On the connection between sulfide inclusions in olivine from Tolbachik volcano and fluids from mafic cumulates beneath the Klyuchevskoy group volcanoes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The high activity of the Klyuchevskaya group of volcanoes in the Holocene suggests the accumulation of large volumes of solidified magmas with a low melt content (cumulates) and ultramafic-mafic intrusions in the earth's crust beneath it. In combination with the high fluid flux characteristic of the zone of rapid subduction of an ancient oceanic plate, this creates conditions for the formation of a fluid-magmatic ore-forming system. Sulfide inclusions in olivine, found in the eruption products of the Tolbachik volcano, may provide information about the composition of the fluid of such ore-forming systems. The interaction of a low-water reduced fluid with an oxidized (NNO+1.3) basaltic melt with a dissolved sulfur content of 2000–3000 ppm was theoretically modeled. It is shown that at a local fluid content of about 1–2 wt.%, sulfur in the melt is reduced and a sulfide melt is formed. The reduction of sulfur in the melt can also be caused by the dissolution of SO2, which is the main form of sulfur in the fluid with oxygen fugacity fO2 NNO+1.5. The reducing effect is explained by the higher degree of oxidation of sulfate sulfur in the melt (S6+) than the degree of oxidation of SO2 sulfur in the fluid (S4+). According to the modeling results, sulfide melt appears when 2000–3000 ppm sulfur is dissolved in the melt in the form of SO2. When interacting with a barren fluid with a low content of precious metals (PM), droplets of sulfides with a low PM content are formed, corresponding to the background composition of the magma. According to experimental data, in the reduced low-water fluid, the solubility of Pt and Pd in the form of carbonyls is high with low solubility of Au, whereas at high oxygen fugacity (NNO+1÷1.5) the solubility of gold is very high. When magma interacts with ore-forming fluids containing the first tens of ppm of precious metals, a sulfide melt is formed, enriched in Au (oxidized fluid) or Pt (reduced fluid). The liquidus temperature of olivine increases due to local dehydration of the magmatic melt when interacting with a low-water fluid (or oxidized brine), which leads to rapid growth of olivine at high undercooling. The localization of phase transitions at the boundary of fluid bubbles facilitates the capture of sulfide droplets by growing olivine crystals. The rare occurrence of sulfide droplet inclusions in olivine from Tolbachik volcano may be due to rapid dissipation of magma-fluid interaction effects at low average content of injected fluid, resulting in the sulfide phase dissolving in the magma.

About the authors

A. G. Simakin

Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: simakin@iem.ac.ru
Chernogolovka, Moscow district, Russia

References

  1. Добрецов Н.Л., Симонов В.А., Котляров А.В., Ступаков С.И. Особенности летучих компонентов в надсубдукционных базальтовых расплавах вулкана Толбачик (Камчатка) // Геология и геофизика. 2017. Т. 58. № 8. С. 1093—1115
  2. Нурмухамедов А.Г., Недядько В.В., Ракитов В.А., Липатьев М.С. Границы литосферы на Камчатке по данным метода обменных волн землетрясений // Вест. КРАУНЦ. Серия: Науки о Земле. 2016. Вып. 29. № 1. С. 35–52.
  3. Симакин А.Г., Девятова В.Н., Шапошнико- ва О.Ю., Тютюнник О.А. Растворимость Pt и Pd в двухфазном маловодном флюиде состава NaCl-СO2-CO-(H2O) при низкой fO2 и высокой fCl2 (Т = 950оС и Р = 200 МПа). Добрецовские чтения: Наука из первых рук. Материалы Второй Всероссийской научной конференции, посвященной памяти академика РАН Н.Л. Добрецова (18–26 июля 2024 г. Новосибирск–Горный Алтай, Россия). 2024. С. 226–229. doi: 10.53954/9785605099628
  4. Ballhaus C., Berry R.F., Green D.H. High pressure experimental calibration of the olivine-orthopyroxene-spinel oxygen geobarometer: implications for the oxidation state of the upper mantle // Contrib. Mineral. Petrol. 1991. V. 107. P. 27–40.
  5. Barnes S.J., Liu W. Pt and Pd mobility in hydrothermal fluids: Evidence from komatiites and from thermodynamic modelling // Ore Geol. Rev. 2012. V. 44. P. 49–58.
  6. Barnes S.J., Godel B., Gurer D. et al. Sulfide-olivine Fe-Ni exchange and the origin of anomalously Ni rich magmatic sulfides // Econom. Geol. 2013. V. 108. P. 1971–1982.
