Вода идёт к теплу в кристаллических породах – образование кимберлитов и Йеллоустонский супервулкан

Аннотация

В условиях геотермического градиента жидкость, находящаяся в полостях,  включениях в кристаллах и, в основном, в закрытых порах между ними, движется в направлении повышения температуры, как это  происходит в  автоклавах при гидротермальном синтезе кварца и других минералов. Поры укрупняются по мере продвижения.  Поступление летучих компонентов  на  глубину  влечёт  рост  давления  в  породе и,  по  превышении  прочности «крыши»,  при относительно небольших глубинах, происходят фреатические извержения. При больших прочностях крыши движение продолжается. В жидкости накапливаются элементы с коэффициентами распределения <1 по отношению к ведущим минералам горных пород, то есть летучие и редкие, в частности, для платформ элементы, обогащающие магмы кимберлитового состава. Гидратационные изменения минералов, а также снижение температуры перехода твёрдых пород в полужидкое состояние снижают прочность крыши.  Поступление водных растворов к магматическим очагам вулканов – одна из главных причин их пробуждения.  Явление переноса воды в магму и рост давления в ней главные факторы в подготовке извержения Йеллоустоунского супервулкана. Движение воды в полостях-порах горных пород под действием геотермического градиента: атмосфера-грунт-полости-мантия (или вулканы)- атмосфера  –новый цикл движения вещества в природе .

Ключевые слова: геотермический градиент, пористость горных пород, межкристаллитное вещество, цикл воды, разделение при кристаллизации, концентрирование примесей, кимберлиты, адиабатический сброс температуры, Йелоустоунский супервулкан, извержение вулкана, гидротермальный взрыв

 

  1. Введение.

В 1952г Г.Г Леммлейн [1] опубликовал результаты опытов по поведению включений водного раствора в кристаллах NaNО3. Он показал, что микроскопические включения в макроизотермических условиях двигаются к крупным, находящимся поблизости. Движение было объяснено выделением тепла при преобразовании близко находившегося крупного включения неправильной формы в отрицательный кристалл.

Профессор Ленинградского Горного института В.А.Мокиевский (1920-1979) в конце 60-х начале 70-х годов в личной беседе сообщил автору о факте перемещения включения раствора, объёмом несколько кубических миллиметров, в полученном им кристалле алюмокалиевых квасцов [KAl(SO4)12H2O] к источнику тепла (от настольной лампы). За 3-4 месяца включение прошло расстояние около 25мм и вышло на поверхность. Позднее автору стало известно, что к тому времени уже имелось большое количество работ о движении включений в кристаллах под действием внешних сил [2] . Имеются и другие варианты поступления подвижных компонентов на глубины: движение плит с затягиванием под них толщ осадочных пород [3], движение легких элементов на глубину может обеспечивать термодиффузия — эффект Соре [4]. Последний вариант использован при решении проблемы генезиса ийолит-карбонатитовых комплексов [5] Для объяснения особенностей формирования вулканических пород разрабатывается концепция «молекулярного потока [6].

Цель статьи показать высокую значимость переноса воды и растворённых в ней веществ, заключенных в закрытых порах-полостях, в направлении источника тепла для таких геологических процессов как вулканизм в его разных проявлениях, в частности, на примерах формирования кимберлитов и жизни Йелоустонского супервулкана.

 

  1. От кристалла к Земной коре: пора-полость движется в геотермическом градиенте

После ухода В.А. Мокиевского из жизни его  наблюдение  связалось  у  автора с тем,  что   при лабораторном получении кристаллов при низких температурах и в промышленном гидротермальном методе используется подогрев кристаллизатора снизу, где находится шихта. Раствор конвекцией переносит вещество  в  верхнюю часть кристаллизатора, где происходит рост кристаллов. При  этом,  на  что не обращалось  внимания, общая масса жидкости перемещается в более горячую область – навстречу источнику тепла. За год в промышленных автоклавах перемещаются снизу вверх тонны кварца на место тонн воды. При подогреве до Т=40-700С нижней части заполненных раствором стеклянных трубок (диаметром 40-50 мм и длиной 250-300 мм) с лежащим на дне исходным веществом, и охлаждении воздухом лаборатории верхней части трубок, где находились зародыши, за несколько дней выращивались кристаллы объемом 1000-2000 мм3 десятков различных веществ [7]. То есть в закрытых объёмах в условиях градиента температуры перемещение жидкости, менее плотной, чем кристаллическое вещество, происходит против направления архимедовой силы в направлении повышения температуры.

