Моделирование динамики тепломассопереноса и физико-химических процессов в гидротермальной системе В. Эбеко

Бессонова, Елизавета Павловна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Моделирование динамики тепломассопереноса и физико-химических процессов в гидротермальной системе В. Эбеко
ВАК РФ 25.00.04, Петрология, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование динамики тепломассопереноса и физико-химических процессов в гидротермальной системе В. Эбеко"

На правах рукописи

БЕССОНОВА Елизавета Павловна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ В. ЭБЕКО (КУРИЛЬСКИЕ ОСТРОВА)

25.00.04 - петрология, вулканология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск- 2004

Работа выполнена в Институте геологии Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук

Шарапов Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Изох Андрей Эмильевич доктор геолого-минералогических наук Кирюхин Алексей Владимирович

Ведущая организация Институт геохимии СО РАН, (г. Иркутск)

Защита состоится « 28 » декабря_2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.050.06 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН, в конференц-зале

Адрес: 630090, Новосибирск-90, пр. Ак. Коптюга, 3. Факс: (3832)33-27-92 E-mail: felix@uiggin.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГМ СО РАН.

Автореферат разослан « 26 » ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.г.-м.н.

Ф.П. Леснов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Фундаментальной проблемой магматической геологии и теории рудообразования является раскрытие количественных характеристик динамики отделения магматических флюидов при охлаждении малоглубинных магматических тел и последующей их фазовой и физико-химической эволюции при снижении температуры и давления в потоке, взаимодействия с вмещающими породами и смешении с метеорными водами в разрезах субаэральных вулканов. Актуальность построения модели следует как из фундаментальных проблем, так и из прикладных задач утилизации природных тепловых источников (Чудаев и др., 2000; Кирюхин и др., 1991). Поэтому в данной работе на основе изучения термальной системы в. Эбеко сделана попытка продвинуться в решении проблем динамики субаэральных вулканогенных флюидных систем на основе комплексного подхода, развиваемого в лаборатории моделирования эндогенных процессов Института геологии СО РАН, - сопряженного рассмотрения физики, тепло-массопереноса и физико-химии в гетерофазных открытых системах, а также элементов физико-химической динамики взаимодействия «флюид-порода».

Цель работы заключается в построении и верификации одномерной комплексной количественной модели динамики формирования магматогенной флюидной системы, связанной с охлаждением недосы-щенного по воде гранитоидного расплава в плоской малоглубинной магматической камере под слоистым вулканогенным разрезом.

Для достижения цели решались следующие задачи.

1) Модификация алгоритма для численного описания динамики ретроградного кипения котектических расплавов в малоглубинной магматической камере с «субаэральным» верхним граничным условием и получение параметров распределения температуры и давления в разрезе над магматической камерой при эволюции смешанной термальной системы.

2) Создание динамической физико-химической модели эволюции гете-рофазного магматогенного флюида при его подъеме от границы отделения на фронте солидуса в малоглубинном магматическом теле до поверхности с учетом смешения с поровыми растворами.

3) Построение геохимической модели формирования комплекса термальных вод вулкана Эбеко из единого глубинного источника.

Защищаемые положения. 1) В субаэральных андезитовых вулкано-плутонических магматических системах область фильтрации надкритического магматогенного водного

ется после формирования зоны эндоконтактовых изверженных пород при начальном содержании воды в расплаве не менее 0.6-0.7 мас. %. Время существования ортомагматической стадии в зависимости от пет-рофизических характеристик вмещающих пород и глубины залегания интрузивной камеры варьирует в интервале 5000-6000 лет для характерной мощности интрузивного тела порядка 1 км.

2) В зависимости от глубины залегания магматического тела в процессе ретроградного кипения расплава граница конденсации магматического флюида устанавливается в эндоконтактовой зоне или в экзоконтактовых породах на расстоянии не более чем на 200-300 м от верхнего контакта интрузива.

3) Физико-химические характеристики гидротермальных растворов выше границы конденсации магматического флюида определяются пет-рофизическими характеристиками вулканогенных пород в разрезе постройки и их составом в области конденсации флюида. В зависимости от глубины взаимодействия «гетерофазный флюид - порода», соотношения объемов поступления поровых растворов при их смешении с магматогенным конденсатом и содержания в системе свободного кислорода магматогенные флюиды могут образовывать водные растворы по кислотно-основным свойствам от ультракислых до нейтральных.

4) Химический состав термальных растворов при выходе на поверхность определяется структурой путей миграции смешанных растворов в верхней части вулкано-гидротермальной системы. В зависимости от степени разбавления метеорными водами магматогенного флюида и глубины взаимодействия смешанных растворов с вмещающими породами формируются различные типы термальных растворов, известных на в. Эбеко.

Научная новизна состоит в создании комплексной количественной модели динамики эволюции состава магматогенной флюидной системы, связанной с кристаллизацией расплава в малоглубинной магматической камере под субаэральной вулканической постройкой и получении количественных физических и физико-химических характеристик развития и отмирания области существования надкритического водного магматического флюида, а также изменения его состава при охлаждении, взаимодействии с вмещающими породами, конденсации и смешении с метеорными поровыми водами.

ческого флюида, обладающего максимальными Р-Т параметрами, для использования его в качестве энергоносителя. Необходимость таких данных при проектировании и эксплуатации термальных систем в зонах активного вулканизма очевидна.

Апробация работы. Основные положения работы опубликованы в 7 статьях и 14 тезисах докладов. Наиболее существенные результаты наследований по теме диссертации докладывались автором на Российско-Японском семинаре «Минерало-рудообразование в вулканно-гидротермальных системах островных дуг» (Петропавловск-Камчатский, 1998 г.), на Международной конференции «Измерение, моделирование и информационые системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (Томск, 2000), на Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва, 2003) на рабочем совещании «Гидрогеология и геохимия вод Сибири и Дальнего Востока» (Владивосток, 2003).

Объем и структура работы. Работа состоит из 5 глав, Введения, Заключения и Приложения. Материал изложен на 200 страницах, проиллюстрирован 31 рисунком и 13 таблицами. В первой главе обобщена и систематизирована имеющаяся в литературе информация по составу вулканических газов, газово-жидких включений и закалочных стекол, обсуждены применяемые в мировой практике методы моделирования тепломассопереноса и физико-химических процессов в вулкано-плутонических системах. Во второй главе дано описание объекта исследования, особое внимание уделено гидрогеохимиии термальных полей, изучение которой проводится впервые на оригинальных авторских материалах. Третья глава - обоснование выбранного метода для моделирования тепломассопереноса и определение граничных условий задачи. В четвертой главе представлены результаты моделирования тепломас-сопереноса в области над магматической камерой. Пятая глава посвящена описанию физико-химической модели.

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору В.Н. Шарапову за выбор направления исследований и методологии построения комплексных моделей магматоген-ной субэральной гидротермальной системы.

Сбор фактического материала, его обработка, обсуждение результатов гидрогеохимических исследований проведены при постоянном внимании и с помощью д.г.-м.н. С.Б.Бортниковой, за что автор выражает глубокую благодарность. Д.Ю.Бессоновым оказана всесторонняя

поддержка в работе и жизни, без чего реализация данной работы была бы невозможна.

Для целей работы В.К. Черепановой был модифицирован алгоритм получения численных оценок динамики ретроградного кипения котек-тического расплава с учетом структурных особенностей области кипения магмы. Сотрудники Лаборатории физико-химического моделирования под руководством профессора- И.К. Карпова, к.г.-м.н. В.А. Бычинский, к.т.н. К.В. Чудненко предоставили ПК CeлeктopWin и оказали необходимую помощь при разработки физико-химической динамической модели вулканно-гидротермальной системы. При освоении методов термодинамического моделирования автору помогли к.г.-м.н. О.Л. Гаськова, д.г.-м.н. Г.Р. Колонин, д.г.-м.н. А.Л. Павлов. Содействие при проведении полевых работах было оказано сотрудниками ИВ ДВО РАН д.г.-м.н. Г.А. Карповым, к.г.н. С.М. Фазлуллиным, к.г.-м.н. М.Е. Заленским, к.г.-м.н. Е.Г. Калачевой, А.А. Смышляевой, Т.А. Котенко, Л.В. Котенко. Профессору. Д.М. Гричуку (МГУ) соискатель благодарен за содержательную критику исходного текста работы. Дискуссии по существу вопросов и советы по улучшению оформления диссертации сотрудниками Лаборатории моделирования динамики эндогенных процессов - д.г.-м.н. М.П. Мазуровым, к.г.-м.н. Ю.В. Перепечко, к.г.-м.н. А.Я. Шевко, к.г.-м.н. Л.М. Житовой, к.г.-м.н. М.П. Гора способствовали улучшению текста диссертации.

Финансовая поддержка работы была оказана РФФИ (гранты № 0005-65408, 03-05-64324, НИШ №1573/213), дирекцией ОИГГиМ СО РАН (грант ВМТК №1770).

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, ПОЛОЖЕННЫЙ В ОСНОВУ РАБОТЫ, ВЫБОР МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ

Описание в. Эбеко. Действующий андезитовый в. Эбеко расположен в северной части острова Парамушир. Его активность проявлена в деятельности фумарол, термальных источников и извержениях вулкан-ского типа. Такой тип активности обусловлен присутствием неглубоко расположенного магматического очага, являющегося источником тепла и летучих, с одной стороны, и горизонтов грунтовых вод, осуществляющих тепломассоперенос и играющих основную роль в процессах газо-гидротермальной деятельности, с другой (Рычагов и др., 2002). В. Эбеко относится к вулканам линейно-гнездового типа, с которыми связано наиболее полное изменение пород околожерловой фации и

формирование промышленных серных руд. Конусы в. Эбеко состоят из периклинально залегающих стратотолщ, образованных чередованием лавовых потоков и синхронных им пластов вулканокластического материала преимущественно андезитового, в меньшей мере андезито-базальтового и андезито-дацитового состава. Время формирование вулкана охватывает весь четвертичный период.

Изверженные породы, слагающие верхнюю часть постройки, представляют собой типичные островодужные двупироксеновые андезиты, характеризующиеся: 1) присутствием среди фенокристов, а иногда и среди микролитов основной массы, наряду с основным плагиоклазом и моноклинным пироксеном (диопсидом, авгитом), ромбического пироксена (гиперстена), являющимся доминирующим темноцветным минералом; 2) присутствием в фенокристах оливина; 3) наличием среди главных компонентов основной массы сравнительно кислого стекловатого остатка или продуктов его девитрификации, что обуславливает своеобразные типы ее структур; 4) основной рудный минерал - магнетит, редко встречается пирит. Вариации содержаний макрокомпонентов в андезитах разной степени измененности, отражающий интенсивность перераспределения элементов, увеличивается в ряду Si<Ti<K<Al<Mg< Na<Ca<Fe. Этот ряд отражает «устойчивость» минералов при взаимодействии флюид-порода (пироксен-оливин - плагиоклаз - гематит) при воздействии ультракислых термальных растворов.

