Геохимическое моделирование гидротермального преобразования перидотитов медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов

Новоселов, Алексей Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геохимическое моделирование гидротермального преобразования перидотитов медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов
ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Геохимическое моделирование гидротермального преобразования перидотитов медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов"

На правах рукописи

НОВОСЕЛОВ Алексей Александрович

ГЕОХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРИДОТИТОВ МЕДЛЕННО-СПРЕДИНГОВЫХ СРЕДИННО-ОКЕАНИЧЕСКИХ ХРЕБТОВ

Специальность:

25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 6 ЛЕН 2010

Москва-2010

004618264

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Ордена Ленина и Ордена Октябрьской революции Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИРАН)

Научные руководители:

доктор геолого-минералогических наук С.А. Силантьев (ГЕОХИ РАН), кандидат геолого-минералогических наук М.В. Мироненко (ГЕОХИ РАН)

Официальные оппоненты:

доктор химических наук Б.Н. Рыженко (ГЕОХИ РАН),

доктор геолого-минералогических наук, профессор Д.В. Гричук (МГУ)

Ведущая организация: Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Защита состоится 22 декабря 2010 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.109.02 при Учреждении Российской академии Наук Ордена Ленина и Ордена Октябрьской революции Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН), по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Косыгина, 19. Факс: (495)938-20-54

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГЕОХИ РАН Автореферат разослан "/5" ноября 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Вещественный состав литосферы медленно- и ультрамедленно-спрединговых срединно-океанических хребтов (СОХ), свидетельствует о ярко выраженной специфике геодинамического режима формирования этих планетарных объектов, проявленной в физико-химических параметрах магматических, метаморфических и гидротермальных процессов, участвующих в образовании комплексов пород и связанных с ними гидротермальных проявлений на огромных площадях океанического фундамента в бассейнах Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого океанов.

Характерной особенностью медленно-спрединговых хребтов Мирового океана является широкое распространение в их гребневых зонах (включая борта рифтовой долины) протяженных обнажений мантийных перидотитов, которые являются непременным компонентом строения океанической коры Хессов-ского типа. Резкие различия, существующие между вещественным обликом разреза коры этого типа и «нормального» (Пенроузского) разреза гребневых зон высокоскоростных центров спрединга (например, Восточно-Тихоокеанского поднятия), определяют геохимическую специфику гидротермальных процессов, участвующих в образовании комплексов пород и связанных с ними гидротермальных проявлений в мировой системе медленно- и ульт-рамедпенно-спрединговых СОХ. По причине широкого распространения обнажений мантийных перидотитов в гребневой зоне медленно-спрединговых СОХ взаимодействие этих пород с морской водой и ее гидротермальными дериватами влияет на планетарные геохимические циклы и на баланс вещества в глобальных системах гидросфера-литосфера и кора-мантия.

ными рудоносными гидротермальными источниками (Ашадзе - 355°С [Shipboard..., 2007], Логачев - 353°С, Рэйнбоу - 365°С [Douville et al., 2002]), описано уникальное безрудное низкотемпературное поле Пост Сити, температура растворов которого в зоне их истечения на поверхности дна океана не превышает 40 - 90°С [Kelley et al., 2005]. Стенки безрудных гидротермальных шпиле-образных построек на этом поле состоят из брусита, арагонита и серпентина [Дубинина и др., 2007; Леин и др., 2007]. Еще более низкие температуры установлены для гидротермального флюида, просачивающегося сквозь маломощный чехол фораминиферовых илов, перекрывающих серпентинитовый массив подводной горы Салданья (гидротермальное поле Салданья) - 7 - 9°С [Dias, Barriga, 2006]. Все перечисленные выше гидротермальные поля расположены в гребневой зоне Срединно-Атлантического хребта (САХ): Ашадзе - 12°59'с.ш., Логачев - 14°45'с.ш., Лост Сити - 30°с.ш., Рэйнбоу - 36° 14'с.ш., Салданья - 36° З4'с.ш..

Поскольку кора Хессовского типа относится к наиболее примитивному типу океанической земной коры, слагающие ее комплексы пород и ассоциирующие с ними гидротермальные рудопроявления могут служить эталонными объектами для реконструкции условий петрогенезиса на начальных стадиях заложения океанических бассейнов, а также на ранних этапах формирования земной литосферы в целом.

Существующие данные позволяют констатировать, что гидротермальные системы срединно-океанических хребтов независимо от типа корового субстрата, в котором они располагаются, характеризуются сходным строением циркуляционной ячейки и включают следующие главные элементы: 1) нисходящую ветвь, 2) корневую (или реакционную) зону, 3) восходящую ветвь с зоной разгрузки в устье подводящего гидротермальный флюид канала. Следует заметить, что в силу отсутствия эмпирических данных о строении корневой зоны и составе проникающего сюда гидротермального флюида, представления о характере процессов и балансе вещества на этом уровне разреза современной океаниче-

ской коры могут базироваться, главным образом, на экспериментальных данных и результатах расчетного моделирования. Цели работы

Целями настоящего исследования являются кинетико-термодинамическое моделирование взаимодействия морской воды и ее метаморфизованных флюидных дериватов с коровым субстратом медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов, а также оценка геохимических и минералогических эффектов, связанных с подъемом гидротермального флюида к поверхности морского дна и с его смешением с морской водой.

Для достижения этих целей решались следующие задачи:

1. Реконструкция последовательности минералообразования и эволюции химического состава флюида океанических гидротермальных систем, ассоциированных с перидотитовым субстратом медленно-спрединговых СОХ;

2. Определение температурного интервала, соответствующего эффективной серпентинизации перидотитового субстрата медленно-спрединговых хребтов;

3. Выяснение причин формирования вторичной вкрапленной рудной минерализации, характерной для многих серпентинизированных абиссальных перидотитов;

4. Определение условий, сопутствующих накоплению рудного вещества в зонах разгрузки высокотемпературных гидротермальных систем и условий формирования безрудных гидротермальных построек систем, связанных с перидотитовым субстратом медленно-спрединговых СОХ;

5. Верификация результатов численного моделирования. Научная новизна

1. Впервые применена методика кинетико-термодинамического моделирования для оценки развития и эволюции гидротермальной системы в перидотито-вом субстрате медленно-спрединговых СОХ. Реконструирована последовательность минералообразования и эволюция химического состава океанического

гидротермального раствора при просачивании флюида морского происхождения сквозь разрез океанической коры Хессовского типа;

2. В результате численного моделирования был определен температурный интервал внутри разреза океанической коры, соответствующий эффективной сер-пентинизации перидотитового субстрата медленно-спрединговых хребтов;

3. Обоснован механизм формирования вторичной вкрапленной рудной минерализации, характерной для серпентинизированных абиссальных перидотитов;

4. Определены условия отложения рудного вещества в зонах разгрузки высокотемпературных гидротермальных систем и предложен механизм формирования безрудных гидротермальных построек систем в перидотитовом субстрате медленно-спрединговых СОХ;

5. Сопоставление полученных результатов с данными об эволюции минерального состава океанических перидотитов и с составами флюида и минералогией гидротермальных построек гидротермальных полей Ашадзе, Логачев, Лост Сити, Рэйнбоу и Салданья показало их хорошее соответствие. Практическая ценность

Полученные результаты предпринятого моделирования могут быть использованы при прогнозе современных сульфидно-колчеданных рудопроявле-ний срединно-океанических хребтов и при изучении месторождений, ассоциированных с офиолитовыми комплексами палеоколлизионных зон. Данные, полученные в ходе проведенного исследования, позволили прийти к важному выводу о том, что эффективное рудоотложение в зонах разгрузки гидротермальных систем, связанных с серпентинитами, происходит только в зоне смешения высокотемпературного гидротермального флюида с морской водой. Установлено также, что рудная минерализация в подводящих каналах подобных гидротермальных систем, независимо от температуры флюида, отсутствует. Важным практическим результатом данной работы является описание механизма формирования вторичной вкрапленной рудной минерализации при просачивании

гидротермального флюида сквозь ультраосновной серпентинизируемый субстрат.

