ВУЛКАНИЧЕСКИЕ ГАЗЫ - МАГМАТИЧЕСКИЕ ЭМАНАЦИИ
Является ли кислый вулканический газ магматической разгрузкой на глубине ?
( Shinohara H. Does acid volcanic gas represent magmatic dischare at depth?// Rept. Geol. Surv. Japan, № 279, р. 152-155)
Часто предполагается, что кислые вулканические газы высокотемпературных фумарол представляют состав гидротерм, выделенных магмой. Однако, эксперименты с высокими давлениями чётко показывают, что магматические флюиды на глубине содержат небольшие количества кислотных соединений (т.н. HCl) и в большем количестве нейтральных соединений (т.н. NaCl), а не вулканических газов.
Вулканические газы и магматические эманации.
Высокотемпературный магматический газ является аналогом (образцом) гидротермальных флюидов (гидротерм), выделившихся из магмы и часто предполагается, что он представляет состав магматических эманаций. Очевидно, некоторые вулканические газы, которые образовались из внедрившегося магматического тела (т.е. лавового озера, лавового потока или лавового купола) являются магматической эманацией и идентичность магматической эманации и вулканического газа является очевидной при низких давлениях. Поскольку различия составов вулканических газов, которые образовались из магмы на поверхности и на глубине не известны, то предполагается, что магматические эманации на глубине имеют кислый состав похожий на субповерхностные магматические флюиды.
Классические исследования вулканических газов имели дело только с летучими соединениями (т.н. H2O, CO2, SO2, H2S, HCl, HF и другими неконденсируемыми газами), хотя процесс конденсации менее летучих соединений (т.н. NaCl, KCl, Fe2O3, FeO и других) в вулканических газах также обсуждался некоторыми авторами. Концентрации этих соединений в вулканических газах обычно низкие и процесс дифференциации главных летучих соединений мало подвергается воздействию слабо летучих компонентов. Процесс конденсации исследовался при уменьшении температуры, но только при атмосферном давлении. Поскольку вулканический газ, отобранный при атмосферном давлении, неминуемо испытывал большое падение давления, то предполагается, что дифференциация в результате падения давления является важным предположением при обсуждении происхождения вулканических газов.
В отличие от исследований вулканических газов, состав гидротермальных растворов часто приближается к смеси NaCl-H2O в изученных гидротермальных рудных месторождениях, полученных по данным анализов флюидных включений. Burnham (1979) рассчитал состав магматических гидротермальных растворов на основании лабораторных экспериментов, что показано в таблице 1.
Таблица 1. Состав магматической водной фазы в равновесном состоянии при 1.0 кбаре с гранодиоритовым расплавом при содержании Cl 0.1 вес.% ( Burnham, 1979)
Вкрапленники
плагиоклаз. магнетит
плагиоклаз, магнетит, роговая обманка
плагиоклаз, магнетит, биотит
Общий Cl
(m)
1.0
1.0
1.0
Главный катионный состав (m)
Na K Fe H Ca
0.40 0.23 0.10 0.09 0.02
0.17 0.47 0.11 0.03 0.02
0.32 0.32 0.11 0.03 0.02
Shinohara et al. (1984, 1989) проводили эксперименты при высоком давлении в простой системе Ab-Or-Q-NaCl-KCl-HCl-H2O при 8100С и давлении в интервале 0.6-6.0 кбар. Эти исследования показали, что концентрация HCl в водной фазе всегда меньше, чем NaCl и KCl, если силикатный расплав не глинозёмистый. Эти результаты экспериментов согласуются примерно с гидротермальными рудными флюидами, такими как смесь NaCl-H2O, но показывают значительное отклонение от состава кислых вулканических газов, которые содержат большие количества HCl и мало NaCl.
