WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Федотов С. А., Делемень И. Ф., Уткин И. С., Уткина Л.И.

ДИНАМИКА РОСТА И РАЗВИТИЯ ПРОТОЧНЫХ МАГМАТИЧЕСКИХ ОЧАГОВ МУТНОВСКО - ГОРЕЛОВСКОЙ ГРУППЫ ВУЛКАНОВ, ИХ ТЕПЛОВЫЕ ПОЛЯ И НАКОПЛЕННОЕ ИМИ ПОДЗЕМНОЕ ТЕПЛО Федотов С. А., Делемень И. Ф., Уткин И. С., Уткина Л.И.

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, E-mail: isutliut@mtu-net.ru Показана роль проточных периферических и коровых магматических очагов МутновскоГореловской группы вулканов (Камчатка) в тепловом питании Мутновской гидротермальной системы. Выполнено численное исследование динамики роста и развития размеров нескольких верхнекоровых разновозрастных магматических очагов Мутновско-Гореловской группы вулканов, питающихся одной магматической питающей системой. При построении моделей динамики роста очагов учтено влияние флюидов в передаче тепла очагов во вмещающую эти очаги среду. Результаты моделирования динамики роста магматических очагов использованы для решения нестационарной задачи оценки распределения температур в среде вокруг магматических очагов, меняющих свои размеры. Это позволило выполнить расчёты температурных полей вокруг них и оценить запасы накопленного тепла во вмещающих очаги породах. Определена интенсивность доступного для энергетического использования теплового потока в районе Мутновского геотермального месторождения.

DYNAMICS OF THE DEVELOPMENT OF FLOWING MAGMATIC CHAMBERS ON MUTNOVSKO-GORELOVSKY GROUP OF VOLCANOS, THEIR THERMAL FIELDS AND UNDERGROUND HEAT, SAVED BY THEM Fedotov S.A., Delemen I.F., Utkin I.S., Utkina L.I.

Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky, E-mail: isutliut@mtu-net.ru The investigation showed the role of the flowing peripheric and crust magmatic chambers on Mutnovsko-Gorelovsky group of volcanoes (Kamchatka) in a thermal supply of Mutnovsky hydrothermal system. The numerical research discovered certain changes in growth of the dimensions of several uppercrust magmatic chambers of different ages on Mutnovsko -Gorelovsky group of volcanoes supplied by one magmatic system. At construction of models of development of the chambers we took into account the influence of fluids in transfer of heat of the chambers on environment, containing these chambers. The results of modeling of development of the magmatic chambers are used for the decision of a non-stationary task of an estimation of temperature distribution in environment around of the magmatic chambers changing own sizes. The achieved results allowed to calculate the temperature fields around of chambers and to estimate reserves of saved heat in rocks, containing the chambers. Also was determined the intensity of a thermal flow, accessible to power use, in area of Mutnovsky geothermal field.

Многочисленные концепции теплового питания гидротермальных систем можно свести к нескольким основным группам. Тепловое питание таких систем может осуществляться за счёт:

-проточных магматических очагов вулканов;

-непроточных магматических тел (магматических интрузий, силлов и даек), Раздел 2: Структура, тепловое и рудное питание гидротермально-магматических систем находящихся на разных стадиях остывания (консолидации);

-экзотермических реакций, происходящих между химическими компонентами в теплоносителе;

-поступления высокотемпературных флюидов из глубинных горизонтов литосферы;

-анатектического и палингенного плавления вещества земной коры.

Понятие проточного магматического очага было введено в вулканологии С.А.

Федотовым [15]. Полость такого очага образуется при длительном плавлении вмещающих его пород магмой, протекающей через него при подъёме из глубинного источника к кратерам вулкана.