Фактический материал

При расчетном моделировании в качестве реперных объектов использовались данные и коллекции образцов, собранные в рейсах НИС «Профессор Логачев», «Академик Мстислав Келдыш», «Pourquoi Pas?», «Академик Борис Петров», проводившихся в различные годы: 1985 - 2007. Личный вклад автора

1) Разработка понятийной пространственно-временной модели гидротермальной циркуляции внутри океанической коры Хессовского типа; 2) Проведение численного моделирования; 3) Анализ, систематизация и обобщение полученных результатов; 4) Синтез существующих данных о геохимических, минералогических и физико-химических особенностях гидротермальных систем, расположенных в перидотитовом субстрате; 5) Верификация результатов моделирования на примере природных объектов: гидротермальные поля С АХ, связанные с серпентинитами. Апробация работы

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах «Петрология» и «Геохимия».

РАН, 2004, 2008), «Семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии» (Москва, ГЕОХИ РАН, 2009), «российской конференции молодых ученых, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца» (С.-Петербург, СПГУ, 2007, 2010, Апатиты, КНЦ РАН, 2008, Петрозаводск, КарНЦ РАН, 2009) и на международной конференции «АЬвгаёСоп 2010» (Тал-берг, Швеция, 2010). Диссертант является также соавтором тезисов на международной конференции «Гольдшмидт 2009» (Давос, Швейцария, 2009). Структура и объем работы

Содержание работы изложено в четырех главах.

Первая глава посвящена методике термодинамического моделирования гидротермальных систем СОХ и состоит из четырех разделов. В первом разделе приводится обзор наиболее важных работ, посвященных моделированию гидротермальных систем СОХ. Раздел 1.2 описывает структуру аппарата моделирования, в нем кратко изложен, использовавшийся при расчетах, метод проточного ступенчатого реактора, метод расчета равновесного состава систем посредством минимизации свободной энергии и методика описания протекания химических превращений во времени, реализованная в программном комплексе СеосЬеч [Мироненко и др., 2008]. В разделе 1.3 описываются базы термодинамических и кинетических констант, использовавшиеся при моделировании. В разделе 1.4 рассмотрены основные факторы, влиявшие на точность вычислений при моделировании. Раздел 1.5 посвящен методическим аспектам применения термодинамического моделирования с использованием кинетических параметров конгруэнтного растворения минералов на примере расчета необратимой эволюции системы гранит-вода.

ченных результатов моделирования взаимодействия в системе перидотит-морская вода, в том числе, динамики растворения первичных породообразующих минералов, фазовых превращений во вмещающих перидотитах и изменения состава гидротермального флюида. В разделе 2.3 описаны закономерности переотложения рудного вещества на нисходящей ветви гидротермальных систем СОХ: оценка концентраций рудных компонентов флюида в корневой зоне и причины частичной потери рудного вещества флюидом.

В третьей главе рассмотрены результаты, полученные при моделировании восходящей ветви гидротермальной циркуляционной ячейки. В разделе 3.1 приводятся модельные сценарии подъема гидротермального флюида. Раздел 3.2 посвящен расчету адиабатического охлаждения, как основного фактора изменения состава поднимающегося рудоносного флюида в толще коры. В разделе 3.3 изложены результаты моделирования смешения с морской водой гидротермальных флюидов, поднимающихся с различных уровней глубинности корово-го разреза. В данном разделе также моделируются минералогические следствия простого нагрева морской воды без ее смешения с флюидом, имеющие место в зонах выхода гидротермального раствора на поверхность морского дна.

Четвертая глава посвящена сопоставлению полученных результатов моделирования с эмпирическими и экспериментальными данными о фазовых превращениях в гидротермально-измененных перидотитах, минералогии гидротермальных построек и флюидоподводящих каналов и о составах гидротермальных флюидов подводных гидротерм.

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в предыдущих главах. Кроме того, работа содержит список цитируемой литературы (121 наименование) и приложения.

Текстовый и иллюстративный материал изложен на 136 страницах (115 -основной текст, 21 - приложение) и включает 41 рисунок, 7 таблиц в основном тексте и 9 рисунков и 1 таблицу в приложении.

Благодарности

Считаю своим долгом выразить благодарность всем людям, которые помогали мне при подготовке работы, прежде всего, моим руководителям - д. г.-м. н. С.А. Силантьеву (ГЕОХИ РАН) и к. г.-м. н. М.В. Мироненко (ГЕОХИ РАН); д. г.-м. н. Б.А. Базылеву (ГЕОХИ РАН) - за полезные консультации и помощь в оценке исходного минерального и химического состава типичного шпинелево-го гарцбургита медленно-спрединговых хребтов и д. х. н. В.Б. Полякову (ИЭМ РАН) - за консультации и предоставленную программ)', которая использовалась для расчета адиабатического охлаждения флюида.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №06-05-64003, №08-0500164 и №09-05-00008, а также программы Президиума РАН "Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология" (Тема -"Взаимодействие магматических и гидротермальных систем в океанической литосфере и полезные ископаемые") и программы Президиума РАН №24 "Происхождение биосферы и эволюция гео-биологических систем" (Подпрограмма 1. Тема - "Реконструкция условий формирования протокоры ранней Земли и ее роли в эволюции состава первичных атмосферы и гидросферы"). ГЛАВА 1. МЕТОДИКА ГЕОХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ СОХ

1.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ СОХ

Впервые модель, сочетающая описание нисходящей и восходящей ветвей гидротермальной системы СОХ, была реализована в работе Рида [Reed, 1983], где процесс гидротермальной циркуляции был представлен последовательностью из трех этапов: нагревание морской воды, ее изотермические реакции с базальтом и охлаждение раствора, сопровождающееся рудообразованием.

На настоящий момент наиболее подробно методика термодинамического моделирования гидротермальных систем СОХ изложена в фундаментальной монографии Д.В. Гричука [Гричук, 2000]. В этой работе применяется метод многоволнового проточного ступенчатого реактора. Гидротермальная циркуля-

ционная ячейка рассматривается как совокупность областей нисходящей и восходящей ветвей и зоны рудоотложения. В качестве объекта моделирования описывается взаимодействие морской воды с толеитовыми базальтами.

Первый опыт моделирования процесса изменения океанического ультраосновного субстрата при его взаимодействии с просачивающейся морской водой был предпринят в работе Силантьева с соавторами [Силантьев и др., 1992]. 1.2. СТРУКТУРА МОДЕЛИ

В принятой модели реализована имитация движения флюида через проницаемую породу в сочетании с расчетом химических взаимодействий флюид-порода на различных участках гидротермальной ячейки, характеризующихся соответствующими Р и Т. Проточный химический реактор

Применение аппарата равновесной термодинамики для расчета химических взаимодействий в динамических системах базируется на принципе локального или мозаичного равновесия Д.С. Коржинского. Согласно этому принципу, в неравновесной в целом системе вода-порода выделяются некоторые пространственные блоки, характеризующиеся на некоторое время определенными Т, Р и постоянным валовым химическим составом. В каждом из этих блоков достигается химическое равновесие, после чего водный раствор перемещается в следующий блок. Моделирование протекания химических превращений во времени

Полагается, что взаимодействие раствора с породой осуществляется через стадию растворения минералов, которая лимитирует скорость вторичного минералообразования и является значи-

/III ■ РФ

ТПР„

яР ,

BilOKN

Рис. 1.2.1. Моделирование протекания химических превращений флюид-порода во времени в блоке проточного реактора

тельно более медленным процессом, чем осаждение [Helgeson, 1968]. В рамках этой методики в качестве глобального параметра необратимого процесса используются степени протекания отдельных реакций растворения минералов, которые лимитируют скорость всего процесса, тогда как все остальные реакции считаются очень быстрыми, т.е. равновесными, и, соответственно, поддающимися расчету методами равновесной термодинамики (рис. 1.2.1).

