гидротермальные системы земной коры – результат дегазации

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ
– РЕЗУЛЬТАТ ДЕГАЗАЦИИ ЗЕМЛИ.
М.В.Багдасарова (к отчету 2008)
Проблема дегазации Земли, обсуждение которой начато более тридцати лет назад
по инициативе академика П.Н.Кропоткина, внесла много нового в представления геологов
и геофизиков о строении и развитии Земли как планеты. Появились новые аргументы и
факты, свидетельствующие о постоянно идущем процессе выхода газов разного состава,
воды и магматических расплавов по системам глубинных разломов, дренирующих земную
кору и мантию. Изучением глубинного строения планеты геофизическими методами
установлено сложное расположение плотностных и сейсмических неоднородностей в
пределах мантии Земли, позволившие предполагать существенное влияние флюидных
систем, разгружающихся из околоядерного пространства к поверхности по сети
глубинных разломов (Н.И.Павленкова,2004).
Изучение динамики Земли как планеты (вращения вокруг своей оси, во
взаимодействии Земли, Солнца, Луны и других планет) позволили рассчитать неизбежные
напряжения, возникающие при этих движениях и следствия в тектоносфере, закономерно
меняющие лик Земли. Вслед за М.В. Стовасом (1963), впервые обратившем внимание на
тектонические эффекты от неравномерного вращения Земли, эти наблюдения развиваются
Ю.Н. Авсюком (1996,2001) и нашли в наше время признание многих исследователей.
Появилось много новых данных, подтверждающих широкое распространение
процессов углеводородной дегазации Земли. В этом отношении пионерскими работами
являются многолетние исследования Г.И.Войтова, собравшего огромный эмпирический
материал по химизму и объемам выходов углеводородных и других природных газов на
древних и молодых платформах, краевых прогибах, горных сооружениях, на суше и
акваториях (Войтов 1970-2003). Им были выявлены и даны оценки субвертикальных
потоков природных газов (в первую очередь – углеродистых) с единицы поверхности в
различных геоструктурных зонах Земли. Так, например, оценка поступлений метана и
водорода в рифтовых зонах только Тихого океана (в пересчете на год) составляет:
водорода – 1,3 .109м3, а метана – 1,6.108м3 (Войтов,1984).
Наиболее впечатляющими и очевидными являются процессы дегазации глубинных
сфер Земли при вулканических событиях, которые наблюдаются и в современную эпоху
на континентах и в акваториях. Не вызывает сомнения, что иенно вулканизм сформировал
земную кору, гидросферу и атмосферу Земли. Естественно полагать, что вода,
занимающая ныне 2/3 поверхности Земли, накопилась постепенно. Как показали
исследования геологов, океанизация Земли – расширение океанов, особенно быстро
происходило начиная с мезозоя и продолжается в настоящее время (Орленок, 2004, и др.).
При излиянии базальтов в зонах срединно-океанических хребтов и разрастания дна, здесь
развита мощная поствулканическая гидротермальная деятельность. По данным
океанологов в рифтовых зонах океанов ежегодно выносится не менее 4х109м3 магмы,
3х109 т пепла и более 108т ювенильной воды. (Лисицын и др.1979)
Океанский рифтовый вулканизм был известен и до массового изучения дна океанов
в тех немногих местах, где срединно-океанические хребты поднимались над уровнем
моря, образуя острова. Особенно полно изучен этот процесс в Исландии, где
геодезическими работами было установлено, что расширение острова за счет внедрений
магматических тел составляет около 400 км и продолжалось, согласно расчетам, 14-15
млн. лет (Х.Раст, 1977). Острова Ян-Майен, Азорские о-ва. Тристан-да-Кунья, Гоф и Буве
так же располагаются на срединно-океанических хребтах и имеют аналогичное с
Исландией строение. Интересно, что изучение химизма поствулканических
гидротермальных систем этого типа в Исландии выявило присутствие потока различных
углеводородных соединений в составе газов (Ю.И.Пиковский и др, 2000?), а изучение
современными геофизическими методами глубинного строения этой зоны показало
присутствие мощного плюма, формирующегося с глубины 300 км и влияющего на
скорость прохождения сейсмических волн. (Foulger G.R., и др.2000)
Все вулканические события, приведшие к формированию островов, отражают
незначительную часть тех вулканических и поствулканических гидротермальных
проявлений, которые протекают под водой и широко известны теперь как «черные» и
«белые» курильщики, потухшие и действующие гидротермальные трубы и другие
проявления поствулканической гидротермальной деятельности.
Помимо лав и твердых продуктов при извержении вулканов в атмосферу
выбрасывается огромное количество газов, среди которых большую часть составляет
вода. Обобщая результаты изучения флюидных систем при современном наземном
вулканизме и поствулканических гидротермах (Е.Е.Мархинин, Ярмолюк М.В., Набоко
С.И. и др.) было установлено, что во время извержений первым выделяется водород,
соединения углерода и серы. Хорошо растворимые в магме галоидные газы относительно
преобладают в более поздних фумарольных выделениях и отщепляются в поверхностных
условиях при остывании лавовых потоков.
С расплавами основного ряда преимущественно связаны восстановленные газы с
относительно высоким содержанием Н2СО, СН4, и Н2. В вулканических эманациях
андезитовых и липаритовых вулканов преобладают окисленные газы (Н2О, СО2, SO2) и
газы, определяющие сильную кислотную среду (HF, HCl). Кроме того, состав газов
зависит от стадии развития вулканов и времени и места отделения летучих компонентов
газа от магматических расплавов.
