МОДЕЛЬ НИЖНЕМАНТИЙНЫХ ПЛЮМОВ Жатнуев Н.С. Геологический институт СО РАН, г. Улан-Удэ, zhat@gin.bscnet.ru, zhatnu@ yandex.ru

декомпрессия мантийного вещества подъем геотерм В работах [Летников, 2001; Добрецов, 2008; Пучков, 2009] всесторонне рассматриваются предполагаемая природа МП, из которых следует, что причиной формирования МП является дегазация ядра. Однако, механизмы подъема и детали эволюции МП везде различны. Конвективный механизм был предложен в работе [Griffiths, Campbell, 1990], где в результате подъема легкого вещества формируется структура типа «голова-хвост». По Ф.А.Летникову [2001] и Н.Л.Добрецову [2008] МП формируются путем проплавления непрерывного канала от ядра до основания литосферы. Но, как показано автором настоящего сообщения [2010], в протяженных магматических каналах, возникают избыточные давления (ИД) намного превышающие прочность пород и материал плюма должен бы непосредственно поступать на поверхность катастрофическими прорывами. В случае описываемом [Griffiths, Campbell, 1990], наоборот, подъем должен быть медленным и можно было бы наблюдать отклонение плюма от вертикали на значительный угол под воздействием «мантийного ветра» [Пучков, 2009]. Гипотеза мантийных плюмов (МП) получила начало с известных работ [Wilson, 1965; Morgan, 1971] и со временем она обрела развитие в виде идеи горячих полей [Зоненшайн, Кузьмин,1983] и суперплюмов [Larson, 1991]. Но имеется ряд нерешенных проблем. Поскольку плюмы связаны с поступлением вещества из глубокой мантии и, возможно, из ядра, то неясен механизм этого процесса – либо вещество мигрирует по каким то каналам, либо поднимается за счет тепловой конвекции. Сейсмотомография, на которую опирается большинство выводов по плюмам, позволяет видеть только аномалии скоростей сейсмических волн. Не ясны химический и фазовый состав вещества (твердое вещество, расплав или флюид), скорость подъема плюмов и многое другое. Вполне определенным является лишь то, что плюмы сопровождаются плавлением вещества и магматизмом. Поэтому вначале схематически рассмотрим возможные механизмы возникновения расплавов в мантии: декомпрессия мантийного вещества подъем геотерм воздействие флюида понижающего температуру плавления

Расплав Температура Давление (глубина) Солидус Ликвидус Геотерма Начало плавления Перемещение геотермы вверх означает, что горячее мантийное вещество в процессе конвекции поднимается вверх испытывает декомпрессию и пересекает солидус пиролита. Такой механизм возникновения предполагается для магм СОХ Схематическая диаграмма плавления субстрата за счет понижения давления. Солидус Ликвидус

Расплав Температура Давление (глубина) Расплав Геотерма Солидус Повышение температуры может быть обеспечено либо погружением субстрата в более глубинные условия, либо за счет «подогрева» снизу другой магмой, либо за счет подхода снизу плюма или «аномальной мантии». Плавление субстрата за счет повышения температуры. Рост объема очага и степени плавления субстрата (пунктир) Расплав Солидус Ликвидус

Расплав Температура Давление (глубина) Солидус Ликвидус Геотерма Начало плавления При добавлении в систему воды происходит смещение солидуса и ликвидуса в область более низких температур. Схематическая диаграмма плавление субстрата за счет появления водного флюида Солидус Ликвидус

Литосферный прочностной барьер расплав 0 % 50% 100% Литосферный прочностной барьер Солидус сухой мантии Мантия Начало плавления мантии. Ликвидус сухой мантии Ненарушенная геотерма мантии Разогрев мантии за счет поднимающегося трещинного флюида. Комбинированный механизм предполагаемый для плюмовых магм. Смещение солидуса и ликвидуса мантии происходит за счет поступления трансмантийного флюида, содержащего воду, которая образуется в результате окисления сухого плюмового флюида.

Здесь предлагается модель формирования МП, основанная на возможности миграции порций флюида в пластичной мантии в виде субвертикальных изолированных полостей-трещин, в которых возникает избыточное давление. При величине ИД больше прочности породы происходит «флюидоразрыв» в «голове» и схлопывание хвостовой части полости, что обеспечивает ее продвижение вверх. При эмиссии газа из ядра Земли происходит его накопление на границе ядро-мантия в виде линз, которые при достижении критического размера прорываются в мантию и перемещаются к поверхности. Создается относительно стационарный поток флюида прогревающий мантию и взаимодействующий с ней. В основании литосферы и/или в самой литосфере, вследствие возрастания прочности среды происходит остановка полостей с флюидом, распространение их по латерали и формирование значительных объемов магмы при привносе воды и других компонентов. Вопрос. Где и как возникают трансмантийные флюиды, вызывающие плавление мантии, и каким образом они мигрируют в мантии?

