Изучение бимодального характера магматизма Кратерного Нагорья и рифта Грегори (базальты vs нефелиниты/фонолиты +/- карбонатиты) включало: (1) анализ геохимических и изотопно-геохимических (Sr-Nd) характеристик наименее изученных базальтовых серий Огол возраста 2.3 млн лет; (2) анализ минеральных ассоциаций базальтов; (3) геохимическое изучение пород фундамента и (4) создание базы изотопно-геохимических данных по вулканогенным образованиям региона как основы для сравнительного анализа и реконструкции эндогенных процессов в Кратерном нагорье в период 4.5 – 1.7 млн лет, в течение которого на ограниченной территории произошла двукратная смена ультращелочного/карбонатитового и толеитового магматизма, включая анализ материалов по вулканитам (и получение новых данных) с возрастом 2.3 млн лет (вулкан Лемагрут), 2.2 млн лет (кратер Нгоронгоро) и 1.7 млн лет (вулкан Олдеани).

Основные результаты, полученные в 2019 году:

Изучение базальтовых серий Огол в области Лаетоли (задача 1)

Проведенные исследования включали как полевые работы на объектах с отбором каменного материала, так и камеральный анализ геохимических и изотопно-геохимических характеристик базальтовых серий, который был сфокусирован на изучении наиболее примитивных разновидностей, представленных высокомагнезиальными лавами, извергавшимися в отдельных, относительно мелких вулканических центрах в 25 км к западу от кратера Нгоронгоро. Всего, с учетом результатов первого года, было проанализировано 24 образца (16 проб базальтов и 8 проб пород фундамента) на содержание главных и второстепенных элементов и 16 образцов для определения изотопного состава Sr и Nd (см. приложенный файл Ogol.pdf). Отдельной задачей явилось определение характера связей этих пород с более эволюционированными дифференциатами в составе лав вулкана Лемагрут и кратера Нгоронгоро, по которым также был собран представительный материал.

В результате исследований были уточнены полученные нами ранее данные, а именно – выделенные ранее в составе базальтовых потоков Огол плагиоклазовые базальты (отвечающие по химическому составу базальтовому трахиандезиту c Mg# = 0.29, Cr = 4.2-4.3 г/т и Ni = 8.6-9.3 г/т) отнесены к продуктам активности вулкана Лемагрут. На более представительном материале среди базальтов Огол подтверждено присутствие двух геохимических разновидностей: (1) пород с относительно высокой магнезиальностью (Mg# = 0.55-0.61) и высоким содержание хрома (450-975 г/т) и никеля (171-222), и (2) пород с пониженной магнезиальностью (Mg# = 0.48) и низкими содержаниями хрома (57-104 г/т) и никеля (74-84 г/т) (см. Ogol.pdf)

В отличие от вулканитов щелочных нефелинит-фонолитовых серий, формировавшихся до и после базальтов, лавы Огол могут быть отнесены к породам нормального ряда. Как показали минералогические исследования (см. ниже), присутствие в составе серии нефелин-нормативных разностей (доля ne=1-5%) обусловлено контаминацией базальтов веществом щелочных пород (туфов?), на что указывает присутствие ксенокристов эгирин-авгита, шорломита, титанита и перовскита). Это наблюдение исключает, таким образом, щелочной тренд в эволюции базальтовой серии. Проведенный сравнительный анализ геохимических характеристик лав Огол и базальтов – андезибазальтов – трахибазальтов вулкана Лемагрут обнаруживает их принадлежность к единой дифференцированной серии, обусловленной фракционной кристаллизацией оливина, клинопироксена, плагиоклаза и титаномагнетита.

