Трансмантийный флюидный поток

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансмантийный флюидный поток

Утворення трансмантійного флюїду є неминучим наслідком гіпотези «Землі, що розширяється» - моделі «холодної гетерогенної акреції» Землі, доповненої атрибутом відкритості системи - зародження речовини в ядрі планети.

Величина ротаційного поля напружень виявляється достатньою лише для утворення регматичних розломів у латентній формі. Нова речовина, що генерується в центрі Землі, розширяє ядро, яке впливає на кристалічну оболонку мантії, розширяє її зсередини, в латентних регматичних розломах виникає режим тангенціального розтягання, що зумовлює активізацію їх у поточний час - їх актуалізацію. В зв'язку з таким механізмом активізації розломів вони є трансмантійнимі.

Актуалізація регматичних розломів у мантії в зв'язку з розширенням ядра свідчить про виникнення в них режиму тангенціального розтягання, яке супроводжується зменшенням тиску в підошві мантії в таких ділянках, а останнє переводить рідку речовину шару D" в газоподібний надстиснутий стан - у флюїд. Регматичні розломи при актуалізації заповнюються флюїдом, формується трансмантійний флюїдний потік («трансмантійна флюїдна дайка»), насичений воднем та іншими хімічними компонентами, що визначає одночасну активізацію геологічних процесів. Світова рифтова система - актуалізовані регматичні розломи - єдине джерело та єдина причина ендогенних геологічних явищ.

Виявляється тенденція окиснення флюїду (метано-водневий ^ водно-сульфатно-вуглекислотний) зі зростанням потужності пробки (магматичної споруди, гранітної плити), яка перекриває трансмантійний флюідний потік (актуалізований регматичний розлом) в ряду структур: осьовий рифт серединно-океанічного хребта ^ магматичні пагорби та хребти в долині його рифту ^ океанічні вулканічні острови та підводні магматичні хребти ^ острівні дуги (енсиматичні ^ енсіалічні) ^ континенти (гранітні плити).

Ключові слова: трансмантійний флюїдний потік, актуалізовані регматичні розломи, потужність пробки, склад флюїду.

Резюме

Трансмантийный флюидный поток

Ахкозов Ю.Л.

Образование трансмантийного флюида является неизбежным следствием гипотезы «расширяющейся Земли» - модели «холодной гетерогенной аккреции» Земли, дополненной атрибутом открытости системы - зарождение вещества в ядре планеты.

Актуализация регматических разломов в мантии в связи с расширением ядра свидетельствует о возникновении в них режима тангенциального растяжения, сопровождающегося уменьшением давления в подошве мантии в таких участках, а последнее переводит жидкое вещество слоя D” в газообразное сверхсжатое состоянии - во флюид. Регматические разломы при актуализации заполняются флюидом, формируется трансмантийный флюидный поток («трансмантийная флюидная дайка»), насыщенный водородом и другими химическими компонентами, что определяет одновременную активизацию геологических процессов. Мировая рифтовая система - актуализированные регматические разломы - единственный источник и единая причина эндогенных геологических явлений.

Граница ядро-мантия (слой D”) -- область зарождения трансмантийного флюида, мантия -- область его конденсации в кристаллическую фазу, верхи мантии - зона конденсации флюида в магму и формирования «трансмагматического» флюидного потока, уходящего в земную кору. В связи с конденсацией флюида на всем трансмантийном пути, он не сублимирует, не плавит, не растворяет продукт своей конденсации.

Выявляется тенденция окисления флюида (метано-водородный ^ водно-сульфатноуглекислотный) с возрастанием мощности пробки (магматической постройки, гранитной плиты), перекрывающей трансмантийный флюидный поток (актуализированный регматический разлом) в ряду структур: осевой рифт срединно-океанического хребта ^ магматические холмы и хребты в долине его рифта ^ океанические вулканические острова и подводные магматические хребты ^ островные дуги (энсиматические ^ энсиалические) ^ континенты (гранитные плиты).

Ключевые слова: трансмантийный флюидный поток, актуализированные регматические разломы, мощность пробки, состав флюида.

Summary

Transmantle fluid flow

Показано, что образование трансмантийного флюида является неизбежным следствием гипотезы «расширяющейся Земли» - модели «холодной гетерогенной аккреции» Земли, дополненной атрибутом открытости системы - зарождения вещества в ядре планеты. Расширение ядра актуализирует латентные регматические разломы, в них возникает режим тангенциального растяжения. По механизму активизации, разломы являются трансмантийными, они заполняются трансмантийным флюидом, насыщенным водородом и другими химическими компонентами. Интенсивность активизации регматических разломов связана со скоростью вращения и наклоном оси вращения Земли. Сделан вывод, что мировая рифтовая система - это сеть актуализированных регматических разломов, локализующих трансмантийный флюидный поток - единственный источник и единую причину эндогенных геологических явлений (процессов).

Трансмантийный флюид

В 1952 г. Д.С. Коржинский [17, с. 201] ввел понятие «сквозьмагматические» («трансмагматические») растворы (флюиды): «... Эти растворы могут быть названы «сквозьмагматическими» (или «трансмагматическими») в том смысле, что их компоненты поднимаются через гранитную магму, следуя из более низких ее горизонтов ...». Флюиды выделяются из подкоровых зон весьма основного состава, в связи с чем Д.С. Коржинский [17, с. 208, 227] обнаружил проблему: «. как могут растворы, возникающие в глубинных подкоровых зонах весьма основного состава, производить дебазификацию менее основной земной коры?..» и предположил, что «потоки трансмагматических растворов, поднимаясь в менее прогретые зоны и охлаждаясь, повышают свою кислотность и становятся способными производить дебазификацию магм и затем пород, через которые они просачиваются».

