МЕХАНИЗМ И ХИМИЗМ МАРГИНАЛЬНОГО ВУЛКАНИЗМА

МЕХАНИЗМ И ХИМИЗМ МАРГИНАЛЬНОГО ВУЛКАНИЗМА
1
В. И. Молчанов, 2В. В. Параев, 1Э. А. Еганов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, Новосибирск.
Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск, [email protected]
1
2
По связи вулканизма с глобальной тектоникой литосферных плит выделяются три главных типа
их взаимодействия: средиземноморский, гавайский и маргинальный Тихоокеанского кольца, которые
по механизму и химизму существенно различаются между собой.
Природа вулканов Средиземноморья всецело связана с динамикой движения Африканской плиты. Эта плита своим южным окончанием находится под максимальным воздействием инерционных
сил, в то время как на её контакте с Евроазиатским массивом существенно уменьшено их проявление.
Дифференцированное действие инерционных сил заставляет Африканскую плиту отрываться от Евроазиатской плиты и, с разворотом, уходить в Атлантику. Зона разрывных напряжений в земной коре
здесь проходит по Красному и Средиземному морям. Потому вулканизм Средиземноморья обусловлен
преимущественно разрывными дислокациями. Он в полной мере отвечает широко известной модели,
когда накопление энергии в недрах происходит в перегретых глубинных породах находящихся под
большим давлением. Внезапный и быстротечный сброс давления (тектонические разрывы) вызывают
плавление и вскипание глубинного вещества. Механизм средиземноморских вулканов развивается по
классической схеме: разрыв монолитности породного вещества → резкое падение литостатического
давления → расплавление пород → излияние лавы.
Вулканы гавайского типа тяготеют к океаническим плитам, т.е. к плитам небольшой мощности
и с неглубоким залеганием базальтового слоя. Так Америка под действием инерционных сил продолжает движение с востока на запад, расширяя Атлантику и сжимая Тихоокеанскую плиту. Зажатая
между Азией и Америкой, она начинает выгибаться по осевой линии о. Мидуэй–Гавайи. Под воздействием сжатия происходит изгибание плиты и формирование срединно-океанического вала, которое
сопровождается выдавливанием пород базальтового слоя земной коры как особый вид вулканизма.
Маргинальные вулканы Тихоокеанского кольца непрерывной цепью окаймляют побережье
Азии (по линии Япония – Курильские острова – Камчатка) и грядой Кордильеры по западному побережью Америки (рис.1). Тихоокеанская плита, компенсируя сжатие, помимо выгибания в осевой части
(Мидуэй – Гавайи), своими краями подворачивается под континентальные плиты Азии и Америки
(рис.2).
Традиционный механизм взаимосвязи вулканов с тектоникой здесь не даёт удовлетворительных
объяснений многим фактам маргинального вулканизма, связанного с активными континентальными
окраинами. Например: 1. Вулканы функционируют тысячелетиями, периодически «впадая в спячку» и
вновь пробуждаясь. Существующая механическая схема не даёт ответа на вопрос: почему дремлющий
вулкан, сохранивший жерло и открытую связь с дневной поверхностью, вдруг начинает извержение. 2.
Приуроченность вулканов к береговым линиям и островам с механических позиций также не находит
объяснений. Видимо морские осадки и вода играют существенную роль в функционировании вулканических аппаратов, тем более, что «вулканические дымы» – по сути это выброс водяного пара, причём образованного из морской воды (в составе пара лишь незначительную часть составляют ювенильные воды, а основная часть – оборотные воды). 3. Обращает на себя внимание тот факт, что сооружение конусов – вулканических гор, не сопровождается образованием равновеликих по объёму полостей
– пустот в недрах. Это означает, что выброс вулканических шлаков сопровождается непрерывным поступлением свежих материалов в очаг вулкана.
