Петрохимия и минералогия пемзы вулкана Пик Сарычева, о. Матуа, Центральные Курилы

Исследовательские работы на территории острова проводились в различные годы. Первые работы по изучению геологического строения вулкана, описанию морфологических характеристик, вещественного состава пород, а также восстановление хронологии вулканических событий проведены А.С. Горшковым, Е.К. Мархининым и другими в 70-х гг. прошлого столетия [3][8]. Недавние исследования А.В. Рыбина, А.В. Дегтярева и Ю.А. Мартынова внесли значительный вклад в изучение пепловых горизонтов и позволили реконструировать основные этапы эруптивной истории вулкана Пик Сарычева в голоцене [4][7]. Исследования современной и палеогидротермальной активности в районе вулкана были выполнены сотрудниками ИВиС ДВО РАН в 2017—2018 гг. Главным результатом исследований стали первые находки коренных выходов кварцевых жил, несущих сульфидную минерализацию, полнокристаллических включений амфиболитов [5][9]. Вместе с тем вопросы изучения химизма и петрологии кислых продуктов вулкана остаются нерешенными. Цель данной работы: реконструировать составы магматических расплавов кальдерообразующего извержения вулкана пра-Матуана основе изучения химического и минерального состава пемзы.

Геологическое строение вулкана Пик Сарычева

В строении вулкана участвуют остатки постройки, практически полностью разрушенного, предположительно плейстоценового, древнего вулкана Матуа и молодой голоценовый пирокластический конус Пик Сарычева с вершинным кратером диаметром 200—300 м [2][3][7]. Сомма сложена преимущественно лавовыми потоками, а центральный конус образован рыхлым пирокластическим материалом.

Остатки вулканической постройки древнего вулкана Матуа, представляющие собой полукальдеру диаметром 3,5—4 км, открытую на запад, отмечаются на южной и восточной стороне острова [3][4]. Высота соммы составляет 700 м над уровнем моря. Большинство пирокластических отложений древнего вулкана смыто водами в океан. Лавами извержений вулкана пра-Матуа являются порфировые неизмененные пироксеновые андезиты. Они слагают мыс Ребристый в южной и Клюв в восточной части острова [3][7].

Юный конус с правильной формой и крутыми склонами (45°) образован за счет многократных извержений рыхлого пирокластического материала, немногочисленных потоков лав и отложений палящих туч, каменных лавин и лахаров. Вершину конуса венчает кратер диаметром примерно 250 м. Значительная часть изверженного вулканического материала была также вынесена в море и переотложена селевыми потоками. Лавовые потоки молодого конуса отличаются более темной окраской от лавы древнего вулкана пра-Матуа и образуют мысы Башня и Лисий на северном и западном берегах острова [1][3][7]. По данным Мартынова и др., возраст вулкана Пик Сарычева составляет примерно 500 лет [7].

Пемзово-пирокластические отложения приурочены к кальдере древнего вулкана Матуа. В них отмечаются полнокристаллические оливин-пироксен-анортитовые и пироксен-анортитовые включения [1][9].

Материалы и методы

Минералогия

Макроскопически пемза — довольно плотная порфировая порода светло-желтого цвета с характерной волокнисто-поровой текстурой. Поры разнообразной формы и размеров с тонкими стенками-перегородками. По содержанию SiO₂ и суммы щелочей состав пемзы меняется от андезибазальтов (SiO₂ = 55,94 мас.%) до дацитов (SiO₂ = 67,70 мас.%). По содержанию K₂O пемзы относятся к умеренно-калиевой серии пород (рис. 2). Порфировые вкрапленники составляют порядка 30 % породы. Они представлены плагиоклазами и амфиболами. В данном исследовании пироксены найдены небыли. Среди акцессорных минералов установлены апатит и магнетит. В основной массе присутствуют редкие микролиты плагиоклаза, мелкие зерна Fe-Ti оксидов.

Плагиоклаз представлен крупными широкотаблитчатыми зональными фенокристаллами и незональными субфенокристаллами, хаотично рассеянными в основной массе породы (рис. 3а, б). Отмечаются редкие сдвойникованные кристаллы. Большинство зерен плагиоклаза представлены лабрадором (табл. 1).

