Гидроконвекционная гипотеза островодужного магматизма

C Н.И. Селивёрстов.(Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский,selni@kscnet.ru). Гидроконвекционная гипотеза островодужного магматизма. http://www.ocean.ru/component/option,com_docman/task,doc_view/gid,64/

В современных представлениях о геодинамике зон субдукции первостепенная роль в механизме генерации островодужных магм и проявлений островодужного магматизма отводится водному флюиду, выделяющемуся при дегидратации погружающейся литосферной плиты. В работе [6] эти представления разработаны применительно к камчатской зоне субдукции с привлечением гипотезы глубинной гидратации океанской литосферы [3, 4]. Показано, что аномальные отклонения в геодинамике и проявлениях современного вулканизма в северном секторе Курило-Камчатской островнойдуги (выполаживание и малая протяженность сейсмофокальной зоны, смещение к западу современного вулканического пояса и гравитационных экстремальных зон, гигантские размеры вулканов Северной группы и др.) могут быть связаны с повышенным содержанием связанной воды в северном блоке Тихоокеанской плиты, погружающeмся под Камчатский залив, и повышенным содержанием растворенного водного флюида в глубинных магматических очагах под Ключевской группой вулканов. В этой же работе изложены представления о гидроконвекционных магматических системах.

Известно [1], что предельное содержание воды, растворённой в магме при поверхностных условиях -доли процента, но с ростом глубины и давления картина меняется. На глубинах 30 км и температурах 1100–1200oС насыщение андезитовых и базальтовых магм достигается при содержании воды более 10 массовых %, и с дальнейшим увеличением глубины тенденция сохраняется. Согласно экспериментальным данным, с ростом давления возрастает растворимость породообразующих минералов в водном флюиде, которая при мантийных параметрах приближается к растворимости легкорастворимых солей в комнатных условиях. Hа глубинах 100–120 км (давление 30–40x10^8 Па) имеeт место постепенный переход между водно-cиликатными флюидами и гидратированными силикатными расплавами [5]. Возможно, что зона островодужного магмообразования и есть та область, где исчезает грань между водно-силикатным раствором и магматическим расплавом, и водный флюид, высвобождающийся при дегидратации погружающейся литосферной плиты, способен превращаться в магматический расплав при растворении достаточно большого количества силикатных минералов из погружающейся плиты, астеносферы и мантийных пород нависающей литосферной плиты.

Поднимаясь к подошве литосферы, магматический расплав накапливается в глубинных «астеносферных» очагах. Дальнейшее продвижение магмы вверх связано с проработкой магматического канала в литосфере. Этот процесс обусловлен частичным плавлением и растворением вмещающих пород над астеносферным очагом восходящими высокотемпературными потоками магматического расплава. При восходящем движении магмы по проработанному каналу снижается давление и, соответственно, уменьшается растворимость воды в магме, т.е. с некоторых глубин растворенный водный флюид начинает выделяться в виде свободной фазы. Отделившийся водный флюид благодаря высокой температуре активно взаимодействует с вмещающими горными породами и способствует развитию промежуточных магматических очагов. При частичном обезвоживании плотность магмы увеличивается и создаются условия для её конвекции и замкнутой циркуляции магмы между астеносферными и промежуточными магматическими очагами. Такая гидроконвекционная магматическая система является эффективным механизмом интенсивного переноса воды и тепла из астеносферы на «промежуточные» глубины, обуславливая развитие зон регионального метаморфизма и высокотемпературных гидротермальных систем. Благодаря постоянному притоку тепла и свежей магмы, промежуточные очаги не «замерзают» и способны поддерживать активность связанных с ними вулканических центров и гидротермальных систем. Для устойчивого функционирования такой магматической системы не требуется выход магмы на поверхность Земли, она способна существовать независимо от проявлений вулканизма.

Глубина возникновения промежуточных очагов соответствует глубине начала отделения свободной водно-флюидной фазы, т.е. определяется РТ-условиями насыщения магмы растворённой водой и связана прямой зависимостью с содержанием воды в магме. Так, при 10% -ном содержании воды и температуре 1100оС андезито-базальтовые магмы выделяют свободный водный флюид начиная с глубин около 25 км, а при содержании 3% – с глубин менее 5 км. Отсюда следует, что глубина промежуточных очагов в островных дугах зависит от степени насыщенности «первичной» магмы водным флюидом, т.е. в конечном счете –степенью гидратации погружающейся под островную дугу океанской литосферной плиты.

Процесс выделения водного флюида в свободную фазу сопровождается увеличением суммарного объема флюида и магмы по сравнению с исходным расплавом, т.е. требует затрат энергии. Такого рода процессы проявляются дискретно. Они начинаются лишь после превышения «критических» параметров, т.е. в условиях пересыщенного раствора и развиваются лавинообразно, приводя практически к мгновенному выделению в свободную фазу излишков растворенного флюида во всей массе пересыщенного раствора.

Лавинообразное выделение водного флюида и дискретное увеличение объёма является основной причиной глубоких длиннопериодных (ГДП) землетрясений под действующими вулканами. Судя по динамическим особенностям записей ГДП-землетрясений [2], именно такова природа глубокой (25–30 км ниже уровня моря) сейсмоактивной зоны под Ключевским вулканом [2].

Экспериментально установлено, что ГДП-землетрясения под Ключевским вулканом весьма чувствительны к изменению давления магматической колонны. В периоды подъема магмы и вершинных извержений вулкана эти землетрясения не регистрируются. После завершения извержения и понижения уровня магмы в подводящем канале ГДП-землетрясения начинают проявляться вновь. Эти факты соответствуют представлениям о существовании замкнутой магматической циркуляции под Ключевским вулканом.

1. Барабанов В.Ф. Геохимия. Л.: Недра, ЛО, 1985. 423 с.
2. Горельчик В.И., Гарбузова В.Т., Сторчеус А.В. Глубинные вулканические процессы под Ключевским вулканом по сейсмологическим данным //Вулканология и сейсмология. 2004. №6. С. 21–34.
3. Каракин А.В., Лобковский Л.И., Николаевский В.Н. Образование серпентинитового слоя океанической коры и некоторые геолого-геофизические явления // Докл. АН СССР. 1982. Т. 265. №3. С. 572-576.
4. Лобковский Л.И., Николаевский В.Н., Каракин А.В. Геолого-геофизические следствия серпентинизации океанической литосферы // Бюлл. МОИП, отдел геологич. 1986. Т. 61. Вып. 4. С. 3–12.
5. Рябчиков И.Д. Флюидный массоперенос и мантийное магмообразование // Вулканология и сейсмология. 1982. №5. С. 3–9.
6. Селиверстов Н.И. Глубинная гидратация океанской литосферы и геодинамика северного участка Курило-Комчатской островной дуги. // Вулканология и сейсмология. 2001. №1. С. 24–38.