научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ КОНВЕКЦИИ В ДВУХСЛОЙНОМ “ПЕРИФЕРИЙНОМ” ОЧАГЕ ВУЛКАНА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ КОНВЕКЦИИ В ДВУХСЛОЙНОМ “ПЕРИФЕРИЙНОМ” ОЧАГЕ ВУЛКАНА»

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2015, № 2, с. 56-64

УДК 551.21552.89

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ КОНВЕКЦИИ В ДВУХСЛОЙНОМ "ПЕРИФЕРИЙНОМ"

ОЧАГЕ ВУЛКАНА

© 2015 г. В. И. Гордеева, Л. Ш. Базаров, Е. И. Петрушин

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН 630090 Новосибирск-90, пр. Коптюга, 3, e-mail: vigor@igm.nsc.ru Поступила в редакцию 11.03.2014 г.

Экспериментально установлена морфология и внутренняя структура конвективных течений магматических расплавов в модели двухслойных "периферийных" очагов вулканов. В пределах "периферийного" очага установлены две системы конвективных течений — валиковые конвективные радиальные течения магматического расплава в нижнем слое "периферийного" очага и ячеистые конвективные вертикальные течения менее плотного "раствора-расплава" в верхнем слое очага. Показаны причины разделения насыщенного летучими расплава "мантийного" магматического очага в пределах "периферийного" очага на два несмешивающихся слоя — нижнего слоя магматического расплава и верхнего, представляющего собой менее плотный "раствор-расплав", являющийся результатом отделения летучих, содержащихся в исходном магматическом расплаве. Отделение и накопление летучих компонентов под кровлей "периферийного" очага связано со снижением давления и температуры при подъеме "мантийного" магматического расплава, насыщенного летучими за счет восходящего потока расплава идущего внутри в центральной части "подводящего" канала "периферийного" очага вулкана и нисходящего кольцевого потока, обедненного летучими, идущего вниз вдоль стенок "подводящего" канала в пределы "мантийного" очага.

DOI: 10.7868/S0203030615010022

ВВЕДЕНИЕ

Большой интерес, проявляемый в мировой науке к разносторонним исследованиям вулканической деятельности помимо исключительно важного научного значения проблемы, связан с практическим интересом, вызванным насущной необходимостью разработки методов прогноза и предупреждения последствий извержений и практическим использованием тепловой энергии вулканов. Вопросам геофизических и геологических исследований вулканов 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, 1976а, 1976в, 1979, 1981; Федотов, Горицкий 1979, 1980; Федотов и др., 2000; Fedotov, 1981; Hardee, Larson, 1981, 1977; March, 1978; Mogi, 1958; Wadge, 1981; Wager, 1967]. Эти исследования представляют собой разработки важнейших фундаментальных научных проблем современной вулканологии. Наибольшую известность приобрели фундаментальные работы С.А. Федотова с сотрудниками (1961— 2012 гг.) посвященные проблемам исследования природы и механизмов вулканической деятельности, связям сейсмичности и вулканизма, исследованиям особенностей магматических асте-носферных 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 сейсмофо-кальным слоем на глубине.

Важнейшее значение имеют исследования перспектив прогноза землетрясений и использования геотермальной энергии в народном хозяйстве. Широко известны работы С.А. Федотова и Ю.А. Горицкого, 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 [1981] посвященные вопросам, связанным с исследованиями Земной коры и магматических очагов в областях современного вулканизма. Большое внимание проблемам вулканизма уделяется также и зарубежными исследователями [Йокаяма, 1977; Оно и др., 1978; Hardee, Larson, 1977а, 1977б; March, 1978; Mogi, 1958; Wadge, 1981; Wager, 1967 и др.]. В работах H.C. Hardee, D.W. Larson рассматриваются воз-

можные 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. И. Йокаяма [1977] также исследовал строение вулканов и оценил глубину расположения периферийного очага вулкана и давление, развиваемое в нем. Работами Ю.Б. Сле-зина [2001] исследована природа и механизм резких изменений режима вулканических извержений. Установлено, что минимальная глубина устойчивого очага определяется условиями теплообмена и не может быть меньше 5—6 км. Показано, что максимальная величина содержания летучих (Co) в вулканических очагах, оцениваемая по фазово-минеральным равновесиям во вкрапленниках, составляет 5—6% при критической глубине очага около 20 км. Установлено также, что в связи с низким содержанием летучих в магмах базальтовых вулканов катастрофические скачки давления практически исключены. По Ю.Б. Сле-зину катастрофические скачки давления свойственны вулканам с кислыми и средними магмами, очаги которых, как правило, расположены на глубинах менее 20 км, а магма содержит достаточно много летучих. А.В. Кирюхин с соавторами [Кирюхин и др., 2010] провели численное моделирование оценки эксплуатационных запасов месторождений парогидротерм.

В настоящее время в литературе отсутствуют, к сожалению достоверные, систематизированные, конкретные данные о мощностях верхнего слоя ("раствора-расплава") и нижнего слоя магматического расплава в периферийном очаге вулканов. Имеющиеся ориентировочные данные по взрывным объемам "раствор-расплавных" масс носят весьма субъективную оценку. Эти данные не могут быть использованы для установления реальных соотношений объемов верхнего ("раствор-расплав") и нижнего (магматический расплав) слоев в периферийных очагах вулканов.

Кроме того в настоящее время отсутствуют данные по механизму нуклеации (образование зародышей новой фазы) "раствора-расплава" в природном магматическом расплаве периферийного очага. Отсутствуют также данные о поверхностном натяжении сферы устойчивых зародышей "растворов-расплавов", о количественных соотношениях летучих в "растворах-расплавах" и петрогенных составляющих. Масштабирование наших экспериментальных результатов с гравитационными процессами, протекающими в реальных природных вулканических системах, из-за ограниченности имеющихся литературных данных на нынешнем этапе исследований невозможно.

Авторы планируют в будущем проведение экспериментальных исследований с природными образцами магматических вулканических пород в автоклавах из жаростойких сталей ЭИ в интервале

температур 700—1000°С и давлениях до 1000 атм. Будут установлены пределы содержания летучих в расплавах, механизм образования новой фазы — "раствора-расплава" в исходном однородном расплаве, механизм нуклеации в однородном магматическом расплаве и многое другое.

Несмотря на большой объем известных исследований данные по экспериментальному моделированию динамики конвективных процессов и механизмов тепломассопереноса, протекающих одновременно в различных частях вулканической системы в "мантийных" и "периферийных" очагах, "подводящих" каналах очагов и вулканов в литературе, за редким исключением [Базаров и др., 2008; Гордеева и др., 2011] не обнаружены.

Целью наших экспериментальных исследований являлось изучение структуры и механизма конвективных течений в двухслойном "периферийном" очаге квазистационарной вулканической системы — в нижнем слое, состоящем из магматического расплава, и верхнем слое, представляющим собою квазистационарный слой, состоящий из летучих компонентов, обогащенных силикатными компонентами, выделившимися в "периферийном" очаге из магматического расплава условно названный нами слоем "раствора-расплава". Оба слоя "периферийного" очага отличаются по химическому и фазовому составам. Экспериментально моделировались условия в двухслойном "периферийном" очаге вулкана при полном отсутствии излияний на земную поверхность.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Экспериментальные исследования проведены на изготовленных авторами оригинальных модельных установках. Прототипами модельных камер послужили образцы экспериментальных установок [Базаров и др., 2008, 2007, 2005, 2002, 2001; Гордеева и др., 2011; Кирдяшкин и др., 1994, 2001] с соответствующими дополнительными изменениями во внутренних и наружных частях модельных камер: — различной мощности кровли и подошвы "периферийного" очага, размеров "подводящих" каналов, расположением стационарных и поисковых термопар и условий проведения экспериментов (различные температуры теплообменников кровли и подошвы) и др. Установки представляют собой единую систему экспериментальных блоков состоящую: из прозрачной герметичной 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.

Все использованные в процессе исследований варианты модельных камер представляют собой, изготовленные в форме прямоугольного параллелепипеда, симметричные в горизонтальной и вертикальной плоскости герметичные емкости с прозрачными вертикальными стенками. Детальное описание конструктивных особенностей кристаллизационных модельных камер приведено в работах авторов [Базаров и др., 2008; Гордеева и др., 2011]. Непрерывная регистрация температуры в различных участках модельных расплавов в "мантийных" и "периферийных" очагах и "подводящих" каналах, обеспечивается системой малоинерционных стационарных и поисковых термопар. Общее их количество — 24 шт.

Правомерность применения изготовленных авторами модельных камер базируется на р

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.

Показать целиком