WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


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

Раздел 4: ГЕОХИМИЯ И ДИНАМИКА ГАЗОВ И ПРИРОДНЫХ ВОД РОЛЬ ГАЗОВ В ФОРМИРОВАНИИ РУДООБРАЗУЮЩИХ ГИДРОТЕРМАЛЬНО – МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Рычагов С.Н. 1, Белоусов В.И. 1, Кузьмин Ю.Д. 2, Белоусова С.П. 1 1 Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, E-mail: rychsn@kcs.iks.ru 2 Камчатская ОМСП ГС РАН, Петропавловск-Камчатский, E-mail: kuzy@mail.ru Показана роль газа (магматического, вулканического, гидротермального) как важнейшего элемента формирования гидротермально-магматических конвективных систем районов современного вулканизма, прежде всего – островных дуг. Газ, вероятно, служит основной движущей силой для магматического расплава и является связующим звеном между структурными элементами гидротермально-магматической конвективной системы: расплавом – вмещающими породами – проницаемыми зонами – гидротермальным флюидом – метасоматитами. На основе анализа материалов натурных и лабораторных исследований в области вулканологии, металлургии и физики горения газов предлагается обсудить концептуальную модель динамики газов в рудообразующих гидротермально-магматических конвективных системах и в геотермальных месторождениях.

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

ROLE OF GASES IN CREATION OF HYDROTHERMALMAGMATIC SYSTEMS AND GEOTHERMAL DEPOSITS Rychagov S.N. 1, Belousov V.I. 1, Kuzmin Yu.D. 2 and Belousova S.P. 1 1 Institute of Volcanology and Seismology FED RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky, E-mail: rychsn@kcs.iks.ru 2 Kamchatsk OMSP GS RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky, E-mail: kuzy@mail.ru The role of gas (magmatic, volcanic and hydrothermal) as major elements of formation of hydrothermal-magmatic convective systems in the regions of modern volcanism (insular arc) is shown. The gas, probably, is main motive force for magmatic melt and it is a link between structural elements of the system: magmatic melt – rocks – faults – hydrothermal fluid – metasomatites. On the basis of the analysis of materials of natural and laboratory researches in volcanology, metallurgy and physics of burning of gases we propose to discuss conceptual model of gases dynamics in modern hydrothermal-magmatic convective systems.

The work is performed with financial support of the Russian Foundation for Basic Research (projects 03-05-64044a, 05-05 79101k and 05-05-74029g).

Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод 1. Введение В последние годы изучение молодых и палео- гидротермальных систем в областях современного вулканизма, прежде всего, в пределах островных дуг, и разработка концептуальных моделей эпитермальных рудных месторождений позволили сделать вывод о наличии в этих районах гидротермально-магматических (магмо-вулкано-гидротермальных, по В. Гиггенбаху [24]) конвективных систем (см.

статьи С.Н. Рычагова, В.И. Белоусова и др. в настоящем сборнике). Главной особенностью этих систем (ГМС) является перенос тепловой энергии, расплавов, газов и различных химических соединений от уровня верхней мантии в верхние горизонты земной коры.

Как следует из названия, системы состоят из двух частей. Верхняя представлена гидротермальной конвективной ячейкой, в которой главным рабочим телом являются гидротермы в жидком и парообразном состоянии, нижняя магматической конвективной ячейкой, где основную работу выполняет магматический расплав. Расплав отличается от гидротерм сложным многокомпонентным составом, основу которого слагает силикатная масса.

Гидротермальная конвективная ячейка доступна для исследователей, т. к. она расположена вблизи поверхности Земли, часто наблюдается в виде термопроявлений и вскрыта многими скважинами на геотермальных месторождениях.

Парогидротермы обладают более низкими, чем у магмы, Р-Т параметрами, что и предопределяет большую доступность их для непосредственного изучения в полевых условиях. Магматическая конвективная ячейка проявляется на земной поверхности эпизодически в виде извержений вулканов. Последние носят, в основном, катастрофический характер и доступны лишь визуальным наблюдениям с больших расстояний. Чаще всего истечение магмы и её взаимодействие с гидросферой, в результате чего и формируется гидротермальная конвективная ячейка, происходит глубоко в недрах земной коры или в океанических глубинах.

Поэтому вулканы и гидротермальные системы, доступные для наблюдения, несут уникальную информацию о глубоких горизонтах земной коры и даже о мантии и должны быть тщательно изучены.

Важную работу в этом направлении проводят исследователи из Геологической Службы Японии, которые в натурных и лабораторных условиях изучают процесс отделения магматических газов из расплава [29-31]. При полевых исследованиях на действующих вулканах и современных гидротермальных системах Рычагов С.Н., Белоусов В.И., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

Камчатки и Курильских островов в 1960-90-ые годы в Институте вулканологии ДВО РАН накоплена большая информация, анализ которой в совокупности с обсуждением материалов экспериментальных исследований в области вулканологии, металлургии и физики горения газов, позволяет авторам принять участие в разработке концептуальной модели динамики газов в ГМС островных дуг.

