ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ РАВНОВЕСИЙ ЗОН СУБДУКЦИИ ОСТРОВНЫХ ДУГ НА ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ «СЕЛЕКТОР»

В. И. Васильев, Н. С. Жатнуев

Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ, *****@***bsc. *****

Актуальность проблемы выяснения параметров зон субдукции как зон выплавления базитовых магм и контролирующего механизма вулканических процессов несомненна. Для получения корректных результатов необходимо представлять не только качественную картину глубинного строения островных дуг, но и иметь физико-химически и математически обоснованные количественные отношения P-T условий и равновесных концентраций в минеральных парагенезисах этих областей. На современном этапе геохимических исследований такую количественную базу можно получить только путем численного термодинамического моделирования.

В связи с вышеизложенным авторами была разработана и рассчитана численная двумерная физико-химическая модель равновесных минеральных ассоциаций для обстановки зон субдукции островных дуг. Рассматриваемая в модели область представляет собой вертикальный разрез вкрест простирания зоны субдукции на глубину 100 км и горизонтальной протяженностью 40 км. Модельная плоскость разбита на 4000 резервуаров размером 1х1 км, для каждого из которых рассчитаны температура, давление и химический состав. Модель является статической, т. е. тепло - и массоперенос между резервуарами отсутствует.

Таблица 1

Расчетные параметры условно принятых зон модели и их молярные составы

Слой

A

SML

CC

OML

OC

S

Водонасыщенность

Океанический осадочный, %

3,52

14,73

20,0

Океанический вулканогенный, %

13,92

72,42

25,0

Океанический базальтовый, %

100

79,60

1,5

Континентальный гранитный, %

100

0,0

Континентальный базальтовый, %

100

0,0

Астеносфера (пиролит), %

100

0,0

Морская вода, %

2,96

12,85

100,0

Si, моль/кг

6,68

9,18

10,70

8,25

7,90

6,71

Al, моль/кг

0,73

2,82

3,08

3,05

2,88

2,28

Fe, моль/кг

2,12

1,32

0,80

1,42

1,34

1,03

Mg, моль/кг

9,10

1,59

0,75

1,96

1,81

1,26

Ca, моль/кг

0,44

1,45

0,69

2,01

2,16

2,76

K, моль/кг

0,04

0,28

0,63

0,05

0,07

0,15

Na, моль/кг

0,18

0,76

0,89

0,84

0,82

0,77

H, моль/кг

0,22

1,56

0,78

0,77

4,47

17,00

O, моль/кг

26,59

28,64

29,70

27,84

28,65

31,34

S, моль/кг

0,00

0,03

0,03

0,02

0,02

0,02

Плотность, г/см3

3,30

2,70

2,50

3,20

3,00

2,20

Модельная система состоит из условно принятых зон, каждая из которых характеризуется собственным химическим составом, плотностью и пористостью (рис. 1). Расчетные физико-химические параметры зон (табл. 1) согласованы с литературными данными [1, 3, 5]. Зона A («asthenosphere») имитирует верхнюю часть мантии пиролитового состава. Состав зоны SML («sub-continental mantle lithosphere») усреднен из литературных данных по континентальному базальтовому слою [4, 8, 11]. Зона CC («continental crust») соответствует «гранитному» слою континентов. Принято, что континентальные зоны SML и CC не содержат метеорных вод ниже глубины 100–150 метров [10], т. е., применительно к нашим условиям, не содержат воды в флюидной фазе. Зоны OC («oceanic crust») и S («sediments») представляют океаническую кору и аккреционный клин морских и вулканогенных осадков. Водонасыщенность этих зон принята эквивалентной пористости, т. е. поры полностью заполнены морской водой. Зона OC по химическому составу представляет собой комбинацию океанического базальтового (79,60 %), океанического вулканогенного (13,92 %) и океанического осадочного (3,52 %) слоев с обводненными порами (2,96 %). Состав морской воды (зона W) нормирован из [8]. Зона S комбинирует в себе вулканогенные (72,42 %) и морские (14,73 %) осадки и насыщена водой до 12,85 масс.%, что соответствует литературным данным [9, 10]. Зона OML («oceanic mantle lithosphere») представляет собой переходную к астеносфере зону «базальтового» слоя океанов и свободной воды не содержит.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Температурные поля модели (рис. 1, а) рассчитаны с помощью авторского программного обеспечения на основе литературных данных [2, 3, 5] с учетом теплопроводности различных типов пород. Распределение температуры в периферии модели соответствует повышенной геотерме. В зоне субдукции погружающиеся слои охлаждены, а мантийный клин разогрет относительно одноуровневых слоев. Температура в вершине мантийного клина соответствует ликвидусу базальтового расплава.