Гидрогеохимическая зональность термальных полей, связанных с системой в. Эбеко (рис. 1) заключается в высокой контрастности кати-онного и анионного состава источников, котлов, потоков дренирующих вулканическую постройку. Определено пять групп вод по основному и микрокомпонентному составу.

1. Термальные горячие (Т~95°С) источники Северо-Восточного фума-рольного поля, ультракислые солоноватые растворы, по типу относятся к сульфатно-хлоридным глиноземно-железисто-кальциевым водам.

2. Источники руч. Лагерный, вода которых относится к кислым (рН~3) пресным растворам, сульфатно-хлоридного, кальций-магниевого типа со значительном количеством кремнекислоты.

3. Источники Южного фумарольного поля имеют более высокую минерализацию. По составу эти воды хлоридно-сульфатные глиноземно-кальций-магниевого типа с высокой долей железа.

4. Воды озер Среднего и Северного кратеров в. Эбеко - пресные кислые растворы сульфатно-хлоридного кальций-глиноземного типа.

С-В Поле,

Активная

воронка Дождь

' JL III Южное ноле

р Лагсрквгр. ^ ^ Ъ ""

ай

«V / /

V»"

Л Вспхнсюрьсвские

Ь/У.Ч Свежие пеплм и туфы [— П ~ 3 Авдсзиты | | Зоны вмененных пород |„,1*'"Ч Зоны высокой проницаемости я Фумарольиыс моля 1т Кратерные озера

Термальные источники

Рис. 1 Схема расположения термальных полей, связанных с системой в. Эбеко.

5. Термальные источники р. Юрьева, солоноватые ультракислые воды, с заметным преобладанием сульфатов над хлоридами.

Разнообразие в анионном составе растворов заключается в колебаниях соотношения Q-/SO42-. Характерно, что для горячих источников (котлы Северо-Восточного и Южного полей, Верхне-Юрьевские источники) обнаруживается относительно широкий диапазон содержаний СГ при небольших вариациях SO42- (рис. 2). Для озер и руч. Лагерный устанавливается прямая зависимость содержаний этих анионов. Состав горячих источников и котлов мог сформироваться за счет добавления глубинных флюидов в поверхностные воды озер и близповерхностных ис-

точников руч. Лагерный, что отражено в возрастании содержаний О- и SO42- в горячих источниках по сравнению с растворами озер.

По данным

корреляционного анализа

Рис. 2. Изменение анионного состава в растворах источников.

наиболее резко на изменение кислотности растворов реагируют Fe, Л1, Sг, Ti, V, из анионов SO42- и РО42-образуя первую типо-морфную ассоциацию (рис. 3). Тесная зависимость с рН и SO42- в совокупности с чисто мафическим характером перечисленных катионов дают основание полагать их преимущественно глубинный источник. Вторая ассоциация представлена элементами, легко выщелачивается из вмещающих пород: Са, Mg, Li, Mn, Zn. Взаимосвязи между компонентами позволяют показать возможные соотношения «глубинной» и «метеорной» составляющих в форме тройной диаграммы Ca + g, Al+Fe, SiО2 (риc. 4). Состав озер в. Эбеко и холодных источников р. Юрьевой формируется преимущественно из поверхностных вол с минимальной долей флюидных компонентов: в левое нижнее поле диаграммы попали все пробы кратерных озер, образовав компактную группу; повышенная доля SiO2 в озере Северного кратера может быть следствием интенсивного взаимодействия вода-порода вблизи Активной воронки.

(.\vlvlg

Рис. 4. Долевое соотношение основных компонентов в источниках. Учет приведенных соотношений позволяет предложить три вероятных направления изменения термальных растворов в зависимости от

структурных условий их образования, если за крайние типы принять состав кратерных озер и холодных источников р. Юрьевой. Первый из них отражает незначительную долю флюида и глубокое взаимодействие с породами (источники и котлы руч. Лагерный). Второй тренд (от кратерных озер к котлам Северо-Восточного фумарольного поля) фиксирует изменение метеорных вод при большей доле глубинных компонентов, чему соответствуют низкие значения рН и высокая Т в зоне разгрузки. Растворы котлов Северо-Восточного фумарольного поля проходят через толщу метасоматически измененных пород (Бессонова и др., 2004) алунит-аргиллизитовой фации, в которых темноцветные алюмосиликаты уже полностью замещены. Параметры Верхне-Юрьевских источников определяются большой долей флюида при формировании смешанных газогидротерм, при этом компактное расположение точек составов горячих и теплых источников на диаграмме может объясняться глубокой степенью взаимодействия с породами в зоне фильтрации. Такая же трактовка вытекает из повышенных содержаний в этих растворах Cr, Ti, V, Co, Ni и более низких - ^ в растворах котлов по сравнению с растворами кратерных озер и водами руч. Лагерный.

Для большинства компонентов р. Юрьева характерна высокая положительная линейная зависимость при раз в содержаниях, достигающих 3 порядков. Источники расположены на протяжении ~ 2 км и тесная корреляционная зависимость по 25 компонентам свидетельствует о слабом взаимодействии исходного флюида с вмещающими породами при подъеме на поверхность. Смешение с метеорными водами привело к повышению кислотности и понижению температуры растворов, но на соотношения компонентов существенно не повлияло. Можно считать, что наиболее концентрированные воды р. Юрьева ближе всего к составу исходного магматического флюида.

Литературные данные. Состав вулканических газов на действующих вулканах островных дуг Тихого океана исследуется с 80-х годов XX столетия: (Таран и др., 1990, 1993, 1995; Чураков и др., 2000;. Taran et al, 2000; Africano & Bernard, 2000). Считается, что наиболее близки к исходному составу газы высокотемпературных фумарол, например, в. Кудрявый (табл. 1, Чураков и др., 2000). Для в Эбеко наиболее полно опробованы фумарольные и эруптивные газы во время его последнего извержения 1987-1991 гг. (Меняйлов и др. 1986, 1989, 1991), температура газовых струй в фумаролах не превышает 300°С.

Газы, опробованные на земной поверхности, не могут адекватно отражать состав газов, отделяющихся от магматической камеры. Взаи-

модействие с вмещающими породами, метеорными и поровыми водами, несколько этапов кипения и конденсации приводят к существенному изменению первоначального состава. Более корректная оценка состава равновесных с расплавом газов может быть сделана при изучении флюидных включений и закалочных стекол. По обобщенным результатам в составе летучих компонентов преобладают: Н2О, СО2, СН4, S, $02, Н2, О2 (табл. 1). Общая статистика результатов таких исследований содержатся в обзорах (Наумов, Коваленко и др. - серия работ 1995-2000). Сопоставление приведенных данных позволяет получить оценку состава магматических газов, отделяющихся при затвердевании андезитового расплава в малоглубинной камере под субаэральными вулканами Курильских островов (табл. 1), который использован при математическом моделировании динамики тепло-массообмена.

Построение математических моделей. Изучение современного гидротермального минералообразования значительно дополняет фундаментальные знания о взаимодействии вода-порода, в частности, о закономерностях формирования химического состава водных растворов, находящихся в равновесном состоянии с вновь образующимися фазами (обзор С.Л. Шварцева, 1991). Для крупнейших геотермальных месторождений (Пампура, 1985) проведены обобщающие исследования с выделением крупномасштабных зон, которые развиваются при гидротермальном изменении вулканогенных пород. Б.Н. Рыженко с соавторами подчеркивают, что «результаты этого моделирования ставят новые вопросы, решение которых сможет, очевидно, сделать следующие шаги в познании событий, происходивших и происходящих в природе». А.Л. Павловым и Ю.А. Аверкиным (1987) с помощью ПК Селектор были исследованы свойства магматических флюидов при конденсации в различных типах пород. На многочисленных примерах рассмотрены отдельные части вулкано-гидротермальных систем (Павлов, Карпов,

Таблица 1. Содержание основных компонентов в газовой фазе для различных объектов (здесь и далее мас.%).

Место замера Н2О F С1 СО2 S

в. Эбеко, эруптивные газы 93.2 0.01 0.3 4.3 1.5

в. Эбеко, фумарольные газы 95.5 0.0005 0.13 3.7 0.7

в. Кудрявый, Т = 1213°С 94 0.03 0.5 1.8 2

Расплавные включения 86 2 8 2 2

Закалочные стекла 89 3 3 4 1

Для модели 88 3 4 4 1

1976; Гавриленко, 2000; Попов, 1991; Шувалов и др., 1997). Для в. Ушашир Ю.Н. Тараном и др. при участии Д.В. Гричука (1993) построена модель взаимодействия андезита с морской водой в закрытой системе. В последние годы проведены комплексные исследования геохимии термальных вод основных геотермальных регионов Камчатки (Чудаев и др., 2000; Edmunds et al., 1999). В этих работах исследован как состав термальных вод, так и взаимодействие их с породами, однако в них рассматриваются термальные системы либо со стороны тепло-массопереноса, либо физико-химии растворов.

За последние годы разработан широкий спектр алгоритмов для физико-химического и термодинамического моделирования гетерофазных равновесий флюид-порода, охватывающий полный набор Т-Р параметров в земной коре и верхней мантии (Рыженко, 1999; Карпов, 2001). С помощью разработчиков ПК СелекторWin в работе было реализовано несколько новых структурно-динамических схем: фильтрация раствора при постоянной или изменяющейся пористости, движение флюидов по трещинам, смешение растворов различного генезиса, учитывающих равновесия для газовой фазы и капельных флюидов. В диссертации в качестве первого шага использованы схемы типа «флюид-порода», которые наиболее распространены в современных геохимических приложениях.

Корректный физико-химический анализ взаимодействий флюид -порода в термальных системах активных вулканов возможен при оценке времени существования и пространственного положения зон фазового состояния ортомагматических и смешанных флюидов. Важно отметить, что с момента появления первой схемы теплообмена при формировании вулканогенных термальных систем Банвелла в такого рода построениях преобладает представление о нагревании метеорных вод охлаждающимся интрузивным телом, а магматические газы не играют существенной роли в эволюции вулканогенных термальных систем. В представляемой работе была использована численная схема описания динамики ретроградного кипения расплавов в интрузивных камерах с учетом структурных типов отделения газовой фазы для случая субаэраль-ных вулканических систем (Шарапов, Бессонова, Черепанова, 2004).

