Глядя на источники и гейзеры в Исландии, Bunsen (1847) не сомневался, что существует тесная связь между этими термальными проявлениями и вулканическими эманациями. Однако, на протяжении многих лет взгляды значительно изменялись на то, как влияют вулканические или магматические источники на формирование гидротермальных флюидов (Lindgren, 1933; White, 1957). Чёткое решение этих неопределённостей было дано Craig (1963), который определил, что содержание дейтерия в термальных водах, которые он исследовал, были всегда близки содержаниям дейтерия местным подземным водам, что позволяет предполагать о второстепенном участии магматических флюидов. В это же время, Ellis and Mahon (1964) показали, что большая доля растворенных веществ в термальных водах может просто быть выщелоченной из пород земной коры. На основании этих исследований, формирование гидротермальных растворов, в основном, объяснялось с позиций взаимодействия подземных вод с породами земной коры при повышенных температурах и ограниченным притоком магматических флюидов и тепловой энергии. Считается, что выходы термальных вод имеют, по существу, локальное метеорное происхождение и первоначально испытывают насыщение двумя химическими компонентами, тесно связанными с подземными водами, атмосферными газами N₂ и Ar (рис. 2).

На рисунке 1, относительные концентрации N₂, He, и Ar нанесены на графике для отдельных термальных проявлений большого спектра геотермальных и вулканических систем, перечисленных в таблице 1. Для всех систем показаны отношения ³Hе/ ⁴He в воздухе

Чёткие различия относительных содержаний N₂, Ar, и He летучих компонентов, связанных с геотермальными и вулканическими системами вдоль конвергентных и дивергентных плитовых границ, чётко предполагается, что первые содержат основную долю азота по сравнению с вулканическими системами, чем метеорного или мантийного происхождения. Эти выводы будут использоваться при обсуждении происхождения двух других главных компонента геотермальных и вулканических флюидов СО₂ и Н₂О.

Происхождение углекислого газа и воды

По аналогии с рисунком 1, содержания Не, как дано в таблице 1, используются в рисунке 2 для измерения возможного обогащения СО₂ и Н₂О, в мантийных газах.

Кроме того, точки, представляющие два анализа газов, по-видимому, мантийные по происхождению (SN) и (PR), занимают очень похожие позиции, соответствующие отношениям CO₂/He примерно 30,000 и отношению H₂O/He 26,000, при очень малом отношении H₂O/CO₂ близком к единице. Эти отношения возможно сопоставимы с отношениями в высокотемпературных вулканических газах вулканов вдоль конвергентных плитовых границ. Большая часть их расположена на графике вблизи угла H₂O на рисунке 2 с отношениями CО₂/He, H₂О/He, и H₂О/CО₂ 150,000, 2,700,000 и 18, соответственно. В более ранних работах (Giggenbach, 1995a,c), предполагалось, что отношение крайнего члена CО₂/He магматических летучих компонентов составляют 500,000, или в 17 раз больше мантийных отношений; отношение H₂О/He в 100 раз больше, предполагающее значительный привнос CO₂ и H₂O из других источников, кроме мантийных.

Повышение концентраций этих соединений, возможно, происходило во время прохождения преимущественно андезитовых магм через континентальную кору. Однако, стократное «разбавление» мантийной воды мало глубинными и, по-видимому, холодными водами континентальной коры должно охладить восходящие магмы значительно ниже их температуры кристаллизации (солидус), и могло не допустить подъёма расплавов до земной поверхности. Такого остывания можно избежать, если избыточная вода привносится субдуцированными морскими осадками, каким образом предполагается привнос N₂, и, следовательно, подвергается предварительному нагреву до или во время формирования андезитового расплава.

Если вода извлекалась из субдуцированного морского материала, то содержание дейтерия (D) конечного члена магматической воды дугового типа должно находиться вблизи от концентраций дейтерия в морской воде. Такая ситуация, к сожалению, происходит не очень далеко от концентраций дейтерия подземных вод, преимущественно с температурой тропического климата (Craig andBoato, 1955; Craig, 1963), где располагаются наиболее активные вулканы. Значительно больший контраст содержаний изотопов между местными подземными водами и магматической водой, по-видимому, образовавшейся из морской воды, может предполагаться для проявлений вулканических газов вулканов, расположенных на высоких широтах. Недавно, изотопные составы фумарольных газов вулканов Аляски (Viglino et al., 1985) и Камчатки (Taran et al., 1989, 1995) появились в наличии. Поразительной особенностью этих конденсатов являются большие содержания дейтерия (до -20%_o), резко отличающиеся от концентраций дейтерия в подземных водах высоких широт (рис. 3), и также от концентраций дейтерия любой «первичной магматической воды», как определялось Sheppard et al. (1969) по анализам вод, извлеченных из базальтов. В результате использования обширного набора изотопных данных, как вулканических, так и геотермальных термальных проявлений, Giggenbach (1992b) предложил логически непротиворечивую модель происхождения этих магматических вод дугового типа, как показано на рисунке 4.

