Петрохимические особенности продуктов современных извержений вулкана пик Сарычева, остров Матуа (Курилы)

Научная смена

Вестник ДВО РАН. 2011. № 6

Дегтерёв Артем Владимирович

Начиная с 2007 г. работает в лаборатории вулканологии и вулканоопасности Института морской геологии и геофизики ДВО РАН, с которой начал сотрудничать еще будучи студентом 3-го курса естественно-географического факультета Сахалинского государственного университета. В 2010 г. после окончания университета поступил в аспирантуру ИМГиГ ДВО РАН по специальности «вулканология, петрология». Область научных интересов А.В.Дегтерёва связана с изучением проявлений голоценовой и современной вулканической активности на Курильских островах. В настоящее время его главным объектом исследования является влк. Пик Сарычева, расположенный на о-ве Матуа; реконструкции его эруптивной истории в голоцене посвящена тема готовящейся диссертационной работы.

С 2008 г. А.В.Дегтерёв участвует в ежегодных экспедициях на Курильские острова, организуемых ИМГиГ ДВО РАН, работал на большей части островов Большой Курильской гряды (Шиашкотан, Экарма, Симушир и др.), в том числе и на самых удаленных и труднодоступных из них - Матуа, Расшуа, Райкоке.

Результаты исследований А.В.Дегтерёва опубликованы более чем в 30 печатных изданиях (тезисы и материалы конференций, научные статьи), из них 7 из списка ВАК. Регулярно принимает участие в конференциях регионального, всероссийского и международного уровня.

УДК 551.21 А.В.ДЕГТЕРЁВ

Петрохимические особенности продуктов современных извержений вулкана Пик Сарычева, остров Матуа

Рассмотрены петрохимические особенности продуктов современных извержений одного из наиболее активных вулканов Курильской островной дуги - влк. Пик Сарычева (о-в Матуа). На основании опубликованных (извержения 1930, 1946, 1960, 1976 гг.) и оригинальных (извержение 2009 г.) аналитических данных показано, что вещественный состав рассмотренных извержений характеризуется относительной однородностью и постоянством: все изверженные породы современного этапа вулканической активности соответствуют

ДЕГТЕРЁВ Артем Владимирович - младший научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). E-mail: d_a@mail.ru

умеренно-калиевым известково-щелочным андезибазальтам (масс. %): 52,3-55,9 SiO2, 16,3-19,14 Al2O3, 2,84-3,72 Na2O, 0,91-1,30 K2O. Эти результаты хорошо согласуются с данными, полученными в последнее время, по реконструкции голоценовой эруптивной истории и подтверждают представление о новейшей стадии эруптивной истории влк. Пик Сарычева как о продолжении андезибазальтового этапа.

Ключевые слова: андезибазальты, влк. Пик Сарычева, о-в Матуа, петрохимия, исторические извержения.

Petrochemical features of materials modern eruption of Sarychev Peak volcano, Matua Is., Kuriles.

A.V.DEGTEREV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Described geochemical features of the modern eruptions materials of one of the most active volcano in the Kuril Arc - Sarychev Peak volcano (Matua Is.). On the base of published (eruptions in 1930, 1946, 1960 and 1976) and original (eruption in 2009) analytical data it is shown that material composition of the considered eruptions is characterized by relative homogeneity and constancy: all igneous rocks of the modern stage volcanic activity conform to medium-potassium calc-alkaline basaltic andesites with 52.3-55.9 wt% of SiO2, 16.3-19.14 wt% of Al2O3, 2.84-3.72 w % of Na2O, 0.91-1.30 wt% of K2O. The results agree well with data got recently, on reconstructions of Holocene activity and confirm the belief about the resent stage of eruptive history of Sarychev Peak volcano as continuation basaltic andesite stage.

Key words: basaltic andesites, Sarychev Peak volcano, Matua Island, petrochemistry, historical eruption.

Пик Сарычева относится к числу наиболее активных вулканов Курильской островной дуги. В течение исторического периода (около 250 лет) его извержения, разные по силе, происходили в среднем каждые 25 лет. Последнее извержение вулкана, в июне 2009 г., по ряду своих параметров значительно превосходило «рядовые» вулканические события на Курильских островах и тем самым привлекло внимание большого количества исследователей, сфера научных интересов которых так или иначе связана с изучением вулканических извержений [6, 13, 19].

Неординарность произошедшего извержения стала одной из причин начала специальных тефрохронологических работ на о-ве Матуа, целью которых является реконструкция эруптивной истории влк. Пик Сарычева в голоцене. В числе задач этих исследований -изучение вещественного состава продуктов вулканической деятельности, их геохимической эволюции и петрогенезиса.

