Скарновые гидротермально-магматические системы
ОБРАЗОВАНИЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СКАРНОВОГО ТИПА
Сопровождаемая интенсивной эмиссией СО2 подводно-морская вулканическая деятельность на экваториальных широтах Земли создаёт необходимые условия образования коралловых рифов. В процессе их эволюции коралловые отложения уплотняются и превращаются в непроницаемую толщу (кэп-рок), которая выполняет роль теплоизолятора (рис 1). Мощная толща кэп-рок (до 2 км) приводит к повышению температуры в недрах гидротермально-магматических систем.
Рис. 1. Геологический разрез атолла Муруроа .
Породы с повышенными содержаниями кремнезёма могут частично расплавиться и образовать очаги кислых магматических расплавов в земной коре, а также потоки вторичных летучих компонентов. Н2О и СО2 являются главными летучими компонентами.
Миграция СО2 в гидротермально-магматической системе происходит в виде диффузии и струйных потоков и влияет на химические процессы в воде и силикатных расплавах. Миграция газовой фазы СО2 в водосодержащих комплексах контролируется верхним относительным водоупорным горизонтом, формирование которого обусловлено процессами кислотного и пропилитового метаморфизма (рис. 2). Пузырьки СО2 поднимаются вдоль границы газонепроницаемых барьеров, которые, обычно, наклонены от вершины вулканической постройки к их периферии. Они объединяются в струи и стимулируют кипение в вертикальной колонне, расположенной над апикальной частью интрузии на глубине около 2 км. Такая восходящая колонна углекислого газа действует как газлифтный насос. В результате откачки гидротерм гидравлическая воронка, контактирующая с магматической конвективной системой, оказывает влияние на водосодержащий комплекс. Выделение водяного пара, имеющего высокую теплоёмкость, способствуют большим тепловым потерям в магматической конвективной колонне, стимулирует генерацию тепла в нижней коре и верхней мантии.
Рис. 2. Схематический разрез гидротермально-магматической системы на островной дуге.. Показана динамика СО2 и его влияние на формирование гидростатической депрессионной воронки.
Рис. 3. Схематическая концептуальная модель геотермального района Травале. Италия (Casini et al., 2010).
Вынужденная конвекция диффузионного потока СО2 обусловлена увеличением мощности и уменьшением проницаемости верхнего водоупорного горизонта, который эволюционирует в результате действия конденсатных вод поверхностного формирования. Повышение температуры воды, связанное с эволюцией изоляционных свойств водоупора, сопровождается их кипением, дегазацией, фреатическими и фреатомагматическими взрывами. Взаимосвязь вулканических структур и известняков органического происхождения, включая коралловые структуры не случайны, и генетически обусловлены. Такие гидротермально-магматические системы характеризуются большой тепловой мощностью и интенсивным отложением минералов и руд. Месторождения скарнового типа располагаются в недрах таких систем.
К таким системам относятся гидротермально-магматические системы Апеннинского полуострова (геотермальный район Лардерелло-Травале) и Каифорнийских Кордильер (геотермальный район Гейзерс- Ясное озеро).
Гидротермально-магматические системы на Апеннинском полуострове. Центр и юг Италии характеризуется четвертичным многоканальным вулканизмом. Он связан с геодинамическим расширением, которое представлено многочисленными активными, спящими и потухшими вулканами. Они извергали значительные объёмы щелочных пород. Общий объём, в основном, пирокластических отложений, составляет 900 км3 , распространённых на площади 6400 км2. Четыре вулканических центра с севера на юг горы Вулсини, г. Вико, горы Сабатини и Холмы Албани характеризуются наличием многочисленных кальдер и, связанных с ними извержений игнимбритов. Они размещены на мощной толще мезо-кайнозойских карбонатных отложения, залегающих в интервале глубин 1-8км. Магмы, объединяемые в Романскую магматическую провинцию, обогащены калием. Отмечаются большие колебания содержаний кремнезёма в продуктах вулканизма.