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВУЛКАНОГЕННОЙ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ

СИСТЕМЫ

Пусть под ранее сформировавшимся разрезом слоистых суб-аэральных вулканогенных пород в начальный момент времени ^ появилась на некоторой глубине плоская магматическая камера, содержащая недосыщенный по воде расплав андезитового состава. Рассматривалась динамика Т и Р в потоке магматического флюида, отделившегося от границы солидуса при кипении расплава в изверженных и вмещающих породах с учетом конвективного и кондуктивного теплопереноса. Математическая формулировка задачи динамики охлаждения интрузива с учетом ретроградного кипения магмы аналогична (Шарапов, Аверкин, 1990). Спецификой субаэральных вулканогенных разрезов является наличие слоев туфов, туффитов и иных обломочных высокопористых и проницаемых пород в стратифицированных разрезах. В работе рассмотрены относительно широкие вариации эффективной пористости, проницаемости вмещающих пород и начальные содержания воды в расплаве. В численных экспериментах исследовано 7 вариантов глубины залегания магматической камеры с интервалом в 500 м: от 1500 м до 4500 м (мощность камеры 1000 м) и 3 типа разрезов над камерой, в которых толщина отдельных слоев увеличивается в соответствии с увеличением глубины залегания магматического тела. Переменным параметром было

содержание воды в исходном расплаве, Гранича конденсаиии \_____________ДЛЯ каждого типа раз-

реза рассчитывались варианты от 0.5 до 4 мас.% воды.

Показано, что лишь при некотором начальном содержании воды в расплаве (Сокр) можно ожидать при ретроградном кипении появления области фильтрационного потока надкритического водного магматического флюида (Верингин, Голубев, 1975, Шара-

Рис. 5. Возможное положение границы конденсации магматического флюида в зависи-

пов, Аверкин, 1990). В рассмотренных разрезах для интервала глубин залегания кровли магматической камеры 1500-3000 м в среднем это значение порядка Сокр~0,6% масс. Зависимость продолжительности ретроградного кипения от начального содержания воды в расплаве для вариации Со=1-3% масс. относительно времени кристаллизации интрузивов в рассматриваемом интервале глубин (1кр1СТ<104 лет) различается незначительно - Д1 ~ 500-600 лет. Общее время ретроградного кипения для интрузива мощностью 1000 м до прекращения отделения флюида от расплава (смыкания верхней и нижней границ недосыщенного расплава в разрезе магматического тела) по расчету менее 6000 лет. Некоторые вариации в продолжительности ретроградного кипения (при фиксированных глубине камеры и Со) связаны с проницаемостью экзоконтакто-вых пород: чем она выше, тем дольше существует область надкритического магматического флюида. Анализ результатов (рис. 5) позволяет выявить особенности существования зон пародоминирования в магма-тогенных термальных субаэральных системах. С увеличением глубины залегания интрузивной камеры область надкритического водного флюида смещается в контур магматического тела.

На глубинах порядка 4000 м от поверхности Земли лишь в зонах дренирования можно ожидать подъема границы конденсации магматического пара за контуры интрузива. В субаэральных вулканогенных системах области флюидов имеют ограниченные размеры за пределами магматических тел. Их максимальная ширина в экзоконтактовой зоне на глубинах 1500-2500 м не более 400 м. Чем глубже залегает камера, тем меньше мощность зоны пародоминирования за ее пределами. При глубине камеры 4500 м граница конденсации не выходит за ее пределы. Различия «модельных» мощностей таких зон в рассматриваемом диапазоне Сокр,т-Снас(Т,Р) весьма незначительны - порядка нескольких десятков метров. Линия 1 (рис. 5), фиксирующая прекращение отделения флюида, может довольно точно характеризовать временные и пространственные соотношения между положением границы конденсации и контактом магматического тела. Поэтому левое поле (I) относится к этапу «активного» ретроградного кипения и «прогрессивной» ветви эволюции термальных систем. Правое поле диаграммы (II) в такой интерпретации можно именовать этапом «отмирания» магматической системы, когда прекращается поступление флюида. Вулканогенная система переходит к рециклинговой ветви эволюции. После прекращения отделения флюида интрузивное тело является лишь «кондуктивным» нагревателем по-ровых флюидов, утратившим свою «конвективную» составляющую,

которая ранее определяла динамику тепло-массопереноса в надинтру-зивной области вмещающих пород.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕЭВОЛЮЦИИ МАГМАТОГЕННОГО ФЛЮИДА В ВУЛКАНОГЕННОЙ СИСТЕМЕ В рамках рассмотренной выше модели конвективного тепло-массопереноса над границей кристаллизующегося расплава реализованы две структурных модели ПК Селектор Win: а) фильтрация флюида в трещиновато-пористом массиве вмещающих пород; б) фильтрация флюида по открытым трещинам выше эндоконтакта интрузивного тела. Физико-химическая модель эволюции флюида реализована в форме однонаправленно связанных реакторов, на входе задается поток флюида известного состава. В каждом реакторе поддерживаются фиксированные значения Т и Р (табл. 2), полученные из расчетов физической модели конвективного тепло-массопереноса. При фильтрации из одного реактора в другой учитывается только массоперенос в виде истинных растворов, все образованные минералы остаются на месте и взаимодействуют на следующем шаге с поступающими растворами. «Теплофизиче-ски» моделируется стационарный этап распределения температур и давлений по потоку, соответствующее максимуму Т и Р по приведенным выше оценкам охлаждения малоглубинных магматических тел.

Таблица 2. Температура и давление в резервуарах._

№ резервуара Глубина, км Давление, бар Температура, ° С

2 3 4

0,1 0,2 0,3

10 20 30

40 60 60

0,4 40 60

6 0,5 50 70

7 0,6 63 77

8 9 10

0,7 0,8 0,9

69 79 90

105 140 183

№ резервуара Глубина, км Давление, бар Температура, ° С

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,6 1,7 1,8

100 110 142 195 248 312 318 325 348 417

233 292 356 424 491 561 605 643 671 689

Для количественного описания процессов перераспределения вещества и изменения пород вулканической постройки был рассчитан исходный равновесный модальный минеральный состав пород вулканогенного разреза от интрузивной камеры до поверхности Земли. Химический состав разреза считается изначально однородным (табл. 3), что близко реальной геологической ситуации - постройка вулкана сложена в основном туфами, пеплами, лавами андезитового состава предыдущих

извержений. Постсолидусные различия в составе эффузивных пород над магматической камерой обусловлены ТР-условиями в разрезе. При расчете их возможного модального состава не учитывалось взаимодействие пород с магматическим флюидом, грунтовыми водами, атмосферными газами.

Таблица 3. Химический состав компонентов модели (мас.%)._

Андезит

БЮ2 ТЮ2 А1203 Ре203 ИеО МпО МёО СаО Ыа20 К20 Р205 Э 57,8 0,7 16,3 5,5 5,6 0,2 4,3 7,3 0,1 1,0 0,1 1

Флюид

Н20 ¥ С1 С02 Б 3 0,1 0,15 0,1 0,05

Полученный минеральный состав соответствует «нулевому» времени в истории развития вулкано-гидротермальной системы и при расчетах будет использован для учета изменений, происходящих в системе под воздействием внешних факторов. Минеральная ассоциация, устойчивая вдоль всего разреза: плагиоклаз (40%), клинопироксен (17%), ортопироксен (17 %), кварц (14 %), магнетит (8 %), КПШ (2.3 %), сфен (0.8%), манганозит, ангидрит, пирит (~0.1%). Некоторое этой изменение минеральной ассоциации происходит при температуре от 180 до 140°С, становится устойчив гематит и увеличивается доля пирита за счет уменьшения количества магнетита.

Динамикаравновесного взаимодействия потокамагматическо-го флюида и массива пород. Следующим этапом физико-химического моделирования был анализ динамики взаимодействия при фильтрации флюида в интервале условного безразмерного времени протекания процесса длительностью от 0 до 1, которое разделялось на 100 шагов. На каждом из них в первый резервуар поступал флюид постоянного состава, в количестве изначально составлявшем 7 % от массы породы и далее переходил от резервуара к резервуару. Важнейшим структурно-динамическим элементом флюидной магматогенной системы является зона конденсации, где «скачком» меняются все физические и физико-химические свойства флюида. Конденсация проходит при Т 350-290°С и Р 140-110 бар, что соответствует в открытой термальной системе глубине 1200-1100 м. Над границей отделения фильтрующийся флюид ге-терофазен. В зоне конденсации более 90% переходит в водный раствор, содержащий некоторое количество газовой фазы, а также образуются твердофазные конденсаты. Важно подчеркнуть, что на первых 10 временных шагах флюид активно «поглощается» при изменении породы, за

счет образования гидроксилсодержащих минералов, а также галогени-дов, карбонатов, сульфатов и сульфидов.

Вынос компонентов в термальной системе происходит в основном из эндоконтактовой зоны магматического тела. Определенное их накопление происходит перед и над областью конденсации магматогенного флюида. При этом в массообмене наиболее инертны А1, Si, Т^ Mg, тогда как Са выщелачивается в нижней и в верхней частях разреза и, хотя частично фиксируется над областью конденсации (глубины ~ 1100-1000 м), его большая часть выносится в растворе до поверхности земли. Fe активно перераспределяется в нижней части разреза, выщелачиваясь до Т 600°С и осаждаясь при более низких Т вплоть до области конденсации. Выше ее этот компонент инертен. Флюидами в разрезе системы активно перераспределяются также № и К. Поведение кислорода и водорода сходно за счет их связывания в гидроксил - содержащих минералах. Максимум приходится на интервал температур 290-230°С, - сразу над зоной конденсации при образовании монтмориллонита. В эволюционирующей системе на первых 10 шагах расчета происходят изменения в минерального состава. При этом, в нижней части разреза (до области конденсации) пироксены замещаются амфиболами, появляются тальк, хлорит, муллит. Выше зоны конденсации минеральная ассоциация изменяется меньше. Отметим, что активные изменения во всей нижней части разреза до области конденсации магматогенного флюида не стационарны в интервале времен от 0 до 1. В верхней части стабилизация изменений наступает к 1=0,1 от времени эволюции системы, а далее происходят лишь слабые изменения в количественном соотношении минералов. Перенос компонентов проходит, в основном, в высокотемпературной области термальной системы наиболее активное перераспределение идет глубже 1000 м (Т=230°С, Р=100 бар), а осаждение вещества максимально сразу после зоны конденсации на глубине 11001000 м.

Физико-химические параметры водных 'растворов и формы нахождения в них петрогенных компонентов однообразны. Общая минерализация выше области конденсации не превышает 50 г/л. Окислительно-восстановительный потенциал растворов имеет отрицательные значения. Их кислотно-основные свойства определяются реакцией с породой. Над областью конденсации растворы нейтральные (рН 5.8-6.2), но, поднимаясь вверх, становятся ультращелочными (рН 10.5). Важно отметить, что со временем, в зоне конденсации наблюдается тенденция к раскислению системы. Так, по расчету к конечному этапу эволюции

системы рН достигает 5.1. Преобладающей формой всех металлов в растворе являются хлорокомплексы, в существенно меньших количествах (разница несколько порядков) присутствуют фторо- и гидроксоком-плексы. Сера находится в восстановленной форме Ж-.