В качестве прямого доказательства высказанного положения в максимально простых условиях был поставлен эксперимент, показавший действие температурного перепада на слой реактива, в данном случае [KAl(SO4)2], находящегося под слоем насыщенного раствора на подогреваемом дне сосуда. Бутылка диаметром 50мм.была поставлена на комнатную батарею центрального отопления сроком на один месяц. На схеме (см. Рисунок) представлены профили слоя с интервалом 2 недели.

Рис.  Изменение профиля слоя квасцов (серое) от а) к с) с интервалом 2 недели

Рассмотрим вопрос подробнее.

 

  1. Поры имеются всегда и порождаются в геотермическом градиенте

Все горные породы имеют поры-полости, которые заполнены господствующим в земной коре водным раствором. При достаточном времени выдержки при одной температуре раствор насыщен по отношению ко всем веществам стенок поры, открытой, или закрытой. Раствор становится пересыщенным при снижении температуры и из него выделяется избыток вещества на стенки поры, концентрация раствора снижается. При повышении температуры раствор становится недосыщенным и происходит частичное растворение стенок, концентрация раствора возрастает. Из поры, сообщающейся с атмосферой и содержащей водный раствор, жидкость может быть удалена испарением, или внешним газовым односторонним давлением. Из поры закрытой, изолированной от атмосферы, удаление жидкости происходит только через нарушение герметичности поры при достаточно высокой температуре при ее взрыве, или в результате растворения стенки.

В случае открытой поры, канала,  не имеющего подпитки снизу, чем он длиннее вдоль направления градиента температуры, тем с большей необходимостью и быстрее, в результате кристаллизации в районе пониженной температуры произойдет перекрытие части канала и появление закрытой полости. Таким образом, в поле геотермического градиента открытые поры-каналы порождают поры-полости, закрытые для сообщения с атмосферой. Кристаллизационное давление, развивающееся на контактах между растущими кристаллами при перекрытии канала, обеспечивает высокую степень герметизации отделившейся от него поры-полости, так как оно даже для хорошо растворимых веществ достигает 100 кг на см2 [8].

С этого момента полость с ее содержимым отправится навстречу потоку тепла и будет двигаться, пока она не дойдет до трещины с меньшим давлением, или сама не создаст ее, или не исчезнет с растворением содержимого во встреченной ею полости уже заполненной водой, закритическим флюидом, или магмой.  Содержимое поры может химически  соединиться с веществами, встреченными по пути, что приведёт к их гидратации, а растворённые вещества могут зафиксироваться в качестве «рудопроявления несогласия».

  1. Поры укрупняются

Скорость движения пор-полостей прямо зависит от разности температур внутри, то есть от их протяженности вдоль градиента температуры и его величины. То есть крупные поры движутся быстрее, мелкие могут быть практически неподвижны, не имея внутри достаточной разности температуры для заметных перемещений. По пути продвижения поры-полости могут догонять более медленные, или оказываться на пути других, догоняющих. В обоих случаях происходит объединение – укрупнение пор-полостей и увеличение скорости их движения. Изложенное позволяет объяснить обнаружение полостей на больших глубинах, которые, в частности, были обнаружены при бурении Кольской сверхглубокой скважины и известны в качестве бескорневых жил.

