МЕХАНИЗМ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ: КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

Гидротермально-магматическая система в районе активного вулканизма состоит из гидротермальной и магматической конвективных ячеек. В гидротермальной ячейке главным теплоносителем является термальная вода. В её составе присутствуют газы и катионы, в основном, щелочных металлов, которые привносятся в воду из магматической конвективной ячейки. Возможно, в этой воде присутствует небольшая доля первичной магматической воды мантийных базальтовых расплавов. Предполагается, что поскольку кислород является наиболее распространённым элементом, а водород – его компаньон в молекуле воды, то отношения ¹⁸O/¹⁶O и D/H, где D - дейтерий (²₁H), тяжёлый изотоп водорода, могут быть мощными индикаторами, трассерами источников гидротермальных флюидов.

Изотопные изменения метеорной воды зависят от широты и абсолютной отметки со значениями δD и δ¹⁸O понижающимися на больших превышениях и больших широтах. Это является следствием меньшего испарения и меньшего фракционирования этих изотопов пар-флюид, которое способствует переходу более лёгкого изотопа в паровую фазу, а остающийся флюид обогащается тяжёлыми изотопами. Таким образом, кипевшая вода обогащается ¹⁸O и D по сравнению с паром.

Предполагается, что магматическая вода содержит большую долю тяжёлых изотопов этих элементов, по сравнению с метеорной водой. Это обусловлено фракционированием лёгких изотопов при магматических температурах. Испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, адсорбция и диффузионные процессы объясняют механизмы изотопного фракционирования (Pirajno, 2009). Однако, Taylor (1997) предупреждал, что колебания изотопов O и D в пределах магматического box не определяют, что природная вода магматического происхождения. Сходство отношений D/H минералов изверженных и метаморфических пород делает невозможным различать магматическую и метаморфическую воды только на основании значений δD. Поэтому вызывает сомнение применение такого метода определения магматической воды в гидротермально-магматических системах. Если метеорная вода находится во взаимодействии с магматическими расплавами, то она может иметь изотопные значения первичной магматической воды. В связи с этим, вывод, сделанный на Японско-Американском Семинаре в Эбино и Кагосиме (Hedenqust, 1992) о повышенной роли магматической воды в порфировых рудных системах, требует дополнительного анализа.

В гидротермальной ячейке теплопередача, главным образом, происходит в результате свободной конвекции, которая обусловлена градиентами плотности и температурой воды. Свободная конвекция в местах, где температура воды достигает точки кипения при гидростатическом давлении, осложняется вынужденной конвекцией. Она обусловлена фазовым переходом (образование пара), усиленным выделением неконденсируемых газов, которые в результате восходящего течения газовой фазы формируют газово-жидкую струю, создающую эффект газлифта. Этот процесс известен, как гидротермальный (фреатический) взрыв или гидротермально-магматическое (фреато-магматическое) извержение. В последнем случае в составе продуктов извержения присутствует свежая магматическая порода. Это свидетельствует, что в процессе гидротермального взрыва происходит внедрение магматического расплава, который увеличивает приток тепла в гидротермальную ячейку. Эта струя понижает уровень воды и образует депрессионную воронку в гидротермальной ячейке (рис. 7). Большое понижение водного уровня увеличивает тепловые потери магматической конвективной ячейки. Вода мигрирует в эту воронку и водный уровень в гидротермальной ячейке восстанавливается. Температура воды понижается.

Рисунок 7: Схематический рисунок, показывающий взаимодействие гидротермальной и магматической ячеек во время гидротермально-магматического извержения.

1 - горячая интрузия щелочных гранитоидов; 2 – кристаллизующийся щелочной гранитоидный расплав; 3 – поздняя инъекция щелочной гранитной магмы; 4 – штокверки: brine + разбавленные метеорные воды + рудные жилы; 5 – метеорные воды; 6 – диатрема, связанная с поздней инъекцией щелочной гранитной магмы; 7 – уровень воды около диатремы.

В зоне контакта воды, горячих пород и магмы образуются большие градиенты температур. Происходит резкое остывание, уменьшение объёма пород и образование трещин. В этих местах возникает кипение, повышение минерализации гидротерм вплоть до образования рассола. Очень высокоминерализованные рассолы, вероятно, образуются из конденсатных вод, обогащённых выщелоченными металлами кратерных озёр и вод, нагретых паром. Такие рассолы могут образовать систему рудоносных жил (штокверк). Аналогичный процесс можно наблюдать в кратерах некоторых вулканов (рис. 8).

