детальную геохимическую характеристику пород и минералов [напр., Хренов и др., 1989; Хубуная и др., 1993; Kersting, Arculus, 1994; Арискин и др., 1995; Озеров и др., 1996, 2000; Dorendorf et al., 2000; Portnyagin et al., 2007b; Auer et al., 2009 и другие]. Первые данные по составу расплавных включений в минералах Ключевского вулкана опубликованы в работах [Хубуная, Соболев, 1998; Sobolev, Chaussidon, 1996].

Ключевыми результатами исследований последних 20 лет стали следующие:
1) Показано, что исходные магмы Ключевского вулкана образуются в результате частичного плавления мантийного источника, близкого по составу источнику базальтов срединно-океанических рифтов под воздействием водосодержащих флюидов, обладающих высокими ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и обогащенных рядом подвижных во флюидах элементов, образованных в результате дегидратации погружающейся под Камчатку Тихоокеанской океанической плиты. Основным источником флюидов являются измененные океанические базальты [Kersting, Arculus, 1995; Hochstaedter et al., 1996; Dorendorf et al., 2000; Churikova et al, 2001; Portnyagin et al., 2007a,b].
2) На основе первых данных по составу расплавных включений в оливине было оценено, что исходные расплавы Ключевского вулкана имеют высокомагнезиальный базальтовый состав с содержанием воды 2-2.5 мас.%, которые могли быть в равновесии с мантийным веществом при температуре 1280-1320^oС и давлении 15-20 кбар [Хубуная, Соболев, 1998; Sobolev, Chaussidon, 1996]. По флюидным включениям CO₂ (плотность до 0.85 г/см³) в оливине установлено давление начала кристаллизации магм не менее 5-6 кбар [Хубуная и др., 2007].
3) Продемонстрировано, что породы и вкрапленники оливина Ключевского вулкана характеризуются необычно широким интервалом и существенно более тяжелым по сравнению с MORB и большинством примитивных островодужных пород изотопным составом кислорода (δ¹⁸O оливина = 5.6-7.2 ). Предполагается, что это свидетельствует о значительном вкладе корового материала в состав магм в результате необычно большого количества флюидов, вовлеченных в процессы мантийного плавления [Dorendorf et al., 2000], либо в результате взаимодействия первичных магм с веществом метасоматизированной мантии и/или коры [Portnyagin et al, 2007b; Auer et al., 2009].
4) Предполагается, что ведущим механизмом в образовании серии пород Ключевского вулкана, включающей высокомагнезиальные, промежуточные и высокоглиноземистые базальты и андезитобазальты, является полибарическое фракционирование исходных высокомагнезиальных расплавов [Хубуная и др., 1993; Kersting, Arculus, 1994; Арискин и др., 1995; Озеров и др. 1996]. Эволюция магм сопровождалась смешением в различной степени фракционированных расплавов [Kersting, Arculus, 1994].

Несмотря на существенный прогресс в изучении магматической системы Ключевского вулкана, комплексная и взаимосогласованная картина эволюции магм этого вулкана с момента зарождения до извержения в настоящее время отсутствует. Многие вопросы остаются нерешенными, некоторые из полученных данных нуждаются в проверке независимыми методами либо требуют уточнения. Например, дискуссионными вопросами являются следующие: Какой состав имеют родоначальные магмы Ключевского вулкана? Из каких источников происходят? Был ли состав исходных магм постоянен или менялся во времени? Отвечают ли составы магнезиальных базальтов составу исходных расплавов? Какое происхождение имеют магмы с необычно тяжелым изотопным составом кислорода? При каких физико-химических условиях происходила кристаллизация магм? Существует ли магматический очаг под Ключевским вулканом? Как согласуются петролого-геохимические и геофизические данные образования и эволюции магм вулкана?

Проведенное исследование было нацелено на решение перечисленных выше вопросов и создание комплексной взаимосогласованной модели происхождения и эволюции магм Ключевского вулкана на основе обобщения полученных ранее результатов и систематического изучения магматических включений в оливине из пород различного типа и возраста.