Баланс системы на шаге по времени г вычисляется из текущего состава водного раствора и масс растворившихся за AtT минералов: Ь]г = +• Vfy где bjZ - атомное количество химического элементаj в сис-

теме, bj(T_i) - содержание элемента j в водном растворе на предыдущем шаге по времени Vjt - число стехиометрических единиц химического элемента j в формуле г-ого минерала, Axh - мольное количество минерала /, растворившееся на шаге по времени г, которое вычисляется как:

Axh = Siz-rir-Atz, где Siz - доступная для раствора площадь поверхности ¿-го минерала, г,г-текущая скорость растворения г-го минерала, моль-см"2-сек'', Att- продолжительность шага по времени, сек. Расчет скорости конгруэнтного растворения riz минерала i на шаге по времени г реализуется по формуле, представляющей собой комбинацию уравнения Лэйдлера для зависимости скорости растворения минерала от рН раствора, уравнения Аррениуса для температурной зависимости константы скорости растворения и уравнения Ласаги, описывающего замедление скорости растворения минерала при приближении к равновесию:

1, = + *. НЮ + KoH-{KwaH, )"]х exp[^|(jr " ¿j* " ехР

где £оя+, кСНг0, кЮИ_ ,п,т- кинетические константы и Ев - кажущаяся энергия активации реакции растворения. Значения этих параметров получены для многих породообразующих минералов [Brantley, 2004]. ajr и а - активности li и ОН' ионов в растворе, Т0 = 298.15°К.

(AGV \

1.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И КИНЕТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ

База данных программного комплекса GEOCHEQ содержит две группы параметров: термодинамические и кинетические. База термодинамических данных программного комплекса GEOCHEQ построена на основе SUPCRT92 [Johnson et al., 1992] и дополнена данными из [Shock et al, 1989; Shock et al-, 1997; Helgeson et al., 1978; Holland and Powell, 1998]. База данных программного комплекса GEOCHEQ в настоящее время содержит информацию по 194 минералам, 18 газам и 954 компонентам водного раствора [Мироненко и др., 2008]. База данных содержит также кинетические параметры конгруэнтного растворения основных породообразующих минералов при различных Г, Р и pH. Термодинамические данные позволяют рассчитывать равновесия в диапазоне температур 0-1000 °С и давлений 1-5000 бар [Johnson et al., 1992]. ГЛАВА 2. НИСХОДЯЩАЯ ВЕТВЬ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ЯЧЕЙКИ

2.1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОСАЧИВАНИЯ ФЛЮИДА СКВОЗЬ ОКЕАНИЧЕСКУЮ КОРУ

Физико-химическое моделирование гидротермального преобразования коры медленно-спрединговых хребтов опирается на имеющиеся данные о строении реальных геологических разрезов, о минеральном составе первичных и измененных пород, об изменении Р-Т условий с глубиной разреза, а также на представлениях о гидродинамике гидротермальной системы.

В настоящей работе в качестве объекта моделирования был использован упрощенный вариант разреза коры медленно-спредингового хребта Хессовско-го типа, целиком сложенный мантийными перидотитами, представленными шпинелевыми гарцбургитами (рис. 2.1.1). Такой разрез по строению близок к реально наблюдаемым разрезам в медленно- и ультрамедленно-спрединговых хребтах (САХ, хр. Гаккеля) [Dick et al., 2003].

Хессовский разрез по (Dick, Lin, Schouten, 2003)

Модельные строение и вещественный состав разреза океанической коры

Т = 4°С, Р = 0,4 кбар

Щ Базальты Щ Дайки диабазов | | Габбро Ц Дуниты gl Серпентиниты I Перидотиты

Spl- гарцбургит

Состав субстрата:

Si02 43,95

А1203 1,07

FsO 8,13

МдО 44,82

СаО 1,14

САХ, 15°-15°45'с,ш.; ЮЗИХ,9М6°в.д.; хр. Гаккеля, 3°-12°в.д.

74,3% Ol + 21,4%Орх + 3,7%Срх + 0.7% Spl

Т-500'.С. Р = 4 кбар

Рис. 2.1.1. (а) Обобщенная схема строения Хессовского разреза коры медленно-спредингового хребта по [Dick et al„ 2003], Юго-Западный Индийский хребет (ЮЗИХ). (б) Строение и состав исходного модельного разреза океанической коры, принятого в настоя* щей работе

Для оценки продолжительности взаимодействия раствора с породой на каждом уровне глубинности предложена простейшая гидродинамическая модель, согласно которой скорость просачивания варьирует от 0.5 м/год близ поверхности дна до 916 м/год близ корневой области гидротермальной системы. Средняя скорость просачивания гидротермального флюида составила 1.5 м/год, а общая продолжительность нахождения порции флюида на нисходящей ветви

циркуляционной ячейки около 8000 лет {рис. 2.1.2). Полученное значение средней скорости в общем согласуется с оценками других авторов: 3 м/год и 1000030000 лет [Baker et al, 1991], порядка 1000 лет [Тутубалин и Гричук, 1997], 1-5 м/год и менее 10000 лет [Elderfield et al, 1999], 0.3-30 м/год [Fisher, 2005].

h, м р.бар

• 3500 - 4000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 2000 4000 6000 8000 м t, годы

Рис. 2.1.2. Модельный образ нисходящей ветви системы перидотит-гидротермальный раствор. (а) Сечение конусообразного гидротермального реактора в диапазоне глубин корового разреза, R - расстояние от оси хребта; (б) изменение времени взаимодействия вмещающего перидотита с гидротермальным флюидом в зависимости от глубины разреза (температура и давление)

Изменение температуры с глубиной, принятое в модели, соответствует ходу геотермы в осевой зоне САХ [Sleep, 1978] и согласуется с Р-Т параметрами метаморфизма гипербазитов [Базылев, 1992; Andreani et al, 2007]. Оцененные максимальные значения температуры и давления в корневой части конвективной ячейки в целом соответствуют наблюдаемой температуре гидротермального флюида, изливающегося на поверхность морского дна, с учетом его адиаба-

2000 4000 6000 SOOO

• 1000

■ 1500

■ 2000

■ 2500

■ 3000

тического охлаждения.

2.2. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И БАЛАНСА ВЕЩЕСТВА В ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ, РАСПОЛО-

СУБСТРАТЕ МЕДЛЕННО-

Растворение первичных породообразующих минералов

Скорости растворения первичных минералов вдали от равновесия монотонно возрастают с увеличением температуры на протяжении всего разреза (рис. 2.2.1). До уровня глубинности, соответствующего 107°С, скорости растворения первичных породообразующих минералов очень малы за исключением

1е-12 1е-10 1е-8 1е-6 1е-4 1е-2 1 е+0

Скорость растворения минерала, моль/(м!*сек) ПИррОТИНа. При увеЛИЧеНИИ

Рис. 2.2.1. Изменение скорости растворения пер- температуры и давления наи-вичных минералов" вдали от равновесия большей скоростью растворения

характеризуется оливин, наиболее устойчивым на всем протяжении разреза остается ортопироксен.

Фазовые превращения во вмещающих перидотитах

На рис. 2.2.2 представлена схема последовательности минералообразова-ния при взаимодействии просачивающегося сквозь модельный разрез гидротермального флюида со шпинелевым гарпбургитом. Представленная картина

Здесь и далее приняты следующие обозначения для минеральных фаз: Ant - антигорит, Аг -арагонит, Вг - брусит, СШ - хлорит, Chr - хризотил, Di - диопсид, Dol - доломит, Fa - фаялит, Fe-Act - Fe-актинолит, Fo - форстерит, Gt - гетит, Hem - гематит, Mt - магнетит. Mg-Sap - Mg-сапонит, Na-Sap - Na-сапонит, 01 - оливин, Орх - ортопироксен, Руг - пирит, Prt - пирротин, Spl - шпинель, Та - тальк, Тг - тремолит.

ЖЕННЫХ В ПЕРИДОТИТОВОМ СПРЕДИНГОВЫХ СОХ

соответствует вторичному минералообразованию, ассоциированному с прохождением второй волны флюида. При прохождении последующих волн границы минеральных ассоциаций постепенно смещаются вниз по модельному разрезу.