Механизм маргинальных вулканов коренным образом отличается от механизмов средиземноморских вулканов полосы Этна – Везувий и от механизма гавайских вулканов. Различие тектонических механизмов заложения вулканов и различное функционирование вулканических аппаратов выражается и в различии состава извергаемого материала, и в характере извержений, и в химизме лавообразования.
Химизм лавообразования маргинальных вулканов весьма своеобразный. Он обусловлен химическим взаимодействием осадочных пород океанической коры с глубинными породами континентальных плит. Особенности этого взаимодействия определились на основании экспериментальных исследований процесса образования глинистых пород и других тонкодисперсных минеральных систем.
Что может гореть в недрах без доступа кислорода? Из экспериментальных исследований известно, что измельчение минеральных веществ до тонкого и сверхтонкого состояния не есть только простое изменение размеров частиц, а сложный физико-химический процесс изменения структуры и строения вещества, его химического состава и энергетического состояния. Различают две формы изменений.
1. Прирост потенциальной энергии измельчённого минерала происходит без изменения химического состава (SiO2 – кварц  SiO2 – аморфный кремнезём) с соответствующим увеличением свободной энергии или потенциала Гиббса. 2. Преобразование вещества, обусловленное изменением структуры и химического состава минералов при их измельчении.
Экспериментальные данные по измельчению алюмосиликатов в различного типа растворах показало, что минералы теряют сначала щелочные, а затем щёлочноземельные элементы, последовательно превращаясь в минералы слюдистого ряда, в глинистые минералы и, наконец, в простые гидратированные оксиды кремния, алюминия и железа. Каждая стадия превращения сопровождается соответствующим повышением свободной энергии (потенциала Гиббса). Конечная стадия отмечена максимальным значением аккумулированной энергии и самой высокой реакционной способностью.
В связи с этим следует обратиться к анализу энергетики экзогенных процессов, питающих бассейны седиментации. Специальные исследования показывают, что глинообразование есть удаление
щелочных (и щелочноземельных) элементов, и что этот процесс протекает с затратами энергии, а в
конечном результате образуются глинозём и кремнезём. На основании закона сохранения энергии
можно утверждать, что, если прямой процесс удаления щелочей и образование глинозёма и кремнезёма идёт с затратами энергии, то обратный процесс воссоединения глинозёма и кремнезёма со щелочами должен идти с выделением энергии. Расчёты показывают, что при образовании одной грамммолекулы полевого шпата должно выделяться более 1000 ккал; этой энергии достаточно, чтобы 1 кг
породы нагреть до 10000 С или 10 л воды довести до кипения [Молчанов, Селезнёва, Жирнов, 1988].
О том, что глина – носитель энергии высокого потенциала говорилось неоднократно в работах
об энергетическом основании литогенеза [Белов, 1952; Белов, Лебедев, 1957]. Журнал «Литология и
полезные ископаемые» №4 за 1981 г целиком посвящен этой проблеме.
Особенности глобальной тектоники Тихоокеанского кольца и её геодинамическая обстановка
позволяет вынести на обсуждение новые представления о вулканизме как сложноподчиненном процессе, когда движение литосферных плит стимулирует геохимическое взаимодействие пород экзогенного происхождения с глубинными (может быть подкоровыми) реагентами. Вулканизм маргинального
типа основан на представлении о «горении» глины как химической реакции воссоединения глинозёма
и кремнезёма со щелочами, как возврат солнечной энергии, унесённой осадочными породами в глубину (рис.2).
Определяющим геодинамическим фактором является движение панамериканской литосферной
плиты, которая смещается с востока на запад. Плита движется под действием сил инерции, обусловленных планетарным вращением Земли [Молчанов, Параев, 2004; Molchanov, Paraev, 2005]. Тихоокеанская плита, сжимаемая между Азией и Америкой, выгибается по срединной оси и подныривает под
Азиатскую и Американскую континентальные плиты. Погружение осадочных пород океанической
плиты под континентальную плиту порождает явление вулканизма (рис. 2).