Впоследствии глубинность генерации флюидов уточнялась: астеносфера, верхняя мантия, нижняя мантия, наконец, ядро Земли.

В.И. Старостенко и др. [35, с. 30], выполнив анализ современных представлений геодинамики, петрологии, геохимии и физики Земли, сделали вывод о «генерации суперглубинных флюидов в системе внешнее (жидкое) ядро- слой D и их импульсном отделении в виде всплывающих (стационарный режим) или эксплозивных выбросов (нарушение устойчивости указанной системы при больших энергетических флуктуациях). Высокоэнергетические флюиды представляют собой поликомпонент- ные (С-Н-8-Бе и другие металлы) газовые смеси в сверхсжатом состоянии» (здесь и далее курсив наш - Ю.Л.А.).

Авторы ввели понятие «трансмантийных (от поверхности ядра до верхних горизонтов литосферы) тепломас- сопотоков (мантийных струй - плюмов)». При этом «. данные сейсмотомографии являются независимым подтверждением реальности сверхглубинных флюидных процессов и их участия в формировании зон интенсивного нефте(газо)накопления ...». За вычетом вносящей путаницу компромиссной привязки к «плюмам», введенные [35] понятия «трансмантийный флюид» (ТМФ) или «трансмантийный флюидный поток» (ТМФП) отвечают сути явления: «поликомпонентные газовые смеси в сверхсжатом состоянии», образующие мантийные потоки от слоя D до поверхности Земли, которые и приняты нами далее. Как видим, данные сейсмотомографии дают возможность увязывать истечение флюидов из слоя D^м с их проявлениями в верхних оболочках Земли. Минералого-геохимическое обоснование такой связи было выполнено А.Е. Лукиным [35, с.3], показавшим «... участие в формировании гигантских углеводородных (равно как и магматогенно-рудных) месторождений энергии и вещества более глубоких геосфер (нижняя мантия - слой D - внешнее жидкое ядро) ...».

По его данным, ТМФ содержит сидерофильные (Сг, №, Т1), халькофильные (Си, 2п, РЬ, Ag, Cd и др.) и литофильные (РЗЭ, W, А1, Sn, 1п и др.) элементы, летучие Н, С, S, N а также Мо, La, Cs и другие металлы. Авторы [35] дополнительно ссылаются на И.Д. Рябчикова (2003), по данным которого высокое содержание никеля в мантийных магмах указывают на миграцию вещества из земного ядра. Д.П. Савельев, Т.М. Философова [33] также допускают, что состав микровключений элементов платиновой группы (Аи, Ag, Sn, Pt, Pd, Те, Си, As, 1г, ЯЪ, Яи) в офиолитовом комплексе Камчатского Мыса объясняется возможной примесью материала земного ядра в источниках магм.

Н.С. Жатнуев [14] предложил флюидную модель формирования мантийных плюмов, включающую эмиссию газа из ядра Земли, его накопление на границе ядро-мантия в виде линз, которые при достижении критического размера прорываются в мантию и мигрируют к поверхности. Создается относительно стационарный трансмантийный поток флюида с границы ядро-мантия, прогревающий мантию и взаимодействующий с ней. В основании прочной литосферы поток останавливается и распространяется латерально, вызывая плавление с формированием магматических резервуаров, массово внедряющихся и изливающихся при достижении критических размеров. Т. о., автор также ввел понятие «трансмантийный поток флюида с границы ядро-мантия», но модель соответствует парадигме «мантийного плюма» и, за исключением эмиссии газа из ядра, выглядит искусственной. Так, перманентный ТМФП, с РТ-характеристиками границы ядра, смог прорвать всю толщу кристаллической мантии, но не смог верхние 50-100 км литосферы и начал «растекаться».

Это «растекание» присутствует во всех «конвекционных», «плюмовых», «диапировых» моделях и базируется на присвоении кристаллическому веществу вязких свойств, что неприемлемо [5]. Наряду с этим Н.С. Жатнуев указывает, что в случае формирования мантийных плюмов в процессе проплавления непрерывного канала от ядра вплоть до основания литосферы (гипотезы В.А. Летникова, 2001; Н.Л. Добрецова, 2008), в протяженных магматических каналах возникают большие избыточные давления, намного превышающие прочность пород, и в этом случае материал плюма непосредственно должен поступать на поверхность катастрофическими прорывами сквозь литосферу, чего на самом деле не наблюдается.

Гипотеза «расширяющейся Земли» следует из модели «холодной гетерогенной аккреции» Земли, дополненной атрибутом открытости системы - зарождением вещества в ядре планеты; отсюда образование на границе ядра флюида и его трансмантийного потока является неизбежным следствием [6]. Эмиссия вещества из ядра должна происходить равномерно по объему, подчиняясь симметрии шара, соответственно, на его поверхности формируется слой (слой D^м), а не линзы. Накопление истекающего из ядра вещества на границе с мантией потому и происходит, что оно не в состоянии осуществить ни «прорыва в мантию» (которая кристаллическая и «звенит как колокол»), ни значимой диффузии через нее. Если же в слое D^м обнаружены линзовидные утолщения, это, в соответствии с принципом Кюри (суперпозиции симметрии), указывает, что на процесс образования слоя наложился дополнительный процесс (явление).

