Геохимия магматогенно-гидротермальных систем на границе пластично-хрупкого перехода в земной коре

Актуальность работы.

Актуальность изучения магматогенно-гидротермальных систем (МГС), контролирующих образование рудных, нерудных и геотермальных месторождений, несомненна. Полученные за последние десятилетия многочисленные фактические данные по геохимии, теплофизике и геологической структуре МГС настоятельно требуют физико-математического и химико-термодинамического анализа, обобщения и интерпретации в виде согласованной концептуальной модели, наибольшую конструктивность и наглядность которой, несомненно, придает компьютерная реализация.

В настоящее время все еще преобладают взгляды на формирование МГС в виде чисто конвективного тепломассопереноса в трещиновато-пористой среде, контролируемого теплом магматического очага. Такой подход не учитывает реологические свойства вмещающей среды и связанные с ними геохимические барьеры, а также оставляет «за кадром» химическую термодинамику взаимодействия флюид/порода как в конвективной ячее, так и в процессе привноса глубинного и метеорного вещества. Поэтому на современном этапе геохимических исследований чрезвычайно важно рассмотреть возникновение и эволюцию МГС именно с реологических позиций, позволяющих задать обоснованные входные данные для расчета химико-термодинамического взаимодействия сред в различных реологических об-становках.

Весьма актуален и вопрос о транспорте глубинного вещества в верхние этажи литосферы и участии его в эволюции МГС. Во многих геологических исследованиях постулируется априори, что существуют разломы, уходящие глубоко в мантию, по которым поступают в земную кору магмы и флюиды. Однако при условии пластичности вещества такое понимание глубинных разломов, по нашему мнению, не соответствует действительности. Возможно, и существуют зоны высокой проницаемости в пластичной мантии и коре, которые можно назвать «глубинными разломами», однако механизм этой проницаемости, на наш взгляд, совершенно иной, — он также обсуждается в настоящей работе.

Цель работы.

Создание согласованной модели магматогенно-гидротермальной системы с привносом глубинного и метеорного вещества вблизи реологической зоны пластично-хрупкого перехода.

Задачи работы были поставлены в соответствии с выбранной целью:

1. Развитие методики комплексного компьютерного 2Б-моделирования геохимических объектов, включающей четыре взаимосвязанных этапа: геометрический, физический, физико-химический и динамический.

2. Разработка сценариев эволюции магматогенно-гидротермальной системы в зависимости от положения магматического очага относительно зоны пластично-хрупкого переходарасчет физических параметров в каждом узле модельной сетки в соответствии со сценарием.

3. Разработка физико-химической многорезервуарной модели МГС с расчетом исходных равновесных минеральных парагенезисов, а также химического состава пород и флюида в каждом узле модельной сетки: а) для траектории подъема глубинного флюида в пластической области с прорывом в область хрупких деформацийб) для зоны конвективного движения подвижной группы фаз в трещиновато-пористой среде в области хрупких деформаций.

4. Разработка методики тектонофизического эксперимента на оптически активных средах в поляризованном светепроведение серии экспериментовразработка программного обеспечения для цифрового анализа результатов экспериментов.

Фактический материал.

Фактические данные по химическому составу природных сред и базы термодинамических данных были любезно предоставлены непосредственно Н. С. Жатнуевым, В. И. Васильевым (Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ), К. В. Чудненко, В. А. Бычинским (Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, Иркутск), С. Н. Рычаговым (Институт вулканологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский) и другими учеными.

В работе также использовался фактический материал, самостоятельно полученный автором в результате тектонофизических экспериментов на оптически активных средах в поляризованном свете, проводимых при финансовой поддержке гранта НШ-2284.2003.5 и Президиумов СО и ДВО РАН (проект № 117−09-П-СО-08−006).

Кроме этого, фактическим материалом работы явились общепризнанные литературные данные по геохимии и минеральному составу горных пород, их термодинамическим свойствам, представленные в различных справочных, монографических и журнальных изданиях.

Научная новизна.

1. Предложена оригинальная концептуальная модель трех вариантов развития МГС в зависимости от глубины зоны пластично-хрупкого перехода с наличием геохимического барьера при прорыве флюида из пластичной зоны в хрупкую.

2. На основе этой концептуальной модели разработана комплексная компьютерная модель физико-химической эволюции МГС в зоне изменения реологических свойств пород с привносом глубинного и метеорного вещества.

3. Экспериментально обоснована оригинальная гипотеза транспорта глубинного вещества, находящегося в условиях пластичной реологии, в зону хрупких деформаций посредством перемещения в поле силы тяжести замкнутых флюидозаполненных полостей.

Практическая значимость.

1. Разработан 20-вариант многорезервуарного физико-химического моделирования на программном комплексе «Селектор», что позволяет получать более корректные модели геологических систем с участием твердых и флюидных фаз.

2. Разработанные модели МГС с учетом изменения плотности и давления флюида на геохимическом барьере пластично-хрупкого перехода позволяют по-новому оценивать продуктивность современных геотермальных месторождений, объяснить природу их строения и структуры.

