Инд. авторы:	Шарапов В.Н., Томиленко А.А., Кузнецов Г.В., Перепечко Ю.В., Сорокин К.Э., Михеева А.В., Семенов Ю.И.
Заглавие:	Механизмы частичного плавления метасоматизированных мантийных ультрабазитов под авачинским вулканом (камчатка) и рост минералов из газовой фазы в трещинах
Библ. ссылка:	Шарапов В.Н., Томиленко А.А., Кузнецов Г.В., Перепечко Ю.В., Сорокин К.Э., Михеева А.В., Семенов Ю.И. Механизмы частичного плавления метасоматизированных мантийных ультрабазитов под авачинским вулканом (камчатка) и рост минералов из газовой фазы в трещинах // Петрология. - 2020. - Т.28. - № 6. - С.650-672. - ISSN 0869-5903.
Внешние системы:	DOI: 10.31857/S0869590320050064; РИНЦ: 43928172;
Реферат:	rus: Обсуждаются процессы частичного плавления метасоматизированных пород сейсмически тектонизированной литосферной мантии под фронтальной зоной Авачинского вулкана и рост кристаллов из газовой фазы в открытых трещинах над питающим вулкан магматическим очагом на основании исследования ксенолитов, вынесенных лавами и выброшенных при извержениях (Абкадыров и др., 2004). Согласно результатам изучения представительной коллекции мантийных ксенолитов из эксплозивных извержений Авачинского вулкана построена и численно исследована математическая модель динамики конвективного тепломассопереноса в проницаемой зоне над питающим магматическим очагом. Модель позволяет провести для области активного сейсмогенного разрушения пород в интервале глубин 30–70 км под вулканом анализ: генетических гипотез о природе текстурно-структурных соотношений между ксенолитами и вынесшими их лавами; данных о составе флюидных и расплавных включений в минералах; оценки температуры гомогенизации включений; гипотез о механизмах частичного плавления метасоматизированных ультрабазитов и связанных с ними росте минералов в открытых трещинах. Показано, что в данном интервале глубин с трещиновато-пористыми сейсмогенными областями над магматическими очагами сопряжены процессы конвективного тепломассопереноса в литосфере: инфильтрационного метасоматоза шпинеливой фации глубинности, сублимации и конденсации петрогенных компонентов из газовой фазы. Предполагается, что с крупными сейсмическими событиями могут быть связаны локальные проявления частичного декомпрессионного плавления высокопрогретых ультрабазитовых и базитовых пород. Показано, что наряду с явлениями инфильтрационного метасоматоза шпинеливой фации в трещиноватых мантийных породах имеет место образование из газовой фазы в открытых трещинах кристаллических корок и друзовых кристаллов клинопироксена и амфибола. Процессы декомпрессионного частичного плавления протекают в двух формах: плавление сростков шпинели с вмещающими кристаллами “метасоматического” ортопироксена, заместивших оливин в гарцбургитах; формирование жил выполнения, состоящих из клинопироксена, амфибола и реликтового ортопироксена. Для проверки данных предположений проведены эксперименты с конвективным прогревом образцов пород из ксенолитов на проточной установке, воспроизводящей частичное плавление, а также на установке электронной сварки электронным пучком. В последнем случае воспроизведены процессы сублимации и отложения из газовой фазы петрогенных компонентов за границей солидуса для всех петрографических типов мантийных гипербазитов. В исследованных ксенолитах не обнаружено структурно-минералогических признаков инфильтрации магматических жидкостей и проявлений диффузионно-реакционной зональности типа расплав–порода. eng: We discuss partial melting of metasomatised rocks of the lithospheric mantle, which tectonically reformed by seismic events beneath the frontal volcano and associated mineral growth from gas phase in open fractures above the Avacha volcano feeding magma chamber