Содержание газовой фазы слабо изменяется со временем, однако состав газов существенно различается в разных частях разреза. В нижней части системы (до области конденсации) около 90 мае. % газовой фазы составляет Н2О, доля СО2 достигает 4 мас. %, на долю НБ, НС1, Н28 приходится по 1 мас.%, устойчив 802 (до 0.5 мас.%). После конденсации в газовой фазе водного раствора преобладает СН4, в небольших количествах (до 1 мас.%) присутствуют Н2О, Н2, Н23, тогда как «кислые» газы переходят в раствор. Важно отметить, что в высокотемпературной области (до Т=600°С) в газовой фазе переносятся металлы в основном в виде хлоридов и фторидов и такая форма наиболее характерна для А1, Бе, 81.

Динамика конденсации и растворения твердой фазы в потоке магматического флюида при его течении по трещинным каналам без химического взаимодействия со стенками трещин при снижении Т и Р. Рассмотрена динамика массобмена при переходе магмато-генного флюида из эндоконтактовой зоны магматического тела в открытый до поверхности вулканической постройки трещинный канал. В модели имитировалось физико-химическое взаимодействие летучих компонентов с закристаллизовавшимися породами верхней части магматического тела и динамика конденсации и растворения переносимых флюидом по трещинному каналу петрогенных компонентов

Динамические характеристики такой системы близки описанному выше случаю. Отложение компонентов происходит преимущественно в области конденсации и в верхней части разреза (Т~140 - 70°С). Для Разных элементов можно выделить несколько типов распределения. Первый характерен для С и С1, - они поступают с магматическим флюидом, и большая их доля достигает поверхности земли, а небольшая часть отлагается до области конденсации. Несколько другое поведение у Б, - он большей частью выносится к поверхности земли, и лишь частично накапливается в самой нижней части системы, со временем зона отложения несколько сдвигается кверху. Накопление 80 происходит в верхней части области конденсации (Т^290°С). Аналогичный вид распределения имеют Бе, Са и Т1, - они накапливаются в области конденсации и выше её. Бе выносится целиком к 1>0,6, когда достигается максимум выноса из изверженной породы Са и Т1. М^ и А1 слабо выщелачиваются из та-

кой породы (менее 0.01%), и осаждаются, не достигая зоны конденсации; Si и Мп инертны. Значительно количество № и К выщелачиваются из изверженной породы (более 50%), целиком достигая поверхности. На стенках канала образуются: самородная сера (до 10% от веса всей системы), флюорит (до 3%), пирит (до 0.01%), алунит, при этом в нижней части трещинного канала преобладает биотит (0.1%), рутил, хлорит.

Параметры водного раствора над областью конденсации существенно отличаются от такового в пористом массиве пород. До конденсации имеющийся раствор (5%) имеет щелочной состав, после конденсации флюида растворы становятся ультракислыми (рН~0.5), при снижении температуры кислотность растворов еще значительнее возрастает. При этом с повышением кислотности раствора возрастает окислительно-восстановительный потенциал до значений ЕЙ =0.4 В.

Оценка изменения параметров раствора при смешении магма-тогенных флюидов и поровых вод. Смешение магматогенного раствора с метеорными водами не приводит к существенной нейтрализации «ювенильных» флюидов вплоть до соотношения «магматический флюид/метеорная вода» как 1/1000, при этом рН смеси достигает 5 ед. При разбавлении магматогенного раствора метеорной водой прекращается осаждение минералов и практически все элементы достигают поверхности земли. Важно подчеркнуть, что в результате смешения магматических флюидов и метеорных вод образуется на несколько порядков больше ультракислых термальных растворов, чем было магматогенного флюида.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное численное моделирование динамики тепло-массопереноса ретроградного кипения в кристаллизующемся расплаве под вулканической субаэральной постройкой и фильтрации отделившегося от магмы флюида через вмещающие породы, в которых над зоной конденсации надкритического газа возможно смешение с норовыми водами, позволило вывить ряд характерных особенностей эволюции гидротермальной системы:

А. Субаэральные малоглубинные магматогенные гидротермальные системы развиваются над кровлей магматических тел, располагающихся в интервале глубин 1.5-4 км, при начальном содержании воды в магме более 0.5 %. При этом с увеличением глубины интрузивной камеры область надкритического водного флюида при ретроградном кипении смещается из вмещающих пород в контур магматического тела. Время

ретроградного кипения расплава в таких камерах порядка 6000 лет. После полной кристаллизации магматической жидкости происходит «отмирание» термальной системы и превращение интрузивного тела в источник кондуктивного тепла для поровых флюидов вмещающих пород. Заметное влияние на время существования флюидной системы может оказывать тип разреза, - наиболее продолжительное время существования в магматической системе области надкритического водного флюида будет при наличии в верхней части разреза флюидоупоров. Б. Над границей солидуса в эндоконтактовой части магматической камеры и в разрезе вмещающих пород при определенных структурных условиях может сформироваться фазово-зональная гидротермальная система: 1) область надкритического магматического газа, 2) зона конденсации газовой смеси и появления водного гидротермального раствора, 3) область фильтрации магматогенного раствора, 4) зона смешения магматогенного и порового растворов, 5) зона вторичного кипения смешанного раствора, 6) зона вторичной конденсации и фильтрации нагретых термальных вод. При наличии во вмещающих породах зон трещиноватости (разломов) надкритический газ может достигать поверхности вулканической постройки.

В. Физико-химическая эволюция магматогенного флюида и метасома-тические изменения пород зависят от структурных условий фильтрации флюидов. Можно предвидеть два предельных случая такого рода явлений: 1) охлаждение и конденсацию флюида в трещинных каналах; 2) метасоматические преобразования вмещающих пород магматическими и смешанными флюидами. В обоих случае наиболее важной зоной, определяющей дальнейший химизм термальных растворов является область конденсации магматического флюида. В ней за счет перехода в раствор «кислых» газов происходит резкая смена физико-химических параметров водного раствора (рН, БИ), после которой он становятся ультракислым. Дальнейшее взаимодействие флюида с вмещающими породами приводит к перераспределению компонентов в разрезе вулканогенных пород.

Г. Приложения полученных результатов для объяснения особенностей разгрузки магматогенной гидротермальной системы вулкана Эбеко позволяют предполагать, что за пределами магматического тела в термальной системе реализуются оба отмеченных случая - на различных термальных полях разгружаются растворы, эволюционировавшие как по «канальному» варианту (сохраняя соотношения исходных магматических компонентов при разбавлении приповерхностными водам), так и

смешанные растворы, в которых из-за взаимодействия с вмещающими породами соотношения компонентов кардинально изменились.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бортникова Е.П.* Физико-химический анализ временных изменений состава вод вулканического озера// Материалы XXXVI междунар. науч. студ. конф., Новосибирск 1998, С. 20-21.

2. Bortnikova E.P. Ushakov S.V. Thermodynamic modeling of acid water composition ofvolcano lake//Mineral. Mag., 1998, v. 62A, P. 195-196,.

3. Kolonin G.R.,. Gaskova O.L., Bortnikova E.P. Evaluation of acidic-alkaline properties of various minerals through thermodynamic constant of their hydrolytic dissociation// Mineral. Magazine, 1998, v. 62A, P.805-806,

4. Фазлуллин СМ., Словцов И.Б., Бортникова Е.П., Гидротермальная система вулкана Эбеко (Курильские острова)//Минерало-рудообразование в вулкано-гидротермальных системах островных дуг, Петропавловск-Камчатский, 1998, С. 262-265.

5. Фазлуллин СМ., Ушаков СВ., Гавриленко Г.М., Маневич А.Г., Такано Б. Бортникова Е.П. Эволюция состояния кратерного озера вулкана Малый Семячик// Там же, С 246-251.

6. Бортникова Е.П. Термодинамическое моделирование процессов в зоне смешения ультракислых и слабощелочных вод// Материалы III межрегиональной студенческой конференции, Новосибирск, 1998.

7. Бортникова Е.П. Тяжелые металлы в зоне смешения кислой реки и моря // Экологические проблемы Северной Пацифики. Петр. -Камч. Изд-во Камч. Гос. Академии рыбопромыслового флота. 1999, С. 22-25

8. Бортникова Е.П. Гидротермальное изменение андезитов Северовосточного фумарольного поля в. Эбеко//Тр. XXXVII Междунар. науч. студ. конф. «Студент и науч.-техн. прогресс». НГУ, Новосибирск, 1999. С. 3-10.

9. Бортникова Е.П., Фазлуллин СМ., Гаськова О.Л.. Термодинамическое моделирование процессов взаимодействия различных типов вод//Материалы конференции «Измерение, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне», Томский ЦНТИ, 2000. С. 47-48.

10. Bortnikova E.P. Gaskova O.L. Physical-chemical modeling of recent gas-hydrothermal andesite transformation//In (R. Cidu eds) Proceed, of the 10th Int. Sym. on WRI, Italy, 2001 Balkema publ., v.2. P. 787-790.

* До 2000 года соискатель носил фамилию Бортникова.

11. Колонин Г.Р., Гаськова О.Л., Бортникова Е.П. Использование термодинамических констанот реакций гидролитического растворения для оценки кислотно-основных свойств минералов/Записки ВМО, 2001, Т. СХХХ, № 5, С. 9-20.

12. Храмов А.А., Бессонова Е.П. Пространственное распределение разных типов вод в северной части о-ва Парамушир// Материалы конференции молодых ученых МЭСК-2002.

13. Бессонова Е.П., Бортникова СБ., Бессонов Д.Ю., Храмов А.А. Гидрогеохимия термальных полей связанных с системой в. Эбеко (о. Парамушир, Курильские ост-ва)//Гидрогеология и геохимия вод складчатых областей Сибири и Дальнего Востока. Владивосток: Даль-наука, 2003, С. 98-108.

14. Бортникова СБ., Карпов Г.А., Бессонова Е.П., Смышляева А.А. Взаимодействие щелочных вод газогидротерм и слабокислых растворов озера: поведение элементов и изменение форм их нахождения (газогид-ротермы Академии наук - озеро Карымское, Камчатка)// Там же, С. 144155

15. Бессонова Е.П., Бессонов Д.Ю. Построение обобщенной физико-химической модели эволюции магматогенного флюида в современных вулканно-гидротермальных системах//Вулканизм и геодинамика: Мат-лы. II Всерос. Симп. по вулканологии и палеовулканологии. Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2003, стр.477-482.

16. Бортникова СБ., Бессонова Е.П. Гидрогеохимия газогидротермальных источников вулкана Эбеко (о-в Парамушир)// Там же, стр. 483487.

17. Бессонова Е.П. Построение модели эволюции магматического флюида действующих вулкано-гидротермальных системах (на примере вулк. Эбеко, Сев.Курилы, о-в Парамушир)// Вестник отделения наук о земле РАН электронный научно-информационный журнал № 1(21)'2003

18. Bessonova Е.Р. Bessonov D.Y. Model of magmatic fluid evolution of active volcano-hydrothermal sytems (by the example of volcano Ebeko, Pa-ramushir, Russia)// Goldschmidt Conference Abstracts, 2003, p. A37.

