ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2011, № 2, с. 42-52
УДК 551.21552.89
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ВАЛИКОВЫХ КОНВЕКТИВНЫХ ТЕЧЕНИЙ МАГМАТИЧЕСКОГО РАСПЛАВА В ПЕРИФЕРИЙНЫХ ОЧАГАХ ВУЛКАНОВ
© 2011 г. В. И. Гордеева, Л. Ш. Базаров, Е. И. Петрушин
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН 630090 Новосибирск-90, проспект акад. Коптюга, 3, e-mail: @vigor@uiggm.nsc.ru Поступила в редакцию 12.04.2010 г.
Экспериментально установлена морфология и внутренняя конвективная структура непрерывных валиковых течений магматических расплавов в объеме периферийных очагов и нисходящих кольцевых гравитационных течений в подводящих каналах. Установлены особенности непрерывного конвективного перемешивания магматического расплава в объеме периферийного очага за счет валиковых конвективных потоков. Исследован механизм формирования кумулуса на подошве периферийных очагов при внедрении гомогенных и гетерогенных расплавов. Экспериментально исследованы особенности формирования контактной поверхности на границе кумулуса и расплава. На качественном уровне исследован механизм изменения состава магматических расплавов во времени в периферийном и мантийном очагах за счет кристаллизационных процессов и особенностей механизма формирования кумулуса в периферийных очагах.
ВВЕДЕНИЕ
Вопросам исследования очаговых зон магматического "питания" действующих вулканов, морфологии и геометрических размеров периферийных очагов и различных элементов полной вулканической системы, изучение процессов квазистационарного состояния на основе геофизических и геологических наблюдений, математического моделирования квазистационарного состояния системы вулканов, сейсмического зондирования и др. посвящено большое количество работ, как в нашей стране, так и за рубежом [Балеста, 1981; Йокаяма, 1977; Кожемяка, 1994; Масуренков, Горицкий, 1978; Оно и др., 1977; Раст, 1890; Федотов, 2006, 1961, 1976, 1976, 1979, 1981; Федотов, Горицкий 1979, 1980; Федотов и др., 2000; Hardee, Larson, 1981, 1977; March, 1978; Mogi, 1958; Wadge, 1981; Wager, 1967]. Эти исследования представляют собою разработки важнейшей фундаментальной научной проблемы современной вулканологии. Наибольшую известность приобрели фундаментальные работы С.А. Федотова с сотрудниками (1961-2008 гг.) [Федотов, 1961, 1976, 1976, 1979, 1981, 2006; Федотов, Горицкий, 1979, 1980; Федотов, и др., 2000], посвященные проблемам исследования природы и механизмов вулканической деятельности, связям сейсмичности и вулканизма, исследованиям особенностей магматических астеносферных и литосферных питающих каналов, их протяженности, поперечных размеров и расходов магмы в этих каналах, формированию проточных магматических очагов, их морфологии и температурных режимов, трещинных магматических питающих каналов и
побочных извержений, связи вулканической деятельности с сейсмофокальным слоем на глубине. Важнейшее значение имеют исследования перспектив прогноза землетрясений и использования геотермальной энергии в народном хозяйстве и др. Широко известны работы С.А. Федотова и Ю.А. Го-рицкого, посвященные вопросам математических расчетов расходов магмы и размеров цилиндрических питающих каналов для вулканов центрального типа [Масуренков, Горицкий, 1978; Федотов, Горицкий, 1979, 1980]. Работы С.А. Федотова, И.С. Уткина и Л.И. Уткиной [2000] посвящены исследованию вопросов эволюции и размеров магматических очагов вулканов. Известны работы С.Т Балеста посвященные вопросам, связанным с исследованиями Земной коры и магматических очагов в областях современного вулканизма [Балеста, 1981] и др. Большое внимание проблеме вулканизма уделяется также и зарубежными исследователями [Йокаяма, 1977; Оно и др., 1978; Hardee, Larson, 1981; 1977; March, 1978; Mogi, 1958; Wadge, 1981; Wager, 1967]. В работах H.C. Hardee, D.W. Larson [1981, 1977] рассматривается возможные глубины формирования очагов вулканов и размеры подводящих каналов. B.D. March [1978] исследовал возникновение и развитие магматических очагов. K. Mogi [1958] изучал давление, возникающее в вулканах и определил глубину залегания очага. Йокаяма И. [1977] также исследовал строение вулканов и оценил глубину центра вулкана и давление, развиваемое в нем.
Однако, данные по экспериментальному моделированию динамики конвективных процессов и
механизма тепломассопереноса, протекающих одновременно в целостной системе: в мантийных и периферийных очагах, подводящих каналах очагов и вулканах, в литературе не обнаружены.