Глубина, М Т,°С - Р, бар

. 511 -1 1022 - ----ЗФ

1533 - • •

II 2044 : • »

2555 : • •

3066 - • •

3577 - • ;' •

III 4088 - • 1 •

4599 - • •

5110 - • •

5621 -

6132 : • •

6643 - • • •

7154 - • • в

IV 7665 - • • т

8176 J • • в

8687 • • •

9198 - • • •

9709 : • •

„ 10220 -

v 10731 •

11242 -

1 Ant 1 1 I 1 1 Br Chi Di

-1---1-1-Г-i-П-I-г~

Fa | Fo Gt Нет Mt я ^ Руг Prt Spl £ | i , Минералы

Рис. 2.2.2. Фазовые превращения в модельном перидотите при его взаимодействии с гидротермальным флюидом второй волны на нисходящей ветви гидротермальной ячейки

Полученные расчетные данные позволяют выделить последовательность возникновения на фоне повышения температуры и давления, соответствующих различным уровням глубинности, следующих характерных минеральных фаций гидротермально измененных перидотитов медленно-спрединговых СОХ: (I) арагонит + гетит + сапонит; (II) хризотил + гематит + пирит; (III) хризотил + магнетит + пирротин; (IV) антигорит + тремолит + магнетит + пирротин и (V) тальк + тремолит + оливин + магнетит + пирротин. Минеральные ассоциации, полученные в рамках настоящей модели, соответствуют следующим типам флюидного режима, характерным для коры медленно-спрединговых хребтов: I -зона резкоокислительного (фяюидодоминирующего) режима, II - зона умерен-

ноокислительного режима и III-V - зона восстановительного (порододомини-рующего) режима.

Одной из задач моделирования была оценка условий, необходимых для протекания эффективной серпентинизации ультраосновного субстрата медлен-но-спрединговых СОХ в различных Р-Т условиях. Результаты расчетов показали, что степень серпентинизации перидотитов (ЙВ = серпентин/порода, %) за счет низкотемпературного взаимодействия с морской водой при их экспонировании на поверхности океанического дна остается исключительно низкой (ББ = 0.11) даже по прошествии 10000 лет. Серпентинизация становится эффективной (ББ * 70) лишь при температуре порядка 130 - 150°С приблизительно после 5000-летнего гидротермального взаимодействия. Изменение состава гидротермального флюида

При гидротермальном изменении перидотитового субстрата химический состав флюида существенно трансформируется. На границе зон умеренно-окислительного и восстановительного режимов возрастают концентрации растворенных восстановленных газов Н2, СН4 и Н2$ и уменьшается содержание карбонат- и сульфат-ионов. рН раствора в температурном интервале 19 - 129°С возрастает, достигая значения порядка 10, при 129 - 284°С остается достаточно высоким (порядка 8), в высокотемпературной части системы (306 - 482°С) понижается до 5. Содержание магния во флюиде последовательно снижается. Минерализация гидротермального раствора, по мере его просачивания сквозь ультраосновной субстрат, и концентрация хлора постепенно возрастают, что обусловлено расходованием воды на гидратацию.

2.3. ПЕРЕОТЛОЖЕНИЕ РУДНОГО ВЕЩЕСТВА НА НИСХОДЯЩЕЙ ВЕТВИ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ СОХ

Оценка концентраций рудных компонентов флюида в корневой зоне

В модели было принято, что цинк, медь и свинец содержатся в породе в рассеянном состоянии: 2п - 45 ррт, Си - 10 ррт и РЬ - 0.28 ррт. Поэтому их

доступность гидротермальному раствору на нисходящей ветви определялась количеством породы, растворенной в каждом блоке.

Расчеты показали, что на некоторых уровнях нисходящей ветви флюид оказывается перенасыщенным рудными компонентами, поэтому значительная масса рудного вещества вновь переотлагается во вмещающих породах: эффективное обогащение вмещающей породы медью происходит при 107°С и 129°С, цинком - при 129°С и 195 - 217°С, свинцом - при 129°С. Возникает вкрапленная рудная минерализация (сфалерит, халькозин, галенит, самородная медь, борнит), характерная для многих серпентинизированных абиссальных перидотитов. Изменение насыщенной концентрации рудных элементов является сложной функцией температуры, давления, рН и состава раствора.

ГЛАВА 3. ВОСХОДЯЩАЯ ВЕТВЬ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ЯЧЕЙКИ

3.1. СЦЕНАРИИ ПОДЪЕМА

Морская вода

Область разгрузки

ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО

Для моделирования реакций в растворах на восходящей ветви были использованы составы флюидов, поступивших в корневые зоны различной глубинности в ходе прохождения второй волны. Были рассмотрены три возможных варианта расположения корневой зоны гидротермальной циркуляционной ячейки: 1) малоглубинный

ФЛЮИДА

5р/-гарцбургит

Рис. 3.1.1. Модельная схема восходящей ветви системы перидотит-гидротермальный флюид

(С) - Т = 107°С, Р = 1140 бар (глубина 2 км), 2) умеренно мало- глубинный (В) -Т = 151°С, Р = 1460 бар (глубина 3 км) и 3) глубинный (А) - Т = 500°С, Р = 4000 бар (глубина 11 км) (рис. 3.1.1).

3.2. АДИАБАТИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ КАК ОСНОВНОЙ ФАКТОР ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ПОДНИМАЮЩЕГОСЯ РУДОНОСНОГО ФЛЮИДА В ТОЛЩЕ КОРЫ

Таблица 3.2.1. Изменение температуры гидротермального В рамках данной

модели было принято, что основным фактором изменения свойств гидротермального флюида при его подъеме в толще океанической коры было его адиабатическое охлаждение. Для расчета адиабатического падения температуры флюида использовалась Международная система уравнений 1995 г. (IAPWS-95) для термодинамических свойств воды и водяного пара, предназначенная для промышленных расчетов [Wagner, Pruss, 2002]. Программа расчета по этой системе уравнений была любезно предоставлена В.Б. Поляковым (ИЭМ РАН). Расчет производился в два этапа: сначала по исходным (в корневой зоне) температуре и давлению рассчитывалась энтропия, затем по конечному давлению (Р = 0.4 кбар, гидростатическое давление на глубине океана 4 км) и энтропии рассчитывалась температура водного флюида в зоне разгрузки. Полученные с помощью этой программы температуры в зоне разгрузки для различных глубин корневых зон приведены в таблице 3.2.1.

3.3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СМЕШЕНИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ФЛЮИДА С МОРСКОЙ ВОДОЙ

Смешение высокотемпературного рудоносного флюида с морской водой (сценарий А)

Расчеты показали, что в высокотемпературной гидротермальной системе при подъеме 1 кг флюида в устье подводящего канала из него выделяется 0.08

флюида при адиабатическом охлаждении

Тип кор- Глубина Тнач» Рнач, Ркон, ТК0Н,

невой корневой °с кбар кбар °С

зоны зоны, км

С 2 107 1.14 0.4 84

В 3 151 1.46 0.4 122

А 11 500 4 0.4 365

молей газа (11 см при давлении 0.4 кбар), состоящего преимущественно из водорода (70%) и водяного пара (30%). Подъем флюида в толще коры сопровождался осаждением кварца (преобладает), дафнита, талька, пирротина.

разбавление

Рис. 3.3.1. Принятая в модели схема последовательного разбавления гидротермального флюида при его смешении с морской водой в зоне разгрузки

Процесс смешения гидротермального флюида с морской водой моделировался как серия последовательных добавок к флюиду постепенно возрастающих порций морской воды (рис. 3.3.1). При этом осажденные на каждой стадии смешения минералы выводились из системы. Смешение сопровождалось выделением газов, которые также выводились из системы.

Т,"С 330 270 220 175 145 120 95 80 65 50 25 10 5

Талые Пирротин Сфалерит Халькопирит Галанит Хризотил Брусит Са-сапокит Пирит Доломит

П-

iniii

Illllllt

■IIIIIIIIIIIIIIIIII»

—1-

_______ц,...

Н. I >Я.З >1.4

им »\у 0//3 > им (мм

Доло ^опоаон г.одг.! Рис. 3.3.2. Минералогия температурной зональности высокотемпературной гидротермальной постройки (сценарий А)

В зоне разгрузки высокотемпературного гидротермального флюида, по мере его смешения с морской водой и соответствующим падением температуры этой смеси, реализуется сле-

дующая последовательность осаждения минералов (рис. 3.3.2).

Подавляющая масса рудного вещества, представленного сфалеритом, пирротином, халькопиритом и галенитом, осаждается из высокотемпературного гидротермального флюида на самых начальных стадиях его смешения с морской водой при доле морской воды 0.1 - 0.3 и температуре 330 - 250°С, где реализуется следующая последовательность осаждения рудных фаз: пирротин сфалерит борнит халькопирит + галенит.