19. Бессонова Е. П., Фазлуллин СМ., Колонии Г.Р., Гаськова О.Л. Физико-химическое моделирование особенностей газогидротермального изменения андезитов в. Эбеко в условиях активной фумарольной деятельности.// Вулканология и Сейсмология, 2004, №4, С. 56-64.

20. Шарапов В.Н., Бессонова Е.П., Черепанова В.К. Оценка возможных размеров и времени существования области надкритического флюида в субаэральных смешанных термальных системах андезитовых

вулканов// Доклады Академии Наук, 2004, т. 397, №1, С. 97-100 21. Bessonova E., Cherepanova V., and Sharapov V. Construction of physico-chemical model of volcano-hydrothermal system on the base of data on Kamchatka and Kuril islands volcanos// Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 00841, 2004 SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU04-A-00841

Технический редактор О.М. Вараксина

Подписано к печати 11.11.2004 Формат 60x84/16. Бумага офсет № 1. Гарнитура Тайме. Офсетная печать. Печ. л. 1,2 Тираж 120. Заказ 262.

Издательство СО РАН. 630090, г.Новосибирск, Морской пр. 2 Филиал «Гео». 630090, Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 3

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Бессонова, Елизавета Павловна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

Фактические данные.

- Состав фумарольных и эруптивных газов вулкано-гидротермалъных систем.

Оценка состава летучих в андезито-базалътовых магмах по результатам изучения включений и закалочных стекол.

Теоретическое моделирование.

Существующие модели динамики тепло-массопереноса в магматогенных флюидных системах.

Физико-химические модели, описывающие взаимодействие флюид-порода в эндогенных флюидных системах.

Базы термодинамических данных.

Осноные достижения в физико-химическом моделировании массобмена в вулканогидротермалъных системах.

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГО-СТРУКТУРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА В. ЭБЕКО И ЕГО

ТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

Геологическое строение и тектоническое положение в. Эбеко.

Состав современных изверженных пород в. Эбеко.

Гидрогеохимическая характеристика термальных вод в. Эбеко.

Генезис термальных вод и пути их миграции.

Основные результаты.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ВУЛКАНО

ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ.

Начальные и граничные условия при выборе модели температурной эволюции ортомагматической флюидной системы.

Численная модель эволюции ортомагматической флюидной системы.

Статистический характер законов фильтрации флюидов в пористых средах.

Уравнение неразрывности флюидного потока.

Уравнения состояния флюидов.;.

Уравнение баланса энергии при фильтрации флюидов.

Общие уравнения движения флюидов в пористых средах.

Выбор модели пористой среды.

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВУЛКАНОГЕННОЙ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ

СИСТЕМЫ.

Постановка задачи.

Режимы кипения базитовых магм при кристаллизации.

Результаты численного моделирования ретроградного кипения гранитоидного расплава в малоглубинных магматических камерах.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование динамики тепломассопереноса и физико-химических процессов в гидротермальной системе В. Эбеко"

Актуальность работы. Фундаментальной проблемой магматической геологии и теории эндогенного рудообразования является раскрытие количественных характеристик динамики отделения магматических флюидов при охлаждении малоглубинных магматических тел и последующей их фазовой и физико-химической эволюция при снижении температуры и давления в потоке, взаимодействия с вмещающими породами и смешении с метеорными водами в разрезах субаэральных вулканов. К настоящему времени накоплена и обобщена обширная информация о составе расплавных и газово-жидких включениях в минералах магматических и метасоматических пород, а также жильных выполнений [Наумов, Коваленко и др., серия работ 1995-2000]; составе фумарольных газов, их конденсатов и гидротермальных растворов современных термальных систем [Меняйлов и др., 1987, 1988, 1991, Таран и др. 1987, 1989, 1993]; рассмотрены основные физико-химические аспекты взаимодействия «флюид-порода» и теплообмена в термальных системах субаэральных андезито-базальтовых вулканов [Шарапов, Аверкин, 1990]. На этом фоне значительных успехов в развитии теории формирования и эволюции термальных систем зон активного вулканизма пока наиболее слабо освещены вопросы дистилляции магматических флюидов при охлаждении малоглубинных магматических тел, питающих вулканы, а также количественные аспекты последующей их фазовой и физико-химической эволюции при взаимодействии с вмещающими породами, конденсации и смешении с метеорными водами. К сожалению, пока не удалось создать корректную математическую модель динамики магматогенных флюидных систем субаэральных андезитовых вулканов. Актуальность ее построения следует как из упомянутых выше фундаментальных проблем, так и из прикладных задач утилизации этих природных тепловых источников и экологических проблем, сопряженных с той или иной задачей использования природных термальных вод [Чудаев и др., 2000, Кирюхин и др., 1991]. Поэтому в данной работе сделана попытка продвинуться в решении некоторых из отмеченных проблем динамики субаэральных вулканогенных флюидных систем на основе комплексного подхода, развиваемого в лаборатории моделирования эндогенных процессов Института геологии ОИГГМ СО РАН, - сопряженного рассмотрения физики, тепло-массопереноса и физико-химии в гетерофазных открытых системах, а также элементов физико-химической динамики взаимодействия «флюид-порода» на базе новых модификаций Селектор Win, развиваемых научной школой И.К. Карпова в ИГХ СО РАН.

Цель работы заключается в построении и верификации одномерной комплексной количественной модели динамики формирования магматогенной флюидной системы, связанной с охлаждением недосыщенного по воде гранитоидного расплава в плоской малоглубинной магматической камере под слоистым вулканогенным разрезом.

В работе развиваются два направления: 1) создание модели динамики охлаждения млоглубинного интрузивного тела с формирование над границей солидуса области конвективного тепло-массоперноса, где развиваются зоны кипения и конденсации водного флюида; 2) построение модели физико-химического взаимодействия магматогенного и смешанного флюида с интрузивными изверженными и вмещающими интрузиву вулканогенными породами. Такое «склеивание» задачи динамики связано с тем, что пока не удалось построить замкнутую численную схему описания динамики массопереноса с учетом межфазного взаимодействия флюида и пород. Поэтому результаты решения задачи теплообмены выступают в качестве начальных условий при решении задачи динамики массообмена компонентами между потоком магматогенного флюида и породами. Эта задача решалась в рамках ПК Селектор Win в форме сопряженных реакторов, через которые движется магматогенный флюид, отделяющийся на фронте солидуса при кристаллизации магматического тела. Поднимающийся к поверхности магматогенный флюид, взаимодействуя с породами, формирует термальную систему, в которой в зависимости от строения разреза могут существовать следующие зоны: 1) надкритического магматического флюида, 2) водного конденсата, 3) зоны смешения магматогенных и поровых флюидов, 4) области вскипания, 5) вторичного конденсата. В каждой из указанных зон реализуются свои особенности взаимодействия флюид-порода с характерным составом флюида.

Исходные фактические данные, методы их обработки, методология построения моделей и их верификации. В основу работы положены оригинальные фактические данные о составе термальных вод в зонах разгрузки гидротермальной системы активного андезитового вулкана, составе вулканических и гидротермально измененных пород были которые были собраны в процессе полевых исследований на вулкане Эбеко (о. Парамушир, Северные Курилы) в течении экспедиций Института Геологии ОИГТМ СО РАН и Института вулканологии ДВО РАН 1997-2004 гг. при участии автора. В работе также обобщены опубликованные данные о геологии, гидрогеологии и термальных водах о-ва Парамушир.

Корректный физико-химический анализ взаимодействий магматогенных флюидов и пород в термальных системах активных вулканов «андезитовой линии» возможен при оценке времени существования и пространственного положения зон фазового состояния ортомагматических и смешанных флюидов. В работе была использована физическая модель динамики ретроградного кипения недосыщеннного магматического расплава, развитая в работах В.Н. Шарапова и А.Н. Черепанова. В этих работах в приближении квазиравновесной модели гетерофазной зоны В.Т. Борисова [Борисов, 1987] были рассмотрены условия формирования области надкритического магматического газа и предложены алгоритмы численного описания ее динамики [Шарапов, Аверкин, 1990]. Однако конкретный численный анализ формирования и отмирания пародоминирующей зоны в "ортомагматической" части термальной системы был позднее исследован только для субмаринных зон спрединга [Шарапов и др., 1999]. Поэтому была использована модифицированная В.К. Черепановой указанная выше численная схема описания динамики ретроградного кипения гранитоидных расплавов в интрузивных камерах с учетом структурных типов отделения газовой фазы [Cherepanov, Sharapov, 2000] для случая субаэральных вулканических систем [Шарапов, Бессонова, Черепанова, 2004]. Недостатком данного подхода является отсутствие учета изменения состава магматогенного флюида при его физико-химическом взаимодействии с породами, в которых происходит фильтрация. Эти явления можно описать в рамках комплексной модели путем «склеивания» результатов количественного описания динамики тепло-массопереноса, в котором рассматривается движение фазовых границ в потоке флюида, с проточно-реакторной схемой ПК Селектор\¥1п [Karpov et al., 2002]. Это позволяет создать в сочетании с физической моделью тепло-массопереноса физико-химическую модель для рассматриваемых гидротермальных систем и получить характеристики их эволюции, которые ранее могли быть прогнозироваться лишь качественно. При численном моделировании ретроградного кипения магмы использованы алгоритмы, разработанные В.Н. Поповым, модифицированные для нашей модели В.К. Черепановой. Структурно-динамическая схема системы для численных экспериментов в рамках ПК Селектор'Мп создана совместно с сотрудниками ИГХ СО РАН проф. И.К. Карповым, К.А. Чудненко, В.А. Бычинским.

Для построения физической модели процесса были использованы данные изучения разреза термальной системы вулкана Эбеко [Рычагов и др., 2002], учтены составы измененных и первичных пород для оценки физических характеристик твердой фазы и структуры «модельных разрезов», а также верификации результатов расчетов. При задании теплофизических характеристик сред были использованы справочные данные [Варгафтик, 1974]. Содержания летучих в расплаве учитывались по данным [Коваленко и др., 2000].

Все оригинальные и литературные численные данные, собранные в соответствующие, таблицы обработаны с помощью стандартного набора описательных статистик, группирования и выделения кластеров с помощью ПК STATISTICA 6.0, а также получены основные графические выражения результатов статистических расчетов, которые приведены в нашей работе. Данные численных экспериментов в рамках ПК CAMERA-FIuids и ПК Селектор Win обработаны с помощью приложений Excel.