Таким процессом, по нашему мнению, является актуализация разломов планетарной регматической сети, связанная с расширением ядра (следствие гипотезы «расширяющейся Земли»). Мантия кристаллическая, упругая и деформируется в соответствии с законом Гука упруго -хрупко (но не по законам реологии, «ньютоновской жидкости») [5]. Актуализация регматических разломов в мантии в связи с расширением ядра свидетельствует о возникновении в них режима тангенциального растяжения, сопровождающегося уменьшением давления в подошве мантии на таких участках; последнее переводит жидкое вещество слоя D'' в газообразное сверхсжатое состоянии - во флюид.

По данным Э. Отани, Дапэн Чжао [28, с.1386] «... скорость диффузии водорода в оливине, вадслеите и рингвудите недостаточно велика, чтобы содержание водорода в разных участках верхней мантии и переходного слоя стало однородным, даже в масштабах геологического времени: расстояние диффузии водорода за 1 млрд лет составляет всего 5 км в переходном слое ...». Отсюда следует, что для дегазации ядра, даже насыщенного водородом, необходимы проницаемые каналы через всю мантию.

В.Л. Сывороткин, Н.И. Павленкова [36] локализуют метано-водородные потоки Земли в Мировой рифтовой системе (МРС) - глубинных каналах дегазации земного ядра. В.Л. Сывороткин обратил внимание, что темпы изменения суточного рисунка спутниковых карт общего содержания озона подчиняются «залповым» выбросам водорода в атмосферу. Подобные объемы водорода, в глобальном масштабе с приуроченностью к МРС, может продуцировать только внешнее ядро Земли, но водород за считанные часы (практически мгновенно) не может попасть из ядра Земли в стратосферу. Отсюда, авторы делают вывод, что от ядра до дневной поверхности существуют постоянно действующие напряженные каналы, наполненные этим газом, и главные из них в литосфере представлены основными стволами МРС. Как указано выше, такими проницаемыми каналами в кристаллической мантии могут быть только трансмантийные разломы планетарной регматической сети, актуализированные в связи с расширением ядра, находящиеся в режиме тангенциального растяжения.

В.В. Бражкин [8, с. 1029], исследуя фазовые превращения в жидкостях и переход жидкость-газ во флюидах («линия Френкеля») при сверхкритических давлениях пришел к выводу, что «... при достаточно высоких температурах все жидкости должны терять индивидуальность и переходить в режим бесструктурных плотных газов, в которых распространяются лишь продольные волны ...». И далее (с. 1030) «... вдоль линии Френкеля с увеличением давления плотность флюида существенно возрастает, коэффициент диффузии также возрастает, вязкость близка к своему минимальному значению при данном давлении и проблема смачивания отсутствует ...». Сверхкритические флюиды обладают очень высокими коэффициентами диффузии и довольно высокими плотностями. Отсюда следует: 1) при актуализации регматического разлома жидкость слоя D^м на таком участке переходит во флюид; 2) для флюида с указанными свойствами при сверхвысоких Р и Т актуализированные трансмантийные разломы планетарной регматической сети, и только они в теле кристаллической мантии, будут проницаемыми.

На всем трансмантийном пути от ядра к поверхности планеты формируется «трансмантийная флюидная дайка», насыщенная водородом и другими химическими компонентами. Таким образом, только в мировой рифтовой системе - актуализированных регматических разломах - возможна локализация ТМФП - глубинного тепломассопотока, соответственно, только с ними могут быть связаны геологические процессы - это единственный источник и единая причина эндогенных геологических явлений. В.С. Кузебный и др. [19], критически обобщив данные об уникальных месторождениях халькофильных металлов и эволюции глубинных (подкоровых) восстановленных флюидов, пришли к выводу о единстве источника всех геологических и рудообразующих процессов, связанных с магматизмом, вулканизмом, с газовыми струями на дне океанов и на континентах. При этом на континентах области распространения современных гидротерм - это тектонически мобильные пояса земной коры с большими градиентами вертикальной неотектоники и интенсивным вулканизмом [16]. Аналогичная локализация эндогенных процессов в «мобильных поясах» отмечена во многих работах.

Трансмантийные разломы - актуализированные разломы планетарной регматической сети

В связи с приведенными выше утверждениями, требует пояснения положение об «актуализированных трансмантийных разломах планетарной регматической сети». Регматиче- ская сеть разломов (планетарная трещиноватость, линеаменты) Земли обнаружена и изучается геологами уже более ста лет [25]. Решающая роль регматических разломов как первопричины эндогенных геологических процессов обосновывалась в работах [9, 25, 31, 37, 39] и др. Все авторы ротационных моделей базируются на принятой в настоящее время космо лого-космогонической парадигме (ККП), соответственно, при выборе ими приоритета геологических явлений оказываются не очевидными механизмы причинно-следственных связей между геологическими процессами. Например, для диагональных регматических трещин допустимо наличие сдвига, но возможность раздвига не очевидна. К.Ф. Тяпкин и М.М. Довбнич [37] выполнили геологоматематическое обоснование «Новой ротационной гипотезы структурообразования», в которой в качестве реальной движущей силы тектогенеза принято поле ротационных напряжений, возникающих в тектоносфере вследствие изменения ротационного режима нашей планеты: вариации угловой скорости и перемещения оси вращения в теле Земли.

Основной вклад в поле ротационных напряжений вносят не вариации угловой скорости («1%), а изменение положения оси вращения в теле Земли («99% от необходимого для возникновения тектонической активизации Земли). Поле ротационных напряжений перемещается в тектоносфере Земли синхронно с перемещением оси вращения. Эта особенность поля ротационных напряжений, разрядка которых определяет закономерности структурообразования в тектоносфере, позволяет, по мнению авторов, объяснить многие известные глобальные явления на Земле, не находившие должного объяснения до сих пор. История геологического этапа развития Земли полностью определяется траекторией перемещения полюса вращения по ее поверхности. В заключение К.Ф.Тяпкин [37, с. 100] делает вывод: «Подводя итоги, можно констатировать, что признание геологическим сообществом факта перемещения земной оси вращения в теле Земли является существенным аргументом, побуждающим к переосмысливанию ряда установившихся в геологии традиционных представлений.