3. Созданная база физико-химических данных для различных сценариев эволюции МГС, каждый из которых включает 80 минеральных параге-незисов с водным раствором и газовой фазой (итого 240 возможных равновесных ассоциаций) позволит поднять будущие модельные работы на новый, более детальный уровень.

Личный вклад автора.

Автором разработаны концептуальные модели эволюции МГС, в чем оказали помощь д.г.-м.н. Н. С. Жатнуев (ГИН СО РАН) и д.г.-м.н. С. Н. Рычагов (ИВиС ДВО РАН). Автором реализованы геометрический, физический и динамический этапы моделирования. Также автором были выполнены все физико-химические расчеты на ПК «Селектор» с применением сторонних программных продуктов (Васильев, ГИН СО РАНАрискин, ГЕОХИ РАНПерсиков, ИЭМ РАН). Автором также лично разработана методика тектоно-физических экспериментов, изготовлены модельные установки, проведены эксперименты и анализ полученного материала, выполнена интерпретация результатов.

Защищаемые положения.

1. Возникновение и эволюция магматогенно-гидротермальных систем возможны по трем сценариям: а) внедрение магмы в область хрупкости пород ведет к смешению ювенильного и метеорного вещества при промывании быстро остывающего очага гидротермальными растворамиб) при локализации очага в области пластично-хрупкого перехода имеет место быстрое остывание апикальной части массива и частичное смешение ювенильного и метеорного материалав) если очаг локализуется в области пластичности, загрязнение массива метеорным веществом практически исключается, а в области хрупкости формируются низкотемпературные гидротермальные системы с метеорным составом растворов.

2. В изолированных флюидозаполненных полостях в зоне пластичности пород возникает избыточное давление, позволяющее полости перемещаться в поле силы тяжести путем гидроразрыва в голове и смыкания пород в хвостовой части.

3. При подъеме флюида из зоны пластичности в хрупкую зону на реологическом переходе возникает принципиальный геохимический барьер, вызывающий осаждение компонентов флюида.

Публикации и апробация.

Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работах (в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах «Геоинформатика» и «Литосфера» и 1 статья принята в печать в рецензируемый журнал «Вулканология и сейсмология»), а также докладывались на Всероссийской конференции, посвященной 80-летию чл.-корр. РАН Ф. П. Кренделева (Улан-Удэ, 2007), Региональной молодежной конференции, посвященной 50-летию Бурятского научного центра (Улан-Удэ, 2008), Региональной конференции молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии, геоэкологии Дальнего Востока России» (Владивосток, 2008), Всероссийском научном совещании «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса: от океана к континенту» (Иркутск, 2008, 2009, 2010), Всероссийском совещании «Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия» (Иркутск, 2009), Всероссийской молодежной конференции «Структура, вещество и история литосферы» (Сыктывкар, 2009), Международной конференции ЮНЕСКО «Глобальные и региональные проблемы устойчивого развития мира» (Улан-Удэ, 2010), Всероссийской молодежной конференции «Геология Западного Забайкалья» (Улан-Удэ, 2011), Международного симпозиума «Large Igneous Provinces of Asia, Mantle Plumes and Metallogeny» (Иркутск, 2011), Всероссийской молодежной конференции «Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2011), Всероссийской конференции «Граниты и процессы рудообразования» (Москва, 2011), научных сессиях и семинарах Геологического института СО РАН, Института геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, Бурятского научного центра и Бурятского Государственного университета.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы общим объемом 162 страниц печатного текста, 13 таблиц и 106 иллюстраций.

3.3. Основные выводы.

Многочисленные эксперименты, проведенные в 2006;2010 гг. позволили уверенно обосновать гипотезу миграции флюидозаполненных полостей в пластичной среде и сделать следующие выводы:

1. В изолированных полостях, заполненных флюидом, возникает избыточное давление флюида (ИДФ) зависящее от плотности флюида, протяженности полостей и от величины литостатического давления.

2. В гравитационном поле в пластической вмещающей среде происходит миграция флюидозаполненных полостей по механизму гидроразрыва, скорость которой зависит от величины избыточного давления.

3. Для начала миграции полостей необходима критическая высота полости, обеспечивающая критическое ИДФ, равное прочности породы.

4. Траектория движения зависит от напряженного состояния среды, в которой процесс развивается. Полость при движении отклоняется в зону растягивающих напряжений, избегая зоны напряжений сжатия.

5. При наличии барьеров, прочность на разрыв которых превышает величину ИДФ в полости, последняя некоторое время распространяется по латерали до момента понижения избыточного давления до уровня прочности вмещающей среды.