Практическая значимость заключается в получении информации о размерах, положении в разрезе вулкано-плутонической системы, времени существования области гомогенного или гетерогенного магматического флюида, обладающего максимальными Р-Т параметрами, для использования его в качестве энергоносителя. Необходимость таких данных при проектировании и эксплуатации термальных систем в зонах активного вулканизма очевидна. Защищаемые положения:

1) В субаэральных андезитовых вулкано-плутонических магматических системах область фильтрации надкритического магматогенного водного флюида, связанная с ретроградным кипением магмы в камере, развивается после формирования зоны эндоконтактовых изверженных пород при начальном содержании воды в расплаве не менее 0.6-0.7 мае. %. Время существования ортомагматической стадии в зависимости от петрофизических характеристик вмещающих пород и глубины залегания интрузивной камеры варьирует в интервале 5000-6000 лет для характерной мощности интрузивного тела порядка 1 км.

3) Физико-химические характеристики гидротермальных растворов выше границы конденсации магматического флюида определяются петрофизическими характеристиками вулканогенных пород в разрезе постройки и их составом в области конденсации флюида. В зависимости от глубины взаимодействия «гетеро фазный флюид - порода», соотношения объемов поступления поровых растворов при их смешении с магматогенным конденсатом и содержания в системе свободного кислорода магматогенные флюиды могут образовывать водные растворы по кислотно-основным свойствам от ультракислых до нейтральных.

Апробация работы. Основные положения работы опубликованы в 7 статьях и 14 тезисах докладов. Наиболее существенные результаты исследований по теме диссертации докладывались автором на Российско-Японском семинаре «Минерало-рудообразование в вулканно-гидротермальных системах островных дуг» (Петропавловск-Камчатский, 1998 г.), на Международной конференции «Измерение, моделирование и информационые системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (Томск, 2000), на Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва, 2003) на рабочем совещании «Гидрогеология и геохимия вод Сибири и Дальнего Востока» (Владивосток, 2003).

Объем и структура работы. Работа состоит из 5 глав, Введения и Заключения. Материал изложен на 200 страницах, проиллюстрирован 31 рисунком и 13 таблицами. В первой главе обобщена и систематизирована имеющаяся в литературе информация по составу вулканических газов, газово-жидких включений и закалочных стекол, обсуждены применяемые в мировой практике методы моделирования тепломассопереноса и физико-химических процессов в вулкано-плутонических системах. Во второй главе дано описание объекта исследования, особое внимание уделено гидрогеохимиии термальных полей, изучение которой проводится впервые на оригинальных авторских материалах. Третья глава — обоснование выбранного метода для моделирования тепломассопереноса и определение граничных условий задачи. В четвертой главе представлены результаты моделирования тепломассопереноса в области над магматической камерой. Пятая глава посвящена описанию физико-химической модели.

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору В.Н. Шарапову за выбор направления исследований и методологии построения комплексных моделей магматогенной субэральной гидротермальной системы.

Сбор фактического материала, его обработка, обсуждение результатов гидрогеохимических исследований проведены при постоянном внимании и с помощью д.г.-м.н. С.Б.Бортниковой, за что автор выражает глубокую благодарность. Д.Ю. Бессоновым оказана всесторонняя поддержка в работе и жизни, без чего реализация данной работы была бы невозможна.

Для целей работы В.К. Черепановой был модифицирован алгоритм получения численных оценок динамики ретроградного кипения котектического расплава с учетом структурных особенностей области кипения магмы. Сотрудники Лаборатории физико-химического моделирования под руководством профессора И.К. Карпова, к.г.-м.н. В. А. Бычинский, к.т.н. К.В. Чудненко предоставили ПК Селектор Win и оказали необходимую помощь при разработки физико-химической динамической модели вулканно-гидротермальной системы. При освоении методов термодинамического моделирования автору помогли к.г.-м.н. О.Л. Гаськова, д.г.-м.н. Г.Р. Колонии, д.г.-м.н. А.Л. Павлов. Содействие при проведении полевых работ было оказано сотрудниками ИВ ДВО РАН д.г.-м.н. Г.А. Карповым, к.г.н. С.М. Фазлуллиным, к.г.-м.н. М.Е. Зеленским, к.г.-м.н. Е.Г. Калачевой, А.А. Смышляевой, Т.А. Котенко, Л.В. Котенко. Профессору. Д.М. Гричуку (МГУ) соискатель благодарен за содержательную критику исходного текста работы. Дискуссии по существу вопросов и советы по улучшению оформления диссертации сотрудниками Лаборатории моделирования динамики эндогенных процессов — д.г.-м.н. М.П. Мазуровым, к.г.-м.н. Ю.В. Перепечко, к.г.-м.н. А.Я. Шевко, к.г.-м.н. Л.М. Житовой, к.г.-м.н. М.П. Гора способствовали улучшению текста диссертации.

Финансовая поддержка работы была оказана РФФИ (гранты № 00-0565408, 03-05-64324, НИШ №15.73/213), дирекцией ОИГГиМ СО РАН (грант ВМТК №1770).

Заключение Диссертация по теме "Петрология, вулканология", Бессонова, Елизавета Павловна

Основные результаты

Проведенное физико-химическое моделирование позволило рассмотреть несколько возможных вариантов эволюции состава и фазового состояния магматогенного флюида после отделения от расплава и его влияние на вмещающие породы. Полученные результаты относятся к предельным случаям, но могут быть приложены и к конкретным гидрогеологическим ситуациям.

1. Наиболее важной зоной в эволюции флюида является зона конденсации. При отделении от расплава флюид имеет гетерофазный состав, но доля жидкости не превышает нескольких процентов.

Жидкость представлена концентрированными рассолами. В зоне конденсации происходит переход в раствор более 90 мас.% флюида.

При этом образующиеся растворы становятся ультракислыми за счет перехода в раствор «кислых газов» (НС1, HF, SO2).

Выше зоны конденсации флюид может существенно поменять свой состав в зависимости от пути миграции. Взаимодействие с вмещающими породами приводит к нейтрализации растворов и насыщению их легковыщелачиваемыми компонентами (Са, Na, К). Разбавление магматогенного флюида метеорными водами не приводит к существенному изменению параметров раствора. Разбавление магматогенных флюидов слабоминирализованными метеорными водами приводит к порождению большого объема агрессивных кислых вод. При дальнейшем подъеме смешанные растворы более активны чем высокоминирализованый магматогенный флюид, и в результате они выносят на поверхность большее количество элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное численное моделирование динамики тепломассопереноса процесса ретроградного кипения в кристаллизующемся гранитоидном расплаве под вулканической субаэральной постройкой и фильтрации отделивщегося от затвердевающей магмы флюида через вмещающие породы, в которых над зоной конденсации надкритического газа возможно смешение с поровыми водами, позволило вывить ряд характерных особенностей эволюции гидротермальной системы:

А. Субаэральные малоглубинные магматогенные гидротермальные системы развиваются над кровлей магматических тел, располагающихся в интервале глубин 1,5-4 км, при начальном содержании воды в магме более 0,5мас. % При этом с увеличением глубины залегания интрузивной камеры область надкритического водного флюида при ретроградном кипении смещается из вмещающих пород в контур магматического тела. Время протекания ретроградного кипения расплава в таких малоглубинных камерах порядка 6000 лет. После полной кристаллизации магматической жидкости происходит «отмирание» магматической термальной системы и превращение интрузивного тела в источник кондуктивного тепла для поровых флюидов вмещающих пород. Заметное влияние на время существования области магматической флюидной системы может оказывать тип разреза, - наиболее продолжительное время сушествования в магматической системе области надкритического водного флюида можно ожидать при наличии в верхней части вулканогенного разреза флюидоупоров.

Б. Над границей солидуса в эндоконтактовой части магматической камеры и в разрезе вмещающих пород при определенных структурных условиях может сформироваться фазово - зональная гидротермальная система: 1) область надкритического магматического газа, 2) зона конденсации газовой смеси и появления водного гидротермального раствора, 3) область фильтрации магматогенного раствора, 4) зона смешения магматогенного и порового растворов, 5) зона вторичного кипения смешанного раствора, 6) зона вторичной конденсации и фильтрации (разгрузки) нагретых термальных вод. При наличии во вмещающих породах зон трещиноватости (разломов) надкритический газ может достигать поверхности вулканической постройки.

В. Физико-химическая эволюция магматогенного флюида и метасоматические изменения пород зависят от структурных условий фильтрации флюидов. Можно предвидеть два предельных случая такого рода явлений: 1) охлаждение и конденсацию флюида в трещинных каналах; 2) метасоматические преобразования вмещающих пород магматическими и смешанными флюидами. Во втором случае наиболее важной зоной, определяющей дальнейший химизм термальных растворов является зона конденсации магматического флюида. За счет перехода в раствор «кислых» газов происходит резкая смена физико-химических параметров раствора (рН, Eh), после которой растворы становятся ультракислыми. Дальнейшее взаимодействие с вмещающими породами приводит к перераспределению компонентов в вышележащем разрезе вулканогенных пород.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Бессонова, Елизавета Павловна, Новосибирск

1. Антипин JI.H., Важенин С.Ф. Электрохимия расплавленных солей. М.:ГНТИЛ по черной и цветной металлргии, 1964, 355 с.

2. Баренблатт Г.И., Желтов Ю.П. Об основных уравнениях фильтрации однородных жидкостей в трещиноватых породах // Докл. АН СССР. 1960. Т. 132, № 3. С. 545548.

3. Баренблатт Г.И., Желтов Ю.П., Кочина И.Н. Об основных уравнениях теории фильтрации однородных жидкостей в трещиноватых породах // ПММ. 1960. Т. 24, вып. 5. С. 852-864.

4. Баренблатт Г.И., Ентов В.И., Рыжик В.М. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа. М.: Недра, 1972, 287 с.

5. Басков Е.А., Сураков С.Н. Гидротермы Тихоокеанского сегмента Земли. // М., Недра, 1975, 170с.

6. Белевцев Я.Н., Коваль В.Б., Николаенко В.И. Современные проблемы эндогенного рудообразования // Киев: Наук. Думка, 1972. 230 с.

7. Белоусов В.И.; Рычагов С.Н.; Сугробов В.М. Северо-Парамуширская гидротермально-магматическая конвективная система: геологическое строение, концептуальная модель, геотермальные ресурсы // Вулканол. и сейсмол. 2002. N 1. С. 34-50

8. Бессонова Е. П., Фазлуллин С.М., Колонии Г.Р., Гаськова О.Л. Физико-химическое моделирование особенностей газогидротермального изменения андезитов в. Эбеко в условиях активной фумарольной деятельности.// Вулканол. и сейсмол. 2004, №4, с.56-64.

9. Бондпрев Э.А., Николаевский В.Н. К постановке задач теории фильтрации однородной жидкости в трещиноватых пористых средах // НТС по добыче нефти. М.: ВНИИ, 1966. Вып. 30. С. 29-33.

10. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка//М.: Металлургия, 1987, 224 с.

11. Борисов М.В., Рыженко Б.Н., Крайнов С.Р. Влияние кислотно-основных свойств горных пород на состав равновесного водного раствора // Геохимия, 1984. № 5. С. 705-713.

