 | Гидротермальные Процессы на Океанском Дне |
Source http://www.evolbiol.ru/sorohtin11.pdf
Первичная дегазация Земли происходила только с излияниями на земную поверхность ювенильных базальтовых магм, поступающих через рифтовые зоны срединно-океанических хребтов. Многочисленные гидротермальные источники в самих рифтовых зонах не являются ювенильными, так как вся протекающая через них вода имеет океаническое происхождение и это стоит рассмотреть подробнее.
Открытие в конце 70-х годов на дне океанов интенсивной гидротермальной деятельности, связанной с функционированием наиболее активного пояса подводного вулканизма в рифтовых зонах Мирового океана, привело к пересмотру многих взглядов на проблему происхождения некоторых полезных ископаемых континентов, например гидротермальных месторождений сульфидов и других минеральных образований офиолитовых зон. Эти же открытия позволили выявить большую роль экзогенного вещества в процессах формирования гидротермальных руд, например гидроксильных групп в гидросиликатах или сульфатной серы в сульфидах, а также определить механизмы образования абиогенного метана в гидротермальных источниках.
Предположение о существовании мощных гидротерм в океанических рифтовых зонах и заключение об экзогенной природе циркулирующей в них воды высказано теоретическим путем в начале 70-х годов задолго до фактического открытия самих горячих источников на океаническом дне и оценена суммарная мощность гидротермальных процессов срединно-океанических хребтов. Такой прогноз был сделан путем сопоставления расчетной зависимости удельных теплопотерь океанических литосферных плит от их возраста с эмпирически измеренными тепловыми потоками, пронизывающими эти же склоны срединно-океанических хребтов. При этом учитывалось, что эмпирические данные позволяли измерить только кондуктивную составляющую тепловых потоков, тогда как теоретические расчеты давали полный тепловой поток, а их разность определяла конвективный вынос тепла океаническими водами, циркулирующими по трещиноватой среде земной коры в рифтовых зонах и на склонах срединно-океанических хребтов.
О грандиозности конвективной “промывки” океанической коры морскими водами можно судить по теплопотерям. С гидротермами теряется около 30% всей излучаемой Землей эндогенной энергии, оцениваемой примерно (4,2–4.3)•1020 эрг/с. Таким образом, термальными водами сейчас выносится не менее 1,29•1020 эрг/с, или около 3,07•109 кВт тепловой энергии Земли.
В горячих источниках типа “черных курильщиков”, предельный разогрев воды всегда лимитируется ее критической температурой Ткр = 374°С. Это связано с тем, что при температурах,
превышающих критическое значение, вода превращается в газовый флюид, объем которого V, как у газа, меняется обратно пропорционально давлению p, поскольку pV = const. Это приводит к быстрому и очень эффективному удалению перегретых водных флюидов из системы открытых трещин за счет того, что плотность флюида при его подъеме уменьшается пропорционально уменьшению давления. Кроме того, при Т > Ткр вода полностью теряет свои капиллярные свойства, играющие определяющую роль в пропитывании ею пород коры. В результате в системе сообщающихся с поверхностью дна трещин вода просто не попадает на уровни с температурой выше 374 °С, а этим определяются и предельные температуры зеленокаменного метаморфизма пород океанической коры, возникающего благодаря функционированию горячих источников типа “черных курильщиков”.
Геологические данные полностью подтверждают сделанный вывод – изучение состава офиолитовых комплексов показывает, что породы, слагающие эти комплексы (базальты, долериты, габбро и серпентиниты), изменяются только до фации метаморфизма зеленых сланцев с предельной 400 °С. Это говорит, что метаморфизм пород океанической коры действительно происходит в условиях существования открытых (сообщающихся с поверхностью) путей проникновения воды в кору. Отсюда следует, что все более высокие степени температурного метаморфизма, например амфиболитовая и гранулитовая фации, могут возникать только в закрытых условиях, препятствующих удалению воды из системы вступающих в реакцию с ней пород. Такие условия обычно возникают в зонах субдукции, насыщаемых водой, благодаря дегидратации затягиваемых в них пород океанической коры. Правда, изредка и в рифтовых зонах могут складываться условия возникновения амфиболитовой фации метаморфизма. Например, при
образовании сбросов, формирующих рифтовые долины медленноспрединговых хребтов, породы дайкового комплекса, прошедшие преобразование зеленокаменного метаморфизма, могут вновь погружаться в магматический очаг под рифтовой зоной.