На лавовых озерах ряда вулканов высокотемпературный вулканический газ
выделяется равномерно и непрерывно в течение значительных интервалов времени. Этот
газ находится в равновесии с лавовым расплавом, и его состав существенно не меняется,
что свидетельствует о постоянном потоке газов через магму.
Наблюдения современных вулканических извержений и их газовой составляющей
позволяют предполагать, что вынос магматических газов происходит вместе с
поднимающейся магматической колонной из нижних горизонтов коры, и возможно,
верхней мантии с глубины 20-30 км. Количество глубинных газов, разгружающихся при
вулканических событиях различно от 1-2% веса от общей массы продуктов извержения до
20-30% от общего объема. Главным компонентов газов является вода. Содержание
последней связано с составом магмы и глубинных пород. Максимальное количество
летучих (главным образом, воды) свойственно андезитовым и более кислым
вулканическим образованиям. Вода образуется из газовой смеси глубинного потока при
взаимодействии водорода и кислорода по мере продвижения их к поверхности. Обращает
на себя внимание то, что этот процесс сопровождается большим выходом энергии –
взрывами. Так, смеси водорода и кислорода взрываются с тепловым эффектом 486.103Дж,
смеси метана и кислорода взрываются с тепловым эффектом 804.103Дж, а присутствие
серы повышает взрывной эффект до 1122.103Дж. Естественно, что взрывные процессы
отражаются в геологической среде в виде землетрясений. Это предположение
подтверждается тем, что
подавляющее количества эпицентров землетрясений
сосредоточено на глубинах 20-30 км, где по термобарическим параметрам происходит
массовое формирование воды в глубинных флюидных системах, которые потом
участвуют в проявлениях поствулканической гидротермальной деятельности.
По наблюдениям за извержением вулканов можно утверждать, что генерация
летучих в магматических камерах не связана с кристаллизацией расплава. Накопление
флюидов происходит не за счет «осушения» нижележащих магматических масс, а в
результате постоянного притока летучих сквозь корневые зоны вулканов, что согласуется
с представлениями академика
Д.С.Коржинского о сквозьмагматических флюидах,
играющих определяющую роль в процессах метасоматоза и рудообразования, и отражает
постоянно идущие процессы дегазации Земли (Ярмолюк, 1982)
Много сенсационных открытий было сделано при наблюдениях за извержениями
вулкана Толбачик на Камчатке в 1975-76 гг. В газах этого вулкана были установлены как
водород, так и углеводородные соединения, вплоть до аминокислот. Появилась концепция
об участии в эндогенных процессах элементоорганических соединений (Р.М.Слободской,
1981), которые являются основными переносчиками рудных элементов из глубин мантии
к поверхности. Экспериментальные исследования показали, что в напряженных
термобарических условиях эти соединения являются газами, что подтверждает эту
концепцию.
Наблюдения за Толбачинским извержением послужило основанием для пересмотра
и переоценки роли углерода и водорода в глубинных процессах, которые в дальнейшем
были развиты в работах Ф.А.Летникова и других сотрудников Института Земной коры в
Иркутске. Изучался флюидный режим образования различных изверженных пород от
архейских до четвертичных. Оказалось, что флюидная фаза пород характеризовалась
разными соотношениями С-О-Н-N-S. Появилась возможность охарактеризовать
эволюцию флюидного режима эндогенных процессов в истории Земли (Летников,1984).
Сопоставление мольных количеств С и Н во флюидах показало, что от архея до палеозоя
во флюидах из всех типов пород происходило увеличение соотношения Н/С. Таким
образом, ранние этапы развития Земли характеризовались интенсивным выносом
углерода на ее поверхность. Накопление углерода в экзосфере Земли явилось
благоприятным фактором для развития здесь жизни. Следовательно, появление и развитие
жизни на Земле обусловлено спецификой флюидного режима эндогенных процессов.
Эволюция вулканизма в истории Земли меняла облик планеты, формировала
литосферу, гидросферу и атмосферу Земли. Вулканические события отразились в
специфике осадконакопления и размещении полезных ископаемых. Этот процесс
продолжается и в настоящее время. Изучение формы Земли и ее изменения, проведенные
со спутников, подтвердили расширение Земли и позволили предложить альтернативу
тектоники плит – теорию расширяющейся Земли с увеличением ее массы, которая
использует последние достижения физики и астрофизики (И.О.Ярковский, 1912,
БлиновВ.Ф.,1988,2007,Carey S.W.,1976, Нейман В.Б. 1962 и др.). Этой теории не
противоречит и геологические данные, свидетельствующие об океанизации Земли,
которая началась с юрского времени и продолжается сегодня. Увеличение воды в океанах
и расширение затопленного водой пространства фиксируется по геодезическим
наблюдениям .
Изучение осадочных комплексов и фундамента разных нефтегазоносных регионов
показали широкое развитие гидротермальных поствулканических процессов в
формировании коллекторов нефтяных и газовых залежей. Емкостное пространство
коллекторов нефти и газа является, как правило, вторичным и образовано, обычно, при
растворении цемента и обломочных зерен пород. Особенно очевидны воздействия
поствулканических гидротермальных растворов на карбонатные разности осадочных
пород и кристаллические образования фундамента.
Связь нефтегазовых и рудных месторождений с глубинными разломами,
продолжающими развиваться и в настоящее время, а также с разгрузками современных
гидротермальных систем, свидетельствуют о молодом возрасте углеводородных
скоплений, постоянно идущем процессе дегазации глубинных сфер Земли (Багдасарова
1997, 2006 и др.) и пополнения залежей углеводородов. Современные процессы разгрузок
гидротермальных систем по проницаемым зонам позволяют использовать геофизические
и геохимические параметры этих флюидных потоков в прогностических целях.