12. Брайцева О.А.; Литасова С.Н.; Сулержицкий Л.Д.; Егорова И.А.; Гребзды Э.И.Радиоуглеродное датирование и палинологическое изучение почвенно-пирокластического чехла подножий вулканов Карымский и Малый семячик

13. Камчатка.//Вулканол. и сейсмол. 1989, N 1., с. 19-35

14. Бэр Я. Заславски Д. Ирмей С. Физико-математические основы фильтрации воды. М.:Мир, 1971,451с.

15. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.:Физматгиз, 1963, 709 с.

16. Веригин Н.Н., Голубев B.C. О генерации пара в подземных пластах коллекторах//Докл. АН СССР, 1975, Т.233 №6, с 1355-1358

17. Вукалович М.П., Новиков П.И. Уравнения состояния идеальных газов // М.: Госэнергоиздат, 1948. 340 с.

18. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р, Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Иностр. лит., 1961. 929 с.

19. Голионко Б.Г. Некоторые особенности строения и геологического развития Восточной Камчатки// Изв. вузов. Геол. и разведка, 1989, N 4,125-129

20. Голубев B.C., Шарапов В.Н. Динамика эндогенного рудообразования. М.:Недра, 1974,274 с.

21. Горельчик В.И.; Гарбузова В.Т.; Дрознин Д.В.; Левина В.И.; Фирстов П.П.; Чубарова О.С.; Широков В.А. Вулкан Шивелуч: глубинное строение и прогноз извержения по данным детальной сейсмичности 1962-1994 гг. // Вулканол. и сейсмол. 1995. № 4-5, с. 54-75.

22. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. М.: Мир, 1972. 254 с.

23. Добрынин В.М. Деформации и изменения физических свойств коллкторов нефти и газа. М.: Недра, 1970. 230 с.

24. Дорогокупец П.И., Карпов И.К. Термодинамика минералов и минеральных равновесий. Новосибирск: Наука, 1984. 185 с.

25. Желтов Ю.П. Механика нефтегазоносного пласта. М.: Недра, 1975. 215 с.

26. Зарайский Г.П., Балашов В.Н. О разуплотнении горных пород при нагревании // Докл. АН СССР. 1978. Т. 240, № 4. с. 926-929.

27. Зарайский Г.П., Балашов В.Н. Тепловое разуплотнение горных пород как фактор формирования гидротермальных месторождений // Геология рудных месторождений. 1981. № 6. С. 19-35.

28. Зарайский Г.П., Балашов В.Н. Горные породы как среда транспорта гидротермальных растворов // Геол. журн. 1983. Т. 43, № 2. С. 29-38.

29. Злобин Т.К. Строение земной коры и верхней мантии Курильской островной дуги (по сейсмическим данным)/ДВНЦ АН СССР, Владивосток, 1987.

30. Иванов Б.В. Типы андезитового вулканизма Тихоокеанского подвижного пояса. М.: Наука, 1990. 213 с.

31. Иванов В.В. Основные стадии гидротермальной деятельности вулканов Камчатки и Курильских островов и связанные с ними типы термальных вод. // Геохимия. 1958. N5, с.38-51

32. Иванов В.В. Современная гидротермальная деятельность вулкана Эбеко на острове Парамушир. Геохимия, 1957, N 1,.

33. Карпов И.К.; Чудненко К.В.; Кулик Д.А.; Авченко О.В.; Бычинский В.А. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах методом выпуклого программирования// Геохимия. 2001. N 11. с. 1207-1219.

34. Кирюхин А.В. Моделирование естественного состояния и эксплуатации высокотемпературного гидротермального резервуара Океанский (о-в Итуруп)// Вулканол. и сейсмол., 1996, N 1,24-25,

35. Кирюхин А.В., Делемень И.Ф., Гусев Д.Н. Высокотемпературные гидротермальные резервуары. М., Наука, 1991, 160 с.

36. Косухин О.Н. Бакуменко И.Т. Чупин В.П. Магматический этап формирования гранитных пегматитов // Труды ИГиГ СО АН СССР. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1984. № 476. 136 с

37. Кристеа Н. Подземная гидравлика. М.: ГНТИ нефтяной литературы, 1961. Т. 1. 342 с.

38. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.: Гостехиздат, 1947. 244 с.

39. Лодочников В.Н. Главнейшие породообразующие минералы. М., "Недра", 1974.

40. Мархинин Е.К., Стратула Д.С. Гидротермы Курильских островов. М., Наука. 1977, 212 с.

41. Маскет М. Течение однородных жидкостей в пористой среде. М.; Л.: Гостоптехиздат, 1949. 629 с.

42. Мелекесцев И.В.; Двигало В.Н.; Кирьянов В.Ю.; Курбатов А.В.; Несмачный И.А. Вулкан Эбеко (Курильские острова): история эруптивной активности и будущая вулканическая опасность. Часть I // Вулканол. и сейсмол. 1993. N 3, с. 69-81

43. Мелекесцев И.В.; Двигало В.Н.; Кирьянов В.Ю.; Курбатов А.В.; Несмачный И.А. Вулкан Эбеко (Курильские острова): история эруптивной активности и будущая вулканическая опасность // Вулканол. и сейсмол. 1993. N 4. с. 24-42

44. Мельник Ю.П. Термодинамические свойства газов в условиях глубинного петрогенезиса. Киев: Наук. Думка, 1978. 150 с.

45. Меняйлов И.А., Никитина Л.-П., Будников В.А. Активность вулкана Эбеко в 1987-1991 годах. Характер извержений, особенности их продуктов, опасность для г. Северо-Курильска.// Вулканология и сейсмология, N 6, 1992

46. Меняйлов И.А., Никитина Л.П., Шапарь В.Н. Геохимические особенности фумарольных газов на различных стадиях активности вулканов Тихоокеанского пояса.// Вулканология и сейсмология. 1991. № 1. с.79-92

47. Меняйлов И.А., Никитина Л.П., Шапарь В.Н. Особенностихимического и изотопного состава фумарольных газов в межэруптивный период деятельности вулкана Эбеко // Вулканология и сейсмология. 1988. 4. с.21-36.

48. Меняйлов И.А.; Никитина Л.П.; Пилипенко В.П.; Шапарь В.Н. Состав газов и температура кратерных фумарол вулкана Момотомбо (Никарагуа) в марте мае 1983 г. // Вулканол. и сейсмол. 1987. N 2. с. 25-33

49. Мешалкин С.С., Арискин А.А. и др. Разработка базы экспериментальных данных по расплавно-кристаллическим равновесиям изверженных пород: система ИНФОРЭКС (версия 3.0) // Геохимия. 1996. № 2. С. 99 105.

50. Минералогическая термометрия и барометрия. Т.2, стр. 46, "Наука", Москва, 1968

51. Молодые гидротермально измененные породы и минералы Камчатки и Курильских островов, ред. Набоко С. И. М., 1969,190 с.

52. Набоко С.И. Металлоносность современных гидротерм в областях тектоно-магматической активности. М.: Недра, 1980,215 с.

53. Набоко С.И., Опыт комплексного исследования района современного и новейшего вулканизма (на примере хр. Вернадского, о. Парамушир). СО АН СССР СКНИИ -Южно-Сахалинск, 1966,207 с.

54. Наумов В.Б., Коваленко В.И., Ярмолюк В.В., Дорофеева В.А. Концентрация летучих компонентов (Н20, CI, F, S, СО2) в магматических расплавах различных геодинамических обстановок // Геохимия, 2000. N 5. с. 555-564.

55. Наумов В.Б.; Коваленко В.И. Концентрация серы в магматических расплавах по данным излучения включений в минералах II Геохимия 1997. N 1. с. 97-103

56. Наумов В.Б.; Коваленко В.И.; Дорофеева В.А. Магматические летучие и их участие в формировании рудообразующих флюидов // Геол. руд. месторожд. 1997. Т. 39. N 6. с. 520-529

57. Наумов В.Б.; Коваленко В.И.; Иваницкий О.М. Концентрация Н2О и СО2 в магматических расплавах по данным изучения включений в минералах // Геохимия 1995. N 12. с. 1745-1759

58. Наумова О.А.; Алышева Э.И. Гидротермально измененные породы Озерновского золото-серебряного месторождения Камчатки // Отеч. геол. 1995. N 1. с. 35-44

59. Николаенко В.И., Индутный В.Ф. Влияние термодинамических факторов на проницаемость гранитоидов // Физические свойства горных пород. Баку, 1978. с. 29-30.

60. Озеров А.Ю. Динамика извержения Карымского вулкана (Камчатка) в 1996 г. и состав его продуктов // Вестн. ДВО РАН, 1997. N 3. с. 86-93

61. Осадчий Е.Г.; Лунин С.Е.; Коржинский М.А.; Ткаченко С.И.; Таран Ю.А. Измерения ГО2 и S2 электрохимическими сенсорами в высокотемпературных фумаролах активных вулканов // Геохимия. 1997. N 1. с. 74-81

62. Павлов A.JL, Карпов Г.А. Физико-химические особенности современного рудообразования в кальдере Узон (Камчатка) // Докл. АН СССР, 1972, т. 206, N 3, с. 719-722,

63. Павлов A.JL; Аверкин Ю.А. Условия образования и развития магматогенных гидротермальных систем и их моделирование на ЭВМ // Построение моделей рудообраз. систем, Новосибирск, 1987. с. 85-96

64. Пампура В.Д. Геохимия гидротермальных систем областей современного вулканизма. Новосибирск: Наука, 1985. 152 с.

65. Петраченко Е.Д., Петраченко Р.И. Пренит-пумпеллиитовые породы Курильской дуги и их металлогеническое значение.// Рудоносность Дальнего Востока. Владивосток, 1978, с. 30.

66. Петрография, Ч.З, под ред. А.А. Маракушева. Издательство Московского Университета, 1986

67. Пийп В.Б., Волох A.JI. Глубинное строение Курило-Камчатского региона по данным современной интерпретации материалов ГСЗ прошлых лет // 2-е Геофиз. чтения им. В. В. Федынского, Москва, 24-26 февр., 2000, М., Изд-во Центра ГЕОН, Тез. докл.,

68. Полянский О.П., Ревердатто В.В. Конвекция флюида в коллекторах осадочного бассейна при термическом воздействии даек и силлов // Геол. и геофиз., 2002, 43, N 1,27-41.

69. Потапов В.В. Физическая модель тепломассопереноса в магматогенной геотермальной системе под вулканом Мутновский //Вулканол. и сейсмол., 2002, N 2, с. 21-29,

70. Развитие иследования по теории фильтрации в СССР. М.: Наука, 1969. 545 с.

71. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. JL: Химия, 1971. 702 с.

72. Рыженко Б.Н., Барсуков Викт. JL, Князева С.Н. Химические характеристики (состав, рН, Eh) системы порода/вода. I. Системы гранитоиды/вода // Геохимия. № 5. 1996. с. 436-454.

