Роль газов в гидротермально-магматических системах
Рис. 1. Схематическое строение гидротермально-магматической системы (Hedenquist, Lowenstern, 1994)В последние годы изучение молодых и палео- гидротермальных систем в областях современного вулканизма, прежде всего, в пределах островных дуг, и разработка концептуальных моделей эпитермальных рудных месторождений позволили сделать вывод о наличии в этих районах гидротермально-магматических конвективных систем (рис. 1).
Рис. 2. Эруптивная колонна Большого трещинного Толбачикского извержения 1975 г. Камчатка. Фото Смелова Н.П.
Магматическая конвективная ячейка гидротермально-магматических систем представляет собой систему потокового типа, в которой господствующим способом тепломассопереноса является вынужденная конвекция (рис. 2). Этот способ теплопередачи обеспечивается многими кооперативно действующими процессами. Существенная черта такого кооперативного поведения в магматическом процессе - эффект самоорганизации, т.е. возникновение, развитие и гибель макроскопических структур в неравновесных условиях. Исследования по теории самоорганизации таких физико-химических систем, как магматическая конвективная ячейка, далеки от окончательного решения и находятся на стадии получения информации и первых обобщений [13].
Эти авторы считают, что эффекты самоорганизации наблюдаются в открытых системах потокового типа, связанных, по меньшей мере, с двумя внешними системами, не находящимися в равновесии друг с другом. Незатухающие потоки энергии и вещества поддерживают систему в состоянии, далеком от теплового равновесия. Рост установившейся упорядоченности в таких системах происходит с повышением степени неравновесности при увеличении потока энергии и (или) вещества. В случае с магматической конвективной ячейкой этот эффект фиксируется стадией прорыва магматической колонны через литосферу к поверхности Земли и квазистационарным истечением дифференцирующегося магматического расплава во время извержения. Явления самоорганизации в неравновесных системах принципиально отличаются от явлений упорядочения в равновесных системах, где порядок системы возрастает при понижении температуры.
Несмотря на различную природу этих явлений, существует аналогия в описании равновесных фазовых переходов и эффектов самоорганизации в открытых системах. Равновесные фазовые переходы реализуются в кристаллизующихся магматических очагах, в экструзиях или остывающих лавовых потоках. В связи с этим к ним применимы термодинамические уравнения. Самоорганизация связана с явлениями турбулентности. Оба эффекта наблюдаются в неравновесных системах потокового типа, как правило, при больших интенсивностях потоков следует ожидать именно турбулентное течение. При больших разностях температур (разность температур в мантии и земной коре ~ 1000°С; разность температур в мантии и в верхних слоях атмосферы ~ 1300°С), магматическая система переходит в состояние с турбулентным режимом конвекции. С другой стороны, если интенсивность внешнего воздействия мала, состояние открытой системы близко к равновесному. Таким образом, при увеличении интенсивности воздействия наблюдается переход от теплового равновесия к турбулентному режиму, как это происходит при инъекции глубинного базальтового расплава в коровые дифференцированные очаги [3-5]. Зарождение турбулентности может происходить скачком, либо занимать некоторый интервал значений параметров, характеризующих определенную степень внешнего воздействия на рассматриваемую систему. В последнем случае переход к турбулентному режиму осуществляется путем последовательного усложнения регулярных структур
В качестве примера приведем описание прорыва базальтового расплава на вулкане Академии Наук в 1996 г. [21]. Сейсмические события свидетельствовали, что развивающаяся вверх магматическая колонна в земной коре вошла в остывающий коровый магматический очаг, который находился в состоянии теплового равновесия, установившегося после извержения, произошедшего более 20000 лет назад. В течение ~ 30 часов базальтовый мантийный расплав, нарушив тепловое равновесие в коровом очаге, вызвал образование свободной газовой фазы в охлажденном и насыщенным растворенными равновесными газами магматическом расплаве андезитового состава.
Это привело к резкому увеличению объема слабо перемешенного расплава и к фреато-магматическому извержению вулкана Академии Наук: выброшен шлак, пемза, другие виды пирокластики и образовался шлаковый конус на севере Карымского озера. Считается, что образование таких структур представляет собой явление самоорганизации в неравновесных системах.