Целью наших исследований являлось проведение экспериментального изучения квазистационарного состояния полной вулканической системы при отсутствии излияний на земную поверхность, изучение морфологии и конвективной структуры непрерывных, радиальных валиковых течений магматических расплавов в периферийном магматическом очаге от центральной зоны к периферии, экспериментальное изучение обратных горизонтальных сплошных течений расплава вдоль внутренней поверхности подошвы периферийного очага от периферии к центру очага — подводящему каналу. Экспериментальное исследование механизма формирования внутренней контактной поверхности подошвы периферийного очага с магматическим расплавом, особенности формирования кумулуса на подошве периферийного очага, механизм влияния транспортного эффекта нисходящих ветвей валиковых потоков магматического расплава на морфологию и структуру внутренней контактной с расплавом поверхности кумулуса на подошве. Исследование на качественном уровне влияния механизма формирования кумулуса на изменение состава магматических расплавов в периферийном и мантийном очагах.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Экспериментальные исследования проведены на изготовленных авторами нестандартных модельных установках. Прототипами модельных камер послужили образцы экспериментальных установок [Базаров и др., 2008, 2007, 2001, 2002, 2005; Добре-цов, Кирдяшкин, 1994; Добрецов и др., 2001 и др.] с соответствующими дополнительными изменениями во внутренних и наружных частях модельных камер: различной мощности кровли и подошвы периферийного очага, размеров подводящих каналов, расположения стационарных и поисковых термопар и условий проведения экспериментов (различные температуры теплообменников кровли и подошвы) и др. Установки представляют собою, связанную систему экспериментальных блоков, состоящую из модельной кристаллизационной камеры, оптической системы наблюдения за режимами конвективных течений и кристаллизации в модельных расплавах периферийного и мантийного очагов, термостатов, обеспечивающих заданные тепловые режимы в системе, щелевых и обычных осветителей, системы регистрации температуры, включая малоинерционные медь-константановые термопары (диаметр проволоки 60—200 мкм), цифровые микро- и нановольтметры и др.
Экспериментальные камеры представляют собою модель полной вулканической системы (снизу вверх камеры): теплообменник мантийного очага,
"мантийный магматический" очаг, поликристаллическую ^Н4С1) подошву "периферийного" очага различной мощности, подводящий канал "периферийного" магматического очага, периферийный "магматический" очаг, поликристаллическую ^Н4С1) кровлю "периферийного" очага, "подводящий канал" вулкана, конус крупного вулкана центрального [Федотов, 2006] типа. Схематический вертикальный разрез через центральную часть модельной камеры приведен на рис. 1.
Все использованные в процессе исследований варианты кристаллизационных модельных камер представляют собою симметричные в горизонтальной и вертикальной плоскости герметичные емкости с прозрачными вертикальными стенками. Детальное описание конструктивных особенностей кристаллизационных модельных камер приведено в работе авторов [Базаров, и др., 2008]. Непрерывная регистрация температуры в различных участках модельных расплавов в мантийных и промежуточных очагах и подводящих каналах, обеспечивается системой малоинерционных термопар. Общее их количество — 24 шт. В качестве модельных расплавов использовалась система N^0 + глицерин, концентрация насыщения при 60°С —13.2 г/100 г глицерина.
Правомерность применения изготовленных авторами модельных камер базируется на результатах исследований А. Г. Кирдяшкина [Добрецов, Кирдяшкин, 1994; Добрецов и др., 2001; Кирдяшкин, 1989], в которых при экспериментальном моделировании природных процессов конвекции и тепломассопереноса в верхней мантии Земли и земной коре 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 (Ra).
Для обеспечения геометрического подобия элементов модельных камер природным элементам вулканических структур нами использовались численные литературные данные о размерах природных элементов полной вулканической системы: геометрические размеры мантийных и периферийных очагов, их подводящих каналов, мощности кровли периферийных очагов и др. [Кожемяка, 1994; Масуренков, Горицкий, 1978; Оно и др., 1977; Раст, 1890; Федотов, 2006, 1976, 1979; Федотов, Горицкий, 1979, 1980; Федотов и др., 2000 и др.], а также результаты исследований механизма формирования мантийного очага [Федотов, 2006, 1979; Федотов, Горицкий, 1979, 1980; Федотов и др., 2000].
Авторами приняты следующие критерии геометрического подобия элементов модельных камер и известных природных элементов вулканических
19
Рис. 1. Схематический разрез через центральную часть модельной камеры. Структура радиальных валиковых конвективных потоков в расплаве "периферийного" очага вулкана.
1 — теплообменник кровли периферийного очага; 2 — прозрачные стенки камеры; 3 — кровля "периферийного" очага (поликристаллический N^01); 4 — конвективные потоки под кровлей "периферийного" очага; 5 — центральный восходящий поток расплава в "периферийном" очаге; 6 — радиальные конвективные потоки, формирующие валиковые течения в объеме расплава "периферийного" очага; 7 — сплошной горизон
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.