Conditions and Magmas Sources of Summit and Flank Eruptions of the Klyuchevskoy Volcano in 2020–2021: Isotope (Sr-Nd-Pb-O)-Geochemical Data

R. I. Cherkashin; Черкашин Р. И.; O. V. Bergal-Kuvikas; Бергаль–Кувикас О. В.; A. V. Chugaev; Чугаев А. В.; Yu. O. Larionova; Ларионова Ю. О.; I. N. Bindeman; Биндеман И. Н.; A. L. Khomchanovsky; Хомчановский А. Л.; E. Y. Plutakhina; Плутахина Е. Ю.

doi:10.31857/S0869590323030032

Conditions and Magmas Sources of Summit and Flank Eruptions of the Klyuchevskoy Volcano in 2020–2021: Isotope (Sr-Nd-Pb-O)-Geochemical Data

Authors: Cherkashin R.I.¹, Bergal-Kuvikas O.V.¹^,2, Chugaev A.V.², Larionova Y.O.², Bindeman I.N.³, Khomchanovsky A.L.¹, Plutakhina E.Y.¹
Affiliations:
1. Institute of Volcanology and Seismology, Far East Branch of the Russian Academy of Sciences
2. Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy and Geochemistry, Russian Academy of Sciences
3. University of Oregon
Issue: Vol 31, No 3 (2023)
Pages: 264-280
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0869-5903/article/view/137148
DOI: https://doi.org/10.31857/S0869590323030032
EDN: https://elibrary.ru/BZKRGC
ID: 137148

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

In 2021 a unique event occurred on Klyuchevskoy volcano (Kamchatka). After more than 30 years dominance of terminal eruptions a flank vent was formed. It was named after corresponding member of the Academy of Sciences USSR G.S. Gorshkov. The eruption began immediately after the end of the summit crater activation in 2020–2021 at an altitude of 2850 m in the northwestern part of the volcano, where no manifestations of flank volcanism were observed earlier. This paper presents geochemical and isotopic Sr-Nd-Pb-O data for lavas of the summit and flank eruptions of the Klyuchevskoy volcano in 2020–2021. A comparative petrographic analysis was carried out and the chemical composition of the Ol, Cpx, Pl phenocrysts of these lavas was analyzed. The lavas of both eruptions are alumina andesitic basalts of normal alkalinity. Variations of basic oxides in the lavas of the summit eruption and in the lavas of the G.S. Gorshkov vent are SiO₂ 53.1–53.2 wt. % and 51.6–53.2 wt. %, MgO 5.6 wt. % and 5.5–6.0 wt. %; respectively. Estimates of temperatures and pressures of plagioclase crystallization showed that for lavas of the summit eruption they were 1210–1118°С and 12.3–3.6 kbar, for lavas of the flank vent 1203–1119°С and 9.0–3.3 kbar. The content of the main elements, the proximity of the conditions of plagioclase generations, and the features of variations in the chemical composition of Ol, Cpx, and Pl phenocrysts in the lavas of both eruptions indicate the genetic relationship of the magmas that fed the summit and flank eruptions. The lavas of the summit eruptions of 2016, 2020–2021, as well as the lavas of the previous summit eruptions of the Klyuchevsky volcano, are characterized by highly sustained Sr-Nd-Pb isotopic characteristics: ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.703625–0.703626, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd = 0.513085–0.513102, ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = 18.3148–18.3179). Isotopic ratios ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb (15.5022–15.5107) and ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb (37.9597–38.0143) are significantly higher for the lavas of the last summit and flank eruptions than for all Klyuchevskoy’s lavas of the past, which indicates more complex processes of magma evolution at crustal levels. The values of δ¹⁸O = 6.49–7.39 rel. units (SMOW) in the lavas of the considered eruptions are consistent with previously published data on the Klyuchevsky volcano. The lavas of the Gorshkov vent are enriched with Ba, Zr, Sr and other incompatible elements at constant values of MgO in comparison with the lavas of the last summit eruptions, which indicates differences in the ways of evolution of their magmas. Sharply increased values of the ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio (0.703673–0.703743) in the lavas of the G.S. Gorshkov vent, not previously observed in the lavas of the Klyuchevsky volcano, testifies to intensive assimilation of crustal matter by the initial melts in the northwestern part of the volcano.