based on the research of xenoliths carried and extruded by lavas. Based on the integrated study of representative mantle xenoliths from the volcano explosions we developed and numerically studied a mathematical model of convective heat-mass transfer in the permeable zone above the feeding magma chamber. The model provides an analysis for the area active seismic fragmentation of rocks at the depths of 30–70 km beneath the Avacha volcano. The analysis includes the following points: 1) existing qualitative genetic concepts of nature of the identified textural and structural ratios between xenoliths and the transporting lavas, 2) data on fluid and melt inclusion composition in minerals, 3) temperature estimates of inclusion homogenization, 4) concepts on partial melting mechanisms of metasomatised ultramafics and the associated mineral growth mechanism in open fractures. It has been shown that beneath the Avacha volcano in the given depth interval, seismic faults above magma chambers are coupled with a set of convective processes of fluid heterophase heat-mass transfer in the lithosphere, that is, infiltration metasomatism of spinel depth facies, sublimation, and condensation of petrogenic components from gas phase. It is assumed that local partial decompression melting of highly heated ultramafic rocks and mafic rocks may be linked to major seismic events. It has been shown that together with the phenomena of infiltration metasomatism of spinel facies in fractured mantle rocks, crystal crusts and druse crystals of clinopyroxene and amphibole form by the steam-liquid-crystal mechanism from gas phase in open fractures. Decompression partial melting demonstrates two forms – melting of spinel intergrowths with microscopic scales of “metasomatic” orthopyroxene host crystals, which replaced olivine in harzburgites and formation of clinopyroxene, amphibole, and relict orthopyroxene vein fillings. To verify the validity of these assumptions, physical experiments were conducted using convective heating of samples of natural xenoliths in a flow-through reactor capable for reproducing the partial melting phenomena and on an electron gun with a power unit for the dense electron beam welding system. In the latter case, we simulated sublimation and deposition from gas phase of petrogenic components over a solidus boundary for all the petrographic types of mantle ultramafic rocks. No structural and mineral signs of magmatic fluid infiltration and manifestations of diffusion-reaction zoning of the “melt-rock” type have been found in the study xenoliths.
Ключевые слова:	heat-mass transfer; melting; metasomatism; mantle xenoliths; математическое моделирование; тепломассоперенос; плавление; метасоматоз; мантийные ксенолиты; mathematical modeling;
Издано:	2020
Физ. характеристика:	с.650-672
Цитирование:	1. Абкадыров И.Ф., Букатов Ю.Ю., Геранин К.О. Результаты микросейсмического зондирования в районе Авачинского вулкана // Природная среда Камчатки. Материалы ХIII региональной молодежной научной конференции. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2004. С. 103-114. 2. Артемьев С.Р. Анализ существующих представлений о традиционных методах выращивания металлических нитевидных кристаллов. Осаждение вещества из газовой фазы // Технологический аудит и резервы производства. 2016. Т. 3. № 3(29). С. 34-37. 3. Базанова Л.И., Брайцева О.А., Мелекесцев И.В., Сулержицкий Л.Д. Катастрофические извержения Авачинского вулкана (Камчатка) в голоцене: хронология, динамика, геоморфологические и экологические эффекты, долгосрочный прогноз // Вулканология и сейсмология. 2004. № 6. С. 3–8. 4. Балашов В.Н., Лихтнер П.Ч. Исчезающие зоны в инфильтрационной метасоматической зональности // Докл. АН СССР. 1991. Т. 321. С. 1242–1246. 