Кроме того, этот регион характеризуется интенсивной эмиссией CO2 глубинного происхождения. СО2 выделяется, как по площади, так и в виде газовых струй. Предполагается, что происхождение CO2 , в отсутствии современной вулканической деятельности, связано с дегазацией глубинной магмы, метаморфической декарбонизацией известняков и мантийной дегазацией (Gambardella et al., 2004). Взаимодействие карбонатных вмещающих пород и магм подтверждается присутствием высокотемпературных кальциевых скарновых ксенолитов в вулканических продуктах. Состав изотопов кислорода магматических минералов свидетельствует о большом масштабе этого процесса. Предполагается, что карбонатные толщи на всех одновременно гидротермально-магматических системах появились в результате генетически случайных тектонических событий (надвига- overthrust). Это кажется – невозможно.
Геотермальные скважины на геотермальном поле Лардерелло-Травале вскрыли геологический разрез до глубин 3000-4000м ниже уровня моря. Рисунок 3 показываетсхематическую концептуальную модель района Лардерелло-Травале.
Гидротермально-магматическая система Гейзерс-Ясное озеро в Калифорнии (США) часто рассматривается в качестве аналога геотермального поля Лардерелло в Италии. Обе геотермальные структуры относятся к пародоминирующим геотермальным системам (vapor-dominated geothermal Reservoir), которые характеризуются большой тепловой мощностью. В связи с этим интерпретация их происхождения и деятельности представляет интерес для геотермальных геологов. Прямых данных, свидетельствующих, что система Гейзерс-Ясное озеро относится к системам скарнового типа, нет. Однако, по некоторым характеристикам эти системы похожи.
Гейзерс является одной из немногих пародоминирующих систем в мире. Система интенсивно эксплуатировалась и исследовалась. Здесь пробурено 780 глубоких скважин, многие из которых достигли подстилающего плутонного источника тепла.
Система Гейзерс располагается в юрско-меловых породах францисканского комплекса. Он представлен метаграувакковыми турбидитовыми фациями и аргиллитами. Плейстоценовая интрузия фельзитовых пород обеспечивала гидротермальную систему теплом. Основное тело интрузии располагается на глубине 0.7км от поверхности в районе юго-западного Гейзерс. Её возраст по радиогенным данным составляет 1.2 млн. лет. Проницаемость в перекрывающих породах интрузива формировалась в результате гидротермального растворения более древних метаморфических жильных карбонатов. Верхний водоупорный горизонт (cap-rock) представлен нерастворенным метаморфическим кальцитом и более молодыми жильными кальцитами. Их образование связано с современной гидротермальной системой.
В районе Гейзерс-Ясное озеро находится большое количество источников, фумарол и газовых струй, которые выделяют огромное количество СО2 в атмосферу (Bergfeld et al., 2001). Региональные газовые анализы показывают, что СО2 , в частности, образуется из относительно богатого 13С источника, такого, как кальцитовые жилы. Увеличение значений δ13C-CО2 могло быть результатом притока СО2 при растворении морских карбонатных пород. Геологическое картирование всего региона показало, что морские известняки встречаются во францисканском комплексе и толще Грит Вэлли и в виде экзотических блоков в меланже и детритовом серпентините. Самый большой блок морских известняков (~0.19 км2) сложен органогенными остатками. Установлено, что СН4 не является источником для основной массы СО2 в этом регионе, а этот газ, наиболее вероятно, образовался из кальцитовых жил или Сорг.
Моделирование гидротермально-магматической системы Гейзерс-Ясного озера, проведенное Stimac J.A. et al. (2001), показало, что: 1- внедрение многочисленных небольших и неглубоких кислых магматических тел происходило на площади района с высоким тепловым потоком (около 750км2); 2- только небольшая доля (значительно меньше 10%) кислой магмы, внедрившейся в верхнюю часть земной коры, была извергнута на дневную поверхность; 3-высокие кондуктивные термические градиенты местами усилились за счёт контролирующих конвективную разгрузку тепла зон разломов и 4-большая часть кислой магмы, присутствующей в верхней коре, затвердела или почти затвердела.
На увеличение тепловой разгрузки также могут оказывать высокие концентрации СО2, растворённого в жидких гидротермах гидротермально-магматической системы. Эти гидрокарбонатные термальные воды в процессе отделения СО2 стимулируют кипение воды и большие тепловые потери гидротермально-магматической системы в целом. Предполагается, что этот процесс увеличивает поток летучих трансмагматических компонентов на протяжении магматической колонны, питающей магматический источник тепла.
Этот тепловой режим гидротермально-магматической системы Гейзерс-Ясное озеро аналогичен механизму деятельности, характерному для порфировых систем, в том числе и для скарновой системы Лардерелло.