Подпись:Давление в резервуарах (рис. 1, б) рассчитывалось, исходя из плотностей и пористостей зон. Под «океаном» оно складывалось из гидростатического давления морской воды и литостатического давления вышележащих слоев, под «континентом» – принималось литостатическим. Таким образом, на глубине 100 км под осевой частью островной дуги расчетное давление достигло 30 кбар. Плотности пород рассчитаны по литературным данным [9].

Независимые компоненты модели отбирались, исходя из принятых составов зон (табл. 1). Не ставя себе задачу исследования параметров распределения редких и рассеянных элементов, мы ограничились 10 компонентами, в состав которых вошли кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, сера, водород и кислород.

Рис. 2. Диаграммы расчетных равновесных концентраций диопсида в модельном пространстве и в P-T координатах. Содержания диопсида даны в массовых %.

Зависимые компоненты системы были отобраны из баз данных ПК«СЕЛЕКТОР»: 95 конденсированных фаз (базы данных b_Berman, s_Sprons98, s_Yokokawa), 64 компонента водного раствора (база данных a_Sprons98) и 7 компонентов газовой фазы (база данных g_Reid).

Рис. 3. Диаграммы расчетных равновесных концентраций свободного флюида в модельном пространстве и в P-T координатах. Содержания флюида даны в массовых %.

Расчет равновесий производился методом минимизации свободной энергии Гиббса. Для каждой условной зоны строилась матрица составов в P-T координатах и рассчитывались равновесные концентрации зависимых компонентов. В результате определились 41 минеральная фаза, 61 компонент водного раствора и 6 компонентов газовой фазы, равновесные при строго определенных условиях.

Подпись:Для каждого зависимого компонента были построены как пространственные, так и P-T диаграммы равновесных концентраций. В качестве примера приведем диаграммы равновесных концентраций диопсида в модельном пространстве и в P-T координатах (рис. 2). Для конденсации диопсида в данных условиях характерны широкие интервалы давления (5 – 30 кбар) и температуры (600 – 1300 ºС), в которых можно выделить несколько генераций как магматического, так и контактово-метасоматического характера. Пространственное распределение диопсида, очевидно, контролируется структурой модели и входными составами зон.

Наибольший интерес вызывает количественная оценка дегидратации пород в нижней части зоны OC, соответствующей начальной стадии выплавления базальтовых магм. На рис. 3 приведены пространственная и P-T диаграммы концентрации отделившегося флюида. Прослеживается рост содержания свободного флюида, начиная с глубины 35 – 40 км (1 – 2 масс.%) до более 6 масс.% на глубинах порядка 80 – 90 км. На рис. 4 на участок P-T диаграммы флюида наложены полиномиально интер - и экстраполированные из литературных данных [7] линии солидусов и ликвидусов водонасыщенного и «сухого» базальта. Несмотря на некоторую разницу в составах базальта и зон OC и OML, вдоль них прослеживаются два поля частичного и одно поле полного плавления пород с образованием суббазальтового расплава и определенного количества растворенного флюида. Расчетные данные характеризуют области выплавления базитов вдоль зоны OC на глубинах 30, 55 и 75 км.

Список литературы

1.  Richards J. P. Tectono-magmatic precursors for porphyry Cu-(Mo-Au) deposit formation // Economic Geology, vol. 98, 2003. P.1515 – 1533.

2.  Uyeda S., Kanamori H. Back-arc opening and the mode of subduction // Journal of Geophysical Research, vol. 14. P. 1049 – 1061.

3.  Winter J. D. An introduction to igneous and metamorphic petrology: Upper Saddle River. – New Jersey, Prentice-Hall, 2001. – 697 p.

4.   А.,  В.,  В. Средние химические составы магматических горных пород. – М.:Недра, 1987. – 152 с.

5.   И. Численное моделирование динамики тепломассопотоков и минералообразования в гидротермальной системе срединно-океанических хребтов //Вопросы геологии континентов и океанов (Школа-семинар российских делегатов XXXI Международного Геологического Конгресса, НИС «Академик Иоффе», Калининград – Рио-де-Жанейро – Калининград, 27 июня – 9 сентября 2000 г. Тезисы докладов). – М.: Научный мир, 2001. – с. 51.