P lit. Высота полости глубина P hydrost. Стенка полости полость Механизм возникновения избыточного давления (ИД) в трещинной полости и миграции последней в пластичной среде P lit. глубина P hydrost. Рfl Рlit Векторы флюидного (Рfl.) и литостатического (Рlit.) давлений, действующих на стенку трещины, заполненной флюидом Стенка полости Высота полости полость Вмещающие породы ИД возникает в голове трещины. Величина ее определяется плотностями флюида и вмещающих пород, а также вертикальным размахом трещины. Субвертикальная полость l = 2 km DP(exc. press.) P lit (r=2.7 g/cm3) Pfl hydrost (r=1.0 g/сm3) При ИД превышающем прочность пород в головной части трещины происходит гидроразрыв, а в хвосте – смыкание. Это обеспечивает ее движение вверх. DPfl. DPlit.

Гидроразрыв и распространение трещины Рfl Рlit Векторы флюидного (Рfl.) и литостатического (Рlit.) давлений, действующих на стенку трещины, заполненной флюидом Стенка полости Высота полости полость Вмещающие породы Гидроразрыв и распространение трещины Передача давления флюидом Сжатие трещины литостатическим давлением Движение трещин подобно всплыванию пузырей газа в жидкости, но только развивается в твердой, пластически деформируемой среде. Модель имеет аналогию с перистальтическим насосом, перекачивающим порции жидкости, в данном случае порции флюида в замкнутой трещине, низ которой сжимается и схлопывается, а верх испытывает гидроразрыв.

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ МИГРАЦИИ ТРЕЩИННЫХ ПОЛОСТЕЙ В УСЛОВИЯХ ПЛАСТИЧНОСТИ СРЕДЫ БЫЛА ПРОВЕРЕНА НА АНАЛОГОВЫХ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ) ЖЕЛАТИНОВЫХ МОДЕЛЯХ

Эксперимент с ДТ- флюидом. 1. Нагрев и формирование «расплавной» зоны в желатиновой матрице. 2. Подача флюида и накопление его в апикальной части «расплавной» зоны 3. Достижение критического избыточного давления и прорыв флюида в нерасплавленную матрицу. 4. Подъем порции флюида в матрице в виде «трещинных» полостей и прорыв на поверхность.

Здесь в динамике показан рост расплавленной зоны желатина в результате нагрева. Следует отметить отсутствие напряжений в окружающем «твердом» желатине. Напряжения во всей колонне проявляются в процессе внедрения «флюида» и при удалении «расплава» из камеры.

Из [Летников, 2001; Летников, Дорогокупец, 2001; Маракушев, 2004; Добрецов, 2008 и др.] следует, что причиной формирования мантийных плюмов (МП) является дегазация ядра водородом и углеводородами, которые в процессе подъема окисляются в воду и углекислоту. Однако, механизмы подъема МП и детали эволюции в этих работах различны. Взаимодействие водородного флюида с кислородсодержащей матрицей генерирует тепло и воду, что приводит к преобразованию изначально водородного плюма в водно-водородный с наличием летучих соединений металлов. Учитывая жидкое состояние внешнего ядра и твердое состояние мантии, автором [Жатнуев, 2012] высказано предположение, что диссипирующие из ядра восстановленные газы не могут сразу уйти в твердую мантию и поэтому была предложена модель, по которой флюид накапливается на границе Я-М в виде линз-полостей. По достижении критического размера они прорываются и уходят вверх в мантию по механизму миграции трещинных полосте, описанному выше.

Подъем флюидных полостей При дегазации ядра, в силу разнородности фазового состояния вещества ядра и слоя D” происходит накопление флюида на границе ядро-мантия в виде линз, которые по достижении критической высоты прорываются в мантию в виде трещинных полостей. По траектории подъема флюида происходит восстановление железа (никеля), которое сегрегируясь в «капли» «тонет» в мантии пополняя внешнее ядро. Подъем флюидных полостей Нижняя мантия (D”) Нcritical. Дегазация ядра Дегазация ядра Ядро

Важным параметром в процессе является Критический размер флюидной линзы - высота линзы при которой избыточное давление становится выше прочности мантии на разрыв. В этом случае линза перерождается в вертикальную трещину того же объема и путем гидроразрыва начинает мигрировать вверх. Поскольку объем линз может быть значительным, то вначале высота и объем трещинных полостей могут быть весьма большими, что обеспечит и высокую начальную скорость прорыва. Но, вероятно, впоследствии эти полости дробятся на ряд мелких.