В предлагаемой статье предпринята попытка охарактеризовать химический состав современных извержений влк. Пик Сарычева в свете новых аналитических данных.

В основу работу положены литературные данные, содержащие результаты химических анализов продуктов последних извержений вулкана (1930, 1946, 1960, 1976 гг.) [1, 3, 10, 11], а также оригинальные материалы по извержению 2009 г., полученные в ходе экспедиций на о-в Матуа в 2009-2010 гг. [6, 7].

Образцы пирокластического материала 2009 г., включавшие отложения вулканического пепла и пирокластических потоков, были отобраны спустя 10 дней после окончания активной фазы извержения, что исключало возможность их «загрязнения» чужеродным материалом. Кроме того, одна из проб пепла была отобрана участниками экспедиционного судна «Капитан Казанцев», находившегося в районе о-ва Кетой (материал предоставил Виктор Григорьевич Джех). В 2010 г. были получены образцы одного из двух лавовых потоков, излившихся по восточному склону вулкана.

Химический состав вулканических продуктов был изучен в аналитическом центре Дальневосточного геологического института ДВО РАН. Определение содержания Н2О, ППП, SiO2 выполнено методом гравиметрии аналитиком В.Н.Каминской, остальные - методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на спектрометре iCAP 6500Duo (Thermo Electron Corporation, США) аналитиками Г.И.Горбач, Е.А.Ткалиной, Н.В.Хуркало.

Вулкан Пик Сарычева (абс. выс. 1446 м; координаты: 48.092° с.ш., 153.20° в.д.) расположен в северо-западной части о-ва Матуа (рис. 1), входящего в состав группы центральных Курильских островов. В плане остров имеет форму эллипса размером 6x12 км, длинная ось которого вытянута вкрест простиранию островной дуги.

Рис. 1. Геологическая схема о-ва Матуа с влк. Пик Сарычева. Пунктирной линией показано положение плоскости сброса, выделенного Г.С.Горшковым [3]

Вулкан построен по типу Сомма-Везувий и состоит из плейстоценового влк. Матуа с вершинной кальдерой и молодого конуса Пик Сарычева (рис. 2, см. с. 2 обложки). Остатки постройки влк. Матуа к настоящему времени сохранились лишь в юго-восточной части острова, так как северозападная часть опущена по плоскости сброса, выделенного Г.С.Горшковым [3] (рис. 1). Фундаментом вулканических построек выступают слабо-дислоцированные вулканогенные и вулканогенно-осадочные породы с абсолютным возрастом, по данным К-А^датирования Ishizuka с соавторами [14], 1,61 млн лет.

По результатам новейших теф-рохронологических работ голоце-новая эруптивная история влк. Пик Сарычева подразделяется на 3 главных этапа: (1) кальдерообразующий (поздний плейстоцен-ранний голоцен), (2) андезитовый (большая часть голоцена) и (3) андезибазальтовый (500 л.н. - настоящее время) [2, 7, 12].

В течение первого этапа происходило формирование 3,5-километровой кальдеры влк. Матуа, сопровождаемое массовым выбросом дацитовой пирокластики. На втором этапе голоценовой истории вулкана эруптивные центры, вероятно, располагались в пределах образованной кальдеры. Активность вулкана характеризовалось напряженной эксплозивной деятельностью: произошло более 30 извержений разной силы, в том числе катастрофических. Заключительный этап эруптивной истории связывается с началом роста внутрикальдерного конуса - Пика Сарычева. По результатам радиоуглеродного датирования погребенных почв, подстилающих горизонты стратифицированных шлаков, возраст современного действующего стратовулкана Пик Сарычева составляет около 500 лет [2, 9].

В историческое время (~250 лет для Курильских островов) активность влк. Пик Са-рычева характеризовалась эксплозивными и эксплозивно-эффузивными извержениями от слабых фреатических выбросов с VEI (Volcanic Explosive Index) 0-1 до мощных пароксизмов субплинианского типа с VEI 3-4. Характерная особенность современных извержений влк. Пик Сарычева - их высокая эксплозивность, при которой поставляется главным образом обломочный вулканический материал - тефра и пирокластические потоки [4]. В этом смысле последнее извержение влк. Пик Сарычева - характерный эпизод новейшего этапа его эруптивной истории.