Несмотря на многообразие источников подземного тепла, имеющиеся геофизические данные о глубинной магматической деятельности под вулканами островных дуг [15] не оставляют сомнения в том, что в вулканических областях именно магматические системы вулканов дают основной энергетический вклад в питание расположенных в верхней части коры (0-3 км) высокотемпературных гидротермальных систем [18]. В данной работе мы оцениваем потенциальные ресурсы накопленного тепла каждого из магматических очагов, находящихся в пределах возможного конвективного взаимодействия с гидротермальным резервуаром Мутновской ГеоТЭС и даём представление о том, что это тепло составляет основу тепловых ресурсов данного региона. К числу таких очагов будем относить те из них, которые находятся на расстояниях не больших 5-6 своих диаметров от гидротермального резервуара Мутновской ГеоТЭС. В качестве объекта исследования выбрана Мутновская гидротермальная система – единственная высокотемпературная гидротермальная система Камчатки, где в последние годы осуществляется освоение новых геотермальных ресурсов. В районе вулканов Горелый и Мутновский наиболее вероятными основными источниками тепла являются компактно расположенные крупные магматические тела (рис. 1). Их наличие в недрах этих вулканов и смежных вулканических центров подтверждается протекающими здесь с плейстоцена и по настоящее время разнообразными вулканическими процессами. В Мутновско-Гореловском районе данные о существовании в нижних слоях земной коры и в верхней мантии под Мутновским и Горелым вулканами объемов, обогащенных расплавами, были впервые получены на основании изучения прохождения под этими вулканами сейсмических волн близких землетрясений [20]. В последующие годы наличие под Мутновским вулканом близповерхностного магматического очага предполагалось на основании Федотов С. А., Делемень И. Ф., Уткин И. С., Уткина Л.И.



интерпретации изотопных данных, оценки масштабов дегазации, измерения температуры флюидов, разгружающихся на поверхности вулканического сооружения [11].

Рис. 1. Схема расположения магматических очагов МутновскоГореловской группы вулканов. Очаги показаны окружностями, диаметры которых соответствуют диаметрам очагов в настоящее время. Цифрами обозначены очаги: 1 - Горелый верхний; 2 - Горелый средний; 3 -Горелый нижний; 4 Мутновский верхний; 5 - Мутновский средний; 6 - Мутновский нижний; 7 Двугорбый; 8 - Скалистый. На схему вынесены положение Мутновской ГеоЭС (треугольники): А - Мутновская ГеоЭС, Б – Верхне-Мутновская ГеоЭС. Линии расчётных профилей обозначены: I-I, II- II, III- III.

1. Расчёт распределения температур и запасов тепла над группой компактно расположенных магматических очагов Дальнейшее развитие методов расчёта, опубликованных в работах [14, 16, 17, 19], велось по трём направлениям.

Первое направление. В моделях роста и развития магматических очагов учитывается влияние температуры и содержание флюидов (воды) в магме на её теплофизические параметры, в частности, на её теплоёмкость.

Второе направление. Разработана методика расчётов нестационарного распределения температур в среде вокруг нескольких близко расположенных магматических очагов, имеющих различные времена зарождения. Учитывалось взаимное тепловое влияние динамически развивающихся во времени магматических Раздел 2: Структура, тепловое и рудное питание гидротермально-магматических систем очагов, поскольку скорость их роста или замерзания существенно зависит от температуры окружающей среды.

Третье направление. Создана методика расчёта накопленного магматическими очагами тепла с момента их зарождения и до наших дней. Расчёты проводились как для тепла, сосредоточенного в самих очагах, так и в пространстве вмещающих очаги пород, ограниченном сферами, центры которых совпадают с центрами самих очагов. Выбор радиусов сфер, ограничивающих пространство учёта тепла, определяется температурой на их поверхности, не превышающей 5% от температуры стенки очага. Эта температура рассчитывается путём решения нестационарной задачи распределения температур в среде вокруг очагов.

2. Схема расчётов Расчеты ведутся в несколько этапов.

1. Строится модель динамики роста и развития магматического очага, в основу которой заложена возможность расчёта нестационарных температурных полей в среде, вмещающей очаг, при меняющихся размерах самого магматического очага. Схема зарождения, роста, квазистационарной стадии и последующего замерзания проточных магматических очагов дана в работах [16].