Несмотря на то, что наиболее магнезиальные разности лав Огол, предположительно содержащие мантийные ксенокристы (хром-содержащий диопсид), отвечают наиболее примитивным вариететам в Кратерном Нагорье, эти породы характеризуются повышенными концентрациями несовместимых элементов по отношению к примитивной мантии (PM) (см. Ogol.pdf). На диаграммах, нормализованных к PM, все изученные разности обнаруживают отрицательные аномалии Pb и P. Существование отрицательной аномалии К отражает, вероятно, условия частичного плавления мантийного субстрата в присутствии К-содержащей фазы (амфибола или флогопита). Высокое отношение (Tb/Yb)N, наблюдаемое в лавах Огол и более эволюционированных дифференциатах, свидетельствует о генерации базальтовых расплавов в мантийных условиях в равновесии с гранатом. Отрицательная корреляция отношения Ce/Pb и SiO2, показывает, что в ряду базальтовых дифференциатов наблюдается прогрессивное увеличение степени коровой контаминации наиболее эволюционированных вариететов, представленных трахибазальтами в составе вулканитов Лемагрут и Нгоронгоро. Это наблюдение подтверждается вариациями отношения (La/Sm)N которое коррелируется с изотопными отношениями 87Sr/86Sri(T) и 143Nd/144Nd(T). В целом, изотопно-геохимические характеристики лав Огол позволяют их отнести к наиболее примитивным членам базальтовой серии, в наименьшей степени контаминированных коровым материалом.

Анализ минеральных ассоциаций базальтов Огол показал их чрезвычайно высокую «минералогическую гетерогенность». Это выражено в том, что составе каждого изученного лавового потока, присутствуют:
(1) две разновидности фенокристаллов оливина, которые различаются по своему составу и характеру зональности центр-край кристалла. На основе полученных данных (314 анализов, полученных методом волнового дисперсионного микроанализа (Cameca SX 100) для 10 образцов) установлено присутствие фенокристаллов оливина с нормальной зональностью (с содержанием форстеритового минала (Fo) от 89.5 до 82 мол.% и содержание NiO 0.25-0.44 мас.% в центральной части) и фенокристаллов оливина с обратной зональностью (Fo = 72-80 мол.%, NiO = 0.05-0.25 мас.% в центральной части). Краевые части фенокристаллов как с прямой, так и с обратной зональностью, а также микрофенокристаллы близки по всему составу и содержат 79-84 мол.% форстеритового минала и 0.15-0.30 мас.% NiO (см. Ogol.pdf)
(2) от четырех до семи разновидностей пироксена, которые различаются по характеру их выделений (ядра, срединные части и краевые зоны кристаллов), особенностям внутреннего строения (однородность- неоднородность, наличие зональности), характера взаимоотношений между собой (реакционные-равновесные) и химическому составу (содержание Cr, Al, Ti и Na – 350 анализов, полученных методом волнового дисперсионного микроанализа (Cameca SX 100) для 10 образцов)). Шесть разновидностей представлены диопсидом (содержания диопсидового минала составляет 55-75 мол.% и геденбергитового минала – 5-20 мол.%) и одна разновидность представлена эгирин-авгитом (с содержание эгиринового минала до 19.5 мол.%). Анализ взаимоотношений выделенных разновидностей и особенности их химического состава (соотношение Mg# - Cr - Al) позволяет рассматривать четыре разновидности (I-IV) как ксенокристаллы, а разновидности V-VII как первичные фазы, кристаллизовавшиеся из магматического расплава во время извержения (см. Ogol.pdf)

Отдельные лавовые потоки содержат кристаллы, которые представлены зеленым авгит-эгирином (разновидность IV), часто содержащим включения апатита, шорломита и титанита, а также перовскитом с каймой ильменита и нефелином (см. Ogol.pdf). Данная ассоциация позволяет рассматривать их как ксенокристаллы, источником которых являются щелочные породы типа нефелинитов. Присутствие в одном лавовом потоке базальтов крупных ксеноморфных, резорбированных кристаллов плагиоклаза (Ab0.67 An 0.30 Or0.03), подобных по своему составу фенокристаллами плагиоклаза в плагиобазальтах вулкана Лемагрут, также позволяет рассматривать их как ксенокристаллы.

