ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 5, с. 49-59
УДК 551.21 552.89
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ МАГМАТИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ В ПОЛНОЙ СИСТЕМЕ: МАНТИЙНЫЙ ОЧАГ - ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ОЧАГ - ВУЛКАН
© 2008 г. Л. Ш. Базаров, В. И. Гордеева, Е. И. Петрушин
Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск, 630090 Поступила в редакцию 20.02.2008 г.
Экспериментально установлено существование непрерывной взаимосвязи расплавов промежуточного и мантийного очагов. Взаимосвязь осуществляется за счет двух встречных потоков расплава внутри подводящего канала промежуточного очага. Установлено также существование горизонтальных валиковых течений в верхней части расплава промежуточного очага, направленных от центральной части к периферии и обратных горизонтальных течений вдоль всей плоскости подошвы промежуточного очага от периферии камеры к центру - подводящему каналу, переходящих далее в кольцевой нисходящий поток. Кольцевой нисходящий поток, за счет теплового взаимодействия с центральным подъемным потоком, внутри подводящего канала нагревается и становится недосыщенным относительно выделившихся кристаллов, исключая возможность зарастания стенок подводящего канала промежуточного очага. Механизм непрерывного взаимодействия расплавов мантийного и промежуточного очагов обеспечивает квазистационарное состояние системы независимо от вулканической активности. Высказано предположение, что механизм формирования горизонтальной расслоенности крупных интрузивов основного состава аналогичен установленному процессу седиментации и формирования кумулуса на подошве промежуточного очага.
ВВЕДЕНИЕ
Вопросам исследования строения и состава земной коры под современными вулканическими областями, изучения очаговых зон магматического "питания" вулканов, морфологии и геометрических размеров промежуточных очагов, математического моделирования квазистационарного состояния системы, сейсмического зондирования и др. посвящено огромное количество работ различных исследователей как в нашей стране, так и за рубежом.
Интерес к разносторонним исследованиям вулканов, помимо исключительно важного научного значения проблемы, связан с практическим интересом, вызванным необходимостью разработки методов прогноза и предупреждения последствий извержений и практическим использованием тепловой энергии вулканов.
Несмотря на большое количество работ по указанной проблеме, вопросы, связанные с механизмами формирования промежуточных очагов вулканов и особенностями их квазистационарного состояния, изучены еще недостаточно.
Проблемы, связанные с механизмом формирования проточных промежуточных очагов, вулканов, исследовались многими учеными [9, 11, 14-16 и др.]. В этих фундаментальных работах рассматривается эволюция промежуточных магматических
очагов, включающая стадии роста, квазистационарного состояния с участием вулканической деятельности и сокращения размеров очагов. Однако данные по экспериментальному моделированию динамики конвективных процессов и механизмов теп-ломассопереноса, протекающих в целостной системе в мантийных и промежуточных очагах и подводящих каналах очагов и вулканов, в литературе не обнаружены.
Цель наших исследований—экспериментальное изучение структуры конвективных течений в целостной системе: мантийный магматический очаг + + промежуточный очаг + вулкан, как в период квазистационарного состояния системы при излияниях расплавов, так и в периоды отсутствия вулканической деятельности.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ
Экспериментальное моделирование проведено на изготовленных авторами нестандартных установках. Прототипом модельных камер послужили образцы экспериментальных камер, приведенные в работах [1-4, 6, 7] с соответствующими дополнительными изменениями во внутренних и наружных частях модельных камер. Сконструированная и изготовленная авторами нестандартная установка
15
17
18
14 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 12 13
16
14
Рис. 1. Схематический разрез через центральную часть модельной камеры. Структура конвективных потоков при внедрении гомогенного расплава. 1 - теплообменник кровли промежуточного очага; 2 - прозрачные стенки камеры; 3 - кровля промежуточного очага - поликристаллический N^01; 4 - конвективные потоки; 5 - центральный восходящий поток расплава; 6 - обратные горизонтальные течения от периферии камеры к подводящему каналу; 7 - кольцевой нисходящий поток расплава; 8 - центральный осевой восходящий поток расплава; 9 - нисходящий кольцевой поток расплава, идущий вдоль стенок подводящего канала; 10 - подошва промежуточного очага - поликристаллический N^01; 11 - обратное течение расплава в мантийном магматическом очаге; 12 - восходящий поток расплава в мантийном магматическом очаге; 13 - подставка под подошву промежуточного очага; 14 - штуцеры входа и выхода теплоносителя (вода); 15 - нисходящий поток расплава на периферии промежуточного очага; 16 - теплообменник мантийного магматического очага; 17 - нисходящий колоколо-образный поток расплава, идущий от подводящего канала в мантийном магматическом очаге; 18 - периферийный восходящий поток расплава в мантийном магматическом очаге; 19 - подводящий канал вулкана; 20 - вулканическая постройка; 21 - лавовый поток.