  7. Benard A., Nebel O., Ionov D.A. et al. Primary silica-rich picrite and high-Ca boninite melt inclusions in pyroxenite veins from the Kamchatka sub-arc mantle // J. Petrol. 2016. V. 57. No 10. P. 1955–1982.
  8. Berkesi M., Guzmics T., Szabо C. et al. The role of CO2 rich fluids in trace element transport and metasomatism in the lithospheric mantle beneath the Central Pannonian Basin, Hungary, based on fluid inclusions in mantle xenoliths // Earth Planet. Sci. Lett. 2012. V. 331–332. P. 8–20.
  9. Borisov A., Behrens H., Holtz F. Ferric/ferrous ratio in silicate melts: A new model for 1 atm data with special emphasis on the effects of melt composition // Contrib. Mineral. Petrol. 2018. V. 173. P. 98.
  10. Boudreau A.E., Mathez E.A., McCallum I.S. Halogen geochemistry of the Stillwater and Bushveld Complexes: Evidence for transport of the platinum-group elements by Cl-rich fluids // J. Petrol. 1986. V. 27. No 4. P. 967–986. https://doi.org/10.1093/petrology/27.4.967
  11. Boulliung J., Wood B.J. Sulfur oxidation state and solubility in silicate melts // Contrib. Mineral. Petrol. 2023. V. 178. P. 56. https://doi.org/10.1007/s00410-023-02033-9
  12. Cameron E.M., Cogulu E.H., Stirling J. Mobilization of gold in the deep crust: Evidence from mafic intrusions in the Bamble belt, Norway // Lithos. 1993. V. 30. P. 151–166.
  13. Chaplygin I., Yudovskaya M., Vergasova L., Mokhov A. Native gold from volcanic gases at Tolbachik 1975–76 and 2012–13 Fissure Eruptions, Kamchatka // J. Volcanol. Geothermal Res. 2015. V. 307. P. 200–209. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2015.08.018.
  14. Churakov S.V., Gottschalk M. Perturbation theory based equation of state for polar molecular fluids: II. Fluid mixtures // Geochim. Cosmochim. Acta. 2003. V. 67. No 13. P. 2415–2425. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(02)01348-0
  15. Dallai L., Cioni R., Boschi C., D’Oriano C. Carbonate-derived CO2 purging magma at depth: Influence on the eruptive activity of Somma-Vesuvius, Italy // Earth Planet. Sci. Lett. 2011. V. 310. No 1–2. P. 84–95. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2011.07.013
  16. Ding S., Plank T., Wallace P.J., Rasmussen D.J. Sulfur_X: A model of sulfur degassing during magma ascent // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2023. V. 24. e2022GC010552. https:// doi.org/10.1029/2022GC010552
  17. Frost B.R. On the stability of sulfides, oxides, and native metals in serpentinite // J. Petrol. 1985. V. 26. Iss. 1. P. 31–63. https://doi.org/10.1093/petrology/26.1.31
  18. Frost B.R. Introduction to oxygen fugacity and its petrologic importance // Rev. Mineral. Geochem. 1991. V. 25. No 1. P. 1–9.
  19. Gerrits A.R., Inglis E.C., Dragovic B. et al. Release of oxidizing fluids in subduction zones recorded by iron isotope zonation in garnet // Nat. Geosci. 2019. V. 12. P. 1029–1033. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0471-y
  20. Iacono-Marziano G., Le Vaillant M., Godel B.M. et al. The critical role of magma degassing in sulphide melt mobility and metal enrichment // Nature Communications. 2022. V. 13. P. 2359. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30107-y
  21. Jayasuriya K.D., O’Neill H.St.C., Berry A.J., Campbell S.J. A messbauer study of the oxidation state of fe in silicate melts // Amer. Mineral. 2004. V. 89. P. 1597–1609.
  22. Jugo P.J., Wilke M., Botcharnikov R.E. Sulfur K-edge XANES analysis of natural and synthetic basaltic glasses: Implications for S speciation and S content as function of oxygen fugacity // Geochim. Cosmochim. Acta. 2010. V. 74. P. 5926–5938.
  23. Kamenetsky V.S., Zelenski M., Gurenko A. et al. Silicate-sulfide liquid immiscibility in modern arc basalt (Tolbachik volcano, Kamchatka): Part II. Composition, liquidus assemblage and fractionation of the silicate melt // Chemical Geol. 2017. V. 471. P. 92–110. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.09.019
  24. Kiryukhin A., Chernykh E., Polyakov A., Solomatin A. Magma fracking beneath active volcanoes based on seismic data and hydrothermal activity observations // Geosci. 2020. V. 10. No 2. P. 52. https://doi.org/10.3390/geosciences10020052
  25. Koulakov I., Gordeev E.I., Dobretsov N.L. et al. Rapid changes in magma storage beneath the Klyuchevskoy group of volcanoes inferred from time-dependent seismic tomography // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2013. V. 263. P. 75–91.