В частности, есть основание надеяться, что предлагаемая статья будет способствовать более благожелательному восприятию положений, изложенных в монографии (Тяпкин, Довбнич, 2009)». В призыве автора к «благожелательному восприятию положений», как и А.В. Викулина [9, с. 449] к «благожелательной, конструктивной и обстоятельной критике», звучит грустное отчаяние ученого, установившего однозначную корреляцию природных явлений (перемещение оси вращения Земли - геологические процессы), но при этом геологическое сообщество не принимает этого факта. Геологи не признают не факт перемещения земной оси вращения, а связь с ротационными напряжениями «истории геологического этапа развития Земли», «многих известных глобальных явлений на Земле», «сил тектогенеза», «закономерностей структурообразования в тектоносфере» - нет для этого в ротационном разломообразовании, ротационных напряжениях самих по себе ни механизмов, ни даже энергии.

По Ю.Л. Ребецкому [32, с. 560] «... в континентальной коре наибольший уровень максимальных касательных напряжений не превышает 1000 бар и в основном представлен значениями в 300-500 бар. В океанической литосфере уровень этих напряжений значительно ниже и не превышает 150 бар при наибольшей представительности в 30-50 бар ...». Эти данные указывают на очень низкий уровень «структурообразующих» ротационных напряжений в планетарном масштабе.

Н.В. Короновский и др. [18, с. 80], выполнив критический обзор работ о линеаментах, планетарной трещиноватости и регматической сети, сделали заключение: «Вывод о том, что глобальная сеть должна быть порождена вращением Земли и изменением ее формы под влиянием изменения скорости ее вращения, остается лишь декларацией, т.к. не содержит оценок этих сил и масштабов их изменения. ... В таком же духе делается и оценка эндогенных сил, определяющих тектонику литосферных плит, которая подменяется воздействием на Землю не очень понятного космического фактора, а уж об изменении объема планеты вряд ли имеет смысл вести обсуждение, т.к. уже 10 лет назад было показано, что радиус Земли может изменяться не более, чем на ±1%, т.е. остается постоянным, что признают и астрономы». По оценкам авторов, ротационные напряжения, которые могли бы привести к возникновению трещин, разломов в земной коре на десять порядков ниже тектонических напряжений и какая-либо закономерная сеть тектонических нарушений в земной коре возникнуть не может. Вторая часть заключения [18] «об изменении объема планеты» верна только в рамках принятой ККП. В рамках существующих космогонических моделей действительно не «имеет смысл вести обсуждение», но рифтогенез на континентах (Е.Е. Милановский, А.М. Никишин) и в океане ((Б. Хизен (B.C. Heezen), М. Юинг (M. Ewing), М. Тарп (М. Tаrp), «спрединг океанического дна» по Р. Дитцу (R.S. Dietz), Г. Хессу (Н.Н. Неss)) - установленные планетарные явления и виртуальной моделью конвекции в кристаллической мантии их, без «расширения Земли», без изменения объема планеты, в первую очередь ядра Земли, не объяснить [5, 6]. К середине 20 века было установлено «аномально слабое затухание радиальных колебаний Земли (2_Й ~ 10000)» [13, с.17]. По нашему мнению, эта аномальная радиальная добротность мантии - результат расширения ядра, создающего дополнительный радиальный распор упругой оболочки кристаллической мантии. Л.М. Расцветаев, Т.Ю. Тверитинова [31, с. 549] обратили внимание, что «наличие глобальных сколов говорит о том, что при известных условиях геоид может рассматриваться, как хрупкое и упругое твердое тело значительной жесткости».

Сложилась ситуация, когда регматическая сеть разломов реально существует, когда установлена однозначная корреляция перемещения оси вращения Земли и геологических процессов [37] и др., но ротационные силы оказываются недостаточными для их проявления. Отсюда следует, что величина ротационного поля напряжений оказывается достаточной только для образования и существования разломов в латентной форме. Если же есть связь ротационных разломов с геологическими процессами, должен существовать еще один фактор (еще одна причина), который обусловливает активизацию латентных регматических разломов в настоящее время, т.е. их актуализацию и одновременную активизацию геологических процессов.

В рамках принятой ККП, как видно из вышеприведенной полемики, такой причины нет, но она очевидна в концепции расширяющейся Земли: генерируемое в ее центре новое вещество расширяет ядро, которое воздействует на кристаллическую оболочку мантии, расширяет ее изнутри и этим актуализирует латентные регматические разломы -- в них возникает режим тангенциального растяжения. В связи с таким механизмом активизации разломов они будут носить трансмантийный характер. Очевидно, что в ротационном поле напряжений вращающейся Земли в первую очередь будут актуализироваться разломы меридионального направления. Это четыре известные меридиональные системы срединно-океанических хребтов (СОХ, зон спрединга), включая Западно-Тихоокеанский рифтовый пояс [27, 36, 38].