Расчёты эволюции размеров магматического очага и его теплового поля выполнены по методикам, разработанным авторами [14, 19].

2. Результаты моделирования динамики роста магматических очагов используются для решения нестационарной задачи оценки распределения температур во вмещающей их среде. Реальная геометрия распределения тепла в окружающем очаг пространстве может существенно отличаться от рассчитанной за счёт конвекции, однако общее количество тепла, накопленного магматическим очагом во вмещающих породах за время своего существования за счёт кондуктивного теплопереноса, никак не может быть меньше реального, учитывающего все факторы, определяющие теплоотдачу очага. Конвекционное обтекание магматического очага флюидами, безусловно только увеличивает его теплоотдачу, но из-за низких скоростей обтекания влияние этого фактора незначительно и поэтому пренебрегается. Рассчитанные изотермы распределения температур, основанные на представлении о кондуктивном характере теплопередачи от магматического очага к окружающем его породам, указывают пространственное положение термоаномалий и те предельные глубины положения максимумов изотерм в этих аномалиях, ниже которых под влиянием конвекции они опуститься не могут.

Федотов С. А., Делемень И. Ф., Уткин И. С., Уткина Л.И.

Следует учитывать, что под влиянием конвекции положения максимумов изотерм могу значительно подняться и несколько сместиться в направлении вектора теплового потока.

3. На основе расчётов температурных полей вокруг магматических очагов выполнены оценки потенциальных запасов накопленного тепла и доступного для энергетического использования теплового потока, в частности, для теплового питания геотермального резервуара Мутновского месторождения. По причинам, указанным выше, расчёты накопленного тепла проводятся без учёта конвективной составляющей.

3. Исходные данные для моделирования Тепловое питание Мутновского месторождения парогидротерм, расположенного в пределах зоны новейшей вулканической активности (СеверноМутновская вулканическая зона) у северного подножия Мутновского вулкана (рис.1), связывается различными исследователями с теплом неостывших магматических тел, расположенных на глубине до 10-15 км [1, 4, 11]. По данным сейсморазведочных работ можно предположить наличие, по крайней мере, одного магматического очага на глубине 5-10 км под современной кратерной зоной Мутновского вулкана, и одного – под вулканом Горелым.

Методами сейсмического зондирования выявлены магматические тела под Дачным месторождением парогидротерм и на северном склоне Мутновского вулкана (участок Вулканный у подножия вулкана Двугорбого). На основании площадных исследований методом магнитотеллурического зондирования (МТЗ), выполненных в 1980-е годы Ю.Ф. Морозом, А.П. Скрипниковым [8], а затем А.Г. Нурмухаметовым [9] выделены зоны повышенной проводимости в земной коре, соответствующие местам скопления магматического расплава в основании кальдеры вулкана Горелого и у северного подножия вулкана Мутновского.





Сопоставление всех имеющихся геолого-геофизических данных позволяет достаточно уверенно выделить на рассматриваемой территории по крайней мере, разноглубинных участков скопления магмы в верхней коре, которые могут рассматриваться как разновозрастные проточные магматические очаги, находящиеся на различной стадии консолидации (замерзания). На поверхности им соответствуют в разной степени выраженные морфоструктуры центрального типа, а также хорошо дешифрируемые на материалах дистанционных съёмок радиально-концентрические системы разрывных нарушений и трещиноватости.

Раздел 2: Структура, тепловое и рудное питание гидротермально-магматических систем На основании интерпретации данных по отношению скоростей продольных Vp и поперечных сейсмических волн Vs (параметр К=Vp/Vs), сделан вывод о том, что очаг под Мутновским вулканом (рис. 1) смещен в плане в северо-восточном направлении от Активного кратера [9] и имеет глубину верхней кромки около 5-6 км [5].

За время зарождения проточного магматического очага вулкана центрального типа может приниматься начало его деятельности, время его первых извержений. В качестве возрастных реперов использованы опубликованные [2, 6, 7] немногочисленные определения радиоуглеродных датировок. В таблице приведены наиболее обоснованные, на наш взгляд, оценки геологического возраста отложений продуктов извержений для Горелого и Мутновского вулканов [12, 13].