Вещественный состав продуктов последних исторических извержений вулкана отвечает субщелочным андезибазальтам (масс. %.): 52,3-55,9 SiO2, 16,3-19,14 Al2O3, 2,84-3,72 Na2O, 0,91-1,30 K2O (рис. 3а, б). Исключение составляет заполнитель пироклас-тического потока 1946 г. с содержанием SiO2 50,85 масс. %. Однако, учитывая уровень аналитических исследований в начале второй половины ХХ в., данное отклонение вероятнее всего обусловлено ошибкой определения. С аналогичными причинами мы связываем аномально низкое значение K2O (0,22 масс. %) в пробе вулканического пепла извержения 1960 г. [11].

Наибольшее количество кремнезема (55,9 масс. %) содержится в одном из образцов вулканического пепла 2009 г., отобранного в наиболее отдаленной точке (район о-ва Кетой

более 100 км от влк. Пик Сарычева). Повышенное, относительно других образцов пепла, содержание 8Ю2 мы объясняем процессом эоловой гравитационной дифференциации [5].

На диаграмме Миаширо фигуративные точки всех пород попадают в поле толеитовой серии (рис. 3в), однако на классификационной диаграмме Куно (рис. 3г) они занимают поле известко-во-щелочных пород. Подобное явление объясняется различными методическими подходами определения сериальной принадлежности магматитов, отличающихся главным образом трендами эволюции [8]. На основании отсутствия «феннеровского» тренда (накопления железа в процессе эволюции) на диаграмме Куно изученные породы мы относим к известково-щелочной серии. По содержанию К20 (0,99-1,30 масс. %) все проанализированные вулканиты принадлежат к умеренно-калиевой серии (рис. 3б), что характерно для вулканов осевой зоны Курильской островной дуги.

При увеличении 8Ю2 наблюдается последовательное уменьшение содержания всех элементов за исключением щелочей и Р205, количество которых, напротив, возрастает (рис. 4). Вариационные точки проанализированных проб в большинстве случаев образуют сублинейные тренды (рис. 4), наиболее отчетливо выраженные для образцов 2009 г. Подобный характер распределения значений петрогенных элементов в исследуемых вулканитах дает основания предполагать, что в процессах маг-

Рис. 3. Классификационные диаграммы для продуктов современных извержений влк. Пик Сарычева (масс. %): а - №02 + К20 - 8Ю2 для классификации и номенклатуры вулканических пород [16]. F - фондит; Рс - базанит; Ш - тефрит; и2 -фонотефрит, и3 - тефрифонолит; РЬ - фонолит; В - базальт; 81 - трахибазальт; 82 - базальтовый трахиандезит; 83 - трахиандезит; Т - трахит, тра-хидацит; О1 - базальтовый андезит; О2 - андезит; О3 - дацит; R - риолит; б - К20 - 8Ю2 [18], с небольшими упрощениями; В, У, Н - соответственно, высоко-, умеренно- и низкокалиевые серии; в - 8Ю2 - Fe0*/Mg0 [17]; г - Ш02 + К20 - Fe0*-Mg0 [15]

64 62 СО 58 56 5* 52 50 48

510г / о

ИнвестНО «о-щепамим серии /

/ # Л?}* Твгмгпвш сврня

/ 0 РеОЧМдО

О 0,5 1 1,5 1 2,5 3 3,5 А 4,5 5

могенерации ведущая роль принадлежала процессам фракционной кристаллизации [8]. Разброс значений, наблюдаемый в некоторых случаях, связан, по-видимому, с особенностями изучения вещественного состава пород, анализируемых в разное время и в разных лабораториях.

МпО

* -

• ♦ 4 +

А

ею,

МД

о*

Д

РеО*

* * Х-ч- * зю1 *

4.50 4,00 3.50

г.м

N[1.0 •

м * ^

МйО

О * *Кш* • * Шш

* *

ЗЮГ

И 51 « 53 54 5* 56 57

* • 1М6 11М0  19116 + гою

Рис. 4. Вариации содержания петрогенных элементов в зависимости от содержания SiO2 в продуктах современных извержений влк. Пик Сарычева

Таким образом, вещественный состав исторических извержений влк. Пик Сарычева характеризуется относительным постоянством и однородностью - все изверженные породы современного этапа вулканической активности соответствуют умеренно-калиевым известково-щелочным андезибазальтам. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, полученными в последнее время [2, 7], и подтверждают представление о новейшей стадии эруптивной истории влк. Пик Сарычева - как продолжении андезибазальто-вого этапа.

Автор выражает благодарность к.г.-м.н. А.В.Рыбину за предоставленную возможность участвовать в экспедициях на Курильские острова и постоянную всестороннюю поддержку исследований; д.г.-м.н. Ю.А.Мартынову за ценные замечания и полезные консультации по вопросам магматической геохимии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев В.Н., Шанцер А.Е., Хренов А.П. и др. Извержение вулкана Пик Сарычева в 1976 г. // Бюл. вулканол. станций. 1978. № 55. С. 35-40.