В меньшей мере актуализация реализуется в широтных разломах - «трансформных разломах», в виде рудиментарных рифтовых зон (рудиментарных зон спрединга). Е.А. Скобелин, И.П. Шарапов, А.Ф. Бугаев [34, с. 153] писали: «... спрединг - аргумент в пользу расширения Земли, а срединно-океанические хребты - это участки с уменьшенной мощностью литосферы, где происходит ее растяжение и выпучивание. Поскольку расширяется вся планета, должно иметь место растяжение литосферы и вдоль этих хребтов, но оно рассредоточено по всей их длине и проявляется в виде многочисленных поперечных по отношению к хребтам разрывов, которые и рассматриваются в тектонике плит как трансформные разломы ...» Еще ранее это положение обосновывали [3, 21, 40].

Характер проявления меридиональной и широтной систем регматических разломов определяется, главным образом, скоростью вращения планеты и скоростью генерации вещества в ее центре. Очевидно, что актуализация части разломов диагональной системы также будет проявляться, но в зависимости от их ориентировки к оси вращения, они оказываются наиболее чувствительными к изменению наклона оси вращения Земли. Последнее приводит к изменению соотношения наклона оси вращения и ориентировки системы разломов к этой оси (к координатам изменяющегося поля ротационных напряжений), соответственно, будет происходить смена актуализации регмати- ческих разломов определенных направлений. На таких разломах, в связи с локализацией в них ТМФП (меньшей интенсивности чем в меридиональных), по нашему мнению, и будут формироваться подводные магматические хребты (Императорский-Гавайский, подводные горы провинций Западно-Тихоокеанской и Французской Полинезии и др.) с известной миграцией и периодической сменой направлений развития. Существование таких «регулярных вулканических цепей океанов» является доказанным фактом, но дискуссия по их генезису уже приобрела напряженный характер [30].

Отметим, что приведенное на схеме В.Н. Пучкова [30] приэкваториальное расположение «суперсвеллов» согласуется с ротационным режимом (сочетание минимального сжатия и максимальной центробежной силы) вращающейся Земли. Л.М. Расцветаев, Т.Ю. Тверитинова [31, с. 549] отмечают, что «... в нижней мантии аномально «плавкие» зоны отчетливо локализуются в центральных областях Африканского и Тихоокеанского квадрантов растяжения, фиксируя области максимального понижения общего литостатического давления ...». «Косое» же, и при этом симметричное расположение на указанной схеме хребтов Тристан да Кунья-Святая Елена, Рио-Гранде-Триндад относительно Срединно-Атлантического хребта (САХ), с омоложением вулканизма в хребтах к САХ, связано именно с его удлинением, разрастанием на юг [3], что отражает более интенсивное расширение южного полушария Земли [38]. В то же время Исландия, расположенная на пересечении меридионального СОХ и Фареро-Гренландского «магматического порога» - актуализированного широтного трансформного разлома [3],- сместилась к северу в связи с удлинением САХ в этом направлении в северном полушарии.

Таким образом, изменение ротационного режима Земли определяет смену актуализации латентных регматических разломов в зависимости от их ориентировки, особенно в диагональной системе как наиболее чувствительной к смене положения оси вращения Земли, соответственно, изменяется активность геологических процессов. На наличие взаимных превращений реальных СОХ и трансформных разломов указывают И.Э.Ломакин и др. [25, с. 518]. Степень актуализации регматических разломов оказывается привязанной к ротационным координатам, реагирует на изменения скорости вращения и угла наклона оси вращения Земли, с соответствующим отражением в геологических процессах.

Состав и эволюция трансмантийного флюида

В 1970-80-х годах работами Ю.А. Кузнецова, Э.П. Изоха, А.А. Маракушева, А.Л. Павлова, Ю.П. Мельника, Ф.А. Летникова, М.Б. Эпельбаума, Р.М.Слободского, Л.Н. Овчинникова и др. были установлены следующие положения: миграция рудного вещества из глубин Земли происходит путем газового переноса металлов восстановленными флюидами, содержащими водород, углерод и их соединения, повышением роли кислорода, кислородных соединений и соответственно этому окислением флюидов и увеличением в них содержания воды по мере продвижения в верхние горизонты земной коры. В большинстве моделей «дегазации» Земли, формирования «мантийного» флюидного потока, водород играет главную роль, в реально наблюдаемых потоках флюидов водород и метан являются основными компонентами. По Г.И. Войтову [11], в осевых участках зон спрединга удельная плотность потока водорода составляет 6-10¹² г/год, метана (1-5)-10¹⁵ г/год; по И.А. Вельхану, Х. Грейну [41], Н₂ - 1,3-10⁹ м³/год, СН₄ - 1,6^10⁸ м³/год; по В.В. Адушкину, В.П. Кудрявцеву [1], глобальный поток метана с поверхности литосферы и океана в атмосферу Земли составляет более ~1050-1100 Тг в год. Это большие величины для масштаба геологического времени и требуют создания моделей насыщения водородом вещества Земли или ее ядра еще на стадии аккреции, что в рамках принятой ККП не решается [6].

Конкретные модели мантийных флюидных потоков, основным элементом которых является газовый перенос химических элементов, существенно разнятся. Причина этому - схемы привязаны к космогоническим моделям образования планеты. Однако из рассмотрения этих моделей, базирующихся на принятой ККП, следует, что проблема насыщения водородом вещества ядра или всей Земли не решена [6]. Существуют несогласованности в механизмах захвата переходными металлами (железом) водорода и последующего перевода его в подвижное состояние. Распространены модели, в которых предварительно при высокой температуре (как причине) расплавленное железо насыщается водородом, а затем такой субстрат снова разогревают (та же причина), чтобы мобилизовать из него водород. Эволюция флюида в пространстве и во времени рассматривается в качестве одного из проявлений «общего процесса дифференциации вещества Земли», а в случае термодинамического анализа флюид рассматривается как закрытая система.