Крупные зональные вкрапленники плагиоклаза трещиноваты и интенсивно раздроблены до отдельных агрегатов. При отсутствии признаков резорбции отмечается незначительное оплавление граней кристаллов. Зональность фенокристаллов выражена в резкоконтрастном строении ядерных и краевых зон (рис. 3а). Внутреннее ядро таких плагиоклазов более основное по составу и относится к битовнитуAn_71-75, а внешняя широкая кайма сложена андезин-лабрадором An_48-51. Для некоторых зерен плагиоклаза характерна слабопроявленная осцилляторная зональность, выраженная в незначительном колебании анортитовой молекулы в пределах состава лабрадора An_59-65. Кислый плагиоклаз состава An_48-51 содержит включения титаномагненита и амфибола (рис. 3б).

Незональные мезовкрапленники плагиоклаза встречаются гораздо реже. По составу они относятся к лабрадору (An_51-53). Некоторые зерна содержат включения стекла и Fe-Ti оксидов.

Роговая обманка — единственный темноцветный минерал, диагностированный в настоящем исследовании. Встречается в виде незональных идиоморфных удлиненно-призматических и ромбических фено- и субфенокристаллов, зачастую сильно раздробленных (рис. 3в, г). В шлифе имеет густо-зеленую окраску и отчетливый плеохроизм. Амфибол содержит множество кристаллических включений плагиоклаза, магнетита и апатита (рис. 3в, г). Включения расплава отмечаются гораздо реже и часто раскристаллизованы. Результаты микрозондового изучения состава амфиболов показаны в таблице 2. В соответствии с классификацией по [14] все исследованные амфиболы относятся к магнезиальной роговой обманке и чермакиту. Значения (Ca+Na)^B > 1, Si 5,9—6,9, (Na+K)^A — 0,2—0,5, Mg# — 0,6—0,9и Al^IV 1—2. Значительных изменений в составе центральных и краевых частей кристаллов не обнаружено. В некоторых кристаллах выявлено незначительное понижение содержания Al₂O₃ от центра (11мас.%) к краю (8 мас.%) при столь же незначительном возрастании значений MgO. В целом содержания выдержаны в пределах зерен и колеблются в пределах 1—2 мас.%. Включения плагиоклаза в амфиболе представлены лабрадором — An₆₈ (рис. 3г).

Апатит встречается в виде включений в минералах-вкрапленниках, преимущественно в амфиболе и титаномагнетите. Размеры включений апатита меняются от едва различимых округлой формы вкраплений до крупных (50 мн) удлиненных образований с хорошо выраженными кристаллографическими очертаниями (рис. 3в). По химическому составу атипатитовые включения относятся к хлорапатитам с незначительной примесью серы (табл. 3). На фоне повышенных содержаний хлора (0,45—2,19 мас.%) концентрации фтора и серы составляют 0—1,99 и 0,19—1,36 мас.%, соответственно (табл. 3). В крупных апатитовых включениях наблюдается некоторое понижение концентраций фтора и хлора от центра к периферии зерна.

Fe-Ti оксиды представлены по степени распространенности титаномагнетитом, магнетитом и ильменитом. Они встречаются в виде крупных самостоятельных ксеноморфных зерен, включений в минералах-вкрапленниках, а также в срастаниях с ними. В качестве включений Fe-Ti оксиды содержат мелкие вкрапления Fe-Cu сульфидов, цирконов и достаточно крупные кристаллы апатита с четкими кристаллографическими очертаниями. По результатам микрозондового анализа примеси TiO₂ составляют 3—5 мас.%. Также характерны примеси, V, Mn и Mg. Структуры распады твердых растворов в Fe-Ti оксидах не были установлены.

