Вулканические породы, представляющие наряду с другими вулканогенными образованиями основной объект изучения в палеовулканологии, непосредственно наблюдаемый в поле и лаборатории, и естественной обстановке встречаются обычно в разных сочетаниях друг с другом, а также с пирокластическими, осадочными и иными породами. Поэтому давно уже были предприняты различные попытки упорядочить сведения об этих породах путем объединения их в «естественные ассоциации». Первые попытки такого рода относятся еще к домикроскопическому периоду в истории геологии; они основывались, конечно, на сравнении химических анализов пород.
Соответствующего направления исследования ведут начало от Дюроше, Ф. Ю. Левинсон-Лессинга, Иддингса и других исследователей, привлекавших к общей систематике изверженных пород главным образом пересчитанные тем или иным способом химические данные. На этой основе были разработаны представления о петрографических провинциях, объединяющих щелочно-известковые и щелочные кланы (Sippe) пород собственно Тихоокеанской и Атлантической провинций. В дальнейшем были выделены собственно Атлантические натриевые и Средиземноморские калиевые «магмы», а затем Бурри предложил различать в Тихом океане ряд провинций с характерными для них молодыми вулканическими породами.
Разрабатывая основы петрохимии как науки, ставящей целью «сравнительное изучение естественных комплексов горных пород в отношении их химизма», А. Н. Заварицкий также обратился к идее исследования ассоциаций вулканических пород по особенностям их химического состава. Для этого он предложил использовать разработанный им метод пересчета химических анализов, сейчас широко известный в нашей стране, и привлек данные Бурри, Вольфа и других исследователей для выделения типовых, эталонных ассоциаций вулканических пород. Сравнение, проведенное на основе предложенного метода, позволило А. Н. Заварицкому построить ряд кривых, определяющих особенности и вариации состава пород, свойственные различным ассоциациям. Эти кривые, характеризующие петрохимические ассоциации вулканических пород, широко применяются сейчас многими исследователями для сравнения изверженных пород, принадлежащих самым различным регионам и разным возрастным группам и ассоциациям.
Подобного рода построения хотя и отражают общее разнообразие пород, входящих в ту или иную ассоциацию, тем не менее не учитывают количественных соотношений между различными видами этих пород. Поэтому, естественно, дальнейшие поиски в области совершенствования методов сравнения ассоциаций пород в настоящее время идут по линии приложения к разработке данной проблемы современных методов математической статистики, опирающейся на использование электронно-вычислительных машин. Такие поиски применительно к вулканическим породам ведут, в частности, В. В. Кепежинскас, В. А. Кутолин и другие исследователи. Разрабатываются и другие возможности математических методов, основанные на факторном и кластерном анализе, а также на новых подходах к сравнению серий и групп химических анализов (П. М. Бондаренко и др.). В большинстве случаев все эти новые методы привлекаются преимущественно к выявлению типичных черт химизма вулканических пород, свойственных различным структурным зонам, или используются для различных корреляций со строением глубинных зон Земли. Наряду с этим предпринимаются различные усилия для привлечения математических методов к разграничению различных групп пород на основе расчета дискриминантных функций (Чейз, Лемэтр). Однако до сих пор еще по-прежнему нет достаточно совершенного и удобного математического метода сравнения химического состава ассоциаций изверженных, в том числе вулканических, пород. Поиски в этом направлении должны продолжаться.
Нынешнее состояние проблемы петрохимических ассоциаций вулканических пород определяется, таким образом, тем, что, во-первых, имеется возможность проводить сравнения таких ассоциаций на основании применения системы пересчетов, предложенных А. Н. Заварицким и все еще сохраняющих существенное значение в нашей стране, во-вторых, тем, что такие же сравнения можно осуществлять на основе выделения серий, отличающихся по комплексу химических и минералогических признаков, включая малые элементы, а в-третьих — поисковым характером исследований, связанных с выделением петрохимических серий или групп на основе приложения методов математической статистики.
