Тектонические позиции и происхождение магм
Вохлетц К. и Хенли Г. в книге "Вулканическая и геотермальная энергия" обращают внимание на тектонические позиции и происхождение магм. Они считают, что " Поскольку ~95% вулканов находится на границах плит, их расположение согласуется с теорией плитовой тектоники. как показано на рис. 1. Источники магм вулканов, которые встречаются внутри плитовых регионов или океанических и континентальных, более трудно объяснить. В этих случаях, гипотезы, которые привлекают мантийную динамику, в результате чего горячие струи ассоциируются с ячейками мантийной конвекции, континентальным рифтогенезом и утонением литосферы, связанным с тектоническим растяжением, считаются обоснованными.
Рис. 1. Тектонические позиции вулканизма, показанные через оценку объёмов экструзивных пород на поверхности Земли. Объёмы магмы выражены в кубических километрах в год. (адаптировано из Fisher, Schmincke, 1984).
Возможно, большинство значительных аспектов тектонических позиций является их влияние на состав наблюдаемых магм и эволюция очага (таблица 1. обобщает пять тектонических позиций и их вулканических характеристик). Первичной характеристикой геотермальных потенциалов является глубина очага, которая дает информацию об источнике тепла и глубине локализации (становления, остановки) (глубина источника геотермального тепла). Предполагается, что для мантийных магм, которые имеют мафический состав, и имеет мантийные признаки, проявленные в составе трековых элементов и изотопных отношениях (Yoder, 1976), глубины источников тепла составляют более 50 км в случае континентальных внутри плитовых вулканов, которые могут не иметь коровых резервуаров. С другой стороны, в рифтах и структурах растяжения глубинные мантийные магмы способствуют плавлению коровых пород, таким образом, что неглубокие магматические очаги могут образоваться в течение длительного времени воздействия потока магмы из мантии (Hildreth, 1981). Наоборот, вулканы, связанные с островными дугами, имеют признаки влияния мощности земной коры. Континентальные дуги имеют магмы, которые, генерируясь на промежуточных глубинах в несколько десятков километров, могут формироваться или становиться контаминированными за счёт кислых коровых материалов во время их усвоения.
ЭРЛИХ Э.Н. и БЕЛОУСОВ В.И. (смотри ПРИЛОЖЕНИЕ ниже) подробно рассматривают петрологические, геохимические и теплофизические аспекты происхождения базальтов. Авторы считают, что " Вулканические породы островных дуг принадлежат к известково-щелочной серии[1]. Значительная дифференцированность продуктов вулканизма в пределах отдельных аппаратов и обилие среди вулканических пород андезитов было настолько типичным для вулканических поясов островных дуг, что именно этот признак был положен в основу определения их отличий от смежных вулканических поясов внутриокеанических и внутриконтинентальных структур. Так родился термин «андезитовая линия». Дальнейшие исследования показали, что в зависимости от геолого-структурных условий характер вулканизма и соотношение среди его продуктов членов ряда базальт — риолит меняется в очень широких пределах. Ранее автором было показано отличие островных дуг нормаль-ного типа (Курилы) от геотектонических систем типа раннего орогена (Камчатка) по характеру распределения вулканических пород по Si02. ....Образование базальтовых магм связано с понижением давления в зоне магмообразования в ходе растяжения при заложении вулканических поясов островных дуг. Разуплотнение в мантии приводит к формированию магм известково-щелочного состава в зоне магмообразования островных дуг. Формирование расплавов должно приводить к увеличению объемов материала магмообразующей зоны результом чего является поднятие всей территории геотектонической системы" (Эрлих, 2010.https://sites.google.com/site/geovolcanism/tektoniceskie-pozicii-i-proishozdenie-magm).
Базальтовый магматизм – ключ к решению проблемы кислого вулканизма и геотермии.
Геолого-петрологические исследования магмо-гидротермальных процессов приводят нас к некоторым выводам, позволяющим обсуждать проблему эволюции энергетического режима земной коры в зоне перехода от океана к континенту.
В энергетическом балансе эволюции земной коры зоны перехода от океана к континенту ведущую роль играет тепло. Величина теплового потока в пределах вулканических поясов однородна, и, обычно, на два порядка больше среднего земного теплового потока. Это позволяет предполагать, что магматические расплавы и легко подвижные элементы и соединения являются теплоносителями одного рода. Их соподчинённость определяется термодинамическими параметрами. В связи с тем, что базальтовые расплавы характеризуются наиболее высокими их значениями, то они и играют главную роль в процессах теплопереноса от мантии к поверхности Земли, в результате чего происходит их химическая и физическая дифференциация.
