Отправным моментом в настоящей работе ... несоответствие химического состава полнокристаллических интрузивных

УДК 551.21
В.А. Смирнов
ПГУ, Пермь
О ПРИРОДЕ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ИЗВЕРЖЕНИЙ
Отправным моментом в настоящей работе послужило явное
несоответствие химического состава полнокристаллических интрузивных
пород и состава эруптивных газов, выделяющихся при вулканических
извержениях магм, являющихся эффузивными аналогами соответствующих
глубинных пород.
Так, при извержениях магматического материала основного состава
(базальтов и их туфов) вулканические газы представлены преимущественно
Н2О и СО2. Сама по себе базальтовая магма СО2 не содержит: в габброидах глубинных аналогах базальтов - углерод, по данным химических анализов [1],
практически отсутствует. Не характерен он и для субвулканических горных
пород, а в эффузивах диоксид углерода присутствует только в газовых
включениях. Оксид и диоксид углерода в заметных количествах содержится
лишь в ультраосновных породах.
Откуда же берутся огромные объѐмы углекислого газа и водяного пара,
характерные для катастрофических извержений магм основного и среднего
состава? Почему магма иногда спокойно вытекает на поверхность, а иногда
излияниям лавы предшествуют катастрофические выбросы вулканических
газов?
Пытаясь прояснить эту проблему, мы проанализировали ряд работ по
вулканологии и геохимии магматических пород с позиций возможности
существования (и широкого распространения) нетрадиционного источника
вулканических газов – термического разложения магматогенного карбоната
кальция.
Традиционный механизм газообразования
В качестве источника вулканических газов при эксплозивных извержениях
традиционно рассматривается механизм дегазации магмы при падении в ней
давления. Предполагается, что газы вначале выделяются в виде газовых
пузырей [5], преобразующих магму в двухфазную смесь – динамическую
пену [8]. А.И. Малышев придерживается точки зрения М.А. Алидибирова об
образовании при дегазации магмы «…фронта волны дробления, который
будет двигаться в глубь системы с некоторой конечной скоростью. Скорость
распространения волны дробления довольно низка и сопоставима, скорее, с
процессом горения, чем с детонацией» [4].
Подобный механизм газоотделения нельзя считать убедительным при
рассмотрении катастрофических извержений, когда мощные потоки газа
извергаются на высоту десятков километров со скоростью, превышающей
скорость звука. Причѐм речь идѐт не о разовых взрывах, а о длительном
истечении газовой струи.
Мы предлагаем принципиально иной подход к проблеме
газообразования. Существует всего две разновидности магматических горных
пород, содержащих в значительных количествах углерод – карбонатиты и
кимберлиты (здесь и далее речь идѐт о кимберлитах, слагающих подводящие
каналы диатрем). Они, вне сомнения, имеют отношение к вулканизму. На
близость происхождения кимберлитовых трубок и обычных классических
вулканов указывает также В.С. Трофимов: «…кимберлиты, несомненно,
являются вулканами щѐлочно-ультраосновной магмы с особенностями,
свойственными этой магме (отсутствие потоков и др.)» [7].
Ранее нами [6] был рассмотрен механизм формировании кимберлитовых
диатрем не при участии растворѐнных в магме газов, как принято считать
[Мархинин, Федотов, Малышев], а под действием значительно больших
объѐмов углекислого газа, образующегося в результате термического распада
содержащегося в магме карбоната кальция. При падении давления из 1 тонны
СаСО3 выделяется 440 кг углекислого газа, занимающего при атмосферном
давлении (согласно закону Авогадро) объѐм 225 кубометров (а из 1 м 3
карбонатного расплава, соответственно, 610 м3 газа). Его должно быть вполне
достаточно как для поддержания флюидизатного процесса в кимберлитовых
трубках, так и для создания эруптивных выбросов. Полученные цифры
несопоставимы с объѐмами растворѐнных в магме газов.
Источник карбонатного материала
Источником кимберлитовой магмы принято считать астеносферу –
выделенный по сейсмическим данным низкоскоростной слой. По Ч.
Хьюджесу, это «… прерывистая оболочка вокруг Земли, с довольно чѐткой
нижней границей на глубине 250 км и верхней границей: приблизительно на
глубине 60 км под океанической корой и 100-200 км под континентальной.
…Из наблюдений за затуханием скоростей волн сжатия, проходящих через
низкоскоростной слой, следует, что последний содержит небольшие
количества (около 1 %) интерстиционного расплава. Этот расплав …должен
быть обогащѐн магнием на глубине, и следовало бы ожидать, что он будет
сильно насыщен несовместимыми элементами; расплав мог бы приближаться
по составу к кимберлитовому. Возникновение глубоких разрывов в
литосфере, возможно, нарушило этот слой в некоторых интервалах и
вызвало, таким образом, спорадический выброс кимберлитов с потерей
летучих компонентов, не связанный ни с границами плит, ни с мантийными
потоками» [9].