Изменение химического состава гидротермального флюида по мере его смешения с морской водой характеризуется следующими особенностями: 1) при доле морской воды 0.1 - 0.35 (Т = 330 - 220°С) кремниево-кальциево-натриевый состав флюида постепенно трансформируется в магниево-кальциево-натриевый, рудные интенсивно осаждаются из раствора, в первую очередь Ре и 2п\ 2) при доле морской воды 0.35 - 0.90 (Т = 220 - 25°С) содержание Н2, СН4 и ИГ^ в растворе резко снижается, начинают доминировать сульфат- и карбонат-ионы. Раствор становится кальциево-магниево-натриевым, содержание Си и РЪ монотонно снижается, отражая процесс разбавления; 3) при доле морской воды 0.90 - 0.99 (Т = 25 - 5°С) катионный состав флюида по своим характернее 110 90 75 60 50 40 35 30 25 20 10 5

Брусит Дафнит Клинохлор Сфалерит Галенит Халькопирит -Пирротин ■ Пирит -Кальцит Доломит -Са-сапонит

11Л и

стикам постепенно приближается к морской воде, содержание й' возрастает. Общая минерализация флюида монотонно снижается с 69.09 г/кг воды до

I 'II > < ! (

Допя мор(л;ои оидм

Рис. 3.3.3. Минералогия температурной зональности гидротермаль- 35.52 г/кг воды. ной постройки (сценарий В)

Смешение среднетемператуного безрудного флюида с морской водой (сценарий В)

При подъеме среднетемпературного безрудного флюида не происходит выделения газов и существенного осаждения минералов на стенках подводящих каналов. Отмечается лишь незначительное количество железистого хлорита (дафнита).

В ходе смешения флюида с морской водой и соответствующего понижения температуры реализуется следующая последовательность осаждения минералов (рис. 3.3.3).

Изменение химического состава гидротермального флюида по мере его смешения с морской водой (сценарий В) характеризуется следующими особенностями: 1) при доле морской воды 0.1 - 0.30 (Т = 110 - 90°С) в растворе преобладают растворенные газы Н2, Ш2Б и СН4. Флюид имеет кальциево-натриевый состав и обогащен относительно морской воды Са и Ре, обеднен 2) при доле морской воды 0.30 - 0.53 (Т = 90 - 58°С) растет доля сульфат- и карбонат-ионов, содержание Ш^З остается высоким. Происходит резкое снижение концентрации растворенного Ре, содержание Mg напротив быстро возрастает; 3) при доле морской воды 0.53 - 0.99 (Т = 58 - 5°С) раствор становится кальциево-магниево-натриевым. Общая минерализация флюида в ходе его смешения с морской водой монотонно снижается с 38.70 г/кг воды до 35.52 г/кг воды.

Смешение низко-

7",°С 75 60 50 Доломит(

40 35 30 25 20 15

Гематит Сфалерит Халькозин -

Гетит Са-Сапонит -

температурного флюида с морской водой (сценарий С)

В низкотемпературной мо-

0.1 0.25 0.4 0.8 0.6 0.7 0.73 0.1! 0.83 0.80 0.1)4 0.99

Доля морской ВОДЫ

Рис. 3.3.4. Последовательность осаждения минеральных фаз из Дельной системе, низкотемпературного гидротермального флюида (сценарий С) вследствие низких

содержаний растворенных рудных и петрогенных элементов, а также из-за несущественной амплитуды температуры, признаки минералообразования во флюидоподводящем канале отсутствуют.

В ходе смещения низкотемпературного флюида с морской водой реализуется следующая последовательность осаждения минералов (рис. 3.3.4).

В зоне выхода восходящей ветви на поверхность океанического дна низкотемпературный гидротермальный флюид обеднен относительно морской воды Mg, Ре, серой, углеродом и обогащен Са, 2п и РЬ. Уровень концентрации растворенных газов во флюиде низкотемпературной модельной системы близок к характерному для морской воды.

ГЛАВА 4. ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для оценки достоверности полученных результатов моделирования было проведено сравнение расчетных данных о фазовых превращениях в гидротермально-измененных перидотитах и эволюции состава гидротермального флюида с существующими эмпирическими данными для природных гидротермальных систем медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов. В качестве объ-

200 300 «00 609 «00 ектов сраВнения были Температура, "С г

„ ., „ ч ■ , использованы гидротер-

Рис. 4.1. Сводная фазовая диаграмма минеральных ассоциа- ^ у

ций в системе М%0 - $Ю2 - Н20 по [АпОгеат е/ а1, 2007]. III, мальные поля Ашадзе,

IV и V - характерные минеральные ассоциации гидротер- Логачев, Лост Сити,

малъно измененных перидотитов, полученные при моделиро- Рэйнбоу и Салданья,

вант расположенные в сег-

ментах САХ, сложенных корой Хессовского типа, преимущественно состоящей из серпентинизированных перидотитов.

Сопоставление расчетных и эмпирических данных о фазовых превращениях в гидротермально-измененных перидотитах

Сравнение экспериментальных, расчетных и эмпирических данных об эволюции минерального состава перидотитов СОХ (рис. 4.1) с полученными результатами моделирования гидротермального преобразовании ультраосновного субстрата (рис. 2.2.2) показало их хорошее соответствие полям устойчивости вторичных минералов.

Сопоставление расчетных и эмпирических данных о минералогии гидротермальных построек и флюидоподводящих каналов и о составах гидротермального флюида

Сравнение результатов моделирования (сценарий А) с составами флюида и минералогией построек высокотемпературных гидротермальных полей Ашадзе, Логачев и Рэйнбоу с учетом вариаций геохимических характеристик, как между отдельными гидротермальными полями, так и в результатах моделирования при последовательном прохождении десяти волн флюида, показало их хорошее соответствие по всем параметрам (таблица 4.1). То же самое можно отметить и при сопоставлении результатов моделирования среднетемпературной гидротер-

Таблща 4.2. Сравнение результатов моделирования (сценарий В) с геохимическими параметрами гидротермального поля Пост Сити__

Гидротермальное поле Результаты. Сценарий В

Лост Сити 2 волна

координаты 30°07'N, 42°07'W

Т, °С 40-90' 122

Н2, моль/кг Н20 <10"'-1.5*10"2"' 5.2*10'2

СЩ, моль/кг Н20 W* - 2*WJ"" 2.7*10"5

Ш23, моль/кг Н20 <6.4*10"3*"; 10"4-3*10-4"" 10"J

С1, моль/кг Н20 0.548"* 0.588

£8042', моль/кг Н20 10'J-4*10'i"" 3.4*10-"

Ме, моль/кг Н2О <10"J *; 1.9*10"^" 9.5* 10"5

Са, моль/кг Н20 <3*10-J"' 9.8* 10"*

Ка, моль/кг Н20 0.479 - 0.485 0.512

РН 9-1P"' 10.4

Ассоциация Брусит' " + Карбонат (Арагонит'' " + Кальцит ) + Серпентин Брусит + Карбонат (Кальцит + Доломит) + Са-Сапонит

Ссылки 'Kelley et al„ 2005; "Dubinina et al., 2007; "'Tivey, 2007; ""Konnetal., 2009

Таблица 4.1. Сравнение результатов моделирования (сценарий А) с геохимическими параметрами высокотемпературных гидротермальных

полей

Гидротермальные поля Результаты моделирования. Сценарий А

Ашадзе 1 Логачев 1 Рэйнбоу 2 волна 10 волна

координаты 12°S8'N, 44°50'W 14°45'N, 44°58'W ЗбоМХ 33°54'W

Т,°С 355' 353 "'; 346 "6 365 '" 365 365

Н2, моль/кг Н2О 8*10J - 1.9*10'2" 1.2*102- КУЮ2*6 1.3*10^ 1.6*10J" 2.2 1.1*10"2

СН4, моль/кг Н20 5*10J" 2.1*10'3*; 3.5*10"3'5 2.2*10J';2.5*101"; КЗПО"4 - 2.2* 10"3 *s 5.2*10"5 1.5* 10"5

Е1Ь8, моль/кг Н20 8*10^-9*10"*" Ю-3*; 8*10^ - 2.5*10"3"' *i;*4 2.5*10"J *; 1.2*10''"; 10"3'8 1.1 *10"2 8.3*10"*