Прежде всего о петрохимических сериях А. Н. Заварицкого. В них объединены породы, принадлежащие либо одному вулкану, либо группе вулканов со сходными чертами строения и «общностью геологического положения». Изображение серий дается на барицентрических диаграммах, представляющих развертку тетраэдра на плоскость. На диаграммах ось SB (фемическая) отвечает содержанию в породах кремния (S) и фемических компонентов (б), А — щелочная ось и С — анортитовая ось, указывающая содержание анортитовой молекулы в плагиоклазах. Различные серии на диаграммах отличаются тем, что соответствующие им линии, следующие вдоль зоны наибольшего сгущения фигуративных точек, изображающих единичные анализы, неодинаково наклонены относительно оси SB и по-разному удалены от нее. При таком способе построения кислые породы изображаются точками вверху на диаграмме, основные — внизу, а щелочные оказываются смещенными вправо от пород щелочноземельного ряда. В местах расположения точек размещаются векторы, по которым в правой части диаграммы отмечаются (по расчетам) относительные содержания железа к магнию (пологие векторы, наклоненные вправо, отвечают преобладанию магния, крутые — железа) или алюминия к железу (пологие векторы, наклоненные влево, соответствуют избытку глинозема, крутые — меньшему его содержанию). Такие же векторы в левой части диаграммы означают относительную роль натрия и калия: крутой наклон вектора отвечает преобладанию натрия над калием, пологий — калия над натрием.
Способ пересчета химических анализов и построения таких диаграмм описан А. Н. Заварицким в его работах и в руководстве по пересчетам С. Д. Четверикова. Используя систему пересчетов, Г. С. Горшков предпринял попытку представить серии, типичные для океанов и континентов, на основе данных о средних химических составах пород. На его схеме в качестве типовой черты различий указан наклон кривых на диаграмме, составляющий для серий континентальных 15—18°, а для океанических — около 30° к оси SB.
Переходя к вопросам выделения вулканических серий по комплексу химических и минералогических признаков, включая редкие элементы, необходимо подчеркнуть, что основой в такого рода систематике серий является в первую очередь химический состав пород; другие признаки являются не определяющими, а второстепенными. Общий обзор таких серий дан сравнительно недавно Жиро; он считает возможным выделять пять серий: а) толеитовую, б) известково-щелочную, в) щелочную, г) промежуточную и д) шошонитовую.
Толеитовая серия охватывает группу пород достаточно разнообразную, поэтому ее название в известной степени условно: Наряду с толеитовыми базальтами серии подчинены андезиты, которые И. Кармишель рекомендовал называть исландитами, а также кислые породы риолитового состава. Характерно отношение (Na2O + К2O) / SiO2, отличающее всю эту серию от известково-щелочной на соответствующей диаграмме по разграничительной линии, предложенной Куно в 1968 г. В нормативном составе пород (по CJPW) характерно пересыщение всех лав серии кремнеземом (кварц, гиперстен). Типично также обогащение железом (феннеровский тренд) в средних породах, вследствие чего появляются такие породы, как исландиты и ферробазальты. В минеральном составе пород типичен пижонит, поэтому Куно считал возможным называть эту серию пижонитовой. Характерно присутствие оливина в основных и кислых породах (не в средних) с соответственным изменением состава от форстерита к фаялиту. Общая эволюция состава пород указывает на прогрессивное обогащение железом. В кислых лавах характерны кварц и щелочные полевые шпаты, отвечающие гранофировому остатку дифференциации габбро и долеритов. Пример, на который ссылается Жиро, — Гекла в Исландии.
Известково-щелочная серия, называемая также, по Куно, «гиперстеновой серией», как и предыдущая, содержит лавы, перенасыщенные кремнеземом. В ней, кроме того, имеются базальты, обогащенные Al2O3 (SiO2 < 53%; Al2O3 > 17%), а также андезиты (53% < SiO2 < 62%), дациты (62% < SiO2 < 68%) и риолиты (SiO2 > 68%). На диаграмме щелочи-кремнезем точки, отвечающие породам этой серии, расположены между группами точек толеитовой и щелочной серий. Характерно несколько более высокое содержание суммы щелочей, чем в порогах толеитовой серии. В минералогическом отношении типично присутствие ортопироксена в фенокристах и основной массе пород. Пижонит, наоборот, редок или отсутствует. Оливин присутствует в фенокристах средних и основных пород, но он неустойчив и вступает в реакцию с расплавом, преобразуясь в ортопироксен. Основные и средние породы имеют обычно порфировое строение, и в них есть вкрапленники зонального плагиоклаза и клинопироксена. По данным об исландитах, средние лавы (андезиты и дациты) более богаты А12O3 (> 17%), но бедны TiO2 и Fe. Типично частое присутствие в породах серии гидроксильных минералов — роговой обманки и биотита.