Существенная доля тепловой энергии переносится мобильными элементами, среди которых присутствуют К+Na, которые в диапазоне параметров Р-Т, характерных для базальтовых расплавов, обладают наибольшим теплосодержанием (~1000 ккал/кг при Т= 800-1000°). Скважина на Какконда в Японии, вскрыла температуры более 5000С (Tamanyu, and Fujimoto, 2005). В этой трансформации энергии большую роль играют щелочи. На Камбальном хребте экструзии вязких кислых магм имеют повышенные содержания К и Na. В центральной части хребта присутствуют маломощные лавы риолитов (маловязкие магмы) с суммарным содержанием К и Na около 1.2%. Не исключено, что это высокотемпературные магмы и щёлочи из них были отжаты в более низкотемпературные части очагов. Миграция базальтовых расплавов по трещинам (в плоском маломощном магматическом канале) поддерживает большой температурный напор, способствует ускоренному транспортированию тепла от источника его генерации к земной поверхности. Во фронтальной части магматической колонны формируется факел горячих газов, который «прожигает» путь, идущему вслед базальтовому расплаву, подъём которого происходит, как за счёт «газлифта», так и под действием гидростатического напора (вынужденная конвекция). Размещение вулканических поясов в районах современного структурообразования позволяет предположить, что геологические структуры глубоких частей фундамента вулканов обладают способностью концентрировать тепло, доставлять его к корням вулканов, обеспечивая жизнь его очагам. Величина теплового потока резко изменяется в пространстве в связи с различными структурными условиями теплопереноса при вулканических процессах. Тектонизм, магматизм, метаморфизм, осадкообразование обусловливают общее нагревание земной коры зоны перехода от океана к континенту, и подъём теплового фронта в местах, способствующих формированию аномальных тепловых потоков (на два порядка выше значений среднего земного теплового потока).
При эффузивно-интрузивной деятельности характерно вертикальное перемещение теплоносителей по отношению к поверхности Земли. Самоизоляция магмо-гидротермальной дрены уменьшает тепловые потери. Наибольшей величины конвективный тепловой поток достигает в магматических колоннах вулканов центрального типа во время извержений, которые являются наиболее ярким примером быстрого конвективного тепломассопереноса. И в этих условиях величина теплового потока колеблется в зависимости от типа теплоносителя (газообразного, гипотетической «плазмы» или нагретых в разной степени различных лав), перемещающегося в данный момент по жерлу вулкана к поверхности Земли. Структурообразующие вулканические процессы, в основном, связаны с конвективным тепломассопереносом, реализуемым базальтовым расплавом.
Аномальные тепловые потоки геотермальных районов, как преимущественно с гидротермальными, так и с магматическими проявлениями, характеризуются значениями одного порядка (1000-3000ккал/км2 сек). В зоне влияния аномального теплового потока происходит трансформация вмещающих пород, ускорение окислительно-восстановительных процессов, появление источников тепла в земной коре, формирование гидротермальных систем порфирового и эпитермального типа, выщелачивание, транспортирование и концентрирование металлов в субповерхностных условиях.
Предполагается наличие на разных уровнях в земной коре, условий, вызывающих повышение температуры, плавление пород и образование магматических очагов у подошвы теплоизолятора (Белоусов, 1978).
Рис. 2. Схематические диаграммы,, иллюстрирующие модели постепенной эволюции во времени андезитовых и риолитовых магматических систем в вулканической зоне Таупо в Новой Зеландии (Price et al., 2005)
Развитие андезитового и кислого вулканизма в наиболее изученной области четвертичного вулканизма в Западной части Тихоокеанского кольца - Новой Зеландии подтверждает изложенную точку зрения авторов (Price et al., 2005- см. рис.2).
[1] Термин «известково-щелочная серия» используется в его классическом понима-нии, сформулированном Р. Дэли и А. Пикоком, т. е. как ряд базальт— андезит — дацит — риолит с обогащением пород известковистым алюмосиликатом, в отличие от более узкой трактовки этого термина, предложенной X. Куно (Kunо, 1966).