5. Включения в вулканических породах Курило-Камчатской островной дуги. М.: Наука, 1978. 222 с. 6. Гиваргизов В.И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара. М.: Наука, 1977. 303 с. 7. Голубев В.С. Динамика геохимических процессов. М.: Недра, 1981. 208 с. 8. Гонтовая Л.И., Попруженко С.В., Низкоус И.В. Верхняя мантия Камчатки: глубинная модель и связь с тектоникой // Тихоокеанская геология. 2008. Т. 27. № 2. С. 80–91. 9. Гуров К.П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов. М.: Наука, 1978. 126 с. 10. Добрецов Н.Л., Симонов В.А., Кулаков И.Ю., Котляров А.В. Проблемы фильтрации флюидов и расплавов в зонах субдукции и общие вопросы теплофизического моделирования в геологии // Геология и геофизика. 2017. Т. 68. № 5. С. 702–719. 11. Доровский В.Н., Перепечко Ю.В. Феноменологическое описание двухскоростных сред с релаксирующими касательными напряжениями // Прикладная механика и техническая физика. 1992. №. 3. С. 56–62. 12. Доровский В.Н., Перепечко Ю.В., Шарапов В.Н. Некоторые проблемы математического моделирования при описании развития магматической и рудно-магматической систем // Геология и геофизика. 1998. Т. 39. № 11. С. 1529–1538. 13. Жариков В.А., Русинов В.П., Маракушев А.А. Метасоматизм и метасоматические породы. М.: Научный мир, 1998. 492 с. 14. Зарайский Г.П. Эксперимент в решении проблем метасоматизма. М.: ГЕОС, 2007. 135 с. 15. Зеленский М.Е. Транспорт элементов и условия минералообразования в зонах разгрузки высокотемпературных фумарол на вулкане Мутновский (Камчатка). Автореф. дисс. … канд. геол.-мин. наук. Новосибирск: ОИГГМ СО РАН, 2003. 20 с. 16. Зубков В.С. Термодинамическое моделирование системы С-H-N-O-S в Р-Т условиях верхней мантии. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2005. 180 с. 17. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981. 246 с. 18. Киргинцев А.Р., Исаенко Л.И., Исаенко В.А. Распределение примеси при направленной кристаллизации. Новосибирск: Наука, 1997. 254. 19. Колосков А.В. Ультраосновные включения и вулканиты как саморегулирующаяся геологическая система. М.: Научный мир, 1999. 220 с. 20. Колосков А.В., Гонтовая Л.И., Попруженко С.В. Верхняя мантия Камчатки в изотопно- геохимических аномалиях, роль астеносферного диапиризма // Тихоокеанская геология. 2014. Т. 33. № 3. С. 3–13. 21. Коржинский Д.С. Теория метасоматической зональности. М.: Наука, 1982. 104 с. 22. Коржинский М.А., Ткаченко С.И., Булгаков Р.Ф., Шмулович К.И. Изучение процессов рудо- и минералообразования из высокотемпературных фумарольных газов на вулкане Кудрявый, остров Итуруп, Курильские острова // Геохимия. 1999. № 4. С. 410–422. 23. Кузнецов Г.В., Шарапов В.Н., Фалеев В.А. Оценка составов остаточных расплавов в ультрабазитах мантийного клина под вулканами Авачинской группы методом нагревания потоком восстановленных газов // Тез. докл. XVI Российского совещания по экспериментальной минералогии. Черноголовка: ИЭМ, 2010. С. 60–61. 24. Кузнецов Г.В. Состав газовой фазы минералов перидотитовых ксенолитов Авачинского вулкана как показатель флюидного режима шпинеливой фации надсубдукционного мантийного клина // Материалы конференции "Проблемы освоения недр". Томск: ТГТУ, 2013. С. 127-128. 25. Кутыев Ф.Ш., Шарапов В.Н. Петрогенезис под вулканами. М.: Недра, 1979. 105 с. 26. Лаврентьев Ю.Г., Карманов Н.С., Усова Л.В. Электронно-зондовое определение состава минералов: микроанализатор или сканирующий электронный микроскоп? // Геология и геофизика. 2015. Т. 56. № 8. С. 1473–1482. 27. Леонов В.Л. Вулканические хребты: морфология, ориентировка, значение для геотермии // Сейсмология и вулканология. 2005. Т. 7. № 1. С. 37–51. 28. Малиновский Л.