представляет собой связанную систему экспериментальных блоков, состоящую из модельной камеры, оптической системы наблюдения за режимами конвекции и кристаллизационными процессами в расплавах (увеличение до 112 крат), термостатов, обеспечивающих заданный тепловой режим, щелевых и обычных осветителей, системы регистра-
ции температуры (малоинерционные термопары, цифровые микровольтметры, нановольтметры) и др. Камера установки, моделирующая природную систему: "мантийный магматический очаг + подводящий канал промежуточного очага + промежуточный очаг + подводящий канал вулкана и сам вулкан", схематически приведена на рис. 1. Камера
представляет собой симметричную в горизонтальной плоскости герметичную емкость - прямоугольный параллелепипед с прозрачными вертикальными стенками (рис. 1, поз. 2). Внутренние размеры камеры - 240 х 240 х 300 мм. Верхний и нижний теплообменники (рис. 1, поз. 1 и 16) изготовлены из листового титана, в котором прорезаны каналы для прохода теплоносителя (вода).
К внутренней шлифованной плоскости теплообменника кровли жестко прикреплена шлифованная пластина (рис. 1, поз. 3), изготовленная из поликристаллического КИ4С1, моделирующая кровлю "промежуточного очага" и вулканическую постройку (рис. 1, поз. 3 и 20). В нижней части камеры на подставке из листового оргстекла располагается "подошва" "промежуточного магматического очага" (рис. 1, поз. 10), также изготовленная из поликристаллического КИ4С1. Горизонтальные размеры кровли и подошвы в камере - 239 х 239 мм.
Непрерывная регистрация изменения температуры в различных участках модельных расплавов очагов и подводящих каналах обеспечивается системой малоинерционных термопар. Общее количество термопар - 24 шт. В качестве модельного расплава во всех случаях при проведении экспериментов использовалась система КИ4С1 + глицерин.
Правомерность применения изготовленных авторами модельных камер базируется на результатах исследований А.Г. Кирдяшкина [6-8], в которых при моделировании природных процессов конвекции и тепломассопереноса в земной коре и верхней мантии Земли детально обоснованы критерии геометрического и теплофизического подобия и правомерность применения модельных камер, содержащих плоские слои вязкой модельной жидкости (глицерин, эйкозан, парафин). Показано, что основные границы устойчивости конвективных течений практически не зависят от величины критерия Прандтля уже при Рг > 5, а зависят, в основном, лишь от значения критерия Рэлея (Яа).
При выборе исходных размеров элементов модельных камер нами использовались численные данные, приведенные в [9, 11, 13-16] и результаты экспериментальных исследований механизма формирования мантийного очага в [9, 16].
Принятые авторами в экспериментах критерии геометрического подобия: средняя мощность кровли над природным промежуточным магматическим очагом - 3 км; в модели - 30 мм; отношение 3000 : 0.03 = 1 х 105. Мощность расплава в промежуточном магматическом очаге - 3 км; в модели -30 мм; отношение - 1 х 105. Мощность кристаллической подошвы промежуточного очага - 20 км, в модели - 200 мм. Отношение - 1 х 105. Длина подводящего канала природного промежуточного
очага - 20 км, вулкана - 3 км. Радиус поперечного сечения подводящего канала промежуточного очага - 1.5 км, в модели - 15 мм; отношение - 1 х 105. Радиус поперечного сечения подводящего канала вулкана - 5 мм. Авторы провели также эксперименты с увеличенными диаметрами подводящих каналов "промежуточного очага" до 40 мм, вулкана - до 20 мм при сохранении размеров всех прочих элементов модельной камеры. Мощность природного мантийного магматического очага не ограничена, в модели - 40 мм.
Исходная температура слегка перегретого природного базальтового расплава, равная 1300°С при вязкости в 300 пуаз, принята нами на основании имеющихся литературных данных [10, 12]. Температура модельного расплава (концентрация насыщения при 60°С - 13.2 г КИ4С1 на 100 г глицерина) во всех экспериментах перед заливкой в систему составляла 65°С (перегрев 5°С). Величина критерия Прандтля для модельных расплавов во всех экспериментах - Рг > 100, от Рг = 727 при 60°С до 1.25 х 104 при 25°С. Основные теплофизические характеристики глицерина в рабочих интервалах температур приведены в таблице [5].
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
При изучении структуры конвекции в полной системе: "мантийный магматический очаг + промежуточный очаг + вулкан" авторами выполнены две серии экспериментов (42 опыта). В первой серии экспериментов моделировалось квазистационарное состояние при регулируемом непрерывном излиянии расплавов на "поверхность Земли". Во второй серии исследовались особенности квазистационарного состояния и структуры конвективных течений в полной системе при отсутствии "вулканической деятельности".
Во всех опытах исходная температура теплообменника "мантийного магматического
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.