2. Арсланов Х.А., Мелекесцев И.В., Разжигаева Н.Г. и др. Возраст почвенно-пирокластического чехла и хронология вулканической активности на о. Матуа (Центральные Курилы) в голоцене // Материалы VII Всерос. совещ. по изучению четвертичного периода / Рос. акад. наук, Отд. наук о Земле, Комиссия по изуч. четвертич. периода, Геологический ин-т КНЦ РАН. Т. 1. Апатиты; СПб., 2011. 326 с.

3. Горшков Г.С. Вулканизм Курильской островной дуги. М.: Наука, 1967. 287 с.

4. Дегтерев А.В., Рыбин А.В., Разжигаева Н.Г. Исторические извержения вулкана Пик Сарычева (о. Матуа, Центральные Курильские острова) // Вестн. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2011. Вып. 17, № 1. С. 102-119.

5. Кирьянов В.Ю., Соловьева Н.А. Изменения вещественного состава пеплов в результате гравитационной эоловой дифференциации // Вулканология и сейсмология. 1990. № 4. С. 10-19.

6. Левин Б.В., Рыбин А.В., Разжигаева Н.Г. и др. Комплексная экспедиция «Вулкан Сарычева-2009» (Курильские острова) // Вестн. ДВО РАН. 2009. № 6. С. 98-104.

7. Левин Б.В., Мелекесцев И.В., Рыбин А.В. и др. Экспедиция «Вулкан Пик Сарычева-2010» (Курильские острова) // Вестн. ДВО РАН. 2010. № 6. С. 151-158.

8. Мартынов Ю.А. Основы магматической геохимии. Владивосток: Дальнаука, 2010. 228 с.

9. Разжигаева Н.Г., Арсланов Х.А., Ганзей Л.А., Рыбин А.В. Новые данные о возрасте голоценовой тефры и влияние пеплопадов на становление ландшафтов Средних и Северных Курил // Материалы IV Всерос. симпоз. по вулканологии и палеовулканологии. Т. 2. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2009. С. 480-484.

10. Федорченко В.И., Абдурахманов А.И., Родионова Р.И. Вулканизм Курильской островной дуги. М.: Наука, 1989. 239 с.

11. Шилов В.Н. Извержение вулкана Пик Сарычева в 1960 году // Тр. СахКНИИ. 1962. Вып. 12. С. 143-149.

12. Degterev A., Rybin A., Melekestsev I., Razhjigaeva N. Quaternary eruptive history of Sarychev Peak volcano, Matua Island, the Kuriles // 7th Biennial Workshop on Japan-Kamchatka-Alaska Subduction Processes (JKSP-2011), August 25-30, 2011. Petropavlovsk-Kamchatskiy, 2011. P. 75-76.

13. Haywood J., Jones A., Clarisse L. et al. Observations of the eruption of the Sarychev volcano and simulations using the HadGEM2 climate model // J. Geophys. Res. 2010.Vol. 115. D21212.

14. Ishizuka Y., Nakagawa M., Baba A. et al. Along-arc variations of K-Ar ages for the submarine volcanic rocks in the Kurile Islands // 7th Biennial Workshop on Japan-Kamchatka-Alaska Subduction Processes (JKSP-2011), August 25-30, 2011. Petropavlovsk-Kamchatskiy, 2011. P. 279-280.

15. Kuno H. Differentiation of basalt magmas // Basalts: The Poldervaart treatise on rocks of basaltic composition / eds H.H.Hess, A.Poldervaart. Vol. 2. N.Y.: Interscience, 1968. P. 623-688.

16. Le Bas M.J., Le Maitre R.W., Streckeisen A., Zanettin B. A chemical classification of volcanic rocks based on the total alkali-silica diagram // J. Petrology. 1986. Vol. 27. P. 745-750.

17. Miyashiro A. Volcanic rock series in island arcs and active continental margins // Am. J. Sci. 1974. Vol. 274. P. 321-355.

18. Peccerillo A., Taylor S.R. Geochemistry of Eocene calc-alkaline rocks from Kastamonu area, Northern Turkey // Contributions to Mineralogy and Petrology. 1976. Vol. 58. P. 63-81.

19. Rybin A., Chibisova M., Webley P. et al. Satellite and ground observations of the June 2009 eruption of Sarychev Peak volcano, Matua Island, Central Kuriles // Bull. Volcanol. 2011. Vol. 73, N 4. P. 40-56.