С учетом полученных данных базальты Огола представляются как гетерогенные породы, которые образовывались при кристаллизации нескольких порций мантийных расплавов базальтового состава. При этом, устанавливается их контаминация, как минимум, из двух дополнительных источников – щелочного (типа нефелинитов вулкана Садиман или туфов Лаетоли) и трахиандезитового (типа плагиобазальтов вулкана Лемагрут). Одна из разновидностей диопсида (ксенокристаллы Ic), которая характеризуется наибольшими значениями Mg# (0.87-0.94) и высоким содержанием хрома (0.5-1.4 мас.% Cr2O3) возможно является реликтом мантийных пород.

Исследование мелилит-нефелинит-фонолитовой эффузивной серии и карбонатитов вулкана Мосоник (Задача 2)

Новые данные позволили впервые выделить в составе вулканических пород вулкана Мосоник, формирование которого предшествовало описанной выше базальтовой серии, оливиновые меланефелиниты, которые встречаются в виде ксенолитов в пирокластических породах вулкана, а также формируют одну из даек, секущую пирокластические породы. Таким образом в составе силикатных пород вулкана установлены практически все типы пород, характерные для щелочно-ультраосновных комплексов с карбонатитами, но представленные не широко распространенными плутоническими породами, характерными для, к примеру, Кольской провинции, а их вулканогенными аналогами – оливиновыми меланефелинитами, мелилитовыми нефелинитами, нефелинитами, фонолитовыми нефелинитами и фонолитами. Геохимические характеристики пород показывают, что породы серии отличают умеренная титанистость, предельно низкие концентрации Ni, Cr в сочетании с высокими содержаниями некогерентных элементов и (La/Yb)N отношением, варьирующим в пределах 19-39. В отличие от базальтовых серий, в которых отношение (Tb/Yb)N, свидетельствующее об уровне генерации мантийных расплавов, варьирует в пределах 2.5 – 3.0 в щелочных вулканитах Мосоника это отношение, составляет 1.5 – 2.0, что указывает на более высокие уровни магмогенерации щелочных магм. Следует также отметить значительную коровую контаминацию магм Мосоника (индикаторные отношения Nb/Nb*, (La/Sm)N и др.), что, вероятно, связано с высокой флюидонасыщенностью высокотемпературных щелочных расплавов.

Изотопный состав Sr и Nd был определен в полной серии дифференциатов от оливинового меланефелинита, мелилитового нефелинита, до нефелинита и фонолита (всего 13 проб), что впервые, с учетом геохимических данных, открывает возможность детальной реконструкции путей эволюции щелочных серий, оценки роли контаминации и связи карбонатитовых и силикатных расплавов.

По результатам петрографического и минералогического исследование 28 образцов карбонатитов, на основе их текстурно-структурных особенностей, выделено две группы пород. Первая это средне- и реже крупнозернистые карбонатиты с массивной, однородной текстурой. Эти породы подобны карбонатитам, известным в составе щелочно-ультрасновных массивов Кольской провинции, например Ковдора, и рассматриваются нами как представители плутонических (интрузивных) пород. Вторая группа, это мелкозернистые карбонатиты с полосчатой, флюидальной текстурой. С учетом полевых наблюдений, а именно присутствия дайки карбонатитов в северо-западной части вулкана, эти породы рассматриваются как гипабиссальные разновидности – дайковые карбонатиты.

По минеральному составу, главным образом присутствию второстепенных и акцессорных минералов, выделяется, по крайней мере четыре разновидности карбонатитов, при этом во всех карбонатитах главным минералом является кальцит. Доломитовые карбонатиты не установлены с составе пород, слагающих вулкан. Для плутонических карбонатитов характерно присутствие апатита и магнетита, как основных второстепенных минералов. Гораздо реже, и в меньшем количестве, наблюдаются силикаты (диопсид, эгирин-авгит и флогопит). Для дайковых карбонатитов характерно большее разнообразие минералов, и в них установлено относительно широкое развитие минералов, содержащих стронций, барий и редкоземельные элементы – это стронцианит, барит, монацит, церит, церианит и другие. Особенностью изученных карбонатитов является отсутствие в них минералов ниобия и циркония. Эти особенности карбонатитов, а также установленный эволюционный ряд силикатных пород вулкана Мосоник, свидетельствуют о едином тренде в формировании щелочно-ультраосновных серий и связанных с ними карбонатитами, который прослежен как в плутонических производных Кольской провинции, так и в аналогичных вулканических сериях Кратерного нагорья.