Состав главных компонентов флюида выражается системой С-О-Н, металлы извлекаются флюидом или магмой из субстрата - это также следствия принятой космогонической парадигмы. Давление и температура действуют на процесс гидридизации металлов противоположно (повышение Р ведет к окклюзии и гидридообразованию, а рост Т к разложению гидридов с переходом гидрид-иона в активизированное протонное состояние и дегазацию водорода из металла), что заставляет исследователей создавать сложные, противоречивые модели гидридизации-дегидридизации Земли или ее ядра. Противоречивость этих моделей указывает на то, что в рамках принятой ККП факт существования в теле планеты мощных ТМФП, насыщенных водородом, не решается. Проиллюстрируем сказанное.

В соответствии с моделью А.А. Маракушева и С.А. Маракушева [26, с. 104], «... флюидное давление в жидком ядре, которое усиливается кристаллизацией твердого субъядра (в него флюидные компоненты не входят), периодически разрешалось образованием в силикатных оболочках Земли ослабленных зон флюидной миграции, создававшей в них магматические очаги. Ослабленные зоны проходили в своем развитии стадии растяжения и сжатия, определяющие флюидный режим магматизма. С растяжения начиналось развитие гомодромного магматизма грандиозного размаха в процессах спрединга, создававшего базальтовую кору океанов и окраинных морей, и в геосинклинальной эволюции земной коры, циклы которой завершились ее орогенным развитием. Породы всех этих гомодромных серий, создаваемых кристаллизионной дифференциацией, характеризуются относительно низкими кларками рудных металлов. Радикальный перелом в магматизме связан с переходом к циклам сжатия подвижных структур, которое препятствовало миграции водорода, в результате чего восстанавливался их первичный водородный состав.

Под давлением водорода в магмах развивается несмесимость, создающая возможность антидромного развития магматизма, принципиально отличного от гомодромного, обусловленного кристаллизационной дифференциацией. Различие двух трендов эволюции магматизма (боуэновского и феннеровского) давно обратило на себя внимание, хотя причина его долго оставалась неясной. Это различие имеет геодинамическую основу и поэтому является радикальным, определяющим неодинаковую роль водорода в развитии магматизма ...». Вынужденная длинная ссылка, т.к. с многими положениями модели авторов следует согласиться, если уточнить причинноследственные связи, что иллюстрирует тенденциозную роль в разработке теории принятой ККП. «Юпитерианская» стадия насыщения водородом вещества Земли в модели авторов указывает на фактическое отсутствие начальных параметров, что отразилось в размытости причинно-следственных связей. Режим «сжатия-растяжения» действительно будет регулировать мощность ТМФП, т.е. объем водорода и переносимых с ним компонентов, но здесь возникает несогласованность между водородным флюидом как носителем металлов и соотношением его объемов и концентрацией металлов в гомодромном («грандиозный» объем флюида - «низкие кларки рудных металлов») и антидромном (ограниченная миграция водорода - высокое содержание рудных металлов) магматизме.

Если водородный флюид является переносчиком металлов (химических компонентов), должна быть прямая корреляция между объемами флюида и металлов. Указанная несогласованность снимается, если перенести режим «сжатия» из «ослабленной зоны» (в нашем случае актуализированный трансмантийный регматический разлом) в «голову ослабленной зоны» (на поверхность Земли), что реализуется при перекрытии ее («ослабленной зоны» - зоны спрединга) «пробкой». Последняя будет регулировать режим давления флюида, не ограничивая его поступление, соответственно,- количество привносимых компонентов. Такими пробками могут быть или вулканическая постройка (магматическая пробка), или гранитная плита (для континентальной коры [4]). Если причина «растяжения-сжатия» связана с эволюцией ядра Земли, отдельное звено цикла, например, растяжение, должно проявляться одновременно на всей планете.

В Земле, разогревающейся и с расширяющимся ядром (в соответствии с концепцией «расширяющейся Земли» [6]), нет тангенциального сжатия. Реально во вращающемся теле планеты одновременно проявлена разная интенсивность тангенциального растяжения, но при этом пространственно закономерно распределенная. Соответственно, локализовано проявление ТМФП и его интенсивности. Это выражено в ориентировке относительно ротационных координат: меридиональная - СОХ: интенсивный спрединг, магматизм, увеличиваются в ряду низкоскоростной высокоскоростной спрединг; диагональная - подводные цепочки магматических гор («внутриплитный магматизм»); широтная - трансформные разломы с эмбриональным спредингом и редуцированным магматизмом.

В модели Ф.А. Летникова [22, с. 1296] формирование флюидов Земли начинается с ее расплавления и дифференциации. Легкие элементы с плотностью ниже, чем у Fe, но с высоким сродством к кислороду, выше чем у FeO, накапливались в существенно кислородной оболочке Земли, сложенной силикатами и оксидами - мантии (70-80 объем % кислорода). Тяжелые элементы с низким сродством к кислороду и самородное Fe сформировали железное ядро Земли. В жидком железе и сульфидах ядра Земли заключены громадные количества Н₂, СО, СН4, 8, Н₂8 и других восстановленных газов. «... Подобное разделение элементов на этапе формирования Земли и предопределило на несколько миллиардов последующих лет всю специфику флюидного режима всех эндогенных процессов, в том числе и рудогенеза ...».