Keywords

Klyuchevskoy volcano, Kamchatka, 2020–2021 eruptions, flank vent, Sr-Nd-Pb-O isotopic data, conditions of magma genesis

References

Апрелков С.Е., Ольшанская О.Н. Тектоническое районирование Центральной и Южной Камчатки по геологическим и геофизическим данным // Тихоокеанская геология. 1989. № 1. С. 53–66.
Арискин A.A., Бармина Г.С., Озеров А.Ю., Нильсен Р.Л. Генезис высоко-глиноземистых базальтов Ключевского вулкана // Петрология. 1995. Т. 3 № 5. С. 42–67.
Брайцева О.К., Мелекесцев И.В., Пономарева В.В. и др. Возраст действующих вулканов Курило-Камчатского региона // Вулканология и сейсмология. 1994. № 4–5. С. 5–32.
Гирина О.А., Маневич А.Г., Мельников Д.В. и др. Активность вулканов Камчатки и Курильских островов в 2020–2021 гг. и их опасность для авиации // Вулканизм и связанные с ним процессы. Материалы XXIV ежегодной научной конференции, посвященной Дню вулканолога, 29–30 марта 2021 г., Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2021. С. 25–28.
Горельчик В.И., Сторчеус А.В. Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка // Геодинамика и вулканизм Курило-Камчатской островодужной системы. Петропавловск-Камчатский: ИВГиГ ДВО РАН, 2001. С. 373–379.
Зубин М.И., Козырев А.И., Лучицкий А.И. Гравитационная модель строения Ключевского вулкана (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 1990 № 5. С. 76–93.
Мороз Ю.Ф., Мороз Г.А. Глубинные проводящие зоны в области сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг // Физика Земли. 2006. № 6. С. 60–68.
Озеров А. Ю. Механизм базальтовых взрывов (экспериментальное моделирование) // Вулканология и сейсмология. 2010. № 5. С. 3–19.
Озеров А.Ю. Ключевской вулкан: вещество, динамика, модель. М.: ГЕОС, 2019. 306 с.
Озеров А.Ю., Гирина О.А., Мельников Д.В. и др. Вулкан Ключевской: новый побочный прорыв им. Г.С. Горшкова, 2021 г. (п-ов Камчатка) // Вест. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2021. № 1. Вып. 49. С. 5–9.
Пийп Б.И. Ключевская сопка и ее извержения в 1944–1945 гг. и в прошлом // Тр. лаборатории вулканологии АН СССР. 1956. Вып. 11. 308 с.
Покровский Б.Г., Волынец О.Н. Геохимия изотопов кислорода в эффузивах Курило-Камчатской дуги // Петрология. 1999. Т. 7. № 3. С. 227–251.
Сенюков С.Л., Нуждина И.Н., Дрознин Д.В. и др. Сейсмичность вулкана Ключевской в 2021 г. в связи с побочным прорывом имени Г.С. Горшкова // Проблемы комплексного геофизического мониторинга сейсмоактивных регионов. 2021. С. 228–235.
Тарарин И.А., Бадрединов З.Г., Дриль С.И. Геохимия и возраст метаморфических пород Хавывенской возвышенности Восточной Камчатки // Геохимия. 2007. № 9. С. 962–980.
Тарарин И.А., Дриль С.И., Сандимирова Г.П. и др. Изотопный состав стронция, неодима и свинца в метаморфических породах Хавывенской возвышенности Восточной Камчатки // Докл. АН. 2010. Т. 431. № 2. С. 238–241.
Федотов С.А. Магматическая питающая система и механизм деятельности Ключевского вулкана // Вулканология и сейсмология. 1993. № 3. С. 23–45.