6.   Л. Термодинамический режим глубинного петрогенеза. – М.: Наука, 1973. – 318 с.

7.  Справочник по геохимии / Г. В. Войткевич, А. В. Кокин, А. Е. Мирошников, В. Г. Прохоров. – М.: Недра, 1990. – 480 с.

8.  Справочник физических констант горных пород / Под ред. С. Кларка. М.: Мир, 1969. – 544 с.

9.  Справочное руководство гидрогеолога. Т. 1/ В. М. Максимов, В. Д. Бабушкин, Н. Н. Веригин и др. Под ред. В. М. Максимова. Л.: Недра, 1979. – 512 с.

 Д. Петрология и условия формирования трапповых силлов. – Новосибирск.: Наука, 1978. – 168 с.

СТРУКТУРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТИПА «ГОРЯЧИХ ПЯТЕН» ДНА ТИХОГО ОКЕАНА

Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, Владивосток, *****@

Долгоживущие температурные аномалии в литосфере и подстилающей мантии, глубинный базитовый магматизм (толеиты, щелочные базальты, меймечиты, коматииты и другие породы) со специфическим химизмом, геофизические характеристики недр отражающие их разогретое состояние, своеобразный флюидный режим и другие признаки отличают районы с аномальной эндогенной активностью, которые получили название «горячих точек или пятен» на теле нашей планеты. В зависимости от используемых критериев различными исследователями на разных этапах выделялось от первых десятков до сотни подобных «пятен», в том числе в пределах Тихого океана более 30. Для объяснения причин образования подобных аномалий широко используются такие понятия как мантийные диапиры, струи, плюмы, очаговые структуры, которые призваны отразить все многообразие процессов и механизмов взаимодействия глубинных и поверхностных сфер тектогенеза. В соответствии с устоявшимися представлениями (работы Дж. Моргана, К. Сейферта, и др.) мантийные плюмы – это глубинные восходящие потоки вещества и энергии, характеризующие относительно высокими температурами и длительностью существования. В отличие от мантийных диапиров плюмы характеризуются большей глубинностью, наличием относительно узкого подводящего канала, преобладанием газово-флюидных составляющих в глубинных потоках тепло-массопреноса. Геофизические исследования свидетельствуют о связях корней плюмов со слоем «Д» в основании нижней мантии на границе с внешним ядром и слоями на контакте верхней и нижней мантии. В связи с тем, что вещество плюмов находится в газообразном или квазижидком пластичном состоянии форма и структура формируемых геологических тел и инъективных дислокаций зависит симметрией среды, которая определяется, прежде всего, гравитационным полем планеты, симметрия которого описывается на основе формулы конуса. Именно этим объясняется общее радиально-концентрическое размещение ареалов и центров базитового и ультрабазитового магматизма и структурных элементов над различными плюмами. Поэтому выделяемые в пределах континентов и морского дна геолого-геоморфологические и геофизические аномалии центрального типа можно рассматривать как признаки иъективных дислокаций соответствующего уровня глубинности, связанных либо с магматическими центрами, либо процессами адвекции мантийного материала.

Очевидно, что аномальные территории, соотносимые с «горячими пятнами» имеют черты сходства и различия. Такие параметры как глубина заложения магматических центров и потоков тепломассопереноса, специфика тектонической позиции, геодинамический, флюидный режим и другие условия геологической среды нуждаются в сравнительной оценке и точной идентификации. Анализ всего многообразия форм проявления феномена «горячих пятен», их типизация, определение масштабов и рангов объектов требуют унифицированных критериев и специализированных исследований, среди которых важное место принадлежит методам формализованного описания форм, апробированным при изучении структур центрального типа (СЦТ). Особое значение приобретает структурирование геологического пространства «горячих пятен». Уточнение определения понятия «горячая точка (пятно)» и комплекса идентификационных признаков приведет к ревизии известных аномалий и возможному исключению, или включению в их перечень ряда новых территорий и объектов.