  26. Kutyrev A., Zelenski M., Nekrylov N. et al. Noble metals in arc basaltic magmas worldwide: A case study of modern and pre-historic lavas of the Tolbachik Volcano, Kamchatka // Front. Earth Sci. 2021. V. 9. 791465. https://doi.org/10.3389/feart.2021.791465
  27. Masotta M., Keppler H. Anhydrite solubility in differentiated arc magmas // Geochim. Cosmochim. Acta. 2015. V. 158. P. 79–102.
  28. Metrich N., Clocchiatti R. Sulfur abundance and its speciation in oxidized alkaline melts // Geochim. Cosmochim. Acta. 1996. V. 60. Iss. 21. P. 4151–4160. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(96)00229-3
  29. Mironov N.L., Portnyagin M.V. Coupling of redox conditions of mantle melting and copper and sulfur contents in primary magmas of the Tolbachinsky Dol (Kamchatka) and Juan de Fuca Ridge (Pacific Ocean) // Petrology. 2018. V. 26. No 2. P. 145–160.
  30. Moussallam Y., Edmonds M., Scaillet B. et al. The impact of degassing on the oxidation state of basaltic magmas: A case study of Kīlauea volcano // Earth Planet. Sci. Lett. 2016. V. 450. P. 317–325. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.06.031
  31. Nash W.M., Smythe D.J., Wood B.J. Compositional and temperature effects on sulfur speciation and solubility in silicate melts // Earth Planet. Sci. Lett. 2019. V. 507. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.12.006.
  32. Phillips G.N., Powell R. Formation of gold deposits: A metamorphic devolatilization model // J. Metamorph. Geol. 2010. V. 28. No 6. https://doi.org/10.1111/j.1525-1314.2010.00887.x
  33. Pokrovski G.S., Borisova A.Y., Bychkov A.Y. Speciation and transport of metals and metalloids in geological vapors // Rev. Mineral. Geochem. 2013. V. 76. P. 165–218.
  34. Ponomareva V., Melekestsev I., Braitseva O. et al. Late pleistocene-holocene volcanism on the Kamchatka Peninsula, Northwest Pacific Region // Geophysical Monograph Series. 2007. V. 172. P. 165–198. https://doi.org/10.1029/172GM15
  35. Prokofiev V.Y., Banks D.A., Lobanov K.V. et al. Exceptional concentrations of gold nanoparticles in 1.7 Ga fluid inclusions from the Kola Superdeep Borehole, Northwest Russia // Sci. Rep. 2020. V. 10. 1108. https://doi.org/10.1038/s41598-020-58020-8
  36. Pu X., Lange R.A., Moore G.M. Evidence of degassing-induced oxidation of relatively oxidized K-rich magmas caused by degassing of dissolved SO42− (S6+) component in the melt to SO2 (S4+) in the gas phase // Amer. Geophys. Union, Fall Meet. 2016. Abstract V31C-3109.
  37. Putirka K. Thermometers and Barometers for Volcanic Systems // Eds. K. Putirka, F. Tepley. Minerals, Inclusions and Volcanic Processes. Rev. Mineral. Geochem. Mineral. Soc. Amer. 2008. V. 69. P. 61–120.
  38. Righter K., Campbell A.J., Humayun M., Hervig R.L. Partitioning of Ru, Rh, Pd, Re, Ir, and Au between Cr-bearing spinel, olivine, pyroxene and silicate melts // Geochim. Cosmochim. Acta. 2004. V. 68. Iss. 4. P. 867–880. https://doi.org/10.1016/j.gca.2003.07.005
  39. Ruefer A.C., Befus K.S., Thompson J.O., Andrews B.J. Implications of multiple disequilibrium textures in quartz-hosted embayments // Front. Earth Sci. 2021. V. 9. 742895. https://doi.org/10.3389/feart.2021.742895
  40. Shan J., Ye C., Chen S. et al. Short-range ordered iridium single atoms integrated into cobalt oxide spinel structure for highly efficient electrocatalytic water oxidation // J. Amer. Chem. Soc. 2021. V. 143. No 13. P. 5201–5211. https://doi.org/10.1021/jacs.1c01525
  41. Shi P., Saxena S.K. Thermodynamic modeling of the C-H-O-S fluid system // Amer. Mineral. 1992. V. 77. No 9–10. P. 1038–1049.