Г. Анализ статистических связей (модельно-конструктивный подход). М.: Наука, 2002. 672 с. 29. Михеева А.В., Перепечко Ю.В., Сорокин К.Э., Шарапов В.Н. Динамика конвективного тепломассопереноса в проницаемых частях сейсмофокальных зон Камчатского региона и сопряженных вулканических дуг // XIII Международная научно-практическая конференция "Новые идеи в науках о Земле". М.: РГГУ, 2017. 30. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидо-динамика. М.: Недра, 1996. 446 с. 31. Перепелов А.Б. Кайнозойский магматизм Камчатки на этапах смены геодинамических режимов. Автореф. дисс. … докт. геол.-мин. наук. Иркутск: ИГХ СО РАН, 2014. 41 с. 32. Рябцев С.В., Кущев С.Б., Солдатенко С.А. и др. Морфология и кристаллография нитевидных монокристаллов кристаллов SiO2 гетероструктур In2O3/SiO2 // Конденсированные среды и межфазные границы. 2011. Т. 13. № 1. С. 80–88. 33. Селиверстов В.А., Осипенко А.Б. Петрология родингитов Камчатки. Владивосток: Дальнаука, 1998. 123 с. 34. Стенина Н.Г. Просвечивающая электронная микроскопия в задачах генетической минералогии. Новосибирск: Наука, 1985. 186 с. 35. Тимина Т.Ю., Томиленко А.А., Ковязин С.В. Особенности флюидного режима при образовании клинопироксенитов надсубдукционного мантийного клина под Авачинским вулканом (Камчатка) // Докл. АН. 2015. Т. 463. № 6. С. 696–699. 36. Федорченко В.И., Родионова Р.И. Ксенолиты в лавах Курильских островов. Новосибирск: Наука, 1975. 138 с. 37. Френкель М.Я., Кадик А.А. Адиабатическая декомпрессия водосодержащего силикатного расплава (на примере альбит–вода) и ее роль в развитии магматического процесса // Динамические процессы физической геохимии. Новосибирск: Наука, 1982. С. 33–42. 38. Чудненко К.В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Новосибирск: ГЕО, 2010. 287 с. 39. Шарапов В.Н., Борисенко А.С., Мазуров М.П. и др. Модельный анализ развития континентальных мантийно-коровых рудообразующих систем. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009а. 399 с. 40. Шарапов В.Н., Томиленко А.А., Кузнецов Г.В. Ковязин С.В. О конвективном плавлении литосферных пород шпинеливой фации над сейсмофокальной зоной Курило-Камчатского региона // Вулканизм и геодинамика. Материалы IV Всероссийского симпозиума по вулканологии и палеовулканологии. Петропавловск-Камчатский: ИВС ДВО РАН, 2009б. С. 228-231. 41. Шарапов В.Н., Чудненко К.В., Томиленко А.А. О физико-химической динамике карбонатизации пород литосферной мантии под кратоном Сибирской платформы // Геология и геофизика. 2015. Т. 56. № 5. С. 890–905. 42. Шарапов В.Н., Кузнецов Г.В., Логачев П.В. и др. К построению модели динамики сублимирования трещиноватых пород литосферы в мантийном клине под вулканами Авачинской группы (Камчатка) // Геохимия. 2017а. № 3. С. 201–223. 43. Шарапов В.Н., Кузнецов Г.В., Тимина Т.Ю.и др. Численное моделирование неизотермического метасоматического преобразования ультрабазитов мантийного клина под Авачинской группой вулканов (Камчатка) // Геология и геофизика. 2017б. Т. 58. № 5. С. 674–700. 44. Шарапов В.Н., Мазуров М.П., Чудненко К.В., Сорокин К.Э. Динамика метасоматического преобразования пород литосферной мантии и земной коры в зонах глубинных разломов, контролировавших трапповый магматизм Сибирской платформы // Геология и геофизика. 2019. Т. 60. С. 1055–1068. 45. Шеплев В.С. Математическое моделирование химической зональности в метаморфических реакционных структурах горных пород. Дисс. ... д-ра хим. наук в виде науч. докл. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1998. 80 с. 46. Шеймович В.С., Пузанков Ю.М., Пузанков М.Ю. Проявление щелочного магматизма в окрестностях Авачинской губы // Вулканология и сейсмология. 2005. № 4. С. 36–46. 