Федотов С.А., Жаринов Н.А., Гонтовая Л.И., Собисевич А.Л. Вулкан Ключевской (Камчатка): деятельность, магматическая питающая система, сейсмотомография // Изменение окружающей среды и климата, природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Т. 2. Новейший вулканизм Северной Евразии: закономерности развития, вулканическая опасность, связь с глубинными процессами и изменениями природной среды и климата. М.: ИГЕМ РАН, 2008. С. 273–294.
Федотов С.А., Жаринов Н.А., Гонтовая Л.И. Магматическая питающая система Ключевской группы вулканов (Камчатка) по данным об ее извержениях, землетрясениях, деформациях и глубинном строении // Вулканология и сейсмология. 2010. № 1. С. 3–35.
Хренов А.П., Маханова Т.М., Богатиков О.А., Платэ А.Н. Результаты аэрокосмических исследований вулканов Камчатки (Ключевская группа вулканов) // Вулканология и сейсмология. 2002. № 2. С. 3–20.
Хубуная С.А., Соболев А.В. Первичные расплавы известково-щелочных магнезиальных базальтов Ключевского вулкана // Докл. АН. 1998. Т. 360. № 1. С. 100–102.
Хубуная С.А., Гонтовая Л.И., Соболев А.В., Хубуная В.С. К вопросу о магматических очагах под вулканом Ключевской // Вулканология и сейсмология. 2018. № 2. С. 14–30.
Черкашин Р.И., Иванов В.В., Озеров А.Ю. и др. Активность вулкана Ключевской в ноябре 2019–июне 2020 гг. // Вест. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2020. № 2(46). С. 5–9.
Acocella V. Neri M. What makes flank eruptions? The 2001 Etna eruption and its possible triggering mechanisms // Bull. Volcanol. 2003. V. 65. № 7. C. 517–529.
Auer S., Bindeman I., Wallace P. et al. The origin of hydrous, high-δ18O voluminous volcanism: diverse oxygen isotope values and high magmatic water contents within the volcanic record of Klyuchevskoy volcano, Kamchatka, Russia // Contrib. Mineral. Petrol. 2009. V. 157. № 2. P. 209–230.
Bergal-Kuvikas O., Nakagawa M., Kuritani T. et al. A petrological and geochemical study on time-series samples from Klyuchevskoy volcano, Kamchatka arc // Contrib. Mineral. Petrol. 2017. V. 172. № 5. P. 1–16.
Bergal-Kuvikas O., Chugaev A., Larionova Yu. et al. Major, trace element and Sr-Nd-Pb isotopic geochemistry of Gorshkov vent (18.02–21.03.2021), Klyuchevskoy volcano (Kamchatka, Russia): restart a new cycle of volcanic activity? // Geochem. Int. 2023. № 3. in the press.
Bindeman I.N. Ponomareva V.V., Bailey J.C., Valley J.W. Volcanic arc of Kamchatka: a province with high-δ18O magma sources and large-scale 18O/16O depletion of the upper crust // Geochim. Cosmochim. Acta. 2004. V. 68. № 4. P. 841–865.
Chugaev A., Chernyshev I., Lebedev V., Eremina A. Lead Isotope composition and origin of the quaternary lavas of Elbrus Volcano, the Greater Caucasus: High-precision MC-ICP-MS data // Petrology. 2013. V. 21. № 1. P. 16–27.
Dorendorf F., Wiechert U., Wörner G. Hydrated sub-arc mantle: a source for the Kluchevskoy volcano, Kamchatka/Russia // Earth Planet. Sci. Lett. 2000. V. 175. № 1–2. P. 69–86.
Gavrilenko M., Herzberg C., Vidito C. et al. A calcium-in-oli-vine geohygrometer and its application to subduction zone magmatism // J. Petrol. 2016. T. 57. № 9. P. 1811–1832.
Gudmunsson A., Oskarsson N., Gronvold K. et al. The 1991 eruption of Hekla, Iceland // Bull. Volcanol. 1992. V. 54. № 3. P. 238–246.
Kayzar T.M., Nelson B.K., Bachmann O. et al. Deciphering petrogenic processes using Pb isotope ratios from time-series samples at Bezymianny and Klyuchevskoy volcanoes, Central Kamchatka Depression // Contrib. Mineral. Petrol. 2014. V. 168. № 4. P. 1–28.
