P lit .

1. ТРАНСМАНТИЙНЫЕ ФЛЮИДЫ, ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЮМОВ И МАГМАТИЗМ.Н.С. Жатнуев Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ, zhat@gin.bscnet.ru

2. 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]. 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]. 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.

3. 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 Р1litна 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 Р2litвычисляется таким же образом по формуле (1) но только для глубины Н2. Собственное давление флюида Р2flв основании трещинной полости с допущением того, что плотность флюида одинакова по всейвысоте полости, составляет: (2) здесь rfl– плотность флюида, l – протяженность трещины по вертикали. Давление флюида Р2flв «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)

4. P lit. Эпюры флюидного (Рfl.) и литостатического (Рlit.) давлений, действующих на стенку трещины, заполненной флюидом Стенка полости DP(exc. press.) Субвертикальная полостьl = 2 km Графическое представление механизма возникновения избыточного давления в трещинной полости глубина Высота полости Вмещающие породы полость P hydrost. РflРlit DPfl. DPlit. ИД возникаетв голове трещины. Величина ее определяется плотностями флюида и вмещающих пород, а также вертикальным размахомтрещины. P lit(r=2.7 g/cm3) Pflhydrost (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.

5. Эпюры флюидного (Рfl.) и литостатического (Рlit.) давлений, действующих на стенку трещины, заполненной флюидом Стенка полости Передача давления флюидом Высота полости Вмещающие породы полость РflРlit Гидроразрыв и распространение трещины 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 сжимаетсяи схлопывается, а верх испытывает гидроразрыв.

6. Прочностной барьер Эксперимент по подъему полости (трещины) с флюидом (спиртовый раствор) в утяжеленной желатиновой матрице. Предложенный механизм подъема флюида был проверен экспериментально Критическая высота трещины. После ее набора полость начинает перемещаться в поле силы тяжести. Инъекция спиртового раствора в желатиновую матрицу. Образуется трещинная полость, которая не движется, а только растет. Желатиновая матрица 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.

7. Нcritical. 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. Подъем флюидных полостей Нижняя мантия (D”) Дегазация ядра Ядро Дегазация ядра

8. 1211 1212 1213 Рabs.,kbar 2895 2896 2897 2898 2899 Н, km 5 4 3 2 1 Нl, km Величина прочности мантии на границе с ядром 4 4 3 3 2 2 1 1 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. Скорость движения зависит от избыточного давления в голове трещины, а избыточное давление, в свою очередь зависит от высоты последней. 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. h4 h4 h3 h3 h2 h2 h1 h1 Мантия Ядро 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Рexc., kbar Критические высоты флюидной линзы, необходимые для ее прорыва при прочности мантии 0,5 кбар и возможных плотностях флюида 1 – 4 г/см3 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 1кбар 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

9. 1211 1212 1213 Рabs.,kbar 2895 2896 2897 2898 2899 Н, km 5 4 3 2 1 Нl, km Величина прочности мантии на границе с ядром 4 3 2 1 h3 h2 h1 Мантия ядро 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Рexc., kbar Критические высоты флюидной линзы, необходимые для ее прорыва при прочности мантии 1,5 кбар и возможных плотностях флюида 1 – 4 г/см3

10. Литосферный прочностной барьер Мантия 50% 0% 100% расплав Начало плавления мантиипри разогреве и изменении положения кривых плавления под действием окисляющегося флюида (появление Н2О). Солидус мантии Ликвидус мантии Ненарушенная геотерма мантии Разогрев мантии за счет флюида. Поток из ядра восстановленного флюида (СН4, Н2 и др.), окисляющегося до Н2О, СО2

11. 0 500 s1-s3(МПа) 0 50 100 150 Глубина, km Плавление Интрузии и извержения Утонение литосферы Поток флюида и тепла Реологическая эволюция литосферы в процессе океанизации континентальной литосферы по (Corti et al. 2003) с дополнениями

12. Общая схема формирования плюма Crust Lithosphere Upper mantle 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” Fluid flow from core Outer core

13. Hot spot LIP Маntle Litosphere Core Благодарю за внимание!