В соответствии с существующими представлениями эндогенные СЦТ выступают универсальными формами отражения и важнейшими геоиндикаторами флюидной, магматической активности, аномальных процессов тепломассопереноса и инъективных дислокаций недр. Использование всего арсенала методов и многочисленных накопленных данных по изучению этого типа структур позволит более эффективно решать задачи по выявлению и идентификации аномальных областей, относимых к «горячим пятнам» Земли. Наиболее крупные из СЦТ Земли рассматриваются как проекции глубинных конвективных ячеек, мантийных диапиров, плюмов, геоконов, более мелкие – представляют очаговые системы, инъективные дислокации, связанные с явлениями эффузивного, эксплозивного и интрузивного магматизма. Изучение конкретных особенностей морфологии и внутреннего строения СЦТ, формализованное описание инфраструктур очаговых систем различных размеров, рангов, генезиса и возраста в пределах разных регионов и областей позволяет реконструировать и оценивать многие факторы формирования и развития магматических очагов, других форм проявлений эндогенной активности недр и свойств (факторов) геологической среды. Известны: корреляция параметров вулканических построек и глубин генерирующих их магматических очагов, зависимость типа инфраструктур от основных особенностей развития магматических центров, связь морфологии вулканов и состава продуктов извержения, влияние тектонической позиции на характер очаговых процессов и т. д.

Реализация лишь двух принципиально возможных объемного и канального способов передачи энергии в пространстве лежит в основе доминирования двух типов геологических энергонесущих пространственных структур и систем: а) формирования центрального типа с радиально-концентрической инфраструктурой и элементами симметрии ∞Ĺ∞ C ∞ Ρ → n Ĺ n·nΡ, связанные с энергетическими точками, узлами (магматические очаги, флюидо-эксплозивные центры и др.); б) линейные образования с элементами симметрии Ĺ∞ ∞ Ρ → Ĺn Ρ, обусловленные наличием энергетических зон (разломы, контролирующие поступление и распределение магм, терм, флюидов, газов). Переходной является линейно-узловая форма организации энергонесущих систем разного порядка, совмещающая черты двух основных типов и представляющие ряды энергетических точек или центров (цепи вулканов, интрузий и др.) с элементами трансляционной симметрии. Природные классы диссипативных структур, имеющих необходимый потенциал, развиваются в соответствии с принципом минимизации энергетических потерь и затрат системы, что обеспечивает максимальную длительность ее функционирования.

СЦТ разного порядка пространственно организованы в кольцевые, дуговые или относительно прямолинейные системы. По структурно-геометрическим признакам выделяются круговые, кольцевые, эллипсоидальные, спиралевидные и более сложные по геометрии группировки. В соответствии с морфологическими чертами и инфраструктурой СЦТ могут быть симметричными, диссимметричными и асимметричными. Для рядов СЦТ всех рангов характерна трансляционная симметрия. Образование цепей, рядов вулканов, интрузивных куполов и других линейных систем энергетических центров связывают с движением плит над горячими точками, влиянием давления магмы на формирование разломов, с образованием магматических камер на остриях растущих разломов, миграцией магматических каналов в зонах глубинных разломов и другими процессами взаимодействия инъективных и дизъюнктивных дислокаций.

Данные современной сейсмической томографии свидетельствуют о плюмовой природе вулканизма Исландии, Императорско –Гавайской группы островов, Афарской и других континентальных и океанических областей. Предполагается наличие суперплюма с диаметром основания несколько тыс. км. под южной Африкой, где имеются десятки вулканических горячих точек. Считается, что аналогичный суперплюм находится под юго-западной частью Тихого океана (Полинезия) (работы геофизика А. Фортэ). В качестве проекции суперплюма с роями горячих точек, возможно, выступает позднемеловое поднятие Дарвина в Тихом океане, которое автор рассматривает как ядро Индо-Тихокеанской планетарной мегаструктуры центрального типа [Gavrilov, 1998].

Галапагосские острова расположены в тройном узле пересечения подводных хребтов: Колон, Кокосовый и Карнеги. Вместе с хребтом Мальпело они образуют внешний концентр кольцевой морфоструктуры радиусом 350 км., центральную часть которой занимает Панамская глубоководная котловина. Расстояние от Галапагос до участка разветвления Восточно-Тихоокеанского срединно-океанического хребта составляет около 100 км. Инфраструктура Панамской депрессионной морфоструктуры, соотносимой с СЦТ, относится к сателлитному типу (рис.1). На внешнем ее концентре выделяется два крупных вулкано-тектонических поднятия: Галапагосское радиусом около 200 км и Мальпело радиусом – 120–125 км. Более мелкие кольцевые структуры расположены менее упорядоченно, концентрируясь в Панамской СЦТ, особенно на ее внешнем концентре, в пределах подводных хребтов. Общий характер распределения вулканических центров отражает многовыходной тип вулканизма, типичный для районов с близким расположением магматических очагов к поверхности. По данным американских исследователей под Галапагосским архипелагом, состоящим из 19 вулканических островов, расположен плюм диаметром около 100 км. Полученные геолого-геоморфологические материалы свидетельствуют о том, что Галапагосское «горячее пятно», соотносимое глубинной очаговой системой, представляет элемент более крупного Панамского мегаплюма. По аналогии с другими известными плюмами он расположен в узле планетарных и региональных систем разломов ортогональной и диагональной ориентировки, на участке виргаций Кордильеро-Андийского окраинно-континентального горного пояса и Восточно-Тихоокеанского срединно-океанического хребта.

