WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
Белоусов В.И., Рычагов С.Н., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

ГИПОТЕЗА О ПРОИСХОЖДЕНИИ КОРОВОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА В ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМАХ Белоусов В.И. 1, Рычагов С.Н. 1, Кузьмин Ю.Д. 2, Белоусова С.П. 1 1 Институт вулканологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, E-mail: rychsn@kcs.iks.ru 2 КОМСП ГС РАН, Петропавловск-Камчатский, Россия, E-mail: kuzy@mail.ru На примере Курило-Камчатской островной дуги показана возможность образования коровых источников тепла химического происхождения в недрах гидротермально-магматических конвективных систем. В гидротермально-магматических системах островных дуг происходит генерация газов. Газы в результате горения и взрыва дробят расплавы и окружающие горные породы.

Сложный комплекс этих процессов, сопровождающихся окислением («горением») сульфидов и притоком атмосферного кислорода по разломам в зоны обрушения пород, приводит к вулканическим извержениям, в частности, инимбритообразованию. Выделение дополнительного тепла инициирует формирование рудной минерализации порфирового типа в надинтрузивных зонах, мезотермальных рудопроявлений в области восходящего потока флюидов и эпитермальных рудопроявлений в зонах латерального растека металлоносных гидротермальных растворов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 03-05-64044а, 05-05-79101к и 05-05-74029г).

THE FORMATION HYPOTHESIS OF CRUSTS HEAT SOURCES IN HYDROTHERMAL-MAGMATIC CONVECTIVE SYSTEMS Belousov V.I.1, Rychagov S.N.1, Kuzmin Yu.D.2 and Belousova S.P.1 1 Institute of Volcanology, FED RAS, Petropavlovsk-Kamchatskii, Russia, E-mail: rychsn@kcs.iks.ru 2 KOMSP GS RAS, Petropavlovsk-Kamchatskii, Russia, E-mail: kuzy@mail.ru On an example of the Kuril-Kamchatka insular arc the possibility of formation of crusts heat sources of a chemical genesis in hydrothermal-magmatic convective systems is shown. In hydrothermalmagmatic systems of insular arcs there are a generation of gases. The gases as a result of combustion and explosion are divide melts and rocks. The composite complex of these processes accompanying with an oxidizing of sulphides and inflow of atmospheric oxygen on faults zones, reduces to volcanic eruptions, in particular, to formation of ignimbrites. The selection of padding heat originates creation porphyry ore mineralization along the contacts with intruzive zones, and the mezothermal mineralization in the field of fluids upflow, and epithermal ore deposites in peripheral zones of hydrothermal-magmatic system.

The work is performed with financial support of the Russian Foundation for Basic Research (projects 0305-64044a, 05-05-79101k and 05-05-74029g).

Раздел 2: Структура, тепловое и рудное питание гидротермально-магматических систем 1. Введение Вопрос о происхождении тепловой энергии, определяющей эволюцию магматизма и гидротермальных систем, остается одним из основных в геологии.

Обычно предполагается, что для гидротермальных систем областей современного вулканизма источником тепла являются магматические расплавы, генерируемые в нижней коре и верхней мантии. Во второй половине ХХ века, когда изучение гидротерм приобрело широкий характер, потребовались количественные оценки тепловой мощности современных гидротермальных систем. Энергетика гидротермального процесса оказалась сопоставима с тепловыми потерями корового магматизма [1, 2, 3]. В связи с этим, модели теплового питания современных гидротермальных систем предусматривали привнос тепла из верхней мантии.

Подъем теплоносителя (трансмагматических летучих, основу которых составляет вода) осуществляется посредством диффузии, механизм которой обеспечивается адиабатическим расширением газов [1, 8].

Тепловой дисбаланс магматизма и гидротермальной деятельности в областях современного вулканизма вынуждает исследователей искать новое объяснение возникновения и функционирования источников тепла в гидротермальномагматических системах. Так, в работах [2, 3] приводятся оценки выноса тепла гидротермами, кислыми и базальтовыми магмами некоторых гидротермальномагматических систем Южной Камчатки. Отмечается, что в голоцене для Камбального долгоживущего вулканического центра, когда происходили мощные извержения кислых расплавов в виде экструзий, пемзовых и игнимбритовых потоков, выделение тепловой энергии в 4-5 раз превысило средний аномальный тепловой поток для предыдущих периодов развития этой структуры. В голоценовый период вулканическая деятельность приобрела площадной характер и островная дуга, существовавшая в этом месте на протяжении нескольких десятков миллионов лет, превратилась в субконтинентальную структуру южной оконечности Камчатского полуострова. На наш взгляд, объяснения этому энергетическому импульсу вулканизма до сих пор не найдено.