С1, моль/кг Н2О 0.614 " 0.55 Г5 0.780"; 0.753'" 1.085 0.564

ЕЯОД моль/кг н2о 1.3* 10'3 "5 0" 1.8*10 22 7.2*10"14

Мд, моль/кг 1ЬО О'"''1 0'8 6.2* 10"* 5.4*10"5

Са, моль/кг Н20 2.8*10'2'"; 2.9*10"2*5 6.7*10"' '" 4.3*10"2 з.б*ю-2

Ыа, моль/кг Н20 0.438"'; 0.455 '5 0.553 '" 0.990 0.492

в], моль/кг 1ЬО 5*10'J- 10"2" 8*Ю"3"'; 8.6*103 ">; 5* 10 J - 1 (Г2 7*103" 1.8*10"2 8.4*10"3

Ре, моль/кг Н20 2.5 * 10"3""; 2.4* 10"3 "5 2.7* 10J "; 2.4* 102 *" 3.6*103 6.7*10"5

Си, моль/кг Н20 2.7* 10"5""; 4.4* 10"5 "5 3*10"5'; 1.4* 10"* 8 1.5*10'4 2.0*10"'

7.п, моль/кг Н20 2.9* 10"5 "*; 3.6* 10"5 "5 1.6*10^';*8 5.3*10"4 4.0* 10 8

РЬ, моль/кг Н20 Ю-'"'; 1.4*10 '*' 2.3-2.5*10'''; 1.48*10-''8 7.9*10-" 2.3*10-'

РН 3.9^.1 ' 3.3 *"; 3.9 "5; 4.3-4.9 2.8 ""; 4.9 "" 4.96 5.5

Минеральный состав рудных построек Сфалерит + Халькопирит + Ангидрит + Ky-банит Сфалерит + Халькопирит + Пирротин + Кубанит *• * + Борнит + Халькозин + Галенит Сфалерит + Халькопиритx %1 + Пирротин6' *7+ Кубанит'5, "6 + Борнит + Ангидрит*5 + Галенит'6 + Тальк + Серпентин7 Сфалерит + Халькопирит + Пирротин + Борнит + Галенит + Тальк + Серпентин

Ссылки "Shipboard..., 2007; Charlou et al., 2010 'Leinetal., 2001; "Charlou et al., 2002; "*Douville et al., 2002; ""Mozgova et al., 2005; ''Schmidt et al., 2007; *6Shipboard..., 2007; *7Charlou et al., 2010 'Donval et al., 1997; "Charlou et al., 2002; '"Douville et al., 2002; ""Allen and Seyfried, 2003; ,5Вихешъев, 2004; ''Mozgova et al., 2005; ''Marques et al., 2006; ,8Tivey, 2007

мальной системы (сценарий В) с составом флюида и минералогией построек гидротермального поля Лост Сита (таблица 4.2).

Возможным природным аналогом рассмотренной в модели низкотемпературной гидротермальной системы (сценарий С) является самое низкотемпературное из расположенных в серпентинитах гидротермальное поле Салданья. Данные по pH флюида и минералогии гидротермальных отложений этого поля [Dias et al., 2010] находятся в соответствии с результатами моделирования.

Сравнительный анализ данных природных наблюдений и результатов проведенного расчетного моделирования позволяет заключить, что рудная специализация и геохимические особенности гидротермальных флюидов, поступающих к зонам разгрузки гидротермальных полей, расположенных в перидотито-вом субстрате, зависят главным образом от температуры в корневой зоне гидротермальных систем.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Применение методики кинетико-термодинамического моделирования позволило реконструировать последовательность минералообразования и предложить схему минеральных фаций гидротермально измененных перидотитов, а также проследить пространственно-временную эволюцию химического состава гидротермального раствора при просачивании флюида морского происхождения сквозь разрез океанической коры хессовского типа;

2. Эффективная серпентинизация перидотитового субстрата медленно-спрединговых хребтов происходит на глубине разреза, соответствующей температуре 150 - 400°С и не реализуется в условиях поверхности океанического дна;

3. Значительный объем рудного материала, вовлеченного в гидротермальный обмен веществом между перидотитами и флюидом, переотлагается на нисходящей ветви гидротермальной системы, при этом возникает вкрапленная рудная минерализация, характерная для серпентинизированных абиссальных перидотитов.

4. Накопление рудного вещества в зонах разгрузки гидротермальных систем, связанных с серпентинитами, происходит только при высокой температуре флюида на выходе восходящей ветви циркуляционной ячейки. Деятельность умеренно низкотемпературных и низкотемпературных гидротермальных систем, связанных с перидотитовым субстратом, не приводит к концентрированию в зоне разгрузки рудного вещества и образованию рудных построек.

Список работ по теме диссертации

Статьи

1. Силантьев СЛ., Новоселов A.A., Мироненко М.В. Гидротермальные системы в перидо-титовом субстрате медленно-спрединговых хребтов. Моделирование фазовых превращений и баланса вещества: роль габброидов// Петрология (принята к печати);

2. Новоселов A.A., Силантьев С.А. Гидротермальные системы хадейского океана и их' влияние на баланс вещества в системе кора-гидросфера-атмосфера ранней Земли // Геохимия, 2010, №7, С. 1-13;

3. Силантьев С.А., Мироненко М.В., Новоселов A.A. Гидротермальные системы в перндо-титовом субстрате медленно-спрединговых хребтов. Моделирование фазовых превращений и баланса вещества: восходящая ветвь II Петрология, 2009, т.17, №6, С. 565 - 577;

4. Силантьев С.А., Мироненко М.В., Новоселов A.A. Гидротермальные системы в перидо-титовом субстрате медленно-спрединговых хребтов. Моделирование фазовых превращений и баланса вещества: нисходящая ветвь И Петрология, 2009, т.17, №2, С. 154 -174.

Тезисы

1. Новоселов A.A., Силантьев С.А. Опыт термодинамического моделирования формирования древнейших кор выветривания // Материалы XXI российской конференции молодых ученых, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца, СПб, 2010, С. 195 - 198;

2. A. Novoselov and S. Silantyev, Ancient weathering crust-hydrosphere system as environment of pre-biotic molecules appearance//AbGradCon 2010, Tallberg, pp. 57 - 58;

3. Новоселов A.A. О причинах потери рудного вещества флюидом гидротермальных систем СОХ // Геология, полезные ископаемые и геоэкология северо-запада России. Материалы XX российской конференции молодых ученых, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца, Петрозаводск, 2009, С. 109 -110;

4. S.A. Silantyev, M.Y. Mironenko, A.A. Novoselov, Serpentinite hosted hydrothermal systems of mid-ocean ridges: Kinetic and thermodynamic modeling of downwelling limb of a hydrothermal circulation cell // Goldschmidt Conference Abstracts 2009, p. Al 222;

5. Силантьев C.A., Мироненко M.B., Новоселов A.A. Минеральные и химические превращения в подводящих каналах и зонах разгрузки гидротермальных систем, расположенных в серпентинитах срединно-океанических хребтов // Russian-Ridge, VNIIOkeangeologia, St. Petersburg, June 2009, С. 25-26;

6. Новоселов A.A. Переотложение рудного вещества на нисходящей ветви гидротермальных систем СОХ // Russian-Ridge, VNIIOkeangeologia, St. Petersburg, June 2009, С. 22 - 23;

7. Новоселов A.A., Мироненко M.B. Взаимодействие гранита с водой при различных температурах. Результаты кинетико-термодинамического .моделирования // Вестник Отделения наук о Земле РАН, 2009, №1(27). URL: http://www.scgis.ru/russian/cpl251/h_dgggms/l-2009/informbul-l_2009/hydroterm-26.pdf;

8. Новоселов A.A., Силантьев С.А. Возникновение и ранняя эволюция атмосферы и гидросферы Земли // Геология и геоэкология: исследования молодых. Материалы XIX конференции молодых ученых, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца, Апатиты, 2008, С. 99 -103;

9. Силантьев С.А., Новоселов A.A., Мироненко М.В., Бибикова Е.В. Роль гидротермальных процессов в ранней истории Земли // Симпозиум "Происховдение и эволюция биосферы". Тезисы докладов, М., 2008, С. 59 - 60;