  42. Simakin A.G., Shaposhikova O.Y. Low crustal fluid reservoirs in ultramafic cumulates of Kamchatka // Petrology. 2023. V. 31. P. 705–717. https://doi.org/10.1134/S0869591123060036
  43. Simakin A., Salova T., Devyatova V., Zelensky M. Reduced carbonic fluid and possible nature of high-K magmas of Tolbachik // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2015. V. 307. P. 210–221.
  44. Simakin A.G., Salova T.P., Gabitov R.I., Isaenko S.I. Dry CO2-CO fluid as an important potential deep Earth solvent // Geofluids. 2016. V. 16. P. 1043–1057.
  45. Simakin A.G., Salova T.P., Gabitov R.I. et al. Gold solubility in reduced carbon-bearing // Fluid Geochem. Int. 2019. V. 57. No 4. P. 400–406.
  46. Simakin A., Salova T., Borisova A.Y. et al. Experimental study of Pt solubility in the CO-CO2 fluid at low fO2 and subsolidus conditions of the ultramafic-mafic intrusions // Minerals. 2021a. V. 11. No 2. https://doi.org/10.3390/min11020225
  47. Simakin A.G., Salova T.P., Shaposhnikova O.Y. et al. Experimental study of interaction of carbonic fluid with cumulus minerals of ultrabasic intrusions at 950°C and 200 MPa // Petrology. 2021b. V. 29. P. 371–385. https://doi.org/10.1134/S0869591121040068
  48. Simakin A.G., Devyatova V.N., Shiryaev A.A. Theoretical and experimental modeling of local scale CO2 flushing of hydrous rhyolitic magma // Russian J. Earth Sci. 2023. V. 23. ES6007, EDN: CTVIQU, https://doi.org/10.2205/2023es000871
  49. Simakin A.G., Shaposhnikova O.Yu., Isaenko S.I. et al. Raman spectroscopic data of the quenching phases of a Pt solution in a low water reduced carbonic fluid at P = 200 МPа and T = 950–1000°C // Petrology. 2024а. V. 32. No 5. P. 688–699.
  50. Simakin A.G., Shaposhnikova O.Y., Devyatova V.N. et al. Estimation of chlorine fugacity in low-Н2О fluid of the C-O-(H)-NaCl system in the cumulus of ultramafic–mafic intrusions // Dokl. Earth Sci. 2024b. V. 515. P. 423–429. https://doi.org/10.1134/S1028334X23603292
  51. Sullivan N.A., Zajacz Z., Brenan J.M. et al. The solubility of gold and palladium in magmatic brines: Implications for PGE enrichment in mafic-ultramafic and porphyry environments // Geochim. Cosmochim. Acta. 2022a. V. 316. P. 230–252. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.09.010
  52. Sullivan N.A., Zajacz Z., Brenan J.M., Tsay A. The solubility of platinum in magmatic brines: Insights into the mobility of PGE in ore-forming environments // Geochim. Cosmochim. Acta. 2022b. V. 316. P. 253–272. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.09.014
  53. White S.M., Crisp J.A., Spera F.J. Long-term volumetric eruption rates and magma budgets // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2006. V. 7. Q03010. https://doi.org/10.1029/2005GC001002
  54. Zelenski M., Kamenetsky V.S., Mavrogenes J.A. et al. Platinum-group elements and gold in sulfide melts from modern arc basalt (Tolbachik volcano, Kamchatka) // Lithos. 2017. V. 290–291. P. 172–188.
  55. Zelenski M., Kamenetsky V.S., Mavrogenes J.A. et al. Silicate-sulfide liquid immiscibility in modern arc basalt (Tolbachik volcano, Kamchatka): Part I. Occurrence and compositions of sulfide melts // Chemical Geol. 2018. V. 478. P. 102–111. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.09.013.
  56. Zelenski M., Kamenetsky V.S., Nekrylov N., Kontonikas-Charos A. High sulfur in primitive arc magmas, its origin and implications // Minerals. 2021. V. 12. No 1. P. 37. https://doi.org/10.3390/min12010037
  57. Zhong S.-S., Zhao Y.-Y.S., Lin H. et al. High-temperature oxidation of magnesium- and iron-rich olivine under a CO2 atmosphere: Implications for Venus // Remote Sens. 2023. V. 15. 1959. https://doi.org/10.3390/rs15081959

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».