М.П. Хохштейн [30], оценивая коровый теплоперенос в вулканической зоне Таупо в Новой Зеландии, пришёл к выводу, что общий тепловой поток в этой зоне млн. лет назад составлял 2600 МВт на 100 км. Большая доля от этого энергетического потока принадлежит конвективному теплу, реализуемому гидротермальными системами. М.П. Хохштейн считает, что около 600 МВт/100 км Белоусов В.И., Рычагов С.Н., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

обеспечен «нормальной» компонентой, связанной с выносом тепла экструзиями и интрузиями андезитов и дацитов, а 2000 МВт - «аномальной» компонентой, связанной с экструзиями и интрузиями риолитовых расплавов, генерация которых непосредственно не контролировалась субдукционными процессами. Образование больших объемов четвертичной риолитовой пирокластики - явление редкое и, очевидно, связано с формированием отдельных сегментов островных дуг (Вулканическая зона Таупо, Суматра, Кюсю), которые подверглись значительным деформациям земной коры. Как и для южной оконечности Камчатки, аномальный тепловой поток, связанный с вспышкой риолитового вулканизма в Новой Зеландии, не нашел объяснения с позиций известных геотектонических гипотез.



В последнее время большое внимание уделяется изучению кислых пирокластических образований, связанных с кальдерами различного происхождения [43]. Предполагается, что в результате кристаллизационной дифференциации в магматических очагах происходит образование больших объемов кислого расплава и постепенное насыщение его летучими, эвакуация которых сопровождается выбросами пересыщенной паро-газовой смесью пирокластики на высоту до 9 км [39]. Эта пирокластика обрушается и порождает обширные потоки и покровы игнимбритов. “Внезапное” появление больших расслоенных магматических резервуаров связано с островодужным и субконтинентальным типами гидротермально-магматических систем [4]. Резкий переход от базальтового вулканизма к извержениям кислых расплавов трудно объяснить чрезвычайно инерционным процессом кристаллизационной дифференциации, тем более осложненной конвективным перемешиванием расплавов в результате частых инъекций глубинных базальтов. Энергетика кристаллизационной дифференциации не оценивается исследователями, но можно предполагать, что ее воспроизводство на единицу объема не велико, в связи с тем, что расслоение минеральных новообразований по плотности относится к механическому, самому малопроизводительному, виду энергии. Так, для повышения температуры на 3-4С кг кислого расплава необходимо совершить 427 кгм механической работы. В идеальном случае чтобы нагреть 1 кг кислого расплава за счёт механической энергии его необходимо переместить, без потерь на трение, на расстояние более м от исходного положения. Поскольку такие условия трудно представить в остывающем магматическом резервуаре, нагрев за счёт механической энергии будет составлять ничтожную долю его теплового баланса. Кроме того, следует учитывать Раздел 2: Структура, тепловое и рудное питание гидротермально-магматических систем энергетические затраты на решение «проблемы пространства», необходимого для размещения больших коровых магматических резервуаров: такое пространство можно создать за счет дробления и выброса соизмеримых объемов вмещающих пород, или за счет их плавления. Энергетика глубинного базальтового расплава и содержащейся в нем воды, по нашему мнению, не может обеспечить плавление вмещающих пород и фильтрующихся в них вод, т. к. энтальпия базальтового расплава превышает энтальпию кислых и андезитовых расплавов лишь на 15-20 %.

Исходя из вышеизложенных представлений, в пределах гидротермальномагматических конвективных систем островных дуг должен находиться мощный, дополнительный к «традиционному магматическому», источник генерации тепловой энергии.

2. Исходные данные для формулировки гипотезы В настоящее время магматические расплавы рассматриваются в качестве главных агентов, транспортирующих тепло, газы и металлы и формирующих гидротермальные растворы. Последние воздействуют на окружающую среду, взаимодействуя с породами, гидросферой и атмосферой, изменяют их и образуют залежи рудных и нерудных полезных ископаемых. Участие продуктов гидротермального метаморфизма в гидротермально-магматической деятельности рассматривается «механистически», в качестве нейтральных элементов, что проявляется в названии процессов (контаминация, ассимиляция), определяющих их физическую природу. В результате контаминации, ассимиляции и др. процессов не предполагается генерация большого количества тепловой энергии. Иногда лишь упоминается, что происходит разогрев магматических расплавов за счет химических реакций, вызванных взаимодействием их с кислородом воздуха в приповерхностных зонах вулканических аппаратов [12, 15].

Мы считаем, что, генерация магматических расплавов и сопряженный с ним гидротермальный метаморфизм обусловлены взаимодействиями различных химических элементов и их соединений, в результате чего образуются продукты реакций, устойчивые в определенных термодинамических условиях. Таким образом, гидротермально-магматические конвективные системы областей современного вулканизма рассматриваются нами в качестве сложных химических реакторов, работающих в самоподдерживающемся режиме.

Изучение гидротермально-магматических ковективных систем получило Белоусов В.И., Рычагов С.Н., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

мощный импульс в связи с открытием в 70-х годах ХХ века подводных вулканов и подводных гидротермальных систем [6]. В океанских рифтах высокотемпературные гидротермы формируют массивные сульфидные залежи, размеры которых достигают десятки миллионов тонн сульфидной массы. Исследование этих районов сопровождалось глубоководным бурением, по данным которого поверхностная гидротермальная постройка имеет «корни», по меньшей мере, до глубины 125 м. В верхней части этой постройки преобладают сульфидные отложения со значительной примесью ангидрита. Рудными минералами являются пирит, пирротин и халькопирит, количественное соотношение которых меняется по разрезу. В нижней части залегает брекчия, пропитанная кремнеземом, переходящая в хлоритизированные базальты, а глубже прослеживаются свежие базальты.