2. Теплопередача и массоперенос в магматической конвективной ячейке и в зоне ее контакта с гидротермальной ячейкой В природе известны три способа теплопередачи: кондуктивный (молекулярный), конвективный (тепломассоперенос) и лучистый. Конвективная теплопередача различается двух видов: свободная (естественная) и вынужденная конвекция. Исследователи тепломассопереноса считают, что свободная конвекция («всплывание» легких горячих масс и погружение тяжелых холодных), которая реализуется в магматических каналах и очагах, является главенствующей [21, 30].



Ведущим механизмом в этом способе теплопередачи является «архимедова сила», которая определяется разницей плотностей взаимодействующих фаз. Х. Шинохара и К. Казахайя в своих расчётах исходят из механизма дегазации восходящего потока магматического расплава. Они показали, что дегазированная магма имеет повышенную плотность и образует нисходящий поток, который погружается по магмоводу в глубокие недра магматической конвективной ячейки [29]. В восходящем потоке магма дегазирует в зоне пониженных давлений и в момент её закристаллизации. В работе приводятся расчёты, которые базируются на законах пуазейлевого потока и всплывания сферических тел, регулируемого законом Стокса.

Эти модели рассматриваются в приложении к информации, полученной при наблюдении извержений вулкана Изу-Ошима в Японии в конце 1980-х годов [26].

Во время извержения наблюдалась избыточная дегазация по отношению к насыщению магматических расплавов. Предполагается, что перенасыщение летучими распространяется вглубь магматической колонны вплоть до корового магматического очага, верхняя кромка которого расположена на глубине 4 км от кратера вулкана. Эти исследования на вулкане Изу-Ошима подтверждают большую роль газов в магматических расплавах, которые, в свою очередь, являются важным элементом в динамическом механизме конвективного тепломассопереноса в ГМС.

Мы считаем, что предлагаемые модели, базирующиеся на свободной конвекции, должны быть дополнены другими механизмами тепломассопереноса, Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод поскольку в этих моделях не учитывается состав газов. Как магма, так и газы представлены лишь в качестве рабочих тел, которые нейтральны друг к другу и не претерпевают тепловых и химических изменений на путях миграции. Газы, химически инертные, выделяются из магмы как пар из воды во время ее кипения.

Однако, в действительности, магма является сложным многокомпонентным теплоносителем, в котором происходят химические реакции (экзотермические и эндотермические). Их скорость характеризуется величинами, свойственными процессам горения, от медленных до мгновенных. Горение - это особой интенсивности окислительно-восстановительные («Редокс») процессы, в результате которых поддерживаются высокие температуры нагретости магмы. Они, в свою очередь, влияют на поддержание процессов горения (самовозгорание) и мы полагаем, что магматический расплав, восходящий с уровней верхней мантии к поверхности земли и формирующий в верхней коре гидротермальную конвективную ячейку, необходимо рассматривать в качестве теплового химического реактора, функционирование которого обеспечивается химической кинетикой.

2.1. «Редокс» процессы, происходящие в магматических расплавах Редко создаются условия, позволяющие рассчитать количество газа, высвобождающегося во время вулканического извержения. Газ образует огромное облако, он не только сильно расширяется, но и смешивается с большим количеством воздуха. При извержениях, когда лава свободно изливается на поверхность, весовое количество газа по отношению к лаве, как правило, составляет доли процента. В последние годы дистанционными приборами удается производить оценку количества и состава газов, выделяющихся из кратеров вулканов, не изливающих лаву. В составе газов фиксируются пары воды, углекислый газ, водород, окись углерода, сернистый газ, хлористый водород, фтористый водород, метан и другие.

Во всех анализах газов преобладает вода. Швейцарский геохимик А. Брюн возражал против этого положения, считая, что вулканические газы безводны. А. Брюн предполагал, что газ из кратеров вулканов не конденсируется, когда он проникает сквозь холодные породы на своём пути к жерлу. Его аргумент в пользу этого предположения был отвергнут, как противоречивший общепринятому факту. То обстоятельство, что вода представляет собой существенную часть вулканических газов, не вызывает сомнений, однако остаётся неизвестным - какое её количество поступает из пород, а какое является результатом реакции водорода, поступившего Рычагов С.Н., Белоусов В.И., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

из глубины, с кислородом воздуха: при извержениях некоторых вулканов доля водорода в газах составляет до 30% или выше [10].

В связи со сказанным, представляются важными наблюдения, сделанные нами в кратере вулкана Остров Уайт (Новая Зеландия) и вулканах Горелый и Мутновский на Камчатке. Особенно информативными являются ночные наблюдения раскалённых участков кратеров, которые удалось выполнить Ю.Д. Кузьмину:

горение является характерной особенностью термопроявлений в кратерах этих вулканов и спектры пламени соответствуют водороду. Большую ценность представляют наблюдения за процессами, происходившими во время Большого Трещинного Толбачинского извержения (БТТИ) на Камчатке в 1975-76 гг.: взрывная деятельность в районе Северного прорыва характеризовалась процессами детонации, сопровождавшимися горением газов [17].