10. Новоселов A.A., Мироненко М.В., Силантьев С.А. Динамика вторичного минералообразования по результатам моделирования нисходящей ветви гидротермальной ячейки в коре Хессовского

типа СОХ // Металлогения древних и современных океанов - 2008. Рудоносные комплексы и рудные фации, Миасс, 2008, С. 31 - 36;

11. Новоселов А.А., Мироненко М.В., Силантьев С.А. Термодинамическое моделирование гидротермальных систем Архейского океана // Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии. Материалы XVIII молодежной научной конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца, СПб, 2007, С. 88 - 90;

12. Силантьев СЛ., Мироненко М.В., Новоселов А.А. Термодинамическое моделирование взаимодействия перидотита с морской водой в гидротермальных системах, расположенных в серпентинитах медленно-спрединговых хребтов // Russian-Ridge, GEOKHI, Moscow, June 2007, С. 51 - 52;

13. Новоселов А.А. Опыт термодинамического моделирования нисходящей ветви гидротермальной ячейки медленно-спрединговых СОХ с применением твердых растворов И Russian-Ridge, GEOKHI, Moscow, June 2007, С. 39 - 40;

14. Силантьев С.А., Новоселов А.А., Мироненко М.В., Беляцкий Б.В. Геохимические особенности и термодинамическое моделирование гидратации и карбонатизации мантийных перидотитов внутренних угловых поднятий САХ: пример 15°04'с.ш. (диапир Буго) // Russian-Ridge, June 2005, VNIIOkeangeologia, St. Petersburg, Russia, C. 15 -16;

15. Новоселов А. А. Фазовые изменения, баланс вещества и окислительно-восстановительные условия в процессе взаимодействия базальтов и перидотитов СОХ с морской водой // Металлогения древних и современных океанов - 2004. Достижения на рубеже веков. Т. 1. Проблемы металлоге-нического анализа, месторождения черных и цветных металлов, Миасс, 2004, С. 52 - 57;

16. Силантьев С. А., Новоселов А. А., Мироненко М. В., Базылев Б. А. Окислительно-восстановительный режим гидратации коры Хессовского юта И Рабочее совещание Российского отделения международного проекта InterRidge, Москва, 2003, С. 42;

17. Новоселов А. А., Мироненко М. В., Базылев Б. А., Силантьев С. А. Фазовые изменения, батане вещества и окислительно-восстановительные условия в процессе взаимодействия перидотитов СОХ с морской водой // VI Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле». Материалы конференции, т.2, Москва, 2003, С. 159;

18. Новоселов А. А. Геохимия взаимодействия ультраосновных пород СОХ с морской водой и закономерности рассеяния гидротермального материала // Материалы 10 Юбилейной Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов - 2003". Секция географии, Москва, 2003, С. 90;

19. Новоселов А. А. Гидротермальный процесс в ряфтовых зонах медленноспрединговых СОХ; опыт термодинамического моделирования // Тезисы докладов Первой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле, Новосибирск, 2002, С. 113 — 115;

20. Новоселов А. А. Формирование первичного гидротермального раствора в рифтовых зонах СОХ // Материалы 9 Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов - 2002". Секция географии, Москва, 2002, С. 86.

Отпечатано на ризографе вОНТИ ГЕОХИРАН Тираж 120 экз.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Новоселов, Алексей Александрович

Введение.

Актуальность темы исследования.

Цель работы.

Научная новизна.

Практическая ценность.

Фактический материал.

Личный вклад автора.

Апробация работы.

Структура и объем работы.

Благодарности.

Глава 1. Методика геохимического моделирования гидротермальных систем СОХ.

1.1. Моделирование гидротермальных систем СОХ.

1.2. Структура модели.

Проточный химический реактор.

Расчет химических взаимодействий.

Протекание химических превращений во времени.

1.3. Термодинамические и кинетические данные, использованные при моделировании.

Термодинамические константы.

Кинетические константы.

1.4. Проблема достоверности результатов моделирования.

Термодинамические расчеты.

Расчеты кинетики растворения минералов.

Принятые при моделировании упрощения.

1.5. Некоторые методические аспекты термодинамико-кинетического моделирования.

Исследуемая система.

Результаты.

Выводы.

Глава 2. Нисходящая ветвь гидротермальной циркуляционной ячейки

2.1. Гидродинамическая модель просачивания флюида сквозь океаническую кору.

Строение коры Хессовского типа.

Представления о гидродинамике системы.

2.2. Результаты моделирования взаимодействия перидотит - морская вода.

Растворение первичных породообразующих минералов.

Фазовые превращения во вмещающих перидотитах.

Изменение состава гидротермального флюида.

2.3. Переотложение рудного вещества на нисходящей ветви гидротермальных систем СОХ.

Оценка концентраций рудных компонентов флюида в корневой зоне.

Причины потери флюидом рудного вещества.

Глава 3. Восходящая ветвь гидротермальной циркуляционной ячейки

3.1. Сценарии подъема гидротермального флюида.

3.2. Адиабатическое охлаждение как основной фактор изменения состава поднимающегося рудоносного флюида в толще коры.

3.3. Результаты моделирования смешения гидротермального флюида с морской водой.

Смешение высокотемпературного рудоносного флюида с морской водой (сценарий А).

Смешение среднетемпературного безрудного флюида с морской водой (сценарий В).

Смешение низкотемпературного флюида с морской водой (сценарий

Глава 4. Верификация результатов моделирования.

Сопоставление расчетных и эмпирических данных о фазовых превращениях в гидротермально-измененных перидотитах.

Сопоставление расчетных и эмпирических данных о минералогии гидротермальных построек и флюидоподводящих каналов и о составах гидротермального флюида.

Защищаемые положения.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геохимическое моделирование гидротермального преобразования перидотитов медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов"

Актуальность темы исследования

Характерной особенностью медленно-спрединговых хребтов Мирового океана является широкое распространение в их гребневых зонах (включая борта рифтовой долины) протяженных обнажений мантийных перидотитов, которые являются непременным компонентом строения океанической коры Хессовского типа. Резкие различия, существующие между вещественным обликом разреза коры этого типа и «нормального» (Пенроузского) разреза гребневых зон высокоскоростных центров спрединга (например, Восточно-Тихоокеанского поднятия), определяют геохимическую специфику гидротермальных процессов, участвующих в образовании комплексов пород и связанных с ними гидротермальных проявлений в мировой системе медленно- и ультрамедленно-спрединговых СОХ. По причине широкого распространения обнажений мантийных перидотитов в гребневой зоне медленно-спрединговых СОХ взаимодействие этих пород с морской водой и ее гидротермальными дериватами влияет на планетарные геохимические циклы и на баланс вещества в глобальных системах гидросфера-литосфера и кора-мантия.

На протяжении последнего десятилетия активно исследуются гидротермальные поля, расположенные в перидотитовом субстрате современных океанических бассейнов. Физико-химические параметры связанных с ними гидротермальных флюидов существенно различаются. Наряду с высокотемпературными рудоносными гидротермальными источниками (Ашадзе — 355°С [Shipboard., 2007], Логачев - 353°С, Рэйнбоу - 365°С [Douville et al., 2002]), описано уникальное безрудное низкотемпературное поле Лост Сити, температура растворов которого в зоне их истечения на поверхности дна океана не превышает 40 - 90°С [Kelley et al., 2005]. Стенки безрудных гидротермальных шпилеобразных построек на этом поле состоят из брусита, арагонита и серпентина [Дубинина и др., 2007; Леин и др., 2007]. Еще более низкие температуры установлены для гидротермального флюида, просачивающегося сквозь маломощный чехол фораминиферовых илов, перекрывающих серпентинитовый массив подводной горы Салданья (гидротермальное поле Салданья) - 7 - 9°С [Dias, Barriga, 2006]. Все перечисленные выше гидротермальные поля расположены в гребневой зоне Срединно-Атлантического хребта (САХ): Ашадзе - 12°59'с.ш., Логачев - 14°45'с.ш., Лост Сити - 30°с.ш., Рэйнбоу - 36° 14'с.ш., Салданья - 36°34'с.ш.