47. Aharonov E., Whitehead J.A., Kelemen P.B., Spiegelman M. Channeling instability of upwelling melt in the mantle // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. B10. P. 20433-20450. 48. Arai S., Ishimaru S. Insights into petrologycal characteristics of the lithosphere mantle wedge beneath arcs through peridotite xenoliths: A review // J. Petrol. 2008. V. 49. № 4. P. 359–395. 49. Connolly J.A.D., Podladchikov Y. Decomposition weakening and channeling instability in ductile porous media: Implications for asthenosphere melt segregation // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. B10205. 50. Halama R., Savov I.P., Rudnick R.L. Insights into Li and Li isotope cycling and sub-arc metasomatism from veined mantle xenoliths, Kamchatka // Contrib. Mineral. Petrol. 2009. V. 158. № 2. P. 197–222. 51. Hopp J., Ionov D.A Tracing partial melting and subduction-related metasomatism in the Kamchatkan mantle wedge using noble gas compositions // Earth Planet. Sci. Lett. 2011. V. 302. P. 121–131. 52. Ionov D.A. Petrology of mantle wedge lithosphere: New data on supra subduction zone peridotite xenoliths from the andesitic Avacha volcano, Kamchatka // J. Petrol. 2010. V. 51 № 1–2. P. 327–361. 53. Ishimaru S., Arai S., Ishida Y., Okrugin V. Melting and multi-stage metasomatism in the mantle wedge beneath a frontal arc inferred from highly depleted peridotite xenoliths from the Avacha volcano, southern Kamchatka // J. Petrol. 2007. V. 48. № 2. P. 395–433. 54. Ishimaru S., Arai S. Peculiar Mg-Ca-Si metasomatism along a shear zone within the mantle wedge: inference from Avacha xenoliths from Avacha volcano // Contrib. Mineral. Petrol. 2011. V. 161. P. 703–725. 55. Katz R.F., Spiegelman M., Langmuir C.H. A new parametrization of hydrous mantle melts // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2003. V. 4. № 9. P. 1073. 56. Koulakov I., Jaxybulatov K., Shapiro N. et al. Asymmetric caldera-related structures in the area of the Avacha group of volcanoes in Kamchatka as revealed by ambient noise tomography and deep seismic sounding // J. Volcan. Geother. Res. 2014. V. 28. P. 36–46. 57. Liang J. Kinetics of crystal – melt reaction in partially molten silicates // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2003. V. 4. № 5. P. 1045. 58. Morgan S.S., Stanik A., Horsman E. et al. Emplacement of multiple magma sheets and wall rock deformation: Trachyte Mesa intrusion, Henry Mountains, Utah // J. Struc. Geol. 2008. V. 30. P. 491–512. 59. Numerical Simulation of Reactive Flow in Hot Aquifers // Ed. Ch. Clauser. Berlin-Heidelberg-New York: Sringer-Verlag, 2003. 316 p. 60. Perepechko Y.V., Sorokin K.E., Imomnazarov Sh.Kh., Sharapov V.N. Modeling of a heterophase flow in permeable zones of the lithosphere // Bull. Nov. Comp. Center, Num. Anal. 2016. V. 18. P. 37–47. 61. Simpson G., Spiegelman M., Weinstein M.I. A multiscale model of partial melts. 2. Numerical results // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. B04411. 62. Spiegelman M., McKenzie D. Simple 2D models for melt extraction at mid-ocean ridges and island arcs // Earth Planet. Sci. Lett. 1987. V. 83. P. 137–152. 63. Spiegelman M., Kelemen P.B., Aharonov E. Causes and consequences of flow organization during melt transport: The reaction infiltration instability in compactible media // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. № B2. P. 2061–2078. 64. van der Elst N.J., Savage H.M., Keranen K.M, Abers G.A. Enhanced remote earthquake triggering at fluid-injection sites in the Midwestern United States // Science. 2013. V. 341. P. 164–167. 65. Watt S.F.L., Pyle D.M., Mather T.A. The influence of great earthquakes on volcanic eruption rate along the Chilean subduction zone // Earth Planet. Sci. Lett. 2009. V. 277. P. 399–405.