Динамика СО2 в эпитермальных условиях гидротермально-магматической системы.
Углекислый газ является главным агентом магматических флюидов в вулкано-гидротермальных системах. Он участвует в формировании гидротермальных растворов и в концентрации их разгрузки, которая сопровождается образованием рудных месторождений. В связи с этим оценки эмиссии и происхождение вулканогенного СО2 важны, как при разработке моделей эпитермальных условий, так в реконструкции магматических систем, их способа дегазации и распределения газов из них в окружающую среду.
Вулканы характеризуются значительно большими выделениями СО2 (в 10-100 раз), чем могут производить магматические расплавы, извергаемые ими на поверхность, т.е. большая часть СО2 выделяется из интрузивной магмы. Это связано с низкой растворимостью этого газа в силикатных расплавах при умеренных и низких давлениях. В связи с этим СО2 может накапливаться или/и в виде пузырьков в неглубоких магматических очагах, действует в роли транспортной фазы для других летучих компонентов (SO2, Н2S, СО, HCl, HF и трековых элементов) и обеспечивает фумарольную фазу активности гидротермально-магматических систем.
Разгрузка СО2 на вулканической постройках в виде диффузионных и струйных потоков обусловлена, как его слабой химической реакционной активностью, так и особенностью эволюции вмещающих пород. Молекулярная структура магматических расплавов предполагает равномерность процесса выделения растворённого СО2 и однородную плотность его диффузионного потока. В связи с этим диффузионные потоки первичны по отношению к струйным потоками. Струйные потоки образуются при появлении свободной газовой фазы в гидрокарбонатном водном потоке гидротермально-магматической системы (рис. 3).
Рис.3. Схема гидротермально-магматической системы на современных островных (андезитовых) дугахМиграция газовой фазы СО2 в водоносном комплексе контролируется верхним относительным водоупорным горизонтам, формирование которого обусловлено процессами кислотного и пропилитового метаморфизма
Пузырьки СО2 поднимаются вдоль границы такого газонепроницаемого барьера, наклонённого, как правило, от вершины вулканической постройки к её периферии. Они объединяются в струи и стимулируют кипение в вертикальной колонне, расположенной над апикальной частью магматического тела. Такая восходящая газированная гидротермальная колонна действует, как насос. В результате откачки гидротермальных флюидов в водоносном комплексе образуется депрессионная воронка, которая имеет контакт с магматической конвективной системой (рис. 4).
Рис.4.Схематический разрез островодужной гидротермально-магматической системы.
С водяным паром, обладающим большой теплоёмкостью, происходят огромные тепловые потери по магматической конвективной колонне, погружённой в зону генерации тепловой энергии в нижней коре и верхней мантии. Баланс в сторону усиления диффузионного потока СО2 обусловлен увеличением толщины и уменьшением проницаемости верхнего водоупорного покрова, эволюция которого связана с деятельностью конденсатных вод поверхностного формирования
Повышение температуры этих вод, вызванные такой эволюцией изолирующих свойств этого покрова, сопровождается их парообразованием, дегазацией, фреатическими и фреатомагматическими взрывами.Кипение, конденсация и разбавление гидротермальных растворов в условиях резких изменений температуры, давлений, контролирующих, как химический состав минералообразующих рудоносных растворов, усиленная гидродинамика в зоне кипения и дегазации (до 2км), - всё это предполагает возможность концентрирования металлических элементов и образование рудных залежей и жильных тел. Подводная вулканическая деятельность в экваториальных широтах земного шара, сопровождаемая интенсивным выделение СО2 , создает необходимые условия для образования коралловых рифов. Мы считаем, что образование коралловых покровов на вулканических островах обусловлено гидротермальными и магматическими процессами, происходящими в недрах этих вулканических построек. Коралловые сооружения появляются на них, в виде реакции органогенной постройки на выделение магматического СО2. Со временем коралловое сооружение уплотняется и превращается верхнюю водоупорную толщу, под которой происходит накопление тепловой энергии и формируется гидротермальная конвективная ячейка, которая способствует отложению руд скарнового типа.
БЕЛОУСОВ В.И. УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В ЭПИТЕРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