Насыщение жидкого железного ядра водородом произошло, по автору, при температуре плавления вещества Земли, затем для мобилизации водорода из ядра потребовалось дополнительное тепло. Последнее автор связывает с выделением теплоты трения между слоями жидкого внешнего ядра, возникающими в связи с суточным вращением Земли. Трудность принятия модели формирования «всей специфики флюидного режима» Земли по Ф.А. Летникову определяется проблемами захвата водорода на стадии аккреции, введения стадии «плавления Земли после аккреции» и необходимостью раскристаллизации мантии к началу геологических процессов (архею) [6]. Модель, как и многие другие, оказалась разорванной: «вся специфика флюидного режима» оказывается несогласованной с этапом «разделения протовещества Земли на две контрастные среды». Например, в процессе плавления Земли произойдет потеря водорода, если он там был, еще до полного плавления. Насытить вещество Земли и железное ядро водородом не удается, нужны особые условия, например, в [22] - «юпитерианские», большинство авторов просто принимают гидрид- ное ядро Земли.

Обобщение состава реальных эндогенных флюидов позволило Ф.А. Летникову [22, с.1303] «... выделить две четкие группы флюидов. Восстановленные. Н- и C-системы, основные носители физико-химического состояния флюидов: Н₂, СО, СН4 и другие производные метана, С, H₂S, S₀, восстановленные формы N. Окисленные. Н- и C-системы: Н₂О, сО₂, Cl₂, O₂, F₂, HCl, HF, широкий спектр оксихлоридов и оксифторидов, окисленные формы N ...». Им было установлено, что на рубеже раннего и позднего архея, в некоторых системах архея и раннего протерозоя произошла инверсия флюидного режима от восстановленного к окисленному. Автор связывает это с прорывом первых водородных плюмов к поверхности Земли, их взаимодействием с кислород - содержащей литосферой и в итоге к образованию Н₂О. В тоже время Ф.А. Летников [23, с.8] пишет: «Парадоксальность ситуации прежде всего заключается в том, что в природных условиях восстановленные углеводородные системы возникают и обособляются в сугубо кислородной среде, ибо горные породы и слагающие их минералы по объему на 70-80 % состоят из кислорода. «... Как известно, для многих петрогенных элементов, и в первую очередь алюминия, кремния, кальция, магния, железа и щелочей, сродство их к кислороду в оксидах и силикатах в Р-Т условиях верхних частей земной коры значительно выше, чем у этих элементов к водороду и углероду, но подчеркнем, что главную роль в формировании восстановленных углерод-водородных эндогенных систем играет водород ...». При распространенном утверждении о взаимодействии «мантийного» флюида с веществом мантии (на 70-80 объем.% состоящим из кислорода) такая ситуация действительно выглядит парадоксальной, но обратим внимание, что указанная «парадоксальная» инверсия окисленности флюида произошла в пределах континентальной, т.е. гранитной коры. Континентальная кора - это гранитный слой [4]. Отсюда указанный рубеж можно связывать с появлением именно гранитной коры, гранитных плит, т.е. с появлением нового фактора эволюции ТМФП - «гранитной пробки».

В современных зонах спрединга флюиды восстановленные, часто встречающиеся данные о содержании воды в базальтах - 0,1 масс.%. По К.Д. Литасову и др. [24], в «сухих и истощенных» базальтах СОХ содержится до 200 г/т (до 0,02 масс. %), в базальтах океанических островов до 1000 г/т (до 0,1 масс. %) воды. При этом авторы указывают, что вода в расплавах находится главным образом в виде гидроксила, входит в структуру высокобарических минералов в виде структурно связанного протона, образующего гидроксил-ион (ОН)^-, пересчет же на воду в большинстве работ осуществляется для удобства. Это принципиально важное положение, т.к. указанное «удобство», подвергнутое умножению, наполняет мантию океанами воды. В.И. Коваленко и др. [15] оценили среднее содержание воды в базитовых магмах разных геоструктур: самое низкое содержание оказались в базитовых магмах СОХ (0,45 масс. %), более высокое - в базитовых магмах океанических островов (0,85 масс. %), вода имеет ювенильную природу. Самые высокие средние содержания воды имеют базитовые магмы островных дуг и активных континентальных окраин (1,54-1,86 масс. %).

Ссылкой на А.И. Чепурова (2012) авторы указывают, что в последних вариантах примерно только половина воды имеет ювенильный (мантийный) источник, а другая половина - коровый, связанный с субдукцией океанических плит. СОХ, зоны спрединга - планетарная система, и приведенные цифры (фактическое отсутствие воды) и водородно-метановый состав флюида СОХ, указывают, что на безгранитных участках Земли на всем трансмантийном пути восстановленные флюиды не взаимодействовали с веществом мантии, главные компоненты флюида - водород и углерод не окисляются, соответственно, здесь отсутствовали сублимация и плавление вещества мантии. Признаки окисления флюида (Н₂О, СО₂) появляются только с появлением магматической пробки (вулканические холмы и аккумулятивные вулканические хребты в пределах рифтовых долин СОХ, подводные магматические горы и океанические острова) или под гранитной корой (островные дуги, континенты) - окисленность флюида, как это следует из данных [15], возрастает в порядке увеличения мощности пробки.

А.С. Борисенко и др. [7] установили, что окисленные флюиды, содержащие сульфаты и карбонаты, появляются «на заключительных этапах дифференциации» щелочных серий; чем выше признаки окисленности флюидов, тем шире набор рудных элементов, в рудообразующих растворах выявляется высокое содержание «мантийного» гелия. Объектами исследования авторов были щелочные, карбона- титовые, лампроитовые массивы в пределах континентальной коры, в том числе на Алданском щите, то есть образовавшиеся в пределах мощной гранитной коры.