Исследование химического состава кальцита, проведенное с целью оценки влияния широко распространенных низкотемпературных процессов изменения первичных минеральных фаз, базирующееся на результатах 165 определений с помощью волнового дисперсионного анализа на Cameca SX 100 для 12 образцов, показало, что для минерала характерны широкие вариации в содержании стронция, от 1.5 до 0 мас.% SrO. Для большинства зерен кальцита характерны низкие содержание элемента (менее 0.2 мас.%), а повышенные концентрации наблюдается в единичных анализах, исключительно в центральных частях зерен. Это свидетельствует о существенном, низкотемпературном гидротермальном преобразовании карбонатитов. С учетом полученных данных отобрано 15 образцов карбонатитов для определения изотопного состава углерода и кислорода в кальците, что позволит качественно определить степень гидротермального преобразования карбонатитов. Для последующего сравнительного анализа был определении изотопный состав углерода и кислорода в кальците из 18 образцов маркирующих туфов Лаетоли. Значения d18O VSMOW варьируют от 24.8 до 27.0 о/оо, что позволяет оценить температуру образования кальцита в туфах в интервале 35-45 С.

Изучение туфов Лаетоли (задача 3)

На основе полученных данных по минеральному составу туфов (Zaitsev et al 2019) проведены качественные термодинамические расчеты. Анализ взаимоотношений минеральных парагенезисов при замещении вторичными минералами (монтмориллонит, кальцит, филлипсит) основных породообразующих минералов туфов (мелилит, нефелин, шорломит, перовскит, магнетит) основанный на изучении системы Ca-Na-Al-Si-H-C-O в координатах мH2O- мCO2 (рис. 1 - Laetoli.pdf ) показывает, что в поле стабильности мелилита при относительно невысоких значениях химического потенциала воды ассоциация нефелина и кальцита замещается монмориллонитом-Ca, а затем ассоциацией монтмориллонита и филлипсита-Na. При более высоких значениях Н2О мелилит замещается ассоциацией монтмориллонита-Ca, филлипсита-Na и кальцита. В области относительно высоких значений углекислоты мелилит замещается ассоциацией нефелин, монтмориллонит и кальцит.

Рассмотрение диаграммы, отражающей взаимоотношение минеральных парагенезисов в системе Ca-Na-Al-Si-H-C-O в координатах мNa2O-мCO2 (рис. 2 - Laetoli.pdf ) показывает, что мелилит устойчив при относительно низких значениях химического потенциала СО2. При повышении значений углекислоты и высоких значениях Na2О мелилит замещается ассоциацией монтмориллонита-Са, кальцита и нефелина и кальцита, а при более низких – ассоциацией монтмориллонита-Са, кальцита и филлипсита-Na. Ассоциация нефелина и кальцита устойчивая при высоких значениях химического потенциала натрия, при понижении замещается монтмориллонитом.

Устойчивость титансодержащих минералов туфов (система Ca-Fe-Ti-Si-O-C) рассмотрена в зависимости от вариаций химических потенциалов кислорода и углекислоты (рис. 3 - Laetoli.pdf ). Показано, что поле устойчивости шорломита контролируется двумя реакциям: при повышении значений углекислоты и относительно невысоких значения химического потенциала кислорода он распадается на минеральную ассоциацию ульвошпинель, перовскит и кальцит, при более высоких значениях мО2 – на ассоциацию перовскит, магнетит, кальцит. В поле стабильности шорломита возможны его ассоциации с ульвошпинелью, магнетитом и кальцитом. При высоких значениях углекислоты устойчива ассоциация ульвошпинели, кальцита и перовскита.

Полученные качественные данные позволяют, в первом приближении, решить исключительно важную задачу для щелочных вулканогенных серий, а именно оценить влияние атмосферы (источника воды) и соотношения ювенильной/метеорной углекислоты на последовательность преобразования минералов в первичном вулканическом пепле и условия образования вторичных минералов.