Тесный парагенезис аморфного кремнезема с сульфидами железа свидетельствует о соосаждении этих минералов из коллоидных растворов, каковыми представляются подводные гидротермы. В местах их разгрузки, где гидротермальные растворы смешиваются с холодной морской водой, происходит пересыщение гидротерм кремнеземом. Последний образует золь кремнекислоты [33]. Предполагается, что лиофильные коллоиды кремнекислоты защищают от коагуляции лиофобные коллоиды сульфидов и коагуляция и осаждение первых автоматически влечет выпадение последних [18, 13]. Учитывая, что как лиофильные, так и лиофобные золи в рассматриваемом случае заряжены электроотрицательно, происходит конденсация на них многих катионов металлов. Предпочтением будут пользоваться химические элементы, имеющие большие атомные радиусы с «рыхлой» внешней электронной оболочкой [4].

Образования сульфидно-кремнистого состава, по мере развития гидротермально-магматических систем, насыщают вмещающие породы. Этот процесс пространственно и во времени сопряжен с частыми инъекциями высокотемпературных мантийных расплавов. Окремненные породы, включающие залежи массивных сульфидов типа Куроко [36] или густые вкрапления сульфидов железа, попадают в зону теплового влияния инъецируемых расплавов. В составе аморфного кремнезема присутствуют ион-гидроксил и связанная вода, которые под воздействием магматического тепла отделяются от кремнекислоты и при высоких температурах происходит диссоциация молекул воды. В результате образуются атомарный кислород и водород. Происходит окисление сульфидов с переходом к процессу самопроизвольного возгорания, что часто наблюдается при разработке Раздел 2: Структура, тепловое и рудное питание гидротермально-магматических систем колчеданных месторождений на Урале. Процесс идет по следующим реакциям:

3FeS+10H2O = Fe3O4+3SO2+10H4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+790 ккал Температура, при которой протекает горение пирита, составляет примерно 8000С. Для того, чтобы этот процесс реализовался необходимо иметь температуру воспламенения ~ 800оС. Это может произойти при контакте сульфидных скоплений с базальтовыми расплавами, температура которых ~ 12000С. Поскольку в результате реакций окисления сульфидов выделяется до 800 ккал на 4 грамм-молекулы пирита, то процесс будет самоподдерживающийся. Теплотворная способность пирита составляет около 2000 ккал/кг. При сгорании 1 кг пирита выделяется тепло, достаточное для плавления 8-9 кг породы при температуре 800-9000С с теплоёмкостью около 300 ккал/кг. Сульфидно-кремнистые образования, широко развитые в структуре гидротермально-магматических систем, являются удобной средой для образования коровых андезитовых и кислых расплавов. При этом необходимо учитывать, что процесс плавления происходит изнутри субстрата, подвергающегося воздействию теплового поля глубинного магматического расплава, а не через контактную поверхность высокотемпературного расплава и холодной породы.

Существенным фактором, способствующим развитию процесса плавления, является повышенное содержание кремнезема в исходной породе и легколетучих химических соединений, которые играют роль флюсов, понижающих температуру плавления пород; действие таких добавок хорошо исследовано в металлургии.

Вторым важным положением в предлагаемой гипотезе является факт генерации вблизи очагов разгрузки подводных гидротерм в больших объёмах органического вещества и предбиологических соединений, воспроизводство которых оценивается в миллионы тонн в год. Вблизи подводных гидротермально-магматических систем функционирует зона химического и микробиологического окисления восстановленных газов. Процессы, происходящие в этой зоне, также играют большую роль в изменении океанической коры, образовании толщи аргиллизированных пород, служащих экраном для тепла и природного газа [20, 41].

Все это в совокупности и определяет тепловой баланс гидротермальномагматических конвективных систем.

Белоусов В.И., Рычагов С.Н., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

3. Модель формирования коровых магматических очагов в структуре гидротермально-магматической конвективной системы На этапе зарождения долгоживущих вулканических центров в условиях океанической земной коры восходящие колонны магматических расплавов, распределяясь по системе радиальных разрывных нарушений, прогревают окружающие водоносные горизонты и формируют гидротермальную конвективную ячейку [11]. В процессе взаимодействия вода-порода происходит насыщение гидротерм кремнезёмом, рудными и газообразными элементами. Среди металлов ведущая роль принадлежит Fe [32]. В результате реакций между высокотемпературными кремнезёмистыми гидротермами и окружающей морской водой в недрах гидротермально-магматических систем и, в особенности, в очагах разгрузки напорных подводных гидротерм («черные» и «белые» курильщики), происходит осаждение кремнезёма в парагенезисе с сульфидами, преимущественно - пиритом, пирротином и халькопиритом. Эта реакция океанической земной коры на внедрение глубинных магматических расплавов базальтового состава выражается в тепловой и химической изоляции магматической конвективной ячейки.

Pages:     || 2 | 3 |










© 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.