Kersting A., Arculus R. Pb isotope composition of Klyuchevskoy volcano, Kamchatka and North Pacific sediments: implications for magma genesis and crustal recycling in the Kamchatkan arc // Earth Planet. Sci. Lett. 1995. V. 136. № 3–4. P. 133–148.
Koulakov I., Abkadyrov I., Al Arifi N. et al. Three different types of plumbing system beneath the neighboring active volcanoes of Tolbachik, Bezymianny, and Klyuchevskoy in Kamchatka // J. Geophys. Res.: Solid Earth. 2017. V. 122. № 5. P. 3852–3874.
Ludden J.N. Eruptive patterns for the volcano Piton de la Fournaise, Reunion Island // J. Volcanol. Geotherm. Res. 1977. V. 2. № 4. P. 385–395.
Melnik O., Lyukhovsky V., Shapiro N. et al. Deep long period volcanic earthquakes generated by degassing of volatile-rich basaltic magmas // Nature Communicat. 2020. V. 11. № 1. P. 1–7.
Mironov N.L., Pletchov P.Y., Portnyagin M.V., Khubunaya S.A. Final stages of magma evolution in Klyuchevskoy volcano, Kamchatka: evidence from melt inclusions in minerals of high-alumina basalts // Petrology. 2001. V. 9. № 1. P. 51–69.
Ozerov A.Y. The evolution of high-alumina basalts of the Klyuchevskoy volcano, Kamchatka, Russia, based on microprobe analyses of mineral inclusions // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2000. T. 95. № 1–4. C. 65–79.
Peltier A., Bachelery P., Staudacher T. Magma transport and storage at Piton de La Fournaise (La Réunion) between 1972 and 2007: A review of geophysical and geochemical data // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2009. V. 184. № 1–2. P. 93–108.
Putirka K.D. Igneous thermometers and barometers based on plagioclase + liquid equilibria: Tests of some existing models and new calibrations // Amer. Mineral. 2005. V. 90. №. 2–3. P. 336–346.
Putirka K.D. Thermometers and barometers for volcanic systems // Rev. Mineral. Geochem. 2008. V. 69. № 1. C. 61–120.
Rehkämper M., Halliday A.M. Accuracy and long-term reproducibility of lead isotopic measurements by multiple-collector inductively coupled plasma mass spectrometry using an external method for correction of mass discrimination // Int. J. Mass Spectrom. 1998. V. 181. № 1–3. P. 123–133.
Sharp A.D.L., Davis P.M., Gray F. A low velocity zone beneath Mount Etna and magma storage // Nature. 1980. V. 287. № 5783. P. 587–591.
Sun S.S., McDonough W.F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes // Geol. Soc. London, Spec. Publ. 1989. V. 42. № 1. P. 313–345.
Turner S., Sims K., Reagan M. A 210Pb–226Ra–230Th–238U study of Klyuchevskoy and Bezymianny volcanoes, Kamchatka // Geochim. Cosmochim. Acta. 2007. V. 71. № 19. P. 4771–4785.
Viccaro M., Giacomoni P., Ferlito C., Cristofolini R. Dynamics of magma supply at Mt. Etna volcano (Southern Italy) as revealed by textural and compositional features of plagioclase phenocrysts // Lithos. 2010. V. 116. № 1–2. P. 77–91.
Yokoyama I. Parasitic eruptions on Sakurajima Volcano // Bull. Volcanol. Soc. Jpn. 2013. V. 58 № 1. P. 91–102.
Yokoyama I. Eruption patterns of parasitic volcanoes // Ann. Geoph. 2015. V. 58. № 3. P. 1–17.