Гавайская островная система – элемент Гавайско-Императорского подводного вулканогенного хребта. В южной его части возраст вулканогенных построек варьирует от современного до 43 млн. лет, а в Императорском сегменте от 43 до 70 млн. лет. Наличие в пределах Гавайских островов современных активно действующих вулканов и латеральная изменчивость возраста вулканогенных построек послужили основанием для представлений о проецировании «горячей точки или пятна» на движущую Тихоокеанскую плиту (работы Дж. Дана, Дж. Т. Уилсона; и др.). Время существования Гавайской «горячей точки (пятна) оценивается в 70 млн. лет. Геолого-геофизические данные свидетельствуют о существовании под действующими вулканами серии магматических камер, которые соединены каналами с выступами разогретой мантии, образуя Гавайский плюм. Обобщение данных о составе, изотопии и абсолютном возрасте ксенолитов (дуниты, лерцолиты, гранатовые перидотиты и другие породы)) в лавах Гавайских вулканов (работы и др.) показывает древний возраст (более 3 млрд. лет) фундамента подводного хребта.

В соответствии с полученными данными вулканический купол острова Гавайи, образованный серией щитовых вулканов разных размеров, является элементом более крупной вулкано-тектонической постройки радиусом более 250 км (по длинной оси 320 км), которая характеризуется ядерно-сателлитным типом инфраструктуры (рис. 2, 3). При существующей для СЦТ эмпирической зависимости R ~H (глубина) (работы , ) подобные параметры проекции системы позволяют предполагать, что ее энергогенерирующий центр находится на глубине 250–300 км. Это отражает мультиплюмовый характер развития рассматриваемой территории при упорядоченном распределении магподводящих каналов. Расположенная к западу кольцевая геолого-геоморфологическая аномалия имеет аналогичные размеры и, судя по расположению проекций локальных вулканических центров на внешнем концентре, соответствует вулканно-тектонической СЦТ с сателлитным типом инфраструктуры. При движении Тихоокеанской плиты над «горячим пятном» по простиранию островной цепи должны были сформироваться гомологичные очаговые системы, параметры, морфология и инфраструктуры которых достаточно близки, но этого не наблюдается. Можно допустить, что плюм претерпевал существенные изменения во времени и пространстве, но различия отдельных структурных элементов цепи островов Гавайского архипелага слишком велики. Кольцевое расположение вулканических поднятий и вулканов южнее острова Гавайи иногда связывают с возможным вращением плюма по часовой стрелке. Отсутствие подобных следов ротации на других участках островной цепи также противоречит модели движущей плиты.

Список литературы

Gavrilov A. A. The global system of convective structures of central type (SCT)

Proceeding of International symposium on new concepts in global Tectonics. Tsukuba, 1998. p. 114–119

Рис. 1. Системы структур центрального типа Панамской глубоководной котловины

Галапагосского архипелага (по данным батиметрии, альтиметрии и информации Google Earth). М 1:7

1 -2 зоны разломов: 1 – радиальные и региональные прямолинейные, 2 –дуговые и концентрические; 3 – проекции вулканических центров разных размеров и глубин заложения; 4 –острова.

Рис. 2.Системы структур центрального типа южной части подводного Гавайско-Императорского подводного хребта и прилегающих областей (по данным батиметрии, альтиметрии и информации Google Earth). М. 1:Условные обозначения см. Рис. 1.

Рис. 3. Южно-Гавайское вулкано-тектоническое поднятие центрального типа.

М. 1:7

1–2 – зоны разломов: дуговые и кольцевые, 2 –радиальные; 3 –изобазиты; 4 –острова.