На основе анализа семидесяти двух экспериментов было рассчитано статистически среднее критическое ИДФ, необходимое для гидроразрыва модельной среды: 375.39 Па. Следовательно, средняя критическая длина полости в модели составляет 6.01 см, что при природной прочности пород 130 кПа соответствует -42.84 м, а при прочности 3 МПа соответствует -988.59 м. Кроме этого, следует отметить, что программный продукт У1асИ КшпОгарЬ (см. раздел 1.4.2) успешно апробирован в интерпретации результатов экспериментов и может быть использован в исследованиях независимо от освещения, свойств модельных материалов и типа регистрирующих аппаратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования, поведенные за годы работы над темой диссертации (2005;2011) позволили автору освоить основы нескольких направлений геологической науки: теорию магматогенно-гидротермальных систем, численное физико-химическое моделирование, тектонофизическое моделирование, а также познакомиться с множеством взглядов на проблемы реологии земной коры, превращений вещества в гидротермальном и магматическом процессах, транспорта глубинного вещества в верхние этажи литосферы.

Совместно с коллективом группы экспериментальных исследований Лаборатории геохимии Геологического института СО РАН была разработана концепция возможных вариантов эволюции магматогенно-гидротермальных систем в различных реологических обстановках пластично-хрупкого перехода земной коры, а на ее основе разработана и численно реализована комплексная компьютерная модель теплои массопереноса внутри системы, на геохимическом барьере перехода и при взаимодействии ее вещества с глубинным флюидом и метеорными водами.

Автор разработала собственную методику тектонофизического эксперимента на оптически активных средах в поляризованном свете, которая успешно зарекомендовала себя при проведении более семидесяти конкретных экспериментов. Эксперименты доказали разработанную под руководством.

H.С. Жатнуева гипотезу миграции флюидозаполненных полостей в пластичной среде.

Автор считает, что заявленные в начале работы цель и задачи выполнены в полном объеме, что успешно доказано главами диссертации.

По существу проведенных исследований можно сделать выводы:

I. В структуре длительно живущих рудообразующих магматогенно-гидротермальных систем островных дуг создаются особые реологические условия в форме пластично-хрупких переходов геологической среды. Пластично-хрупкие переходы являются геохимическими барьерами, которые регулируют образование магматогенно-гидротермальных систем, источников их теплового питания (магматических очагов и интрузивных тел) и протекание физико-химических процессов в зоне перехода между близповерхностной гидротермальной и глубинной магматической конвективными ячейками.

2. Предложено три сценария (модели) формирования циркуляционных магматогенно-гидротермальных систем, в зависимости от локализации магматического источника тепла относительно пластично-хрупкого перехода и частичного или полного внедрения магматических расплавов в область хрупких деформаций земной коры.

3. В изолированных полостях, заполненных флюидом, возникает избыточное давление, зависящее от плотности флюида, протяженности полостей и от величины литостатического давления. В гравитационном поле в пластической вмещающей среде происходит миграция флюидозаполненных полостей по механизму гидроразрыва, скорость которой зависит от величины избыточного давления. Для начала миграции необходима критическая высота полости, обеспечивающая критическое избыточное давление, равное прочности породы на растяжение. Траектория движения зависит от напряженного состояния среды, в которой процесс развивается. Полость при движении отклоняется в зону растягивающих напряжений, избегая зоны напряжений сжатия. При наличии барьеров, прочность на разрыв которых превышает величину избыточного давления в полости, последняя некоторое время распространяется по латерали до момента понижения избыточного давления до уровня прочности вмещающей среды.

4. Переход от литостатического к гидростатическому давлению при вступлении полости в хрупкие породы приводит к адиабатическому расширению флюида, резкому снижению его плотности и охлаждению растворов (часто сопровождающемуся вскипанием), а также к вторичному минера-лообразованию. Поэтому зоны переходов от литостатического к гидростатическому давлению трассируются интенсивным вторичным минералообразованием, в частности, окремнением пород и залечиванием трещинно-порового пространства тридимитом, кристобалитом, опалом, халцедоном и кварцем в ассоциации с адуляром, цеолитами и другими минералами. В кварц-адуляровых метасоматитах и зонах аргиллизации пород образуется рудно-сульфидная минерализация, высаживаются самородные металлы и рудные соединения. 5. На основании сравнения полученных расчетных данных с данными комплексных геолого-геофизических, гидрогеологических, минералого-геохимических и других исследований магматогенно-гидротермальных систем Южной Камчатки и острова Парамушир показано высокое соответствие модели внедрения магматических расплавов в хрупкую земную кору строению современных высокотемпературных магматогенно-гидротермальных систем (прогрессивного этапа развития) на глубинах более 1.0−1.5 км, и рудоносных вулканоплутонических комплексов миоцен-плиоценового возраста, эродированных на различную глубину в разных геологических блоках. В структуре вулкано-плутонических комплексов зоной хрупко-пластического перехода служит брекчиевая мантия интрузивных габбро-диоритовых тел, контролирующая потоки высокотемпературных металлоносных газо-водных флюидов.

Дальнейшее развитие своих исследований автор видит в продолжении разработки полной концептуальной модели магматогенно-гидротермальных систем и обосновании ее средствами физического и физико-химического моделирования — как численного, так и экспериментального. Необходим также инструмент исследования химической термодинамики системы при учете законов гидродинамики флюида в трещиновато-пористых средах (программный модуль к ПК «Селектору»), в создании и внедрении которого автором планируется принять непосредственное участие.