Согласно рисунка 4, морская вода вовлекается в процесс субдукции двумя путями: на границе в гидратных минералах, образованных в высокотемпературных гидротермальных системах срединно-океанических хребтов, с значениями δD около -60‰, и как часть океанических осадков, транспортируемых на кровле погружающейся плиты с значением δD примерно -30‰. Предполагается, что воздействие мантийного тепла на верхнюю поверхность субдуцируемой плиты приведёт к мобилизации летучих компонентов из осадочной части субдуцируемого материала, в результате чего произойдет отделение летучей фазы. Во время её подъёма в мантийном клине, эта фаза летучих компонентов с высокой плотностью или влажный расплав (Stolper and Newman, 1992) вызовут обширное фракционирование компонентов пород в расплаве с вязкостями, плотностями и температурами солидуса достаточно низкими, чтобы способствовать проникновению через континентальную литосферу.

По мере уменьшения давления летучие компоненты вовлекались в этот подъём, и андезитовые магмы всё больше и больше будут пузыриться. Как обсуждалось ранее (Giggenbach, 1992b), предполагается, что выделение летучих компонентов из открыто дегазирующих расплавов сопровождается слабым фракционированием D примерно 20‰, создающее условия для образования магматической воды дугового типа с δD = -20%_o ± 10%_o, которые разгружаются андезитовыми вулканами вдоль Тихоокеанского кольца. Оказалось, что концентрации D в магматических водах, связанные с вулканической активностью в Средиземноморском бассейне, составляют +10‰± 10‰, что значительно больше (Panichi and Noto, 1992; D'Amore and Bolognesi, 1994), возможно отражая повышенные содержания D в средиземноморской морской воде. В соответствии с низкими отношениями N₂/He ratios в средиземноморских газах (рис. 15.2), исключительно высокие концентрации D также могут быть следствием усиленного взаимодействия восходящих летучих компонентов с мантийным материалом во время формирования здесь более щелочных магм.

Вывод о выделении больших количеств летучих компонентов, связанных с магматизмом конвергентных плитовых границ, таких как N₂, и особенно воды, свидетельствует о их морском происхождении, в результате процессов субдукции, что очевидно противоречит предположению Craig (1963), что участие в гидротермальной разгрузке летучих компонентов магматического происхождения должно быть очень незначительным. Этот кажущийся конфликт, частично разрешается, если принять во внимание, что изотопные данные, используемые Craig (1963) представляют, в основном, из иных не систем дугового типа или «андезитовых» систем и, что геотермальные воды содержат, в реальности, большие доли местной подземной воды, в значительной степени маскируя магматические признаки. По мере увеличения содержаний, как N₂, так и H₂O в высокотемпературных «андезитовых» летучих компонентов, по-видимому, обусловленные субдуцированием осадков, очевидно, осторожнее допустить, что почти пятикратное увеличение отношений СО₂/Не при переходе мантийных летучих компонентов в летучие компоненты дугового типа обусловлено привносом углерода, также из субдуцированных морских осадков (Marty et al., 1989; Peacock, 1990).

Как обсуждал ранее (Giggenbach, 1992b), андезитовые магмы являются наиболее приемлемой средой для миграции субдуцированных летучих компонентов назад к земной поверхности. В случае, если магмы не достигают земной поверхности, циркулирующие подземные воды, представляют другую эффективную среду. Для того, чтобы произошла смена средства транспортирования, летучие компоненты должны сменить перевозчика и должны найти возможность покинуть магматического посредника.

(Giggenbach, W.F.1997, The origin and evolution of fluids in magmatic-hydrothermal systems, См. Приложение)

Нотсу К. Диффузионное истечение СО2 на вулкане Иводжима, островная дуга Изу-Огазавара, Япония

Гиггенбах Происхождение и эволюция флюидов