  1. Движение растворов между зернами может быть важнейшим

Межзеренное вещество, обнаруженное между кристаллами минералов в ксенолите шпинелевого лерцолита [8] в виде прослоев толщиной до десятков-первых сотен мкм, является продуктами оттеснения растущими кристаллами наиболее легкоподвижных компонентов (с коэффициентами распределения, меньшими единицы), специфических для каждого минерала. Как было установлено, в составе межзернового вещества ультрабазита преобладают элементы, свойственные кислым породам, а содержание магния оказалось в 40 раз (!) ниже, чем в составе самого лерцолита. В контексте статьи более важно, что, судя по низким суммам химических анализов (по микрозондовым данным: у межзернового вещества 84-96%, у лерцолита 100.78%), это вещество содержит существенные количества летучих (H2O,CO2…), которые обладают высокой растворяющей способностью. Кроме того, сокращение объема при переходе вещества из жидкого в твердое состояние должно приводить к существенной микропористости вещества, находящемся между зернами минералов. Поэтому пористость межзернового вещества следует считать наиболее значимым из путей перемещения водных растворов по описываемому механизму при повышенных температурах. Это подкрепляется бόльшей скоростью растворения мелких кристаллов по сравнению с крупными [10].

  1. Состав содержимого поры эволюционирует во время движения

С ростом глубины в поре-полости возрастают средняя температура и давление, соответственно, во флюиде растет концентрация растворенных веществ. Но, все, встреченное и растворенное на фронте продвижения порции раствора, подвергается разделению – сортировке – на тыловой более холодной поверхности, где растут кристаллы. Кристаллы захватывают элементы (радикалы) с высокими энергиями связей — коэффициентами распределения — K >1 и оттесняют с низкими (K<1) во флюид поры-полости. При этом малые скорости движения пор, соответственно, малые скорости роста кристаллов на «холодной» (верхней) стенке, обеспечивают высокую эффективность разделения компонентов раствора [11, 12].

Концентрирование веществ с К<1  следствие перемещения поры-полости, заполненной флюидом в градиенте температур. Этот процесс соответствует процессу очистки веществ кристаллизацией при зонной плавке и, одновременно и неизбежно, всегда сопровождается концентрацией (!) «примесей» в малом объеме. В спокойных тектонических – платформенных условиях – непрерывное движение сжатого флюида на глубину обеспечивает ему достижение области закритических температур, что приводит к частичному переходу кристаллических пород в гетерогенную смесь наиболее труднорастворимых кристаллов и жидкости, то есть в состояние лавы, и к нередко отмечаемому травлению поверхности крупных зерен – резорбции мантийных минералов. Образование газовых включений, обычных в алмазе, – результат роста кристаллов в жидкости, насыщенной газами, в условиях малых скоростей диффузии, и соответственно, замедленного отвода продуктов разложения раствора от грани растущего кристалла, что естественно для кристаллизации при больших давлениях.

При достижении давления, достаточного для преодоления прочности «крыши», возникает возможность локального прорыва флюида к поверхности с выносом обломков вышележащих пород, обычным при формировании кимберлитовых трубок. Судя по отсутствию явно выраженных конусов над местом выхода трубок на поверхность, избытки энергии и вещества «взрывов» были невелики. Запаса энергии флюида может и не хватать для его выхода на поверхность.

  1. Результаты эволюции состава включений

Процессы растворения, переноса веществ и кристаллизации, постоянно идущие в поре-полости, сохраняют и накапливают во флюиде фиксируемые во включениях в алмазах элементы с К<1, то есть неизоморфные элементам породообразующих минералов пород платформ ‒ обычного вместилища кимберлитовых трубок.. Конкретнее: подвижные «низкокипящие» вещества [13], в том числе углеводороды [14]; относительно инертные (N, Ar); редкие – нетипичные для мантии элементы, но типичные для пород платформенных – осадочных, метаморфических, гранитов. Так, согласно [15], содержания «платформенных» элементов в кимберлитах в десятки и сотни раз выше, то есть в составе кимберлита проявлен процесс не усреднения составов платформ и верхней мантии, а направленного концентрирования «платформенных» элементов в верхних частях последней. Приведенный механизм не противоречит известным заключениям: «процессы образования флюида и магматического очага были пространственно разобщены» [16], а также “… data are consistent with the concept of diamond crystallization from a COH-rich multicomponent supercritical fluid…” ;”… a fluid is more consistent with a local crustal source rather than that of a mantle origin.” [17].

