Плотность магматических расплавов

1.

ПЛОТНОСТЬ МАГМАТИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Не меньшую важность в динамике магматических расплавов имеет
такое физическое свойство как плотность.
От плотности магмы зависит ее подвижность и способность к
прорыву в верхние горизонты (всплывание), скорость перемещения и
способность к вулканическим извержениям.

2.

где ρr– плотность пород, Н1 – глубина от
поверхности Земли до вершины камеры, g –
ускорение силы тяжести. Литостатическое
давление в основании (нижней части) очага
Р2lit вычисляется таким же образом по этой же
формуле, но только для глубины Н2.
Собственное давление магмы в основании
камеры с допущением того, что плотность
магмы одинакова по всей высоте полости,
составляет
Здесь ρfl – плотность магмы, l – высота
магматической камеры. Давление магмы Р2fl в
основании магматического резервуара (на
глубине Н2) равно литостатическому давлению
Р2lit, а давление магмы вверху магматической
камеры (на глубине Н1) составляет
Тогда избыточное давление магмы вверху очага
равно
Глубина от поверхности Н
Если взять магматический очаг, в условиях
пластического состояния породы, то
литостатическое давление в апикальной части
камеры Р1lit на глубине Н1 составляет
Н1
ρr
Н2
где ρ
ρfl
l

3.

График
литостатического
давления
Если эта величина
превышает величину
прочности пород, то
происходит
«гидроразрыв» вверху
очага и магма
внедряется в
вышележащие толщи.
Давление
вверху очага
если породы
не пластичные.
График
гидростатического
давления магмы
Давление
внизу очага
если породы
не пластичные.
Реальное давление
внизу очага при
пластичности пород
Реальное
давление внизу
очага при
пластичности
пород
Глубина от поверхности Н
Давление Р
Н1
ρr
Н2
ρfl
l

4.

Перидотитовая магма
+2 мас.% Н2О
Перидотитовая магма
+8 мас.% Н2О
Плотность сухой перидотитовой
магмы на этом участке глубин
значительно выше плотности
вмещающих пород. Это связано
стем, что с повышением
давления происходит фазовые
превращения в минералах
переходной зоны между верхней
и нижней мантией (менее
плотные минералы
превращаются в более плотные) ,
что связано с переходом
железомагнезиальных силикатов
из оливиновой структуры в
шпинелевую.

5.

Физические свойства вмещающих пород и их влияние на динамику магмы

6.

Физические свойства вмещающих пород и их влияние на динамику магмы
III
II
I
а)
b)

7. ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ И МАГМАТИЧЕСКИЕ ФЛЮИДЫ

8.

Основным компонентом эндогенных флюидов является вода, главное свойство
которой высокая растворяющая способность, обусловленная во многом
водородной связью. Считается, что жидкая вода состоит из группировок
(кластеров) с льдоподобной структурой.

9.

0
100
200
300
400
500
0
Газ
200
К.т.
400
Жидкость
600
800
Р, бар
Схематическая диаграмма, показывающая структурное состояние
воды в Р-Т координатах (по Ф.Г.Смиту, 1968)
600 оС

10.

Р-Т диаграмма гидротермальных систем с изолиниями плотности воды в г/см3
Приповерхностные
гидротермальные системы
областей современного
вулканизма
Паровые и вулканические фумаролы
Критическая
точка воды
Субвулканические
гидротермальные
системы
Магматические
газы
Газ
Жидкость
Солидус
гранитной
магмы
Переходная
зона «флюид»
Плутоногенные
гидротермальные
системы
Гидротермальные
системы
платформенных
областей
Солидус
базальтовой
магмы

11.

Поверхностные проявления гидротермальной
деятельности (фумаролы, гейзеры, котлы и горячие
источники)
Гидротермальная
система
https://www.researchgate.net/publication/283
326553_Seismic_and_Aseismic_Deformations_
Область прогрева над
and_Impact_on_Reservoir_Permeability_The_
очагом
Область
Case_of_EGS_Stimulation_at_The_Geysers_Ca
конвективногоlifornia_USA
тепломассопереноса
Магматический очаг с
вулканическим каналом
Схематическая динамика гидротермальной системы над неглубоким
вулканическим (магматическим) очагом

12.

Кривая кипения и
изолинии плотности
воды (г/см3)
К – критическая
точка воды
21,982 МПа
374 ,15 С

13.

Кривые плотности
Н2О - синие линии
СО2 - красные линии
(г/см3)

14.

Пар + кристаллы
(гомогенный
флюид)
Кривая
нонвариантных
точек
«пар+жидкость+
кристаллы»
Критическая
точка воды
К.т. 5%NaCl
10%NaCl
15%NaCl
Кривые
кипения
растворов NaCl

15. РТ состоянию флюидов Н2О+СО2 и Н2О+NaCl

16. Схематическая диаграмма состояния системы «вода+соль+газ»

200
400
200
600
Пар + кристаллы
Кривая кипения Н2О
Основой гидротермальных
флюидов обычно является вода
Кр. точка
Н22О
Кр. точки
Н2О+СО
5% NaCl
Кривая критических точек
системы вода+газ (СО2+Н2О)
Присутствие в системе NaCl или
некоторых других солей
600
«удлиняет» кривую кипения в
Кривые критических точек системы
область более высоких температур вода+соль+газ (Н2О+NaCl + СО2)
и давлений. Соответственно с этим
трансформируется кривая
критических точек тройной
ЖИДКОСТЬ
системы Н2О+NaCl+СO2 . На
диаграмме появляется поле
равновесия пар+кристаллы (NaCl), с
границы которой начинаются
1000
кривые кипения в бинарной
системе вода+соль
Область надкритического флюида
(плавного перехода от жидкости к
газу также смещается вместе с
положением критических точек
ГАЗ (пар)
Если в воде растворяется СО2,
то смещается положение
линии равновесия и
положение критических точек
в область более низких
температур и более высоких
давлений.
0
0
10%
15%
20%
25%
Р, бар
800оС

17. ПАРОВЫЕ ЗОНЫ В ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

18.

Температура
Кривая кипения
ПАР
Давление
p
Критическая
точка
Перепад
плотности
флюида на
фазовой границе
жидкость-пар на
изобарических
сечениях
ЖИДКОСТЬ
Эффективность
геохимического
В гидротермальных
системах с
жидкость-пар
падает между
с
паровыми
зонами на границе
p барьера
уменьшением
разности
зонами жидкости
и параплотностей
возникает
сосуществующих
жидкого и парового
геохимический барьер.
флюида. Плотности этих субстанций
выравниваются ближе к критической
точке.
t
t
t
t
t
Перепад плотности флюида на на фазовой границе
жидкость-пар на изотермических сечениях
r
Р
t
r

19.

Модель формирования паровой зоны при снижении
пъезометрического уровня гидротерм
100
200oC
150
5
10
P, бар
700
20
500
15

20.

Модель формирования паровой зоны при увеличении
температуры в нижней части разреза
100
200oC
150
5
10
P, бар
700
20
500
15

21. Геохимический барьер на границе паровой зоны (отложение кремнезема и адуляризация исходных туфов)

K-14
R-1
600
K-13
K-16
100
170
180
150
500
190
400
200
300
160
200
100
H, м

22.

Распределение SiO2, Li, Rb, Au, Ag, As и отношение 87Sr/86Sr в разрезе скважины
К-13 Верхнего термального поля Паужетского месторождения парогидротерм
Граница паровой зоны, являющаяся геохимическим барьером, перемещается от поверхности на глубину,
что связано с понижением пьезометрического уровня термальных вод (гидротерм). На этом
геохимическом барьере происходит отложение растворенных в гидротермах компонентов, с чем и
связаны очень большие колебания их содержаний в породе.
SiO2 мас.%
50
0
100
200
300
400
Н, м
Li, мас.%
80 0
0,01
Rb, мас.%
Au, n x10-3 г/т
Ag, n x10-6 мас.%
As, n x10-3 мас.%
0
0
0
0
0,025
40
100
5
87Sr/ 86Sr,
703,5
n x10-3
704

23.

Модель пародоминирующего геотермального резервуара,
окруженного водонасыщенными породами по Д.Е.Уайту (White
et al., 1971)
Схематический разрез через пародоминирующую зону
Нижне-Кошелевского геотермального месторождения
(по М.В.Писаревой, 1987).
Схема паровой зоны вулкана Лассен Пик
(по Ingebritsen, Sorey, 1985)
Схематическое строение Мутновской геотермальной системы
(по А.И.Сережникову, 1987)
1 - магматический очаг
Мутновского вулкана; 2
- зона флюида; 3 перегретые воды; 4 зоны пара и
конденсации; 5 - сухие
прогретые породы; 6 магмовод вулкана
Горелый; 7 - кровля
олигоценовой толщи; 8 разломы; 9 - метеорные
потоки; 10 - восходящие
потоки магматического
флюида.

24.

ПАР (ГАЗ)
очень низкая
растворимость SiO2
Р-Т диаграмма (изоплеты в мас.%)
растворимости кремнезема в воде по
Кеннеди [1950] с незначительной
экстраполяцией.
Пик растворимости наблюдается в
жидкой воде вблизи зоны перехода
воды в газообразное состояние.
ЖИДКОСТЬ
Минимальная растворимость
наблюдается в области пара.
Общая тенденция такова, что
растворимость SiO2 в воде падает с
понижением температуры и давления

25. Диаграмма изменения растворимости SiO2 при прорыве из пластичной зоны в хрупкую (интерпретация данных Кеннеди [ 1950].

При дальнейшем подъеме
гидротермального раствора в зону пара
сброс SiO2 происходит постепенно.
Половина растворенного кремнезема будет
сброшена из раствора в виде геля, из
которого уже потом образуются
кристаллические формы SiO22.
Растворимость SiO2 во флюиде в зоне
пластических деформаций равна 0,2 мас.%,
а при прорыве в хрупкую зону становится
0,1, т.е. уменьшается в два раза.
Предполагаемая
траектория движения
флюида на Р-Т диаграмме
Изменение концентрации SiO2 в процессе
подъема раствора и прорыве из зоны
пластичности в зону хрупкости.
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30

26.

РЕОЛОГИЯ КОРЫ И МАНТИИ

27.

Без исключения для всех
эндогенных процессов
важны реологические
свойства коры мантии и всей
Земли в целом. Для каждых
конкретных
геодинамических
обстановок характерны свои
реологические условия
1
2
3
Растяжение утонение и океанизация литосферы
РЕОЛОГИЯ (от греческого ρέος,
«течение, поток» и -логия) — раздел
физики изучающий деформации и
текучесть вещества. Любой кристалл
или агрегат кристаллов при
определённых условиях может быть
пластически деформирован.
Пластическая деформация кристаллов
реализуется посредством
направленного движения в нём
дислокаций и вакансий. Под действием
на кристалл внешней силы в объёме
кристалла появляются напряжения,
которые снимаются дефектами. Если
сила превышает некий порог, то
происходит хрупкое разрушение
объекта.
Последовательность изменения реологических свойств
литосферы в процессе распада континента –
рифтообразования (Corti et al., 2003)
1- профиль молодой стабильной четырехслойной
литосферы
2 - утоненной трехслойной литосферы
3 - океанизированной утоненной литосферы.
sм - прочность нижней части литосферной мантии.
Точки на графиках и вертикальные штриховые линии
показывают максимальную прочность литосферных слоев.
Горизонтальные штриховые линии — их глубину от
поверхности.
C - мощность коры; L- мощность литосферы.

28.

пластичной мантии поровый флюид
РЕОЛОГИЯ
ρέος,
находится(от
подгреческого
литостатическим
«течение,
поток» и -логия) — раздел
давлением.
физики изучающий деформации и
Флюид, находящий
в крупных
замкнутых
текучесть
вещества.
Любой кристалл
полостях,
имеющих
достаточную
или
агрегат
кристаллов
при
вертикальную
протяженность,
может
определённых условиях может
быть
находиться
под
давлением
пластически деформирован.
превосходящим
литостатическое,
что
Пластическая
деформация
кристаллов
обеспечиваетпосредством
миграцию полостей вверх.
реализуется
При прорыве в область хрупких
направленного движения в нём
деформаций происходит декомпрессия,
дислокаций
и вакансий. Под действием
адиабатическое охлаждение и сброс
нарастворенного
кристалл внешней
силы в объёме
вещества.
кристалла появляются напряжения,
которые снимаются дефектами. Если
сила превышает некий порог, то
происходит хрупкое разрушение
объекта.
0
300
0
Хрупкая кора
Хрупкая кора
Без исключения для всех
В пределах хрупкой
коры флюид
эндогенных
процессов
находится в открытых на поверхность
важны
реологические
тектонических
нарушениях и, чаще всего,
под собственным
гидростатическим
свойства
коры
мантии и всей
давлением
Земли в целом. Для каждых
Разломы, возникающие в результате
конкретных
напряжений в хрупкой коре могут
временно проникать в область
геодинамических
пластических деформаций. Однако там
обстановок
характерны
свои
они достаточно быстро
«залечиваются».
реологические
условия
В пределах пластичной коры и
Пластичная кора
и мантия
Плавный переход от
хрупкого к пластичному
состоянию в условиях
низов коры и верхов
мантии
Пластичная
кора и
мантия
Пластичная
мантия
50

29.

пластичной мантии поровый флюид
РЕОЛОГИЯ
ρέος,
находится(от
подгреческого
литостатическим
«течение,
поток» и -логия) — раздел
давлением.
физики изучающий деформации и
Флюид, находящий
в крупных
замкнутых
текучесть
вещества.
Любой кристалл
полостях,
имеющих
достаточную
или
агрегат
кристаллов
при
вертикальную
протяженность,
может
определённых условиях может
быть
находиться
под
давлением
пластически деформирован.
превосходящим
литостатическое,
что
Пластическая
деформация
кристаллов
обеспечиваетпосредством
миграцию полостей вверх.
реализуется
При прорыве в область хрупких
направленного движения в нём
деформаций происходит декомпрессия,
дислокаций
и вакансий. Под действием
адиабатическое охлаждение и сброс
нарастворенного
кристалл внешней
силы в объёме
вещества.
кристалла появляются напряжения,
которые снимаются дефектами. Если
сила превышает некий порог, то
происходит хрупкое разрушение
объекта.
0
300
0
Хрупкая кора
Хрупкая кора
Без исключения для всех
В пределах хрупкой
коры флюид
эндогенных
процессов
находится в открытых на поверхность
важны
реологические
тектонических
нарушениях и, чаще всего,
под собственным
гидростатическим
свойства
коры
мантии и всей
давлением
Земли в целом. Для каждых
Разломы, возникающие в результате
конкретных
напряжений в хрупкой коре могут
временно проникать в область
геодинамических
пластических деформаций. Однако там
обстановок
характерны
свои
они достаточно быстро
«залечиваются».
реологические
условия
В пределах пластичной коры и
Пластичная кора
и мантия
Декомпрессия, адиабатическое
охлаждение и сброс растворенного
вещества.
Плавный переход от
хрупкого к пластичному
состоянию в условиях
низов коры и верхов
мантии
Пластичная
мантия
50

30.

I
Конвекция с промыванием
всего пагматического очага
при его кристаллизации
II
Конвекция с промыванием
верхней части очага при его
кристаллизации
Конвекция гидротерм над
III
глубинным очагом, находящимся
в зоне пластичности
Зона хрупких
Очаг
деформаций
Зона хрупких
деформаций
Зона хрупких
деформаций
Гидростатическое давление
флюида
Гидростатическое давление
флюида
Гидростатическое давление
флюида
Магматогенно-гидротермальные системы областей
Очаг
современного
вулканизма Зона кондуктивного
теплопереноса от очага и перенос
вещевтва (растворов путем
миграции флюидных полостей)
Зона пластичных деформаций
Зона пластичных деформаций
Зона пластичных деформаций
Литостатическое
давление флюида
Литостатическое
давление флюида
Литостатическое
давление флюида
Очаг

31.

Dr=0.03 г/см3
Плотность водного флюида при
прорыве из зоны пластических
деформаций в зону хрупкости
пород резко уменьшается, что,
соответственно, уменьшит и его
растворяющуя способность.
Произойдет мгновенный сброс
растворенного минерального
вещества и, вероятнеее всего, в
коллоидной форме.

32.

Dr=0.1 г/см3

33.

С увеличением глубины
упруго-пластического
перехода, соответственно
увеличивается и перепад
давлений и плотности при
прорыве флюида в зону
хрупкости.
Dr=0.18
Dr=0.18г/см
г/см33

34.

35.

36.

37.

38.

39.

СОВРЕМЕННЫЕ
ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
Паровые зоны
и их динамика

40.

Физические свойства вмещающих пород и их влияние на
динамику магмы

41.

Схематическая диаграмма, поясняющая образование ИД в магматической колонне
Шкала общего давления, Р
Величина ИД в голове
колонны определяется
плотностями магмы,
вмещающих пород и
вертикальной
протяженностью колонны.
DPпов2.
(ИД)
DPпов1. (ИД)
действующее на очаг
Глубина от поверхности, h
Литостатическое Р,
гидроразрыв
Такова величина ИД в
голове колонны при выходе
ее на поверхность
DPглуб1. (ИД)
На разных глубинных
уровнях в голове
поднимающейся путем
гидроразрыва колонны
избыточное давление
различно.
Для очагов с разной
глубиной избыточное
давление также различно.
Большей глубине,
соответствуeт большее ИД
Очаг магмы
Pгидр. магмы
Такое давление может создать столб
магмы в недеформируемой полости
протяженной с основания колонны
до поверхности
При возникновении
избыточного давления,
породы в голове колонны
испытывают гидроразрыв,
что обеспечивает
продвижение магмы вверх
по разрезу.
P
= Р магмы
P литост. в литост.
основании
магматической камеры