1211 1212 1213 Рabs.,kbar 2895 2896 2897 2898 2899 Н, km Мантия Ядро 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Рexc., kbar 5 4 3 2 1 Нl, km Величина прочности мантии на границе с ядром h4 1 2 3 4 1 2 3 4 Критические высоты флюидной линзы, необходимые для ее прорыва при прочности мантии 0,5 кбар и возможных плотностях флюида 1 – 4 г/см3 h3 h2 h4 h1 h3 Литостатическое давление вблизи границы ядро-мантия (точечный график) и давление в вертикальном сечении флюидной линзы (сплошные линии) при возможных плотностях флюида 1 – 4 г/см3 Критические высоты флюидной линзы, необходимые для ее прорыва при прочности мантии 1 кбар и возможных плотностях флюида 1 – 4 г/см3 Нормированные, относительно литостатического, давления флюида в вертикальном сечении линзы при возможных плотностях флюида 1 – 4 г/см3 h2 h1

1211 1212 1213 Рabs.,kbar 2895 2896 2897 2898 2899 Н, km Мантия ядро 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Рexc., kbar 5 4 3 2 1 Нl, km Величина прочности мантии на границе с ядром h3 1 2 3 4 h2 h1 Критические высоты флюидной линзы, необходимые для ее прорыва при прочности мантии 1,5 кбар и возможных плотностях флюида 1 – 4 г/см3

The general scheme of plum’s development Общая схема формирования плюма Crust Lithosphere Upper mantle The mushroom like head of the plum can develop as a result of cavity’s stop and fluid expansion due to the strong barrier. Rising upwards reduction fluid is partially or fully oxidized to water and CO2 to facilitate mantle melting. In the process of upward rising cavity fluids can expand adiabatically with lower pressure but can be partially lost gradually diluted in the silicate substance. If the volume increases the velocity of the upwards movement must also increase and vice versa. Формирование грибообразной головы плюма может происходить в результате остановки трещин и растекания флюида под прочностным барьером. Поднимающийся восстановленный флюид частично или полностью окисляется до воды и углекислоты что способствует плавлению пород мантии. Трещинные флюиды в процессе подъема могут адиабатически расширяться при снижении давления, но и могут частично теряться постепенно растворяясь в силикатном веществе. Поэтому вопрос об эволюции объема поднимающегося флюида остается открытым. Если объем увеличивается, то скорость подъема также должна увеличиваться, и наоборот. Lower mantle “D” Outer core Fluid flow from core

ВЕРХНЯЯ МАНТИЯ НИЖНЯЯ МАНТИЯ ЯДРО D”

Трансмантийные флюиды, в результате действия которых возникли плюмовые магматические очаги, проникая в последние становятся уже трансмагматическими флюидами. Нкр Флюидные полости, поднимающиеся из мантии, попадая в магматический очаг трансформируются в поток пузырей, насыщающих магму флюидом, в том числе и водным. Этот процесс способствует дополнительному плавлению, увеличению объема магмы и накоплению растворов в апикальной части магматических очагов. После достижения критических размеров очага происходит его прорыв, формирование интрузий и вулканические извержения

Краткие выводы: Согласно указанным вначале авторам (Летников, Добрецов, Маракушев и др.) источником вещества мантийных плюмов является ядро Земли дегазирущее водородно-углеводородным («сухим») флюидом. Флюид накапливается на границе Я-М в виде линз и по достижении КР стартует вверх в виде замкнутых трещинных полостей. В процессе подъема «сухой» флюид окисляется, в результате чего генерируются теплота, флюид содержащий Н2О+СО2 (также согласно указанным авторам), восстанавливается железо, которое сегрегируясь «тонет» в мантии наращивая ядро. Плавление имеет место не во всем «канале» плюма, а только в верхней части (в основании прочной литосферы), где изначально «сухой» флюид превращается в «мокрый» (водно-углекислотный). После выплавления магмы трансмантийный флюид превращается в трансмагматический, описанный Д.С.Коржинским, и участвует в минералообразующих процессах выше по разрезу.

Hot spot Маntle LIP Litosphere Core Благодарю за внимание!