Вязкость астеносферы на 2-3 порядка ниже, чем вязкость покрывающих
и подстилающих еѐ слоѐв мантии. Здесь речь идѐт не о локальных очагах
кимберлитовой
магмы,
формирующихся
в
течение
длительного
геологического времени, а о крупном, планетарного масштаба, но
слабонасыщенном кимберлитовой магмой «резервуаре», для разгрузки
которого достаточно лишь наличие масштабных, проявленных в течение
короткого времени, тектонических разрывов. В пределах «резервуара»
кимберлитовый расплав, являющийся несмешивающейся жидкостью,
способен мигрировать к участкам пониженного давления.
При подъѐме кимберлитовой колонны к земной поверхности, по мнению
Дж. Доусона, возможно отделение жидкой, наиболее насыщенной карбонатом
(и оттого наиболее эксплозивной при сбросе давления) фазы: «…Клемент
представил хорошие свидетельства того, что, по крайней мере, часть флюида
является обогащѐнной кальцитом жидкостью, которая отделилась от
продвигающегося кверху кимберлита в результате несмесимости» [3].
Возможно, именно этот расплав и заставляет работать вулканы. При его
термическом разложении не должно оставаться следов, кроме углекислого
газа и распылѐнного оксида кальция [6].
Альтернативная модель вулкана
Мы считаем, что глубинное строение вулканов, работающих в
эксплозивном режиме, не столь радикально, как принято считать, зависит от
состава извергаемого материала: вулканы ультраосновных, основных и
средних магм должны иметь общие геологические особенности (кислый
вулканизм здесь не рассматривается). Все существующие модели вулканов, в
том числе кимберлитовых, подразумевают наличие долгоживущих
крутопадающих зон разуплотнения, распространяющихся в подкоровое
пространство верхней мантии: благодаря ним происходит выплавка
мантийного и корового вещества с образованием абиссальных и
гипабиссальных очагов.
Имея в виду, что общим свойством подавляющего большинства вулканов
является извержение углекислого газа, к этим моделям следует добавить ещѐ
один общий элемент. Анализ характера извержений позволил
сформулировать гипотезу: существенную, если не определяющую роль в
эксплозивном вулканическом процессе должны играть два фактора:
повторяющиеся раздвиговые тектонические движения, обеспечивающие
подъѐм из астеносферы по образующимся зонам декомпресси расплава,
обогащѐнного карбонатом кальция, и термический распад карбоната
кальция при падении давления.
В зависимости от стадии развития глубинного магматического очага
возможны следующие варианты.
А. Образование кимберлитовых диатрем. При отсутствии локального
глубинного магматического очага в результате первых раздвиговых
тектонических подвижек в земной коре создаѐтся зона декомпрессии, по
которой из астеносферы на поверхность поднимается обогащѐнная
карбонатами кальция и магния магма. По пути она пропитывает некоторый
объѐм тектонически ослабленной зоны. Если это первый подъѐм магмы по
данной зоне (область базальтовой магмагенерации и промежуточные очаги
не сформированы), к земной поверхности прорвѐтся кимберлитовая магма
и, при падении давления, будет распыляться огромным объѐмом
выделяющегося углекислого газа. В ходе извержения сформируется жерло
кимберлитового вулкана – диатрема, заполненная кимберлитовой брекчией.
Концентрация карбоната кальция в кимберлите, заполняющем диатрему,
как правило, ниже, чем в кимберлите подводящих каналов.
Б. Механизм
катастрофических
извержений
представляется
следующим (рис. 1). На фоне продолжающихся раздвиговых движений
развивается глубинный магматический очаг, в нижней части которого (в
астеносфере) консолидируется обогащѐнный карбонатами кальция и магния
расплав, а выше, в нижних частях земной коры, образуется область генерации
базальтовой магмы.
Рис. 1. Предполагаемая схема глубинного строения
вулканического аппарата:
1 – астеносфера; 2 - верхняя граница астеносферы; 3 –
область генерации базальтовой магмы; 4 – глубинный
магматический очаг; 5 – канал, соединяющий глубинный
очаг с периферическим; 6 – периферический очаг; 7 – зона
аккумуляции карбонатного расплава; 8 – зона раздвиговых
движений, являющаяся проводником карбонатного расплава,
9 – эруптивный выброс; 10 – излияние лавы; 11 – направление
тектонических движений
Как и в первом случае, при раздвиговых
тектонических движениях в коре образуется зона
декомпрессии, представленная, как мы полагаем,
объѐмной зоной трещиноватости и уходящая
корнями в астеносферу. Эта зона рассекает также и
область магмагенерации, обогащѐнную базальтовой
магмой. Так как карбонатитовая или кимберлитовая
магма должна обладать значительно меньшей вязкостью, чем базальтовая,
именно она должна в первую очередь мигрировать в зону декомпрессии.
Ввиду высокой температуры вмещающих пород подобная ситуация
возможна, но всѐ-таки гидростатический подъѐм из астеносферы
карбонатсодержащей магмы возможен лишь в моменты кратковременных,
резких тектонических подвижек раздвигового характера, иначе магма
раскристаллизуется.
Если зона, содержащая карбонатный расплав, претерпевает
дополнительное растяжение (раздвиг), давление в ней на значительном
вертикальном отрезке, измеряемом километрами или десятками километров,
должно резко упасть, причѐм, благодаря наличию жидкой фазы, во всѐм
объѐме зоны, пропитанном карбонатным расплавом, вне зависимости от
глубины. Карбонат кальция при этом неизбежно, практически моментально
должен разложиться на оксид кальция и углекислый газ. Давления в десятки
атмосфер (при большем карбонат не будет распадаться) должно быть
достаточно для первого прорыва газов на поверхность. Образуется
своеобразный дренаж, охватывающий значительный отрезок магматической
колонны: узкий, но глубокий канал, по которому струя газа, разогнанная на
протяжении нескольких километров, вырывается на поверхность, захватывая
с собой раскалѐнный материал ослабленной зоны и периферического очага.
Дренаж поддерживает относительно низкое давление в системе. При
повышении давления до сотни атмосфер разложение прекращается, при
падении давления (вследствие истечения газа) начинается вновь. Образуется
саморегулирующаяся система – растянутый во времени взрыв с
многокилометровым участком разгона газовой струи. Процесс способен
продолжаться до тех пор, пока не истощится глубинный очаг и вблизи канала,
в области относительно низкого давления не закончится карбонат кальция,
имеющий температуру выше 900оС.
При достижении каналом области магмагенерации по нему начинается
подъѐм базальтовой магмы. Часть еѐ выходит на поверхность, часть – создаѐт
глубинные и периферические магматические очаги. Магма перекрывает
канал, отток углекислого газа прекращается, давление препятствует
разложению карбоната кальция и при отсутствии дополнительных
раздвиговых подвижек эруптивная фаза извержения прекращается.
Получается классическая картина вулканического извержения:
выбросы пирокластики и излияния лав среднего или основного состава,
сопровождающиеся
эруптивными
выбросами
углекислого
газа,
образовавшегося при распаде карбоната кальция и содержащими, по Е.П.
Денисову [2], аномально высокие концентрации элементов, характерных
для ультраосновных пород - Ni, Co, Ti, Cr, V.
Полости, по которым извергался углекислый газ, должны
уничтожаться последующим подъѐмом магмы из промежуточного очага. В
абиссальном магматическом очаге начинается медленный процесс
магматической дифференциации.
Об андезитовых вулканах. Известно, что андезитовый вулканизм
сопровождается значительно более интенсивным выделением вулканических
газов. Это может быть связано с тем, что ко времени отделения в составе
магматической колонны андезитовой магмы в астеносфере могла произойти
консолидация карбонатного расплава. Именно подъѐм к поверхности
большего объѐма карбонатного материала может провоцировать более
высокую эксплозивность андезитового вулканизма.
Выводы
Пульсационный характер извержений обусловлен режимом проявления
долгоживущих разломов. Медленные раздвиговые движения ведут к
развитию магматических очагов, претерпевающих в течение длительного
геологического времени дифференциацию. Кратковременные интенсивные
раздвиговые подвижки ведут к быстрому подъѐму карбонатсодержащего
вещества верхней мантии, энергия которого способствует выносу на
поверхность и в атмосферу материала периферических магматических
очагов.
Использование при изучении вулканов геологической информации об
алмазоносных объектах поможет создать единую синтетическую модель
вулканического процесса.
В том случае, если изложенная модель имеет право на жизнь, особое
значение для прогноза крупных извержений должен приобрести
высокоточный
геодезический
контроль
проявления
раздвиговых
тектонических движений в вулканических областях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Краткий справочник по геохимии / Войткевич Г.В. и др. - М.: Недра, 1970.
2. Денисов Е.П. Возможный состав верхней мантии по результатам изучения
включений ультраосновных пород в щелочных базальтоидах / Е.П. Денисов // Кора и
верхняя мантия Земли. 1968.- С. 134-140.
3. Доусон, Дж. Кимберлиты и ксенолиты в них/ Дж.Доусон.- М.: Мир, 1983. С. 4669.
4. Малышев А.И. Жизнь вулкана/ А.И. Малышев. - Екатеринбург, 1998. С. 136-142.
5. Мархинин Е.К. Вулканы и жизнь./ Е.К. Мархинин М.: Мысль, 1980.- 196 с.
6. Смирнов В.А. К вопросу о происхождении кимберлитов и туффизитов / В.А.
Смирнов// Геология и полезные ископаемые Урала. -2002.- С. 34-39.
7. Трофимов, В.С. Геология месторождений природных алмазов/ В.С. Трофимов.М.: Недра, 1980. С. 22.
8. Большое Трещинное Толбачинское извержение/ С.А. Федотов.- М.: Наука,1984.
9. Хьюджес Ч. Петрология изверженных пород/ Ч. Хьюджес.- М.: Недра, 1988.
© В.А. Смирнов, 2007