Б.Г. Поляк и др. [29] обобщили данные о распространении изотопов гелия в термальных флюидах Циркум-Тихоокеанского подвижного пояса и впервые обнаружили «первозданный» гелий, захваченный Землей при аккреции: ³Не/⁴Не = 10^-4; для океанических рифтов это отношение составляет 10^-5, для континентальных - понижается до 10^-7. Этот показатель позволяет проследить тенденцию изменения условий и режима проницаемости трансмантийного пути флюида по мере перехода от океанического к континентальному рифту.

В обобщении В.И. Кононова [16] приведены данные о газовой составляющей гидротерм, фумарол, кондесатов вулканических газов фактически всех типов рифтов Земли. По известной геологии районов рифтов, рассмотренных В.И. Кононовым, можно расположить их в порядке уменьшения мощности перекрывающей ТМФП пробки, в том числе гранитной в плечах рифтов: Восточно-Африканский ^ Красноморский ^ Калифорнийский ^ Восточно- и Центрально-Камчатские ^ Японии ^ Новой Зеландии ^ Исландии ^ рифты СОХ. Последние, с их метано-водородным составом газов, добавлены нами в ряд в связи с тем, что Исландия расположена на пересечении меридионального СОХ и Фарерско-Гренландского «магматического порога» - актуализированного широтного трансформного разлома [3], и представляет собой мощную магматическую пробку, не типичную для СОХ. В этом ряду с учетом материалов [16] прослеживается влияние мощности гранитов и магматической пробки на состав газовых эманаций. В Восточно-Африканском рифте преобладают СО₂-термы, Н₂-термы не установлены, но в Восточной (Эфиопско-Кенийской) ветви рифта в гидротермах присутствует «мантийный» Не.

Осевая котловина Красноморского рифта рассматривается как аналог центральной части СОХ, но рифт зажат между мощными гранитными плитами Аравии и Африки. Газы восходящих флюидов представлены CH4, CO2, H2S, ³Не/⁴Не = 1,34Я0^-5 (Lupton J.E., e. a., 1977). Состав газов на месторождении Солтон-Си (континентальное продолжение Калифорнийского рифта): 90% CO₂, 10% H₂S, CH₄, N₂, H₂ (Ellis, 1979). Калифорнийский залив: в северной части 51,4% CH₄, 44% N₂ (Vidal V.M.V., 1978); в южной части H ₂, CH₄, He, Rn (Дж. Вельхан, Г. Крейг); в бассейне Гуаймас ³Не/⁴Не = (1,1±0,6)-10^-5, зона «мантийного» гелия прослеживается до гидротерм Солтон Си (Lupton J.E., 1979). Т. о., здесь также очевидно продолжение зоны спрединга под гранитную плиту и увеличение окисленности ТМФ в сторону увеличения мощности гранитов.

В составе газов гидротерм Центрально- и Восточно-Камчатских вулканических зон представлены почти все типы, Н₂-тип установлен в осевой части Восточной вулканической зоны. Последнюю В.А. Ермаков и др. [12]; Е.Е. Милановский, А.М. Никишин [27] выделяли как рифтогенную. «Мантийный» гелий содержится во флюидах всех типов с максимумом в Восточной зоне - 1,0 -10^-15 и минимумом в Западной Камчатке - (0,5-1,0)-10^-7 [16]. В контексте этой статьи направленность изменения величины ³Не/⁴Не указывает на наличие в Восточной рифтовой зоне ТМФП, она уменьшается по мере удаления от перекрытых гранитами сегментов спрединга, поверхностно выраженных рифтами. В области современного вулканизма Японии распространены H₂S- CO₂-термы. На ЮВ о. Хонсю в гидротермах Арима содержание Н₂ 51,4 об.%, CO₂ 46,7 об.%, высокое содержание водорода рассматривается как конденсат магматических эманаций (Х. Накамура, К. Маеда, 1961). Н₂-термы приурочены к глубинным рифтогенным разломам, в океаническом дне к ним примыкает цепь вулканов, здесь очевидно уменьшение окисленности флюида по мере перехода от континентальной (перекрытой гранитами: H₂S-C0₂) к океанической части сегмента спрединга (CO2-H2).

Тектоническая депрессия Таупо (Северный остров Новой Зеландии) рассматривается в рамках плейттектоники как продолжение островной дуги Тонга-Кермадек. Структура описывается [2] как «рифтовая зона Таупо-Пленти (по Хили)», в [12] указано на проявление эпиорогенного рифтогенеза на Северном острове, в [27] Западно-Тихоокеанский рифтовый пояс прослеживают с юга на север, начиная от о-вов Макуори и Новой Зеландии, а депрессию Таупо определяют как «вулканоактивный континентальный рифт Туапо на севере Новой Зеландии», к северу переходящий в зону спре- динга котловины Лау-Гавр. Т. о., это рифтовая структура в фрагменте континентального фундамента над сегментом спрединга. Состав вулканических газов: H₂S-CO₂; фумарол: H₂S, SO₂, HCl, NH₃, HF, H₃BO₃; парогидротерм: CO2 90 об.%, N2 2,4 об.%, CH4, NH3, H3BO3 (Ellis, Mahon, 1977), т.е. существенно окисленный. Срединная зона Исландии представляет собой наземное выражение САХ и характеризуется высоким выносом Н₂ (до 64 об.%) с добавкой CO₂, H₂S, N₂, He, СН₄ и с общим дебитом более 1000 м³/сут (Sigvaldason, 1966). Для вулканической зоны полуострова Снайфедльснес (над трансформным разломом - Гренландской ветвью Фареро-Гренландского «магматического порога») уже проявлены CO₂-термы. ³Не/⁴Не=(0,7-3,3)-10"⁵, максимальные значения более 2,0-10"⁵ протягиваются через Исландию согласно рифтовой зоне СОХ.