Как было отмечено, тонкодисперсные минеральные системы обладают большим запасом свободной энергии, т.е. характеризуются высоким значением потенциала Гиббса и, соответственно, повышенной химической активностью. Энергия, затраченная на диспергирование, аккумулируется в
тонкодисперсной минеральной системе. Причём это не зависит от того, где и как происходило образование дисперсной массы: чисто химическим путём в коре выветривания, или механохимическим путём при перемалывании горных пород в волноприбойной зоне моря.
Химическая сторона процесса образования тонкодисперсных осадочных пород состоит в потере
щелочных и щёлочноземельных элементов: калия, натрия, кальция, магния и др. Потеря щелочей –
вторая составляющая высокой химической активности и энергетического потенциала тонкодисперсных минеральных образований осадочного генезиса.
Тектоническая ситуация, при которой тонкодисперсные осадочные образования океанической
коры по подвороту Беньофа–Заварицкого оказываются в глубоких горизонтах континентальной коры,
создаёт условия для химического взаимодействия. Обесщелоченные глинистые породы вступают в
реакцию с глубинными образованиями, богатыми щелочами. Происходит обратный процесс: в гипергенезе магматические породы при выветривании и перемалывании в воде теряют щёлочи, а в условиях
глубокого погружения воссоединяются со щелочами. Тепловой эффект химического взаимодействия
обеспечивает функционирование вулканического аппарата (рис.2).
Обращаясь к вулкану как к очагу сжигания экзогенных образований и возвращению солнечной
энергии, мы не отрицаем глубинных источников энергии, двигающих процессы в земной коре. Более
того, глубинные источники энергии – один из объектов наших исследований [Параев, Молчанов, Еганов, 2005]. В ходе этих исследований мы пришли к выводу о необходимости пересмотреть представления о железном ядре Земли. Железное ядро использовалось для обоснования магнетизма планеты.
Сегодня магнетизм можно объяснить эффектом магнитогидродинамического генератора, и железное
ядро остаётся не у дел: более того, магнитные силовые линии огибают ядро.
Железное ядро не соответствует определяемой плотности вещества, слагающего ядро; железо
имеет плотность 7,8 и существенно повысить этот показатель никаким давлением не удаётся, а плотность вещества ядра – порядка 10. От железного ядра нельзя взять никакой энергии, а именно оно рассматривается иногда как источник энергонапряжённых плюмов, несущих глубинную энергию в земную кору.
Мы придерживаемся идеи о водородном ядре Земли [Параев, Молчанов, Еганов, 2005]. Представляется, что при формировании планеты водород под действием сжатия переходит в металлическое
состояние или даже теряет электрон и становится протоном. Такое ядро может быть источником энергии, и плюмы при этом приобретают конкретное вещественно-энергетическое обоснование.
Список литературы
Белов Н. В. Геохимические аккумуляторы. // Тр. Ин-та кристаллографии АН СССР, вып. 7. Л., 1952. С.
73-80.
Белов Н. В., Лебедев В. И. Источники энергии геохимических процессов. // Природа, 1957, №5. С. 11-20.
Молчанов В. И., Параев В. В. Центробежно-инерционный механизм глобальной тектоники литосферных
плит. // Вестник отделения наук о Земле РАН, 2004, №1(22). URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/12004/scpub-6.pdf
Молчанов В. И., Селезнёва О. Г., Жирнов Е. Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра,
1988, 208 с.
Параев В. В., Молчанов В. И., Еганов Э. А. Онтологические принципы эволюции земного вещества. //
Философия науки. Новосибирск: Институт философии и права, 2005, №1(24). С. 117-131.
Molchanov V. I., Paraev V. V. Formation of Large-Scale Tectonic Elements from the Position of CentrifugalInertial Force Action. // Geotectonica et Metallogenia. Volume 29, 2005, №1. P.13-33.