Interpreted variations in strength profiles during the transition from a stable four-layer lithosphere to a thinned (and heated) two-layer lithosphere preceding oceanization (rheological profiles from the East African Rift System. C: crustal thickness; L: lithospheric thickness compiled after Fadaie and Ranalli, 1990). [from Corti G. et al. /Earth-Science Reviews 63 (2003) 169-247]

Предлагается модель формирования мантийных плюмов, основанная на возможности миграции порций флюида в пластичной мантии в виде субвертикальных изолированных полостей-трещин, в которых возникает избыточное давление (ИД). При величине ИД больше прочности породы происходит «флюидоразрыв» в «голове» и схлопывание хвостовой части полости, что обеспечивает ее продвижение вверх. При эмиссии газа из ядра Земли происходит его накопление на границе ядро-мантия в виде линз, которые при достижении критического размера прорываются в мантию и перемещаются к поверхности. Создается относительно стационарный поток флюида прогревающий мантию и взаимодействующий с ней. В основании литосферы и/или в самой литосфере, вследствие возрастания прочности среды происходит остановка трещинных полостей и распространение их по латерали, формирование значительных объемов магмы при привносе воды и других компонентов. Кратковременность формирования LIP объясняется тем, что вначале формируется очень большие магматические резервуары, которые при достижении критической высоты массово прорываются на поверхность и/или формируют силлы

Избыточное давление в трещинных полостях, несущих флюид из нижней мантии возникает следующим образом. Если взять субвертикальную полость-трещину, заполненную флюидом, в условиях пластического состояния породы, то литостатическое давление в «голове» (верхней части) трещинной полости Р1lit на глубине Н1 составляет: (1) где rr - плотность пород; Н1 – глубина от поверхности до вершины трещины; g – ускорение силы тяжести. Литостатическое давление в «хвосте» (нижней части) трещинной полости Р 2lit вычисляется таким же образом по формуле (1) но только для глубины Н2. Собственное давление флюида Р2fl в основании трещинной полости с допущением того, что плотность флюида одинакова по всей высоте полости, составляет: (2) здесь rfl – плотность флюида, l – протяженность трещины по вертикали. Давление флюида Р2fl в «хвосте» трещины (на глубине Н2) равно литостатическому давлению Р2lit, а давление флюида вверху трещинной полости (на глубине Н1) составляет: (3) Тогда ИД в «голове» трещинной полости равно (4)

Растяжение и океанизация коры в рифтовых системах В процессе геодинамических перестроек реология литосферы эволюционирует. Например, в процессе формирования Восточно-Африканского рифта происходит растяжение, утонение литосферы, ее океанизация с пластификацией и потерей прочности. [Пример Corti G. et al. /Earth-Science Reviews 63 (2003) 169-247] s1-s3 (МПа) 0 500 Глубина, км 50 100 150 Растяжение и океанизация коры в рифтовых системах Хрупкая кора Пластичная мантия Хрупкая кора Пластичная кора Пластичная мантия Хрупкая кора Пластичная кора Пластичная мантия Хрупкая мантия Прочностной профиль для для океанизированной литосферы. Прочностной профиль для утоненной трехслойной литосферы Прочностной профиль для древней стабильной двуслойной литосферы Прочностной профиль для молодой стабильной четырехслойной литосферы Прочностной профиль для утолщенной трехслойной литосферы ПЛЮМ

Intrusioneffusion eruption Thinning of litosphere s1-s3 (МПа) 0 500 Depth, km 50 100 150 Melting of mantle Intrusioneffusion eruption Thinning of litosphere Fluid and heat flux

АНАЛОГОВЫЕ МОДЕЛИ МИГРАЦИИ ТРЕЩИННЫХ ПОЛОСТЕЙ В УСЛОВИЯХ ПЛАСТИЧНОСТИ СРЕДЫ Инъекция «флюида» а) Схема установки для проведения аналоговых экспериментов б) Пример эксперимента по подъему полости (трещины) с флюидом (спиртовый раствор) в утяжеленной желатиновой матрице с прочностным барьером вверху. За счет разности плотностей желатиновой матрицы и спиртового раствора в полости возникает избыточное давление, достаточное для гидроразрыва пластичной среды и подъема трещины. При достижении полостью более прочной среды происходит остановка и распространение трещины по латерали. h1 - Начальная высота трещины. Трещина не движется, а только растет. h2 - Критическая высота трещины. После ее набора трещина начинает перемещаться в поле силы тяжести. в) Графическое представление эксперимента

Эксперимент с водно-спиртовым «флюидом» Эксперимент с водно-спиртовым «флюидом». В голове полости пузырек с воздухом.

Аналоговый эксперимент с воздухом 1 – нагреватель с штуцером и зоной расплавленного желатина 2 – полость с «флюидом» 3 – напряжения, возникающие в желатиновой матрице, при прохождении полости с «флюидом».

Эксперимент с ДТ- флюидом Эксперимент с ДТ- флюидом. 1 – штуцер подающий флюид; 2а – расплавленный желатин; 2б – накопление легкого флюида в апикальной части расплава; 3 – полость с флюидом; 4 – фонтанчик флюида при прорыве на поверхность.