ТРАНСМАНТИЙНЫЕ ФЛЮИДЫ, ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЮМОВ И МАГМАТИЗМ. Н.С. Жатнуев Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ,

ТРАНСМАНТИЙНЫЕ ФЛЮИДЫ, ФОРМИРОВАНИЕ
ПЛЮМОВ И МАГМАТИЗМ.
Н.С. Жатнуев
Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ, zhat@gin.bscnet.ru
Гипотеза мантийных плюмов (МП) получила начало с известных работ
[Wilson, 1965; Morgan, 1971] и со временем она обрела развитие в виде
идеи
полей [Зоненшайн,
Кузьмин,1983].
Здесьгорячих
предлагается
модель формирования
МП, основанная на
В
работах [Летников,
2001;
Добрецов,
2008;
Пучков, 2009]
всесторонне
возможности
миграции
порций
флюида
в пластичной
мантии
в виде
рассматриваются
предполагаемая
природа
МП,
из
которых
следует,
что
субвертикальных изолированных полостей-трещин, в которых возникает
причиной
формирования
является
дегазация
ядра. Однако,
избыточное
давление. ПриМП
величине
ИД
больше прочности
породы
механизмы
подъема
и
детали
эволюции
МП
везде
различны.
происходит «флюидоразрыв» в «голове» и схлопывание хвостовой
Конвективный
был предложен
в работе вверх.
[Griffiths,
части полости, механизм
что обеспечивает
ее продвижение
ПриCampbell,
эмиссии
1990],
в результате
подъемаего
легкого
вещества
структура
газа изгде
ядра
Земли происходит
накопление
на формируется
границе ядро-мантия
в
типа
«голова-хвост».
виде линз, которые при достижении критического размера прорываются
По
Ф.А.Летникову
[2001] и Н.Л.Добрецову
МП формируются
в мантию
и перемещаются
к поверхности.[2008]
Создается
относительнопутем
проплавления
от ядра до
основания
литосферы.
стационарный непрерывного
поток флюида канала
прогревающий
мантию
и
Но,
как показано автором
настоящего
сообщения
[2010],
в протяженных
взаимодействующий
с ней.
В основании
литосферы
и/или
в самой
магматических
каналах, возрастания
возникают избыточные
давления
(ИД) намного
литосфере, вследствие
прочности среды
происходит
превышающие
прочность
пород распространение
и материал плюмаих
должен
бы
остановка полостей
с флюидом,
по латерали
и
непосредственно
поступать наобъемов
поверхность
катастрофическими
формирование значительных
магмы
при привносе воды и
прорывами.
В
случае
описываемом
[Griffiths,
Campbell,
1990], наоборот,
других компонентов.
подъем должен быть медленным и можно было бы наблюдать
отклонение плюма от вертикали на значительный угол под воздействием
«мантийного ветра» [Пучков, 2009].
Избыточное давление в трещинных полостях, несущих флюид из нижней мантии
возникает следующим образом. Если взять субвертикальную полость-трещину,
заполненную флюидом, в условиях пластического состояния породы, то
литостатическое давление в «голове» (верхней части) трещинной полости Р1lit на
глубине Н1 составляет:
H1
P1lit   g (h1 )r r (h1 )dh
(1)
0
где rr - плотность пород; Н1 – глубина от поверхности до вершины трещины; g –
ускорение силы тяжести.
Литостатическое давление в «хвосте» (нижней части) трещинной полости Р 2lit
вычисляется таким же образом по формуле (1) но только для глубины Н2.
Собственное давление флюида Р2fl в основании трещинной полости с допущением того,
что плотность флюида одинакова по всей высоте полости, составляет:
Pfl  r fl gl
(2)
здесь rfl – плотность флюида, l – протяженность трещины по вертикали.
Давление флюида Р2fl в «хвосте» трещины (на глубине Н2) равно литостатическому
давлению Р2lit, а давление флюида вверху трещинной полости (на глубине Н1)
составляет:
P1 fl  P2 fl  Р fl
(3)
Тогда ИД в «голове» трещинной полости равно
Pfl  P1 fl  P1lit
(4)
Графическое представление механизма
возникновения избыточного давления в
трещинной полости
Субвертикальная
полость l = 2 km
P lit.
Эпюры флюидного (Рfl.) и литостатического (Рlit.)
давлений, действующих на стенку трещины,
ИД возникает в голове
заполненной флюидом
трещины. Величина ее
P(exc. press.)
определяется
Стенка полости
P lit (r=2.7 g/cm3)
плотностями флюида
и вмещающих пород, а
также вертикальным
размахом трещины.
Pfl.
P hydrost.
Plit.
Рfl
Вмещающие
породы
полость
глубина
Высота полости
Pfl hydrost (r=1.0 g/сm3)
При ИД
превышающем
прочность пород в
головной части
трещины
происходит
гидроразрыв, а в
хвосте – смыкание.
Это обеспечивает
ее движение вверх.
Рlit
Эпюры флюидного (Рfl.) и литостатического (Рlit.)