Рис. 8: Поверхность лавового потока покрыта многочисленными трещинами, в которых метеорная вода трансформируется в пар. Авачинский вулкан. Извержение 1991 года. Камчатка (Belousov.pro)

Вода, понижая температуру магматического тела и горячих вмещающих пород, постепенно нагревается. Скорость нагревания воды зависит от её количества в пьезомтрической депрессионной воронке. Небольшие объёмы водного горизонта над магматическим телом, по-видимому, характерны для центральных вулканов с режимом частых небольших взрывов. Таким примером являются пепловые извержения вулкана Карымского на Камчатке. На рисунке 9 можно наблюдать эволюцию эруптивного извержения, похожую на извержение гейзера.

Рисунок 9: Стадии гидротермально-магматического (фреато-магматического) извержения вулкана Карымского, Камчатка.

1 - нагревание воды в водоносном комплексе ( в верховодке), разгрузка воды скрытая; 2 - начало кипения воды и истечение пара; 3 - максимальное кипение и извержение; 4 - парение (www. Kamchatski-krai.ru)

Таким образом, в этой магматической системе создается также значительный градиент температур. Остывание магматических очагов в земной коре и превращение их в малые интрузии стабилизирует магму. Градиент температур магматической ячейки обусловливает в ней миграцию летучей фазы и с ней тепла от мантии к земной поверхности. Взаимодействие с гидротермальной ячейкой проявляется в передаче тепла в зоне контакта, в результате молекулярной передачи, и вынужденной конвекцией. Она обусловлена градиентом концентрации щелочных металлов между расплавом и горячими щелочными породами. Этот процесс подтверждается исследованиями флюидных включений в породах зоны перехода гидротермальной и магматических ячеек гидротермальной системы Какконда в Японии (Sasaki et al., 1995).

На геотермальном поле Какконда флюидные включения в кварце гранитов имели температуры гомогенизации в интервале от > 330°C с минерализацией < 20 вес.% (NaCl экв.) до 380-510°C с минерализацией 60-75 вес. % и мольные отношения Na/K в высокотемпературных и высокоминерализованных включениях 1.2-2.3. Эти отношения Na/K аналогичны отношениям гидротермальных растворов, равновесных с гранитами, которые определены экспериментами (Sasaki et al., 1995). Включения с более низкими температурами гомогенизации и меньшей минерализацией являются аналогами гидротерм, образовавшихся в результате смешивания высокоминерализованных и слабоминерализованных гидротермальных растворов. Гидротермальные растворы, циркулирующие в гранитах, постепенно трансформировались из сильно минерализованных в слабо минерализованные. Эти данные свидетельствуют, что во время взаимодействия метеорных вод гидротермальной ячейки с магматической ячейкой, происходило образование рассолов. Они по своим теплофизическим свойствам приближаются к твёрдому состоянию и не способны к свободной конвекции. Это взаимодействие приводило к переходу щелочных металлов из магмы в рассолы. Миграция щелочей, а с ними и тепла могла быть обусловлена градиентом их концентрации. Рассолы смешиваются со слабо минерализованными термальными водами и нагревают их. В результате этого образуется конвективная гидротермальная ячейка, в которой доминирует свободная конвекция.

Тепловые потери магматической ячейки компенсируются притоком трансмагматических флюидов со щелочными металлами. Они поступают в магматический очаг под центральными вулканами по магматическим каналам, имеющих конфигурацию тонкой пластины. Эти каналы при остывании расплава трансформируются в дайки. Для этих структур характерно большая поверхность остывания, малый объём, что обусловливает большие удельные тепловые потери. Эти тепловые потоки могут быть обеспечены теплоносителями с большой внутренней энергией (низкотемпературная плазма) и мобилизацией тепла из мощного источника. Таким источником являются магматические резервуары базальтовых расплавов. Мобильные элементы будут концентрироваться в головной части прорывающегося расплава. Здесь сосредоточивается тепловой поток большой мощности, который плавит породы и магма проникает через толщи пород. Таким образом, дайки являются первичными структурами, магматическими каналами транспортирования большого количества тепловой энергии через земную кору. Большие потери тепла приводят к быстрому остыванию, твердению и уменьшению проницаемости магмы, особенно, в горизонте сплошных даек. Этот горизонт является хорошим теплоизолятором. Ниже горизонта сплошных даек может происходить аккумуляция тепла, высокоэнергетической магмы и летучей фазы, в которых концентрируются щелочные металлы.