Щелочная серия отличается от предыдущих значением соотношения сумма щелочей — кремнезем и дефицитом кремнезема, выраженного присутствием нормативных оливина и фельдшпатоидов. При общей недонасыщенности SiO2 породы этой серии варьируют по содержанию кремнезема, калия и натрия. Поэтому Е. Саггерсон и Л. Вильямс предложили еще в 1964 г. выделять вместо одной щелочной серии две — умереннощелочную и сильнощелочную. В умереннощелочной серии обычны щелочные базальты, лавы, лишенные фельдшпатоидов, но содержащие нормативный нефелин (по Грину и Рингвуду, в общем около 5%), а также базаниты, фельдшпатоидные лавы, в которых содержится более 5% нормативного нефелина. В сильнощелочной серии основные породы представлены преимущественно нефелинитами, лавами, резко недонасыщенными кремнеземом, лишенными полевых шпатов и богатыми фельдшпатоидами. Щелочные базальты эволюционируют в сторону трахитов, несколько недонасыщенных или перенасыщенных кремнеземом (но не к риолитам), тогда как базаниты и нефелиниты — к нефелинитам и фонолитам. Такие соотношения между кислыми и основными породами серии отвечают фракционной кристаллизационной дифференциации.
Как отмечал Куно, на диаграмме щелочи — кремнезем устанавливаются различия между продуктами дифференциации, перенасыщенными SiO2: при содержании SiO2 более 60% сумма щелочей составляет менее 10% для первых и выше 10% для вторых. Для первого типа лав щелочной серии Ирвин и Барагар в 1971 г. предложили различать натриевый (Na/K > 1) и калиевый (Na/K < 1) ряды. В умереннощелочной серии Na-ряд представлен щелочными базальтами (и базанитами), гавайитами, муджиеритами, бенморитами и трахитами (и/или фонолитами). В серии сильнощелочной Na-породы (например, нефелиниты) встречаются чаще, чем калиевые. Обычно калиевые недонасыщенные лавы имеют очень специфичный минеральный и химический состав. Количественные данные показывают, что средние породы типа гавайитов и муджиеритов очень редки. Базальты в целом преобладают в этой серии, но отмечены случаи (например, вулкан Кения), в которых господствующими оказываются фонолиты. Существование разрыва между базальтами и средними лавами определяется отношением между гавайитами и муджиеритами, которые, как предполагается, являются дифференциатами базальтовой магмы, образовавшимися при высоком давлении (более 10 кбар) в верхней мантии.
В отношении минерального состава щелочная серия характеризуется отсутствием ортопироксена и пижонита, присутствием оливина в фенокристах и основной массе пород, а также пироксена, более богатого Ti и Ca, чем в предыдущих сериях. Щелочной полевой шпат обычен в фонолитах, трахитах и риолитах, но в основных породах содержится лишь в небольшом количестве в мезостазисе. В щелочных базальтах, ба занитах и нефелинитах часты включения перидотитов и минералов ранних фаз кристаллизации (феррисиаллит, керсутит, олигоклаз, шпинель и другие).
Промежуточная серия занимает положение между толеитовой и щелочной сериями. Породы промежуточной серии представлены базальтами с нормативными гиперстеном и оливином; они обычно относительно обогащены Fe, как и породы толеитовой серии, но кислые породы этой серии, перенасыщенные кремнеземом, существенно обогащены щелочами и могут рассматриваться как сверхщелочные. Такие сверхщелочные породы содержат щелочи в количестве, превышающем то, которое входит в состав полевых шпатов или фельдшпатоидов. Иначе говоря, в таких породах сумма щелочей больше Al2O3. Классическим типом такого состава пород являются комендиты и пантеллериты, а в целом к ним относятся также риолитовые лавы щелочной и промежуточной серий.
В минеральном составе пород промежуточной серии характерно присутствие в основных типах оливина и пижонита в мезостазисе, а также гиперстена в зависимости от степени пересыщения пород кремнеземом. Также могут быть характерными следы клинопироксена, бедного Са. Ультращелочные кислые лавы отличаются присутствием натровых минералов, лишенных алюминия, таких, как эгирин, арфведсонит и др.
Примером промежуточной серии являются широкоизвестные сейчас четвертичные лавы вулканической группы Бойна в Афаре, описанной Барбери и другими в 1975 г. Жиро отмечает, что имеются также другие примеры океанических и континентальных областей, где риолиты принадлежат ультращелочному ряду пород, тогда как базальты, с которыми они ассоциируют, хотя и являются щелочными, но в меньшей степени, чем кислые породы.
