Динамическая модель магматического процесса

C http://ai-malyshev.narod.ru/PDF/VLife2.pdf. A.Mалышев

Bулканизм - процесс, протекающий внутри земной коры и под ней

Динамическая модель - построение наиболее общей схемы функционирования магматических систем, включая их зарождение, последующую эволюцию магматических систем, и объяснения основных закономерностей развития магматических систем.


Процессы газовой диффузии в сплошных средах.

Yстановлено, что при высоких давлениях поведение газов отличается от закона Бойля–Мариотта; газовая диффузия имеет ключевое значение не только в динамической модели магматического но и во всех эндогенных процессах.

Dиффузия – это неравновесный процесс массопереноса, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к перераспределению концентраций внутри фаз; газообразное состояние вещества возникает для тех молекул, энергии движения которых превышают силы межмолекулярного взаимодействия. Такие одиночные и активно перемещающиеся молекулы наиболее благоприятны для диффузионного перемещения в сплошных средах.

Молекулярная диффузия происходит при наличии градиента давления (диффузия под давлением), градиента температуры (термическая диффузия), полей внешних сил, а также градиента концентраций. В эндогенных условиях наиболее глобальным фактором, вызывающим диффузию газообразных соединений, является действие гравитационного поля в условиях вертикального градиента давления всестороннего сжатия.

Под действие этого фактора попадают наиболее легкие молекулы газообразных соединений. Их замещение на более тяжелые молекулярные агрегаты и вытеснение в вышележащие горизонты – энергетически выгодный самодостаточный процесс.

Выделяющаяся в эндогенных условиях в процессе газовой диффузии энергия пропорциональна разности в весе между молекулами газа и замещающими их молекулами вмещающей среды и расходуется на увеличение тепловых колебаний (повышение температуры) в диффузионной зоне. В свою очередь, увеличение тепловых колебаний в диффузионной зоне еще более облегчает процесс газовой диффузии, создавая условия для еще большего выделения энергии.

Способ диффузионного перемещения крупных молекулярных агрегатов в структуре твердого тела хорошо известен с 70-х годов прошлого века, когда работами М.А. Кривоглаза было установлено, что в твердых растворах замещения с сильно отличающимися атомными радиусами могут формироваться дефектные области (комплексии), где n примесных атомов расположено на (n + 1) или (n – 1) узлах решетки. Объединившиеся n атомов большого радиуса совместно могут занять значительную часть объема вакансии. В этом случае вакансия исчезает и образуется дефект, в котором n примесных атомов распределяются на (n + 1) узлах. Если радиус примесных атомов меньше, чем радиус атомов матрицы, то могут возникнуть дефекты, в которых n примесных атомов распределяются на (n – 1) узлах. Дефекты подобного типа могут образовываться и в структуре твердого раствора внедрения при объединении примесных атомов вокруг вакансии.

Диффузионное перемещение подобных дефектов и обеспечивает тот механизм, при помощи которого могут перемещаться довольно крупные молекулярные структуры летучих соединений.
В случае сплошных сред диффузионным способом перемещаются молекулярные структуры вещества в газообразном состоянии. Если температура вещества превышает критическую, то все его молекулы получают способность активно перемещаться посредством газовой диффузии. При температуре ниже критической концентрация молекул в газообразном состоянии имеет верхний предел, соответствующий парциальному давлению насыщенных паров вещества при данной температуре. Все избыточные по отношению к этому пределу молекулы вещества переходят в конденсированное состояние, т.е. объединяются в молекулярные агрегаты за счет появления дополнительных сил межмолекулярного взаимодействия. Именно наличие этих сил создает определенный барьер, ограничивающий возможность отрыва молекул вещества и их последующего диффузионного перемещения и тем самым приводящий к относительной иммобилизации конденсатных образований.

Таким образом, в случае сплошных сред в процессах диффузионного перемещения наиболее активно участвуют молекулы вещества в газообразном состоянии. Этот диффузионный поток сохраняется и в случае наличия в среде конденсата данного вещества. Наиболее активные молекулы покидают конденсатные агрегаты и диффундируют во вмещающую среду, на смену им из вмещающей среды приходят другие. Баланс обмена молекулами между газообразным и конденсированным состояниями вещества соответствует парциальному давлению насыщения паров этого вещества при данной температуре. Hаличие подобного избыточного давления диффузионного потока эндогенных газообразных соединений обеспечивает высокую динамическую активность флюидных систем.

Cам факт наличия избыточно высокого по отношению к литостатическому флюидного давления известен давно.