Как получаются кислые газы, которые содержат небольшое количество NaCl, отделившиеся от магматического флюида в недрах? Предполагается два процесса: 1) отложение NaCl в результате разделения фаз или 2) превращение NaCl в HCl в результате реакций, которые зависят от давления.Поскольку отсутствуют экспериментальные данные по многокомпонентным системам, включающим серные или хлоридные соединения (за исключением NaCl и KCl), то последующее обсуждение будет ограничиваться системой NaCl-HCl-H2O.
Процесс дифференциации вулканических газов.
1) Отделение фазы NaCl.
Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования проводились с фазовыми равновесными системами NaCl-H2O. При субкритических параметрах растворимость NaCl в паровой фазе уменьшается с понижением давления, как показано на рисунке 1, с минимальной растворимостью при высокой температуре и низком давлении. Так, например, минимальная растворимость NaCl в паровой фазе составляет 50ррм при 8000С, в то время как она составляет 600 ррм при 10000С. Следовательно, большое количество NaCl, который содежался в магматических эманациях на глубине выделился в виде жидкости, насыщенной NaCl и/или в виде твердого NaCl во время подъёма флюидов и концентрация NaCl в вулканическом газе уменьшается до минимальной растворимости. Куда исчезают большие количества отделившейся жидкости насыщенной NaCl и твердый NaCl? Поскольку HCl встречается лишь в количестве менее 10% от общего содержания соединений хлора в магматических эманациях на глубине (таблица 1), выделение NaCl (и других солей) из магмы составляет примерно в 10 раз больше, чем HCl. Хлоридно-натриевые горячие источники часто располагаются вблизи вулканов и являются одним из расходных стоков NaCl из магмы. Однако, в активных вулканических системах общая разгрузка NaCl с горячими гидротермами мала, чтобы объяснить выделение общего NaCl магмами. Так, например, разгрузка хлора на Сатсума-Иводжима в Японии оценивалась в 1х105 тонн/год с 70% истечением его из фумарол в виде HCl, и только 30% хлора выходило на поверхность в горячих источниках в виде смеси NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2 и других хлоридов. Поскольку концентрация нейтральных соединений в глубинных магматических эманациях выше, чем концентрация HCl, значительные количества NaCl и других нейтральных соединений должны накапливаться в вулканической постройке или потребляться другими процессами.
Рис.1. Расчетные растворимости NaCl в водяной паровой фазе при для некоторых изотерм в виде функции давления.
Рис. 2. Вариации констант равновесия реакции (1) при 6000С. Константа равновесия К получена экспериментально из отношения HCl|aCl в водной фазе.
2) Реакция перехода NaCl в HCl
Shinohara, Fujimoto экспериментально получили константы равновесия нижеследующих реакций при температуре 6000С и при давлении 400-2000 бар. Они нашли большую зависимость от давления констант равновесия (рис.2).
1/2Al2SiO5 + 5/2SiO2 + 1/2H2O + NaCl = NaAlSi3O8 + HCl (1)
андалузит кварц вода вода альбит вода
Термодинамический анализ экспериментальных результатов показывает, что большая зависимость от давления является следствием большого различия в парциальных молярных объёмах NaCl и HCl в гидротермах Принимая во внимание выше сказанное, Shinohara (1990) пришел к выводу, что константа равновесия любой реакции, которая имеет NaCl и HCl на противоположных частях уранения, также будет иметь большую зависимость от давления, то-есть отношение HCl/NaCl в гидротермах увеличится с уменьшением давления. Вулканический газ, который образовался из магмы на глубине неизбежно испытывает понижение давления, и взаимодействие восходящих гидротерм с силикатным материалом приводит к расходованию NaCl и образовванию HCl.
Таким образом, обе реакции потребляют NaCl из восходящих гидротерм и последняя из них привносит в гидротермы HCl. Магматические эманации на глубине дифференцируются в вулканическом газе через эти реакции, находясь в большой зависимости от давлений, которые испытывают сильные перепады. Взаимодействие NaCl с силикатами, приводящее к образованию HCl, должно также приводить к образованию Na-силикатов.