Флеров Г.Б. и другие (2015) изучали магматическую систему Толбачинского центра на Камчатке. Они предложили концептуальную петролого-геодинамическую модель происхождения магм этого центра. Она подтверждает вышеприведенные предположения о миграции и аккумуляции щелочных металлов в базальтовых расплавах. Согласно этой модели резервуар базальтовой магмы располагается на границе кора–мантия. Внедрение базальтовых расплавов из верхней мантии сопровождался образованиями магматических очагов в земной коре и трещинными извержениями на поверхности. Извержения базальтового расплава прекращались и начинались извержения трахибазальтовой магмы из того же резервуара, в который снизу внедрялся щелочной расплав. Предполагается, что существует два магматических резервуара на разных глубинах, которые взаимодействуют и образуются магмы промежуточного состава.

Согласно нашей концепции образование трахибазальтового расплава происходит в том же базальтовом резервуаре и этот процесс вызван миграцией трансмагматических флюидов, содержащих щелочные металлы. Миграция этих флюидов обусловлена потерей тепла, уменьшением температуры в базальтовом резервуаре и увеличением температурного градиента в магматической системе. Аккумуляция трансмагматических флюидов в базальтовый резервуар до критических пределов является решающими фактором последующих извержений трахибазальтовых расплавов.

Рис. 10. Схематический рисунок, показывающий неглубокие магматические очаги и связанные гидротермальные системы вулканов Мауна Лоа и Килауэа, Гавайи (Fournier, 1987)

Decker R.W. (1987) отмечал, что магматические очаги под вулканами Килауэа и Мауна Лоа находятся на глубине ~3 км от соответствующих вершин (рис. 10). Он пришёл к выводу, что « Продолжительный процесс эволюции Гавайских вулканов, очевидно, приводит к прогрессивному плавлению вверх, освобождению пространства (стопинг) и (или) расталкиванию в стороны пород, которые перекрывают систему неглубоких резервуаров». При допущении, что, если глубина 3 км до кровли неглубокого магматического резервуара приблизительно сохраняется с начала формирования вулканических построек гавайского типа до образования постройки на морском дне в течение роста острова, могут быть сделаны обобщения о вероятной связи с гидротермальной системой. Фурнье (Fournier R.O.,1987) предполагает, что это связано с химической трансформацией морской поровой воды, тепловым режимом вокруг магматических очагов, взаимодействием вод с породами при высоких температурах и увеличением давления неконденсируемых газов.

Согласно нашей концепции миграция магматического очага тесно связана с миграцией гидротермальной конвективной ячейки, локализуемой в верхней части вулканической постройки. Этот процесс обусловливается непрерывностью аномального теплового потока от уровней верхней мантии к поверхности Земли, увеличением температурного градиента в магматической конвективной ячейке и сменой трансмагматического теплоносителя в зоне перехода магматической конвективной ячейки к гидротермальной конвективной ячейке, где доминирующим теплоносителем является метеорная вода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тепловой поток геотермальных районов в 50-100 раз больше среднего теплового потока Земли. В гидротермально-магматических системах доминирует конвективный транспорт тепла. В верхней части системы теплоносителем является вода и вулканические газы. В нижней части - в качестве теплоносителя доминируют силикатные расплавы и высокоэнергетическая фаза летучих компонентов (трансмагматический флюид). Состав и термодинамическое состояние фазы летучих компонентов определяются составом и теплофизическими свойствами расплавов. В магматических флюидах особую роль в обмене теплом между гидротермальной и магматической ячейками играют щелочные металлы. Функционирование гидротермально-магматических конвективных систем обусловлено, главным образом, тепловым балансом и градиентом температур, которые контролирует аномальный тепловой поток в условиях земной коры и верхней мантии. Нарушение теплового баланса гидротермально-магматической системы обусловливается изменением их структуры в процессе взаимодействия потока тепла и окружающих пород, которое проявляется в периодических извержениях мобильных теплоносителей (расплавов и летучих фаз).

Таким образом, формирование геологической структуры таких систем является результатом самоорганизации теплового потока от мантийных глубин до поверхности Земли. Режим теплового потока характеризуется минимизацией тепловых потерь и аккумуляцией тепла на некоторых участках земной коры. Аккумуляция тепла в структуре гидротермально-магматических систем необходима для поддержания их рабочего режима.

БЕЛОУСОВ В.И. и БЕЛОУСОВА И.В. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Belousov V.I., Belousova I.V. Heat Transfer in Hydrothermal-Magmatic Systems