Высокое давление флюидов сдерживается не только силой тяжести пород, но и их прочностью. Tакой механизм сдерживания сверхвысоких давлений был назван У.Х. Фертлем “мостом давлений”. А.И. Кудряшов отмечает, что так называемые аномально высокие пластовые давления широко распространены во многих регионах мира, и с увеличением глубины залегания флюида появление аномальных значений его давлений является нормой. В связи с этим он предлагает давление флюидов Pфл по коэффициенту превышения над литостатическим эквивалентом Pлит (Ka = Pфл/Pлит) подразделять на аномально высокое давление (1.2 < Ka < 2.5) и экстремальное (Ka > 2.5). Согласно этому делению упоминавшееся выше “сверхдавление” флюидов в магматическом и постмагматическом газогидротермальном процессах относится к экстремальному, что собственно и обеспечивает повышенную миграционную способность эндогенных флюидов в этих процессах.

Pяд исследователей сверхвысоких флюидных давлений соотносят их возникновение с процессами дифференциации и дегазации мантии Земли.

Газовый фактор в образовании и эволюции магм.

1. Oбщепринятo, что вода Мирового океана, как и атмосфера Земли, накапливалась постепенно за счет дегазации мантии Земли в процессе вулканической деятельности; этот процесс продолжается и в настоящее время.

2. Ключевым фактором вулканического процесса является интенсивное выделение газообразных соединений.

3. В поле силы тяжести происходит гравитационная дифференциация вещества Земли, причем этот процесс может протекать даже на молекулярном уровне за счет диффузии и миграции во встречных направлениях тяжелых и легких компонентов.

4. Наибольшей миграционной способностью и предрасположенностью к гравитационному перераспределению обладают соединения наиболее легких химических элементов, находящиеся в недрах Земли в надкритических условиях в газовой фазе.

5. В результате гравитационного перераспределения вещества выделяется тепловая энергия, пропорциональная разности плотностей взаимно перемещаемых компонентов. Эта энергия обеспечивает дополнительный разогрев вещества Земли.

6. Дополнительная тепловая энергия, усиливая колебательные движения в структуре вещества, повышает миграционную способность входящих в его состав соединений, что в свою очередь создает еще более благоприятные условия для гравитационного перераспределения вещества Земли, для концентрации диффузионных потоков, а следовательно, и для еще большего выделения тепловой энергии.

7. В ходе нарастающего гравитационного перераспределения вещества за счет диффузионной миграции в вышележащие породы легких и подвижных газовых компонентов выделяющейся энергии становится достаточно для начала парциального плавления пород, тем более, что присутствие летучих существенно понижает температуры их плавления.

8. Появление расплавной фазы еще более облегчает миграцию газообразных компонентов, и образующаяся магма становится путем преимущественного перемещения газообразных соединений. При этом перемещение газов осуществляется как путем молекулярной диффузии, характерным для наиболее высокобарических условий, так и в виде обособившихся и находящихся под высоким давлением газовых пузырьков, что больше соответствует малоглубинным (вулканическим) условиям.

9. Hасыщенные летучими расплавы становятся динамически активными и способными к внедрению в окружающие породы в направлении наименьшего сопротивления. При этом процесс гравитационного перераспределения вещества усиливается с одновременным увеличением выделения тепловой энергии, позволяющей перевести в подвижное состояние все большее количество вещества вмещающих пород. Так, по нашему мнению, рождаются магмы.

Проникшие через магму флюиды, вступая в контакт c породой вследствие своей высокой температуры, вызывают расплавление горных пород с одновременным изменением их состава. Это магматическое замещение сходно с метасоматическим, но отличается от него тем, что минералы исходной породы замещаются не другими минералами, а магмой, которая лишь позднее раскристаллизовывается.

Флюиды способны нести с собой породообразующие и рудные компоненты и тем самым влиять на процессы зарождения и эволюции магм и рудообразования.

Oсновным источником магматических флюидов являются области генерации магматических расплавов.

Флюиды перемещаются из магматических очагов в верхние участки магматических колонн в виде трансмагматических потоков.

Наиболее устойчивые во времени трансмагматические флюидные системы свойственны узлам длительной эндогенной активности.

Пo данным А.П. Пономаревой, доказательство движения флюидов из магмы устанавливается как в эндоконтактовых зонах интрузивов, так и в экзоконтактовых ореолах. Во многих случаях потеря летучих подкисленными расплавами происходит до окончательной кристаллизации в полном объеме. Об этом свидетельствуют инъекции лейкократовых пород в раму, а также аплитовая структура многих краевых зон, указывающая на внезапную потерю летучих при резком пересыщении ими расплава.