Температура лав и газов является информативной характеристикой при расшифровке процессов, происходящих в магме. К примеру, известно, что присутствие летучих в магматической камере должно понижать температуру кристаллизации расплава. Температуры лавы, измеренные оптическими пирометрами во время извержения вулкана Килауэа, были на 25-1200С ниже температур, рассчитанных теоретически [10]. Отмечается следующая особенность распределения температур в лаве. Температура у поверхности лавового озера на вулкане Килауэа была на 1400С выше, чем на глубине 1 м. Это объясняется нагреванием расплава за счёт горения газов. В местах выделения газов, где они воспламенялись над поверхностью лавового озера, температура достигала 13500С, а расчётная температура у дна озера была 11700С и соответствовала температуре магмы, восходящей по каналу. При изучении неоднородностей температурных полей поверхности шлаковых конусов Северного прорыва после окончания БТТИ было выяснено, что разогрев в шлаковых конусах обусловлен окислительновосстановительными процессами [19]:

4 FeO + O2 2 Fe2O3 (1) 2 FeO + H2O Fe2O3 + H2 (2) 3FeO + H2O Fe3O4 + H2 (3) Ю.П. Трухин и Р.А. Шувалов высказали предположение о роли этих реакций во взаимодействии магматического расплава с кислородом воздуха в зоне аэрации и с метеорными и ювенильными водами [19]. Они считают, что наибольший тепловой Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод эффект дает реакция с участием ювенильной воды; реакции 2 и 3 сопровождаются существенным экзотермическим эффектом, который поддерживает высокотемпературный режим в магматической колонне. Из магмы продолжают выделяться летучие, генерируемые в уже «остановившемся» расплаве.

2.2. Основные особенности процессов горения в природных условиях Считается, что основная особенность горения заключается в том, что условия, необходимые для быстрого протекания реакции, созданы ею самой [22].

Эти условия создаются либо за счет большой температуры, либо - высокой концентрации активных продуктов - катализаторов (переносчиками реакционных цепей являются свободные атомы, радикалы, органические примеси, др.). Если сама реакция создает условия для быстрого протекания, то возникает обратная связь. При незначительном изменении внешних условий возможен переход от стационарного режима с малой скоростью реакции к режиму, когда ее скорость нарастает по экспоненциальному закону. Горением называется протекание химической реакции в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе тепла или катализирующих продуктов реакции [22]. В первом случае говорится о тепловом, во втором - о цепном или автокаталитическом горении.

Две другие особенности явлений горения заключаются в: 1) наличии критических условий, 2) способности процесса к распространению. При тепловом горении распространение пламени происходит посредством передачи тепла, при цепном (диффузионном) - посредством передачи активных веществ, т.е. диффузии.

При тепловом горении также имеют место диффузионные процессы и тепловая теория должна их учитывать. Но, в отличие от цепного горения, повышение температуры при тепловом горении является основной причиной ускорения реакции.

В технике основное значение имеют процессы теплового горения, хотя кинетика реакций в большинстве случаев цепная.

Во всех процессах горения, независимо от химической природы, основную роль играют критические явления и особенности распространения зоны реакции.

Эти явления характеризуются резким изменением режима горения при малых вариациях внешних условий. Наиболее резко проявляется влияние температуры.

Известно, что скорости всех элементарных химических процессов являются функциями температуры: их температурная зависимость выражается законом Аррениуса. Критические явления происходят от нарушения условий равновесия между реагирующей системой и окружающей средой. К критическим явлениям Рычагов С.Н., Белоусов В.И., Кузьмин Ю.Д., Белоусова С.П.

относятся воспламенение, зажигание и концентрационные пределы распространения пламени. Воспламенение вызывается повышением начальной температуры, которая достигается подводом тепла или быстрым сжатием. Самопроизвольное воспламенение осуществляется в определенных условиях давления и температуры (рис. 1). Графическое изображение наблюдающихся здесь соотношений называют Рис. 1. «Полуостров воспламенения» при реакции окисления водорода, по [6]. I – III - Пределы воспламенения.

полуостровом воспламенения. На рис. 2 приведена картина окисления водорода.

Сходное явление наблюдается при окислении паров фосфора, окиси углерода и др.

Рис. 2. Равновесный состав газовых фаз в системах FeO-C и Fe-O-H, по [2].

Воспламенение смеси водорода или окиси углерода с кислородом происходит в присутствии паров воды, даже в незначительном количестве (10-4 и 10-5 мм рт.ст.).

Характерно, что в области самовоспламенения быстрая реакция начинается по истечении некоторого времени, называемого периодом индукции, продолжительность которого для реакции окисления водорода составляет десятые доли секунды. Зажиганием, или вынужденным воспламенением, обычно называется Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод возникновение горения под действием местного импульса: электрической искры или накаленной поверхности.

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.