Storage conditions and degassing processes of low-K and high-Al tholeiitic island-arc magmas: Experimental constraints and natural observations for Mutnovsky volcano, Kamchatka
Final Report Abstract
Geochemische und experimentelle Arbeiten an Gesteinen des Mutnovsky Vulkans (Kamtschatka, Russland) wurden durchgeführt, um den Transport von Volatilen (insb. H2O und CO2) von tiefen Magma-Reservoiren bis zu der Oberfläche zu untersuchen. Zusätzlich wurde versucht, die Tiefe der Magma-Reservoire genau zu bestimmen. Unterschiedliche Methoden wurden eingesetzt. Diese umfassen Experimente zur Bestimmung der Phasenbeziehungen und der Gaskomponentenlöslichkeit in silikatischen Schmelzen, petrografische und mineralogische Untersuchungen sowie die Untersuchung von Schmelzeinschlüssen in den natürlichen Proben. Experimente zur Bestimmung der Phasenbeziehungen wurden mit einem primitiven Basalt des Mutnovsky Vulkans (50 Gew-% SiO2, 7 Gew-% MgO) bei 100 und 300 MPa im Temperaturbereich zwischen 950°C und 1200°C durchgeführt. Bei beiden Drücken konnten die Mineralparagenese des Mutnovsky Basalts (Olivin + Plagioklas + Ca-Pyroxen + Titanomagnetit) sowie die Zusammensetzungen der koexistierenden Minerale experimentell reproduziert werden. Außerdem haben diese Experimente gezeigt, dass die fraktionierte Kristallisation des basaltischen Magmas zur Bildung der vulkanischen Serie des Mutnovsky führen kann. Die besten Bedingungen für eine gleichzeitige Kristallisation von Plag + Ol + CPx mit Zusammensetzungen nahe an denen der natürlichen Phänokristen (An 85-94, Fo 72-84, Mg# CPx 74-81) wurden bei Experimenten bei 300 MPa im Temperaturbereich von 1025 - 1075°C gefunden. Die Ergebnisse deuten auf die Existenz einer relativ oberflächennah unter dem Mutnovsky Vulkan gelegenen Magmakammer (1050 – 1075°C) in einer Tiefe von 1,5 – 3 km hin, deren Magma partiell entgast ist und einen Wassergehalt von 1,5-2,5 Gew.% aufweist. Die Wärme sowie die Fluide, die von diesem sehr heißen oberflächennahen Magmakörper produziert werden, könnten die Ursache für die starke hydrothermale Aktivität im Krater des Mutnovsky Vulkans sein. Die Löslichkeit von H2O- und CO2-haltigen Fluiden in tholeiitischen bis basanitischen Schmelzen wurde systematisch über einen weiten Druckbereich (50 - 900 MPa) bei Temperaturen oberhalb der Liquidustemperatur (1200 – 1250°C) untersucht. Die ermittelten Daten zur Bestimmung der Gaslöslichkeit erlauben Verbesserungen der numerischen Löslichkeitsmodelle für H2O und CO2 in mafischen Schmelzen inklusive der Quantifizierung des Einflusses der Schmelzzusammensetzung und des Druckes. Die Ergebnisse zeigen einen starken, nicht-linearen Einfluss der Schmelzzusammensetzung auf die Löslichkeit von CO2. Bei 500 MPa beispeilsweise lösen sich in einem Tholeiit ca. 3300 ppm CO2, während es in einem Nephelinit fast viermal so viel ist, ca. 13000 ppm CO2. Es wird der Parameter П* = (Ca2+ + 0.8K+ + 0.7Na+ + 0.4Mg2+ + 0.4Fe2+)/(Si4++Al3+) eingeführt, der zur Vorhersage der CO2-Löslichkeit in verschiedenen mafischen Schmelzen benutzt werden kann. Der Einfluss der Zusammensetzung auf die H2O-Löslichkeit ist bei niedrigen Drücken (50 – 100 MPa) vernachlässigbar, nimmt aber mit steigendem Druck zu und könnte als eine lineare Abhängigkeit vom SiO2- oder Alkaligehalt der Schmelze beschrieben werden. Die systematische Untersuchung der Löslichkeit von gemischt H2O-und CO2-haltigen Fluiden in Inselbogen-Tholeiitbasalt (Probe vom Mutnovsky Vulkan) im Druckbereich von 50 – 900 MPa hat die Erstellung eines H2O-CO2-Löslichkeitsdiagramms mit Isobaren und Isoplethen ermöglicht. Dieses kann zur Bestimmung der Gaskomponentensättigungsdrücke in natürlichen Basaltschmelzen (z.B. für Schmelzeinschlüsse in Phänokristen) genutzt werden.
Publications
- (2010) Solubility of H2O- and CO2-bearing fluids in tholeiitic basalts at pressures up to 500 MPa. Chemical geology, 277, 115-125
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- (2013) Storage conditions and of Bezymianny volcano parental magmas: Results of phase equilibria experiments 100 and 700 MPa. Contrib Mineral Petrol, 166, 1389–1414
Almeev R., Holtz, F., Ariskin A.A., Kimura J.I.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00410-013-0934-x) - Compositional and pressure effects on the solubility of H2O and CO2 in mafic melts. Chemical Geology, Volume 388, 21 November 2014, Pages 112-129
Shishkina T.A., Botcharnikov R.E., Holtz F., Almeev R., Jazwa A., Jakubiak A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2014.09.001)