Последнее обстоятельство приводит к взламыванию кровли вмещающих пород и способствует образованию приконтактовой брекчии с аплитовым цементом, которая часто сопровождает интрузивные массивы. При изучении условий образования магматических пород иногда отмечается явление резкой смены флюидного режима процесса кристаллизации.

В связи с циклическим и нередко очень контрастным характером эволюции магматических систем такие понятия, как андезитовая магма, базальтовая и т.п., оказываются условными, так как могут отражать разный состав одной и той же части магматической системы в разное время, равно как и разный состав разных частей магматической камеры в одно и то же время. Магматические системы столь же живые и изменчивые образования, как и их поверхностные проявления – вулканические центры.


B качестве факторoв, влияющиx на эволюцию вещественного состава магм, указывают гравитационную дифференциацию вещества в магматической камере в расплавах низкой вязкости и диффузионный перенос породообразующих элементов в составе газообразных соединений, a следовательно и возможность переноса кремнезема высокотемпературными парами воды в составе нескольких разновидностей летучих веществ в зависимости от плотности пара (г/см3):

SiO2 + 2H2O = Si(OH)4 (вплоть до 0.05)
2SiO2 +3H2O = (HO)3SiOSi(OH)3 (вплоть до 0.45)
SiO2 + H2O = OSi(OH)2 (свыше 0.65).

C ростом концентрации водяного пара эффективность переноса кремнезема возрастает.

Факт переноса кремнезема в составе газообразных соединений подтверждается: опал, согласно исследованиям Е.К. Серафимовой, в возгонах купола Нового (вулкан Безымянный) занимает одно из первых мест, часто выступая в роли цемента или образуя линзы чистейшего опала.

Веским доводом в пользу этого фактора является наличие хорошо выраженной прямой корреляция между эксплозивностью магмы и содержанием двуокиси кремнезема в извергающемся материале – пики эксплозивной активности соответствуют извержению наиболее кислых пород; именно процесс диффузионного переноса кремнезема и других веществ в составе газообразных соединений является главным фактором эволюционной изменчивости природных магматических систем.

В данном случаe ни о какой гравитационной дифференциации вещества в магматической камере нe может идти речь, ибо вязкость магмы настолько велика, что магматический канал не обнаруживается сейсмическими методами, или магматический канал представлен толщей пород, в которой расплав (или флюид) заполняет мелкие трещины и поэтому не оказывает заметного влияния на динамические параметры сейсмических волн.

В связи с вышесказанным под понятием “газ” в эндогенных условиях понимаются легкие молекулярные образования, не образующие устойчивых межмолекулярных связей ни между собой, ни с вмещающими породами, способные перемещаться в условиях сплошных сред посредством молекулярной диффузии. Таким образом источником динамической активности магматических систем является диффузионный поток эндогенных летучих в газообразном состоянии.

Перемещение этого потока из-за разности плотностей между газообразными соединениями и вмещающими молекулярными структурами – энергетически выгодный процесс. Его развитие обусловливает выделение тепла.

Дополнительная тепловая энергия, усиливая колебательные движения в структуре вещества, повышает миграционную способность входящих в его состав соединений, что в свою очередь создает еще более благоприятные условия для гравитационного перераспределения вещества Земли, для концентрации диффузионных потоков и для еще большего выделения тепловой энергии. В итоге выделяющейся энергии становится достаточно для начала парциального плавления пород, тем более, что присутствие летучих существенно понижает температуры их плавления.

Появление расплавной фазы еще более облегчает миграцию газообразных компонентов, и образующаяся магма становится путем преимущественного перемещения газообразных соединений. В свою очередь, насыщенные летучими расплавы сами становятся динамически активными и способными к внедрению в окружающие породы в направлении наименьшего сопротивления.

Диффузионный перенос вещества в виде газообразных соединений является одним из основных факторов химической эволюции магматических систем, определяющим, в частности, полицикличность изменения содержания кремнезема в продуктах вулканических извержений.

Прикладным следствием из рассмотренной выше динамической модели магматического процесса является модель серного перехвата в эндогенном рудообразовании.



Kритические температуры летучих

H2O - 374oC
CO2 - 31 oC
HF - 188 oC
HCl - 51 oC
H2 -240 oC
SO2 - 158 oC
H2S -100 oC
CO2 -140 oC
SH4 -83 oC
S -1040 oC

По современным данным температура плавления цинка – 419.5°С, критическая температура воды – 374.15°С.