Поскольку в породах зеленокаменного метаморфизма вся вода находится в связанном состоянии, произойдут преобразования прогрессивного метаморфизма с образованием амфиболитовой фации. Но в любом варианте породы амфиболитовой фации метаморфизма в строении океанической коры играют незначительную роль.
Благодаря постепенному засыпанию осадками поверхности трещиноватых коренных пород океанической коры пелагическими осадками и их диагенеза, а также за счет тампонирования существовавших трещин и других путей миграции вод в коре хемогенными отложениями самих гидротерм проницаемость коры для океанических вод постепенно уменьшается. Сравнение наблюдаемых (кондуктивных) тепловых потоков с теоретическими расчетами показывает, что почти полное прекращение циркуляции океанических вод по коренным породам коры происходит приблизительно через т = 50 Му после момента образования коры в рифтовой зоне срединно-океанического хребта. Отсюда видно, что и гидротермальные источники, включая теплые и “прохладные” сипинги (источники, просачивающиеся через осадки), в основном существуют только на участках океанического дна возрастом т менее 50 Му. На этом интервале возрастов океанического дна средняя температура гидротермальных источников приблизительно равна 42 °С, тогда как максимальные температуры “черных курильщиков” в рифтовых зонах достигают 370 – 400 °С.
Оценка суммарной массы воды, промывающей в единицу времени океаническую кору, можно выполнить по балансу тепловых потоков. Оказалось, что всего через срединно-океанические хребты и их склоны фильтруется около 2,3•1018 г/год (2300км3/год). При таких скоростях гидротермального водообмена вся масса воды в океане (1,37•1024 г) проходит через гидротермы и сипинги срединно-океанических хребтов с их обширными и пологими склонами приблизительно за 600 тыс. лет. Вместе с тем скорость “промывки” рифтовых зон горячими гидротермами приблизительно равна 2,2•1016 г/год (22 км3/год). Следовательно, через горячие источники “черных курильщиков” вся вода океанов фильтруется только приблизительно за 60–70 Му. При скорости формирования океанической коры в рифтовых зонах около 1,46•1016 г/год, отношение вода/порода в “горячих зонах” оказывается равным 1,5 (не считая воды, связанной с самими породами в процессе реакций). Однако формирование океанической коры продолжается и вне рифтовых зон, поэтому суммарная скорость ее образования оказывается несколько бóльшей и достигает 4,7•1016 г/год. Тогда отношение вода/порода в рассматриваемой полной системе гидротерм (включая сипинги) достигает почти 50, что свидетельствует о достаточно полной гидратации пород океанической коры.
Таким образом оценки массы экзогенного водообмена в океанической коре срединно-океанических хребтов оказываются в 8500 раз бóльшими, чем современный уровень дегазации ювенильной воды из мантии, приблизительно равный 0,27•1015 г/год (0,27 км3/год). Даже если определить среднюю скорость ювенильной дегазации воды за все время развития этого процесса (4 млрд лет) исходя из общей массы гидросферы, равной 2,18•1024 г (с учетом воды, связанной в
породах земной коры), то и в этом случае средняя скорость поступления из мантии ювенильной воды 0,54 км3/год оказывается более чем в 4000 раз ниже суммарного дебита гидротермальных источников на океаническом дне. Все это свидетельствует в пользу экзогенной природы воды в океанических гидротермах.
Аналогично этому в зонах субдукции при разогреве океанической коры за счет трения литосферных плит ее дегидратация сопровождается выделением воды и углекислого газа, до этого попавших туда из океана: серпентин кальцит оливин энстатит диопсид 2Mg6(Si4O10)(OH)8+CaCO3+164кал/моль---Mg2SiO4+MgSiO3+MgCaSi2O6+8H2O+CO2, но это тоже вторичная дегазация коры.