Цели работы

Целями настоящего исследования являются кинетико-термодинамическое моделирование взаимодействия морской воды и ее мета-морфизованных флюидных дериватов с коровым субстратом медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов, а также оценка геохимических и минералогических эффектов, связанных с подъемом гидротермального флюида к поверхности морского дна и с его смешением с морской водой. Для достижения этих целей решались следующие задачи:

5. Верификация результатов численного моделирования.

Научная новизна

1. Впервые применена методика кинетико-термодинамического моделирования для оценки развития и эволюции гидротермальной системы в перидотитовом субстрате медленно-спрединговых СОХ. Реконструирована последовательность минералообразования и эволюция химического состава океанического гидротермального раствора при просачивании флюида морского происхождения сквозь разрез океанической коры Хессовского типа;

2. В результате численного моделирования был определен температурный интервал внутри разреза океанической коры, соответствующий эффективной серпентинизации перидотитового субстрата медленно-спрединговых хребтов;

5. Сопоставление полученных результатов с данными об эволюции минерального состава океанических перидотитов и с составами флюидов и минералогией гидротермальных построек гидротермальных полей Ашадзе, Логачев, Лост Сити, Рэйнбоу и Салданья показало их хорошее соответствие.

Практическая ценность

Полученные результаты предпринятого моделирования могут быть использованы при прогнозе современных сульфидно-колчеданных рудопрояв-лений срединно-океанических хребтов и при изучении месторождений, ассоциированных с офиолитовыми комплексами палеоколлизионных зон. Данные, полученные в ходе проведенного исследования, позволили прийти к важному выводу о том, что эффективное рудоотложение в зонах разгрузки гидротермальных систем, связанных с серпентинитами, происходит только в зоне смешения высокотемпературного гидротермального флюида с морской водой. Установлено также, что рудная минерализация в подводящих каналах подобных гидротермальных систем, независимо от температуры флюида, отсутствует. Важным практическим результатом данной работы является описание механизма формирования вторичной вкрапленной рудной минерализации при просачивании гидротермального флюида сквозь ультраосновной серпентинизируемый субстрат.

Фактический материал

При расчетном моделировании в качестве реперных объектов использо вались данные и коллекции образцов, собранные в рейсах НИС «Профессор Логачев», «Академик Мстислав Келдыш», «Pourquoi Pas?», «Академик Борис Петров», проводившихся в различные годы: 1985 - 2007.

Личный вклад автора

1) Разработка понятийной пространственно-временной модели гидротермальной циркуляции внутри океанической 'коры Хессовского типа; 2) Проведение численного моделирования; 3) Анализ, систематизация и обобщение полученных результатов; 4) Синтез существующих данных о геохимических, минералогических и физико-химических особенностях гидротермальных систем, расположенных в перидотитовом субстрате; 5) Верификация результатов моделирования на примере природных объектов: гидротермальные поля САХ, связанные серпентинитами. .

Апробация работы

По теме диссертации было опубликовано 4 статьи в журналах «Петрология» и «Геохимия».

Результаты исследований по теме диссертации представлены также в 20 опубликованных тезисах докладов и докладывались автором на «Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, МГУ, 2002, 2003), «Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле» (Новосибирск, ИГМ СО РАН, 2002), «Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, РГГРУ, 2003), «Рабочем совещании Российского отделения международного проекта ШегИс^е» (Москва, ГЕОХИ РАН, 2003; С.-Петербург, ВНИИОкеанология, 2005; Москва, ИГЕМ РАН, 2007; С.-Петербург, ВНИИОкеанология, 2009), научной молодежной школе «Металлогения древних и современных океанов» (Миасс, Институт минералогии УрО РАН; 2004, 2008), «Семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии» (Москва, ГЕОХИ РАН, 2009), «Российской конференции молодых ученых, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца» (С.-Петербург, СПГУ, 2007, 2010, Апатиты, КНЦ РАН, 2008, Петрозаводск, КарНЦ РАН, 2009) и на международной конференции «АЬСгасЮоп 2010» (Талберг, Швеция, 2010). Диссертант является также соавтором тезисов на международной конференции «Гольдшмидт 2009» (Давос, Швейцария, 2009).

Структура и объем работы

Содержание работы изложено в четырех главах.

Первая глава посвящена методике термодинамического моделирования гидротермальных систем СОХ и состоит из четырех разделов. В первом разделе приводится обзор наиболее важных работ, посвященных моделированию гидротермальных систем СОХ. Раздел 1.2 описывает структуру аппарата моделирования, в нем кратко изложен, использовавшийся при расчетах, ме тод проточного ступенчатого реактора, метод расчета равновесного состава систем посредством минимизации свободной энергии и методика описания протекания химических превращений во времени, реализованная в про» граммном комплексе ОЕОСНЕС) [Мироненко и др., 2008]. В разделе 1.3 описываются базы термодинамических и кинетических констант, использовавшиеся при моделировании. В разделе 1.4 рассмотрены основные факторы, влиявшие на точность вычислений при моделировании. Раздел 1.5 посвящен методическим аспектам применения термодинамического моделирования с использованием кинетических параметров конгруэнтного растворения минералов на примере расчета необратимой эволюции системы гранит-вода.

Вторая глава посвящена описанию результатов, полученных при моделировании нисходящей ветви гидротермальной циркуляционной ячейки и состоит из трех разделов. В разделе 2.1 рассмотрены строение модельного разреза и состав коры Хессовского типа, а также гидродинамическая модель просачивания флюида, принятые при моделировании. Раздел 2.2 посвящен описанию полученных результатов моделирования взаимодействия в системе перидотит-морская вода, в том числе, динамики растворения первичных по* родообразующих минералов, фазовых превращений во вмещающих перидотитах и изменения состава гидротермального флюида. В разделе 2.3 описаны закономерности переотложения рудного вещества на нисходящей ветви гид4 ротермальных систем СОХ: оценка концентраций рудных компонентов флюида в корневой зоне и причины частичной потери рудного вещества флюидом.

В третьей главе рассмотрены результаты, полученные при моделировании восходящей ветви гидротермальной циркуляционной ячейки. В разделе 3.1 приводятся модельные сценарии подъема гидротермального флюида. Раздел 3.2 посвящен расчету адиабатического 'охлаждения, как основного фактора изменения состава поднимающегося рудоносного флюида в толще коры. В разделе 3.3 изложены результаты моделирования смешения с морской водой гидротермальных флюидов, поднимающегося с различных уровней глубинности корового разреза. В данном разделе также моделируются минералогические следствия простого нагрева морской воды без ее смешения с флюидом, имеющие место в зонах выхода гидротермального раствора на поверхность морского дна.

Текстовый и иллюстративный материал изложен на 137 страницах (116

- основной текст, 21 — приложение) и включает 41 рисунок, 7 таблиц в основном тексте и 9 рисунков и 1 таблицу в приложении.

Благодарности

Считаю своим долгом выразить благодарность всем людям, которые помогали мне при подготовке работы, прежде всего, моим руководителям -д. г.-м. н. С.А. Силантьеву (ГЕОХИ РАН) и К. г.-м. н. М.В. Мироненко (ГЕОХИ РАН); д. г.-м. н. Б.А. Базылеву (ГЕОХИ РАН) - за полезные консультации и помощь в оценке исходного минерального и химического состава типичного шпинелевого гарцбургита медленно-спрединговых хребтов, д. х. н. В.Б. Полякову (ИЭМ РАН) — за консультации и предоставленную программу, которая использовалась для расчета адиабатического охлаждения флюида, и проф. Д.В. Гричуку (МГУ) - за полезное обсуждение и рекомендации.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №06-05-64003, №0805-00164 и №09-05-00008, а также программы Президиума РАН "Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология" (Тема

- "Взаимодействие магматических и гидротермальных систем в океанической литосфере и полезные ископаемые") и программы Президиума РАН №24 "Происхождение биосферы и эволюция гео-биологических систем" (Подпрограмма 1. Тема — "Реконструкция условий формирования протокоры ранней Земли и ее роли в эволюции состава первичных атмосферы и гидросферы").

Информация о работе

Новоселов, Алексей Александрович
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.09

Диссертация

Геохимическое моделирование гидротермального преобразования перидотитов медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Геохимическое моделирование гидротермального преобразования перидотитов медленно-спрединговых срединно-океанических хребтов - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы