Гидротермально-магматические системы
Рис. 1Кольцевой тектоно-магматический комплекс Мессум, Намибия (Bauer et al., 2003). Белым,, серым и чёрным цветом обозначены магматические тела разного возраста и состава.
Рис.2. Влияние напряжений в земной коре на размер и форму магматических тел при эволюции расплава от базальтов до дацитов (Hildreth, 1981): (1) и (2) - этапы андезитового вулканизма
В 1960–80 гг. получена принципиально новая информация о магматических и газо-гидротермальных (флюидных) процессах, протекающих в океанической земной коре (Bischoff, Dickson, 1975; Богданов, 1997). Это позволяет восстановить эволюцию длительноживущих вулканогенно-рудных центров (ДВРЦ). Возникновение океанических ДВРЦ и связанных с ними гидротермально-магматических систем происходит при заложении подводных вулканических хребтов или на участках локализации «горячих точек» в зонах спрединга.
Рис.1. Модель строения верхней коры в хребтах быстрого спрединга, показывающая изменения в поперечном разрезе (линия течения) в составе даек, обнаженных в северной стенке Глубокого рифта Хесса, и включающая механизм аккумуляции плагиоклаза, в результате которого образуются магмы с малыми плотностями и происходят извержения. (1) Расплавные линзы питаются разными мантийными расплавами вдоль осей. (2) Неполное смешение вдоль простирания осевых расплавных линз вдоль экваториальной части ВТП сохраняет разные по составу части магматической системы (разные оттенки). (3) Дайки внедрялись на узких участках вблизи оси (1-2км шириной), но не полное смешение в расплавных линзах и горизонтальна я (вдоль оси) миграция магмы (показана виде векторов в дайках) привели к тесному расположению даек различного состава и к отсутствиюпростого тренда в составе в разрезе линии течения. Аккумуляция плагиоклаза в некоторых участках расплавных линз привели к формированию магмы с относительно малой плотностью, в результате чего эта магма была способна достичь верхних горизонтов земной коры и, возможно, она извергалась в виде лавовых потоков. Дайки будут стремиться протыкать земную поверхность и извергать лавы в местах начальной их инъекции (энергичный приток магмы), но многие дайки не будут пересекать дневную поверхность и извергать лавы (смотри дискуссию). В течение всего времени субосевое опускание производит наклонение лав и даек во время спрединга и размещения мощных лавовых толщ (Karson et al., 2002). Отмечено, что мощность даек (обычно ~ 1м) была чрезмерной для визуального восприятия и кровля расплавных линз размещена на 2км, но колебалась в пределах от ~1 д 2 км. В редакции из Stewart et al. (2002) и Stewart et al. (2003) с разрешения American Geophysical Union.
Результатом взаимодействия базальтовых расплавов с морской водой является насыщение гидротерм коллоидным SiO2, летучими (СО2, Н2S и др.) и S. Инфильтрация морской воды вглубь подводной гидротермальной системы понижает содержание в породах Mg, что связано с отложением в них SiO2 в виде опала и др. (Janecky, Seyfried, 1984).
Высокое содержание углекислоты в гидротермах приводит к образованию Ca-силикагеля. Ca-силикагель обладает повышенной адсорбционной способностью (≥ 50 раз) по сравнению с водородным (Рубаник, 1971). Отмеченные процессы создают условия для начала «тепловой и геохимической самоизоляции» гидротермально-магматической системы и ведут к увеличению концентрации в породах щелочных элементов.
Гидротермально-магматические системы, локализованные на переходной от подводно-океанических хребтов в островную дугу земной коре, выделяются на основании оценки термодинамических условий выделения газов из магматического расплава. При извержении подводных вулканов магма может интенсивно дегазировать. В составе летучих в расплавах находится не только вода, но и др. газы, некоторые из них (углекислый) трудно растворяются в магме. Учитывая, что происходит повышение концентрации летучих в головных частях магматических колонн, следует ожидать, что пузырьки газов образуются на больших глубинах. Последнее способствует формированию геологических структур, уходящих корнями в верхнюю мантию. Дополнительный приток тепла и рост верхней части ДВРЦ за счет отложения пирокластики и вулканогенно-осадочных пород создают условия для увеличения объема гидротермально-магматической системы, активизируются процессы взаимодействия вода-порода, которые приводят к образованию силикагелей, отложению продуктов коагуляции и сорбции из гидротерм металлов. Происходит дальнейшее накопление щелочей во вмещающих породах.
В островных дугах гидротермально-магматические системы располагаются на границе взаимодействия атмо-, гидро- и литосферы. Это определяет взаимодействие восходящих глубинных флюидов с метеорными водами, подземное кипение и парогазоотделение. При извержении вулканов за счет понижения давления в очаговых зонах, вплоть до создания вакуума, происходит «мгновенное» поступление атмосферных газов на глубину до n км (Ohsawa et al., 2000). Это создает предпосылки для фреатомагматических взрывов и активизации гидротермальных процессов в недрах систем. В верхних горизонтах систем формируются среды, в которых происходит динамичное изменение термодинамических параметров, вызывающее образование смешенных гидротерм с различными pH и Eh. Последнее определяет перенос, концентрирование и отложение благородных, цветных и редких металлов. В таких условиях происходит формирование эпитермальных рудных месторождений (Hedenquist et al., 1988), а по нашим данным и материалам последних исследований – также и мезотермальной и, вероятно, Cu-Mo-Au…-порфировой минерализации. Возможно, это представляется парадоксальным, но на этапе островной дуги на фоне многократного увеличения объема пород продолжают интенсивно развиваться процессы тепловой и минералого-геохимической изоляции системы от окружающего геологического пространства и одновременно образование проницаемых зон внутри системы. Эти обстоятельства и предопределяют формирование крупных геотермальных, эпи- и мезотермальных Au-полиметаллических и, вероятно, Cu-Mo-Sn-Au-Ag…- порфировых месторождений в недрах гидротермально-магматических систем.
В зрелых островных дугах рудогенерирующие гидротермально-магматические системы образуются в пределах крупных (≥ 20-25 км в диаметре) кольцевых вулкано-тектонических структур. Образование структур связано с извержением газонасыщенных кислых расплавов из дифференцированных магматических очагов. Формируются кальдеры и гидротермальные системы типа артезианских бассейнов. Такие системы характерны для Срединно- и Восточно-Камчатского вулканических поясов, Вулканической зоны Таупо (Н.Зеландия), и др. Таким образом, в зоне перехода океан – континент выделено 4 типа гидротермально-магматических систем. Корни этих структур погружаются до уровней генерации ультраосновных или примитивных базальтовых магм в верхней мантии, что находит подтверждение, в частности, в геохимических и экспериментальных исследованиях коматиитов и коматиитовых базальтов (Гирнис и др., 1987).
Транспорт тепла в условиях бимодального магматизма и роль щелочных металлов
Одной из актуальных проблем в области минерало-рудообразования и геотермии остается понимание генезиса источников тепла и механизмов его переноса в земной коре. Аномально высокие значения мощности и плотности тепловых потоков в рифтовых структурах и вулканических островных дугах (Hochstein, 1995) сложно объяснить без привлечения гипотезы о магматической конвекции в сквозькоровых геологических структурах. Такими структурами являются долгоживущие (до n x 107 лет) вулканические (вулканогенно-рудные) центры (Белоусов, 1978), в осевых зонах которых формируются гидротермально-магматические системы, обеспечивающие не только перенос, но и генерацию магматических расплавов, глубинных флюидов и металлоносных растворов.
Следовательно, сквозькоровые магматические структуры рассматриваются и как источники тепловой энергии, и как системы, передающие энергию от верхней мантии к дневной поверхности. Наиболее эффективной формой транспортировки базальтовой магмы сквозь кору являются субвертикальные дайки. Их высокая концентрация в основании базальтового и нижних горизонтах гранитного слоев, установленная по сейсмическим и гравиметрическим данным, обусловлена многократными внедрениями расплавов из мантийного источника (Bauer et al., 2003). История развития кольцевой геологической структуры Мессум (Намибия) характеризуется внедрением мафических и фельзитовых, включая щелочные, расплавов в течение 2-х млн. лет (рис. 1). Земная кора на данном участке рифтовой структуры отличается высокой неоднородностью, что объясняет наличие системы рассеянных мафических интрузий вдоль всей колонны. Петрологические исследования свидетельствуют о мантийном источнике интрузивных пород. Таким образом, кольцевые комплексы, сложенные полифазными интрузиями, являются классическими сквозькоровыми системами, обеспечивающими передачу тепла в различных тектонических структурах земной коры (рис. 2). Движение магматического расплава и сопряженных с ним летучих определяется температурным напором. Газы, вода и щелочные металлы обладают невысокими Р-Т параметрами в сравнении с породообразующими и радиоактивными элементами, но большой теплоёмкостью (вода и щелочи – от 800 до 1000 ккал/кг при температурах плавления пород). Они мигрируют вдоль колонн, используя магмы как проводящую среду и образуя интрателлурические (по Д.С. Коржинскому) потоки. До настоящего времени не получено достоверных данных о механизмах миграции комплексного эндогенного теплоносителя. Но не вызывает сомнений, что интрателлурические потоки транспортируют значительную часть глубинной тепловой энергии и служат связующим звеном между магматической и гидротермальной ячейками (рис. 3).
Процессы переноса, накопления и рассеяния тепла наиболее полно рассмотрены для гидротермальных условий. Однако, ранее не акцентировалось должного внимания на щелочных металлах, как агентов по переносу тепловой энергии. Между тем, щелочи насыщают расплавы, вулканические газы, гидротермальные растворы и вмещающие породы при эволюции гидротермально-магматических систем. Установлены высокие концентрации K, Na, Li, Rb и Cs в продуктах пневматолитовой минерализации (медных «рудах» и др.) БТТИ (Набоко, Главатских, 1985). В гидротермальных системах щелочи постепенно накапливаются от высоко- к низкотемпературным пропилитам, и далее к кварц-адуляровым метасоматитам и аргиллизированным породам (Коробов, 1995). Источником щелочей эти и др. авторы считают глубинные магматические расплавы. Щелочные металлы являются индикаторами фронтальных частей конвективных тепловых потоков.
Рис. 3. Схематическая модель перехода от магматических к эпитермальным (гидротермальным) условиям в субвулканических структурах (Fournier, 1999). А – Субвулканическая интрузия изолирована от гидротермальной системы зоной хрупко-пластичного перехода. Б – Эпизодические прорывы зоны и внедрения магматических флюидов в гидротермальную систему.