  1. «Холодные» контакты диатрем, большие скорости охлаждения «кимберлитовой магмы»

С началом прорыва при быстром увеличении объема, происходит сброс давления, и, как следствие, в массе флюида происходит адиабатическое снижение температуры. С этим связано 1) существование «холодных» контактов кимберлитовых масс с вмещающими породами [18], 2) существование мелкозернистых масс, возникающих при быстрой кристаллизации высококонцентрированных флюидов, 3) консервация в продуктах затвердевания легкоподвижных компонентов с высокими содержаниями.

На последнее обстоятельство следует обратить особое внимание.  Традиционным для петрографии и подкрепляемым существующими (вплоть до международных) классификациями горных пород является пренебрежение к летучим компонентам. Это выражается, во первых, в допущению к публикации химических анализов горных пород с   LOI, где остаются неразделёнными важнейшие для рудогенеза компоненты H, C, F, Cl. При этом, такие данные авторы регулярно, не задумываясь о смысле слов, называют «представительными». Во-вторых, в требовании «высушивания» — удаления из анализа данных о «летучих» компонентах при идентификации пород. В результате многочисленные анализы кимберлитов,  как акт обессмысливания их,  не дают сведений о содержании «рудного» компонента.

  1. Движение водных растворов специфического состава на глубину значимо

Установленный факт движения жидких включений в кристаллах; наличие широко распространённой пористости в породах разного генезиса, экспериментальное и промышленное получение кристаллов разнообразных веществ при использовании градиента температур; миллионолетия существования геотемпературных градиентов в пористых осадочных, метаморфических и магматических породах; концентрирование примесей при «очистке» веществ направленной кристаллизацией; высокие концентрации в кимберлите элементов, редких для мантии, но типичных для платформ; то есть разобщенность формирований магматического очага и флюида; обнаружение пустот в силикатных породах на километровых глубинах – этого должно быть достаточно, чтобы утверждать, что в истории земной коры реализуется и геологически значимы процессы формирования и доставки высококонцентрированных, специфических по составу, водных растворов на большие глубины, вплоть до достижения закритических температур и последующих прорывов на поверхность Земли.

Описанный вариант движения водных растворов – от поверхности до источника тепла – мантии, или какого-либо иного, способного вернуть воду и другие летучие компоненты обратно к поверхности — особый круговорот элементов легкоподвижных, относительно инертных, а также элементов, неизоморфных с элементами ведущих минералов горных пород.

  1. Гидровзрывы и просыпающиеся вулканы —

Приведенные соображения имеют прямое отношение к проблемам гидротермальных взрывов и восстановления вулканической деятельности после длительных пауз.

Заполненные водой полости при достижении в них давления. достаточного для преодоления прочности крыши могут быть причинами гидротермальных взрывов. Вода поступающая на поверхность таким способом и имеющая низкую минерализацию, не превышающую 1г/л, не продукт магматического очага. В Йелоустонской кальдере так образовался кратер Mary Bay, более слабые гидровзрывы происходят регулярно [19]. Открытие полости, заполненной водой в жерло действующего вулкана, должно приводить к взрывам на фоне спокойного излияния лавы, такие взрывы происходят при излияниях вулкана Килауэа.