Продуктивность магматических очагов оценивалась на основании учёта объёма вулканитов, оценённых этими авторами. Кроме того, дополнительный контроль объективности имеющихся данных осуществлялся сравнением их с суммарными оценками продуктивности вулкана [6].

Диагностика пространственного положения и других параметров магматических очагов осуществлялась с учётом петролого-геохимических [22], минералого-петрологических [21], вулканологических [106], геотермических [3] и других данных. Более подробно вопросы индикации магматических очагов Мутновско-Гореловской группы вулканов рассмотрены в работе [5].

В итоге оценка необходимых для моделирования параметров магматических очагов Мутновско-Гореловской группы вулканов была выполнена на основе сопоставления всего комплекса имеющихся геолого-геофизических, геоморфологических, дистанционных, петрологических и геотермических данных [5]. Их значения также приведены в таблице 1.

4. Результаты моделирования Для расчётов зарождения и развития трёх очагов вулканов Горелый, Мутновский, а также вулканов Двугорбый и Скалистый использовались входные данные, представленные в таблице 1. Там же приведены результаты вычислений.

На рисунке 2, в качестве примера, представлена расчетная зависимость изменения радиуса R сферического очага вулкана Двухгорбый от времени с начала зарождения до наших дней. Убывание расхода магмы апроксимируется кусочнопостоянными зависимостям W(t). Общие закономерности роста и развития магматических очагов проявляется в следующем:

Федотов С. А., Делемень И. Ф., Уткин И. С., Уткина Л.И.

Раздел 2: Структура, тепловое и рудное питание гидротермально-магматических систем 1. Скорость роста магматического очага в момент его образования и далее, при прочих равных условиях тем больше, чем выше через него расход магмы.

2.

Магматический очаг достигает тем больших размеров, чем больше максимальный расход через него магмы и Рис. 2. Расчетные зависимости изменения радиусов R сферического очага вулкана Двугорбый от времени с чем меньше скорость начала зарождения до наших дней (t = 13000 лет) при убывания этого убывании расхода магмы по кусочно-постоянным зависимостям W(t) (построена по геологическим данным), на расхода.

глубине залегания очага H = 5 км при температуре вмещающих Максимальные пород Тс=186°С, температурах поступающей в очаг Т1 и вытекающей из очага магмы Т2 = 900°С, и температуре плавления вмещающих размеры очага пород Тсsol = 750°С. Зависимости R1 и R2 рассчитаны при Т1=1250°С и Т1=1200°С, соответственно. Средние радиусы очагов R1ср и R2ср зависят от:

показаны горизонтальными линиями.

а) произведения времени его теплового питания, на среднее значения расхода магмы за период теплового питания, б) отношения времени теплового питания очага ко времени его формирования.

Чем выше, при прочих равных условиях, численные значения факторов, указанных в п.п. а) и б), тем больших размеров может достигать магматический очаг.

3. Чем больших размеров достиг очаг до момента прекращения подпитки его магмой, тем больше время его остывания. Наибольшее время существования 150000 лет у очага Горелый нижний. Время формирования очага этого вулкана составляет 110000 лет. Наименьшее время формирования у очагов вулканов Скалистый и Мутновский Верхний. Оно близко к 5000 лет. Однако у очага вулкана Скалистый время существования вдвое выше и составляет 10000 лет.

4. Представление о современных размерах магматических очагов можно получить из рисунка 1, где магматические очаги в плане показаны окружностями в Федотов С. А., Делемень И. Ф., Уткин И. С., Уткина Л.И.

масштабе карты, на которую они нанесены. На рисунке 1 показаны три ломаные линии I, II, III вертикальных разрезов, проведённые так, чтобы они прошли через центры магматических очагов. Именно эти разрезы содержат наибольшую информацию о пространственном положении интересующих нас магматических очагов.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.