давлений, действующих на стенку трещины,
заполненной флюидом
Гидроразрыв и
распространение
трещины
Вмещающие
породы
полость
Высота полости
Передача
давления
флюидом
Стенка полости
Сжатие трещины
литостатическим
давлением
Рfl
Рlit
Движение трещин подобно всплыванию пузырей газа в жидкости, но только развивается в твердой, пластически
деформируемой среде. Модель имеет аналогию с перистальтическим насосом, перекачивающим порции жидкости,
в данном случае порции флюида в замкнутой трещине, низ которой сжимается и схлопывается, а верх испытывает
гидроразрыв.
Желатиновая матрица
Прочностной барьер
Инъекция спиртового
раствора в
желатиновую
матрицу. Образуется
трещинная полость,
которая не движется,
а только растет.
Эксперимент по подъему
полости (трещины) с флюидом
(спиртовый раствор) в
утяжеленной желатиновой
матрице.
За счет разности плотностей
желатиновой матрицы и
спиртового раствора в полости
возникает избыточное давление,
достаточное для гидроразрыва
пластичной среды и подъема
трещины.
Предложенный механизм подъема флюида
был проверен экспериментально
Критическая
высота трещины.
После ее набора
полость начинает
перемещаться в
поле силы
тяжести.
При достижении полостью более
прочной среды происходит
остановка и распространение
трещины по латерали.
Нижняя мантия (D”)
Подъем флюидных
полостей
При дегазации ядра, в силу разнородности фазового состояния вещества ядра и слоя D” происходит
накопление флюида на границе ядро-мантия в виде линз, которые по достижении критической высоты
прорываются в мантию в виде трещинных полостей.
Дегазация
ядра
Дегазация
ядра
Ядро
Нcritical.
1211
1212
1213 Рabs.,kbar
5
Величина прочности
мантии на границе с
ядром
2895
2896
4
3 4
2 3
1 2
1
4
Критические высоты флюидной
линзы, необходимые для ее прорыва
при прочности мантии 0,5 кбар и
высота
которой
возможных линзы
плотностяхпри
флюида
1–4
3
г/см
прочности
мантии на
Критический размер флюидной линзы избыточное давление становится выше
2897 разрыв. В этом случае линза перерождается в вертикальную
3
трещину того же объема и путем гидроразрыва начинает
h4
мигрировать вверх. Скорость движения зависит от избыточного
давления в голове трещины, а избыточное давление, в свою
2898 очередь зависит от высоты последней. Поскольку объем линз может
2
h
3
быть значительным, то вначале высота и объем трещинных полостей
могут быть весьма большими, что обеспечит и высокую начальную
h2
скорость прорыва.
Но, вероятно,
впоследствии эти полости дробятся
на
Литостатическое
давление
Критические высоты
h1
вблизи
границы ядро-мантия
ряд мелких.
Нормированные,
относительно
флюидной
линзы,
2899
1
(точечный
график) давления
и давление в
литостатического,
необходимые для ее прорыва
вертикальном
сечении флюидной
флюида в вертикальном
при прочности мантии 1 кбар
линзы
(сплошные
при
сечении
линзы
прилинии)
возможных
и возможных
плотностях
возможных
плотностях
флюида
33 1
плотностях
флюида
1
–
4
г/см
флюида
1
–
4
г/см
– 4 г/см3
Н, km
0
0,5
1,0
1,5
2,0
Рexc., kbar
h1
Мантия
Ядро
h4
h3
h2
Нl, km
1211
1212
1213 Рabs.,kbar
5
Величина прочности
мантии на границе с
ядром
2895
4
2896
3
2
1
4
2897
h3
h2
2898
3
2
h1
Критические высоты
флюидной линзы,
необходимые для ее прорыва
при прочности мантии 1,5
кбар и возможных плотностях
флюида 1 – 4 г/см3
2899
Н, km
0
0,5
1,0
1,5
2,0
Рexc., kbar
1
Мантия
ядро
Нl, km
Литосферный прочностной барьер
Начало плавления мантии при
разогреве и изменении
положения кривых плавления
под действием окисляющегося
флюида (появление Н2О).
Солидус
мантии
Ликвидус
мантии
Ненарушенная
геотерма мантии
Поток из ядра
восстановленного
флюида (СН4, Н2 и
др.), окисляющегося
до Н2О, СО2
расплав
100%
50%
0%
Мантия
Разогрев мантии
за счет флюида.
s1s3 (МПа)
0
500
0
Глубина, km
50
Плавление
100
Утонение
литосферы
Интрузии и
извержения
150
Поток
флюида
и тепла
Реологическая эволюция литосферы в процессе
океанизации континентальной литосферы по
(Corti et al. 2003) с дополнениями
Crust
Lithosphere
Upper
mantle
Формирование грибообразной головы
плюма может происходить в результате
остановки трещин и растекания флюида
под прочностным барьером.
Поднимающийся восстановленный флюид
частично или полностью окисляется до
воды и углекислоты что способствует
плавлению пород мантии. Трещинные
флюиды в процессе подъема могут
адиабатически расширяться при снижении
давления, но и могут частично теряться
постепенно растворяясь в силикатном
веществе. Поэтому вопрос об эволюции
объема поднимающегося флюида остается
открытым. Если объем увеличивается, то
скорость подъема также должна
увеличиваться, и наоборот.
Общая схема формирования плюма
Lower
mantle
“D”
Outer
core
Fluid flow
from core
Hot spot
Маntle
Core
LIP