Высокие содержания летучих обнаружены в магматическом очаге спящего вулкана. Так в районе Эльбруса «Насыщенные флюидом магматические образования, имеющие место в выделенной аппаратурными методами магматической камере и очаге, содержат и летучие (до 30% и более).» [20]

Изложенное напрямую должно касаться Йеллоустонского супервулкана, извергавшегося несколько раз с сокращающимися интервалами, что считается свидетельством приближения плюма к поверхности. Это должно увеличивать геотермический градиент и, соответственно, увеличивать скорость поступления вод на глубину, сокращая интервалы времени между извержениями, в соответствии с описанным механизмом движения воды навстречу источнику тепла

Поступление воды на глубины, где её температуры достигают сверхкритических значений, влечет понижение температуры перехода твердых горных пород в жидкое состояние с сопутствующим истончением существующей твердой коры и снижением её прочности.  О снижении прочности крыши над очагом в результате гидратационного изменения минералогического состава пород опубликована статья  [21].  Сейчас в кальдере Йелоустона через горячие водные источники на поверхность выбрасывается большое количество воды, часть которой уходит с единственной рекой, а часть возвращается к магме и, истончая кровлю и наращивая давление в очаге, приближает его пробуждение.

  1. Что можно и нужно узнать

Выяснение масштабов явления переноса водных растворов на глубину требует постановки специальных экспериментов по оценке скоростей процесса. Для этого можно предложить следующие опыты. Пластинки кварца, кальцита, тех же «мышей» кристаллогенетиков, квасцов, содержащие включения, помещаются под микроскоп с горизонтальным тубусом и с защитой оптики от высоких температур. В направлении, нормальном к оси наблюдения, в кристалле создается градиент температур и производится фото-киносъёмка, по результатам которой оценивается скорость движения включений. Желательно получение данных в широком интервале средних температур и размеров включений. Для оценки влияния реальных градиентов  в кристаллах труднорастворимых веществ, видимо, потребовалось бы неопределённо большое время. Поэтому можно воспользоваться более высокими градиентами и поставив несколько микроскопов для изучения поведения включений разных размеров, оценить скорости, пусть всегда не очень надежной, экстраполяцией экспериментальных данных к градиентам, свойственным вулканическим областям.

В низкотемпературных условиях возможно и необходимо в прозрачных плоских кристаллизаторах (в отличие от описанного в начале статьи) смоделировать процесс движения включений на поликристаллическом материале, в первую очередь, с фиксацией: а) тенденций изменения формы полостей вплоть до получения стационарной формы и б) условий перекрытия каналов. Эксперименты ответят на главные вопросы о важнейших факторах: 1) определяющих скорость переноса воды рассмотренным механизмом в магматический очаг Йелоустонского вулкана; 2) о значимости механизма в надвигающейся катастрофе и 3) о  возможном пути уменьшения её масштабов, что показано а тексте (Петров 2015).

  1. Заключение.

Априорные заявления о бессмысленности экспериментов, по аргументу ничтожности эффекта в виду ничтожности включений и скоростей, не должны приниматься, так как согласно положению, давно принятому в математике, результат умножения бесконечно малого на бесконечно большое может быть любым. В геологии малое значимо.

Благодарности. Автор благодарит В.Я. Васильева за воодушевляющий настрой при переделке в статью тезисов доклада, не принятого на конференцию, П.Б. Соколова и Г.С. Биске  за обсуждение возможных следствий из концепции, С.В.Чебанова, за советы по логике и структуре текста, позволившие его существенно улучшить, Н.И.Краснову за помощь в расширении знакомства с литературой.

 

Литература.

  1. Леммлейн Г.Г. Перемещение жидкого включения в кристалле в направлении источника тепла. //Доклады АН СССР, 1952, Т.85, №2, С. 325-328.
  2. Гегузин Я.Е, Кривоглаз М.А. Движение макроскопических включений в твёрдых телах. М. Металлургия. 1971. 344 с.
  3. Сорохтин О. Г., Сорохтин Н. О. Субдукционный механизм происхождения алмазов/ Геология и полезные ископаемые мирового океана. 2006, В. 1, С.5-36
  4. Walker D., De Long S.E. Soret separation of midl-ocean ridge basalt magmas // Contrib. to Miner. and petrol. V.79. N3. 1982. p.231-240.
  5. Егоров Л.С. Ийолит-карбонатитовый плутонизм. Л.Недра. 1991. 260с.
  6. Анфилогов В.Н. Происхождение андезитов и риолитов комплиментарных магматических серий.// Литосфера, 2010, № 1, с. 37–46.
  7. Петров Т.Г., Трейвус Е.Б., Пунин Ю.О.,. Касаткин А.П. Выращивание кристаллов из растворов. Л.Недра 1983. 190 с.
  8. Григорьев Д.П. Жабин А.Г. Онтогения минералов, Индивиды. М.,»Наука», 1975
  9. Петров Т.Г., Ляпичев А.Г., Суслов Г.И., Книзель А.А. Межзеренное вещество в ксенолите шпинелевого лерцолита.// Записки ВМО, 1993, Ч.122..N2, С.138-144
  10. Пунин Ю.О. К вопросу механизма перекристаллизации //Записки ВМО, 1965, Ч. 94. N4. С.459-462