Расплавные и флюидные включения

Расплавные и флюидные включения были найдены главным образом в кристаллах плагиоклаза. Расплавные включения в плагиоклазе, состоящие из стекла и усадочного пузырька при комнатной температуре, располагаются преимущественно в ядерных зонах кристаллов и по зонам роста. Частично раскристаллизованные расплавные включения найдены в амфиболах. На диаграмме зависимости кремнекислоты от суммы щелочей составы расплавных включений образуют вытянутое поле от андезитового до риолитового состава (рис. 2а). При этом большинство фигуративных точек укладывается в поле риолитов, относящихся к включениям стекла в магнетитах и основной массе породы. Стекловатые включения в плагиоклазах отличаются наиболее широкими вариациями состава от андезитов до риолитов (рис. 2а). По соотношению Na₂O—K₂O стекла относятся к умеренно-калиевой известково-щелочной серии (рис. 2б).

Обсуждение результатов

Пемзы вулкана Пик Сарычева предположительно связывают с образованием вершинной кальдеры вулкана пра-Матуа [1]. По набору минералов-вкрапленников, установленных в настоящем исследовании, и их химического состава пемза вулкана Пик Сарычева сопоставима с пемзой залива Львиная Пасть [11].

Все минералы-вкрапленники в пемзе вулкана Пик Сарычева пространственно разобщены и представлены плагиоклазом, роговой обманкой и магнетитом. Апатит отмечается исключительно в виде включений в других минералах. Основная масса сложена преимущественно стекловатым базисом, что можно рассматривать как отсутствие кристаллизации при подъеме расплава в жерле вулкана. Кислый плагиоклаз An_48-51 содержит включения амфибола (рис. 3б). Вкрапленники и включения амфибола сопоставимы по составу и относятся к магнезиальной роговой обманке и чермакиту (рис. 4). Включения основного плагиоклаза An₆₈ отмечаются в самостоятельных зернах амфибола (рис. 3г). Согласно наблюдающимся структурным взаимоотношениям минералов в пемзах вулкана Пик Сарычева можно сделать заключение о близодновременной кристаллизации плагиоклаза, амфибола, магнетита и апатита.

Вкрапленники амфиболов пемзы Пик Сарычева отличаются широкими вариациями содержаний глинозема (7—13 мас.%), постоянством химического состава и отсутствием внутренней зональности (табл. 2, рис. 3в, г). Постоянство химического состава амфиболов может свидетельствовать о неизменных параметрах температуры и давления магматического расплава. Абсолютное преобладание амфибола среди темноцветных минералов указывает на высокое содержание воды в расплаве (примерно 4—5 мас.%) и значительную степень эволюционирования магматической системы [7]. Большинство изученных зерен амфиболов показали содержание глинозема в пределах 7—8 мас.%, что согласно экспериментальным расчетам [13] соответствует давлению 1,5—2,2 кбар [6].

Плагиоклаз в отличие от амфибола характеризуется наличием ярко выраженной зональности и меньшим наличием кристаллических включений. При незначительных колебаниях концентраций железа анортитовая составляющая меняется от An₇₅ до An₄₉, что отражает общую эволюцию понижения температуры в очаге и начало кристаллизации амфибола.

Включения расплава пемзы вулкана Пик Сарычева обогащены относительно включений расплава вулкана Львиная Пасть и прешейка Ветровой содержанием щелочей и обеднены алюминием (рис. 2а). Большинство исследуемых расплавных включений являются риолитовыми по составу и отражают основной состав магмы перед извержением. Согласно данным микрозондового анализа включения стекла не содержат примесей серы. Постоянная примесь серы установлена в апатитах в количестве 0,44—0,92 мас.% (табл. 4). Присутствие SO₃ в магматическом расплаве подтверждается и наличием включений сульфидов в магнетите. Ассоциации флюидных и расплавных включений в кристаллах плагиоклазов указывают на процессы дегазации, происходившие в магматическом очаге перед извержением.

Заключение

Андезито-дацитовая пемза вулкана Пик Сарычева относится к типичным островодужным образованиям известково-щелочной серии пород. По своим текстурно-структурным и геохимическим характеристикам близка к пемзе вулкана Львиная Пасть, о. Итуруп. Минералы — вкрапленники пемзы кристаллизовались практически одновременно из водонасыщенного магматического расплава (4—5мас.%) при давлении 1,5—2,2 кбар.