Шошонитовая серия выделена Жоплиным в качестве ассоциации вулканических пород с типичным для них повышенным содержанием калия. Хотя первоначально высказывались сомнения в возможности ее выделения, сейчас эта серия охарактеризована достаточно определенно на примерах Абсарока (Вайоминг), Стромболи и других регионов. Идентификация этой серии построениями на диаграмме щелочи-кремнезем исключается, так как точки, соответствующие типичным для нее породам, попадают в поле щелочной серии. Тем не менее есть ряд характерных признаков химического состава пород серии. В них повышено содержание калия, поэтому отношение K2O/Na2O близко к единице (при среднем 0,5 для щелочных базальтов), относительно мало содержание TiO2. Поведение железа изменчиво, в некоторых случаях проявляется «феннеровский тренд», но в других, вероятно более многочисленных, обогащения железом в промежуточной группе породе не наблюдается. Степень насыщения кремнеземом незначительна, резкого дефицита его в породах не наблюдается; в шошонитах могут быть либо нормативный кварц, либо такой же нефелин. Мак Кензи и Шаппель предложили различать внутри серии по содержанию кремнезема и окиси калия: основные лавы (<50% SiO2) — абсарокиты (или шошонитовые базальты), средние (50% < SiO2 < 57%) — шошониты и кислые лавы (SiO2 > 57%) — латиты.
Минеральный состав пород шошонитовой серии отличается: а) присутствием фенокрист зональных оливина, клинопироксена, плагиоклаза и иногда ортопироксена; б) обилием калиевых полевых шпатов в основной массе пород, а также фенокрист плагиоклаза, содержащегося и в мезостазисе; в) наличием в основной массе породы оливина, относительно обогащенного железом. Среди других минералов обычны ин терстициональный флогопит, анальцим (Стромболи), лейцит (о-ва Фиджи), высокотемпературный кремнезем (Перу). Стекло шошонитовое, если оно есть, имеет различный состав, отвечающий либо толеитовому базальту, либо щелочному базальту.
Рассматривая все перечисленные пять серий вулканических пород. Жиро и его соавторы дали общий обзор данных о структурном положении вулканических серий в литосферных плитах. Определена, в частности, роль толеитовых серий на океаническом дне, где типично распространение базальтов с низким содержанием калия. Отмечено, что на океанических островах и «подводных горах» сосредоточены преимущественно базальтовые лавы, но в отличие от свойственных океаническому дну они более разнообразны; обычны также промежуточные и щелочные серии с варьирующим отношением K/Na. Содержание К, Р, Ti в базальтах островов значительно выше, чем на океаническом дне. Для зон так называемой субдукции, т. е. зон предполагаемого поддвигания океанических плит под континент, типичны толеитовые серии, включающие «андезитовые» базальты, наряду с которыми распространены известково-щелочные серии с обычными андезитами. Отношение Na/K в толеитовых сериях значительно выше, чем в известково-щелочных, в которых отмечается, кроме того, повышенное содержание глинозема (17—18%). В области континентальных окраин известковощелочные серии отличаются от свойственных островным дугам тем, что в них наряду с господством андезитов содержится очень много дацитов и риолитов. Эти кислые породы представлены преимущественно пирокластическими отложениями (игнимбритами и пемзами). На краях континентов присутствуют еще и шошонитовые серии. Для континентальных областей характерны щелочные и толеитовые вулканические серии. Анализ структурного положения вулканических серий, проведенный Жиро и его соавторами, кратко изложен в рецензии на их книгу, опубликованной в серии «Новые книги за рубежом», где указаны также некоторые другие характерные черты этих серий, в частности типичные для различных структурных обстановок содержания Rb, Sr, Ва, Th, U и других элементов, а также свойственные разным условиям значения отношений изотопов стронция.
Результаты исследований, связанных с выделением вулканических серий, — это, как нам представляется, первый шаг по пути к анализу проблемы ассоциаций различных пород, выявляемых на основе свойственных им парагенезов. Речь идет о пути к тому виду исследований, который намечен работами Н. С. Шатского и охватывает в более широком плане проблему изучения ассоциаций горных пород, так как связывает в единую систему построений все разнообразие пород, сопровождающих вулканические серии, т. е. в равной степени осадочные и другие вулканогенные, а также интрузивные породы.
Распространение вулканических серий на земной поверхности с полной отчетливостью выдвигает перед исследователем вопрос об отношении их к другим сериям пород, возникающим в экзогенных условиях и не связанным непосредственно с глубинными процессами. Поэтому для изучения в более широком плане связей между различными по составу типами пород необходим парагенетический анализ отношений между разнотипными вулканогенными, в том числе вулканическими, породами, а вместе с тем и с породами осадочного происхождения, сопровождающими вулканические серии в более или менее сложных сочетаниях.