11.Petrov T. G. Graphic Representation of the Evolutionary Processes of the Compositions of Multicomponent Objects of Any Nature //Automatic Documentation and Mathematical Linguistics, 2012, Vol. 46, No. 2, pp. 79–93. © Allerton Press, Inc., DOI: 10.3103/S0005105512020045

  1. Petrov Tomas G. Separation-Mixing as a Model of Сomposition Evolution of any Nature//J. Systemics, Cybernetics and Informatics V. 12, N 1 2014, pp. 76-81. ISSN: 1690-4524
  2. Melton C.E., Giardini A. A. The composition and significance of gas released from natural diamonds from Africa and Brazil // Amer. Mineral. 1974. V.59. P.775-782.
  3. Гаранин К.В., Гаранин В.К. Углеводородные включения в алмазе и его минералах-спутниках. http://www.minsoc.ru/2008-1-118-0
  4. Muramatsu Y. Geochemical investigation kimberlites from Kimberley area, South Africa/ Geochem// J. 1983. v. 17. N 2. pp. 71-86
  5. Костровицкий С.И. О происхождении кимберлитовых пород/ Материалы Всерос. конф. «Геология, тектоника и металлогения Северо-Азиатского кратона». Якутск, 2011, Т. 1, С.271-275. http://craton.diamond.ysn.ru/files/section3.pdf
  6. Dobrzhinetskaya L. F., H W. Green, M. Weschler, M. Darus, Young-Chung Wang. Focused ion beam technique and transmission electron microscope studies of microdiamonds from the Saxonian Erzgebirge, Germany. // Earth and Planetary Science Letters 210 (2003) 399-410
  7. Милашев В.А, Геология кимберлитов. Санкт-Петербург. 201
  8. 19.Morgan L.A., W.C. Shanks, K. L.Pierce Hydrothermal processes above the Yellowstone magma chamber: large hydrothermal systems and large hydrothermal explosions.GSA. 2009
  9. Лиходеев Д.В. Исследование тепловых и наведенных волновых процессов в районе эльбрусского вулканического центра. А-реф дисс. канд ф.-м. н. М. 2013. http://www.ifz.ru/uploads/media/Avtoreferat_Likhodeev_01.pdf     
  10. 21. Tomas G. PetrovYellowstone. Problem of disaster prevention. Research Gate  2015   DOI: 10.13140/RG.2.1.2122.6725 .  Michael J. Heap, Tobias S. Baumann,  Marina Rosas-Carbajal, Jean-Christophe Komorowski, H. Albert Gilg, Marlène Villeneuve, Roberto Moretti, Patrick Baud, Lucille Carbillet, Claire Harnett, and Thierry Reuschlé   Alteration-Induced Volcano Instability at La Soufrière deGuadeloupe (Eastern Caribbean) https://www.researchgate.net/publication/353608274_Alteration-Induced_Volcano_Instability_at_La_Soufriere_de_Guadeloupe_Eastern_Caribbean [accessed May 21 2022].

 

 

https://www.researchgate.net/publication/281403941_Dvizenie_zidkih_vklucenij_v_kristallah_-_obrazovanie_kimberlitov_i_Jeloustonskij_supervulkan

Tomas G. Petrov The movement of the liquid inclusions in crystals – the formation of kimberlites and the Yellowstone Supervolcano