73. Рыженко Б.Н., Барсуков Викт. Л., Князева С.Н. Химические характеристики (состав, рН, Eh) системы порода/вода: II. Системы "диорит(андезит)/вода" и "габбро(базальт)/вода"//Геохимия. 1997. № 12. с. 1227-1254.

74. Рыженко Б.Н., Барсуков Викт. Л., Князева С.Н. Химические характеристики (состав, рН, Eh) систем "порода/вода": III. Системы "пироксенит/вода" и "дунит/вода'У/ Геохим. 2000. № 6. с. 618-642.

75. Структуры рудных полей. М.: ГНТИ, 1960. 621 с.

76. Слеттери Д. Теория переноса импульса, энергии и массы в сплошных средах. М.: Энергия, 1978. 447 с.

77. Словцов И.Б. Минералого-геохимические критерии физико-химических условий в недрах гидротермальных систем (На примере Мутновского геотермального месторождения). // Реф.дисс. на соиск. уч. ст. к.г-м.н., Москва, 1994.

78. Смирнов В.И. Геология полезных ископаемых. М.: Недра, 1982. 663 с.

79. Смирнов B.C., Пак Г., Белоусов С.П., Пономарев П.М. Строение земной коры и верхней мантии Южной Камчатки (профиль п. Апача р. Мутная)// Сейсмол. и сейсмостойкое стр-во на Дал. Вост., Владивосток, 1989, с. 99

80. Таран Ю.А., Гавриленко Г.М., Черткова JI.B., Гричук Д.В. Геохимическая модель гидротермальной системы вулкана Уншшир (Курильские острова)// Вулканол. и сейсмол., 1993, N 1, 55-68

81. Таран Ю.А.; Кирсанова Т.П.; Вакин Е.А.; Есиков А.Д.; Чешко A.JI. Изотопный состав воды фумарольных газов вулканов Камчатки II Изв. АН СССР Сер. геол. 1987. N9. с. 124-127

82. Таран Ю.А.; Покровский Б.Г.; Дубик Ю.М. Изотопный состав и происхождение воды в андезитовых магмах //Докл. АН СССР. 1989. Т. 304. N 2. с. 440-443

83. Ткаченко Р.И. Гидротермально измененные породы центральной части острова Парамушир и условия их формирования // Бюлл. Вулканол. Станций, 1965, №39, с.59-68

84. Трегер В.Е. Таблица для оптического определения породообразующих минералов. Москва. 1958.

85. Тулмин И., Кларк С. Температурные условия рудообразования // Геохимия гидротермальных рудных месторождений. М.: Мир, 1970. С. 367-389.

86. Файф У., Тернер Ф., Ферхуген Дж. Метаморфические реакции и метаморфические фации. М.: Иностр. лит., 1962. 414 с.

87. Федотов С.А. Об извержениях в кальдере Академии Наук и Карымского вулкана на Камчатке в 1996 г., их изучении и механизме // Вулканол. и сейсмол. 1997. N 5. с. 3-37

88. Фролова Т.И., Дриль С.И. Андезитовый вулканизм островных дут и его геологическое значение.// Тихоокеан. геол., 1993, N 3, 3-14

89. Хьюджес Ч. Петрология изверженных пород. М., Недра, 1988.

90. Чарный И.А. Подземная гидрогазодинамика. М.: Гостоптехиздат, 1963. 396 с.

91. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965. 237 с.

92. Черепанов А.Н. К теории возникновения газовых включений (пор) в минералах изверженных пород // Динамические и физико-химические модели магматогенных процессов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983. С. 20-24.

93. Чудаев О.В., Чудаева В.А., Карпов Г.А, Эдмунде У.М., Шанд П. Геохимия вод основных геотермальных районов Камчатки. Владивосток: Дальнаука, 2000. 162 с.

94. Чураков С.В.; Ткаченко С.И.; Коржинский М.А.; Бочарников Р.Е.; Шмулович К.И. Термодинамическое моделирование эволюции состава высокотемпературныхфумарольных газов вулкана Кудрявый, о. Итуруп, Курильские о-ва // Геохимия. 2000. N5. с. 485-501

95. Шарапов В.Н., Аверкин Ю.А. Динамика тепло- и массообмена в ортомагматических флюидных системах. Новосибирск: Наука. 1990. 188 с.

96. Шарапов В.Н., Акимцев В.А., Доровский В.Н., Перепечко Ю.В., Черепанов А.Н. Динамика развития рудно-магматических систем зон спрединга. Тр. ОИГГМ СО РАН; Вып. 841 Новосибирск, Изд-во СО РАН. НИЦ ОИГГМ, 2000,414 с

97. Шарапов В.Н., Бессонова Е.П., Черепанова В.К. Оценка возможных размеров и времени существования области надкритического флюида в субаэральных смешанных термальных системах андезитовых вулканов// Доклады Академии Наук, 2004, т. 397, №1, с. 97-100

98. Шарапов В.Н., Черепанов А.Н. Динамика дифференциации магм// Труды ИГиГ СО АН СССР, Новосибирск, Наука. Сиб. отд-ние, 1986, N 642, 188 с.

99. Шарапов В.Н., Черепанов А.Н. Физическая модель генетической связи оруденения с интрузивными массивами // Эндогенные рудные формации Сибири и проблемы рудообразования. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1986. С. 110117.

100. Шарапов В.Н., Черепанов А.Н., Попов В.Н. Динамика солидификации базитового расплава при формировании лополитов // Докл. РАН, 1997, 352, N 5, с. 672-675,

101. Шваров Ю.В. Алгоритмизация численного равновесного моделирования динамических геохимических процессов // Геохимия. 1999. N6. с. 646-652.

102. Шварцев C.JL Взаимодействие воды с алюмосиликатными горными породами. Обзор // Геология и геофизика. 1991. № 12. с. 16-50.

103. Шварцев СЛ. Геологическая система «вода-порода» // Вестник Российской Академии Наук. 1997. Т. 67. № 6. с. 518-524.

104. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. М.: Гостоптехиздат, 1960. 249 с.

105. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. МГУ, 1979 , 368 с.

106. Щелкачев В.Н. Основные уравнения движения упругой жидкости в упругой пористой среде// Докл. АН СССР. 1946. Т. 52, вып. 2. с. 103-106.

107. Щелкачев В.Н., Лапук Б.Б. Подземная гидравлика. М.: Гостоптехиздат, 1949. 308 с.

108. Africano F., Bernard A. Acid alteration in the fumarolic environment of Usu volcano, Hokkaido, Japan. Journal of Volcanology and Geothermal Research 97, 2000. p. 475495

109. Berman R.G. Internally-consistent thermodynamic data for minerals in the systems: Na20-K20-Ca0-Mg0-Fe0-Fe203-A1203-Si02-Ti02-H20-C02// J. Petrol., 1988. №29, p. 445-522,

110. Brace W.F., Walsh I.В., Frangos W.T. Permeability of granite under high pressure // J. Geophys. Res. 1968. V. 73. p. 2225-2236.

111. Cherepanov A.N., Sharapov V.N., Cherepanova V.K. Thermodynamic and Hydrodynamic Conditions of Gas and Heterophase Inclusion Formation in Basic Igneous Rocks // Geochem. Intern. 2000. V. 38. Sup 1. p. 5133-5140.

112. Delmelle P., Bernard A. Downstream composition changes of acidic volcanic waters discharged into the Banyupahit stream, Ijen caldera, IndonesiaZ/Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2000, V 97 N1-4, p. 55-75

113. Gianelli Giovanni, Grassi Sergio. Water-rock interaction in the active geothermal system of Pantelleria, Italy.// Chemical Geology 181 2001 p. 113-130

114. Helgeson H.C., Murphy W.M., Aagard P. Thermodynamic and kinetic constants on reaction rates among minerals and aqueous solutions // Geochim. Cosm. Acta, 1984. V.48. p. 2405-2432.

115. Holland T.J.B., Powell R. An enlarged and updated internally consistent thermodynamic dataset with uncertainties and correlations: K20-Na20-Ca0-Mg0-Fe0-Fe203-A1203-Ti02-Si02-C-H2-02 // J.Metamorphic Geol. 1990. V.8. p.89-124.

116. Karpov I.K., Chudnenko K.V., Kulik D.A., Bychinskii V.A. The convex programming minimization of five thermodynamic potentials other than Gibbs energy in geochemical modeling// American Journal of Science, vol. 302, April, 2002, p.281-311.

117. Kiryukhin A.V. High temperature fluid flows in the Mutnovsky hydrothermal system, Kamchatka// Geothermics, 1993, v.23,N 1, p.49-64.

118. Kiryukhin A.V. Modeling Studies: Dachny Geothermal Reservoir, Kamchatka, Russia // Geothermics, 1996, V. 26, No.l , p.63-90.

119. Lois J. Wardell, Philip R. Kyle, Nelia Dunbar, Bruce Christenson White Island volcano, New Zealand: carbon dioxide and sulfurdioxide emission rates and melt inclusion studies. Chemical Geology 2001, V. 177 p. 187-200

120. Nordstrom D.K., Ball J.W. Chemical models, computer programs and metal complexation in natural waters// Complexation of trace metals in natural waters, 1984, p. 149-164.

121. Papalexi N.D. Curs de fizica. Bucuresti: Tecnica, 1951. 185 p.

122. Polyanskii O.P., Reverdatto V.V., Sverdlova V.G. Convection of Two-Phase Fluid in a Layered Porous Medium Driven by the Heat of Magmatic Dikes and Sills // Geochemistry International, 2002,40, N 1, Suppl., S69-S81

123. Reid R., Prausnitz J., and Sherwood T. The properties of gases and liquids, 3d edition. • McGrawHill Book Company, 1977, New York, 592p.

124. Shock E.L., Sassani D.C., Willis M., Sverjensky D.A. Inorganic species in geologic fluids: Correlations among standard molal thermodynamic properties of aqueous ions and hydroxide complexes // Geochim. et Cosm. Acta. 1997. V. 61. № 5. p.907 950.

125. Stefansson V., Steingrimsson B. Geothermal Logging, an Introduction to Techniques and Interpretation. Orkustofnun , 1981 , 117 p.

126. Sverjensky D.A., Shock E.L., Helgeson H.C. Prediction of the thermodynamic properties of aqueous metal complexes to 1000°C and 5kb // Geochim. et Cosm. Acta. 1997.N7.p. 1359-1412.

127. Taran Yu.A.; Rozhkov A.M.; Serafimova E.K.; Esikov A.D. Chemical and isotopic composition of magmatic gases from the 1988 eruption of Klyuchevskoy volcano, Kamchatka// J. Volcanol. and Geotherm. Res. 1991.V. 46. N 3-4. P. 255-263.

128. Wardell L.J., Kyle P.R., Dunbar N., Christenson B. White Island volcano, New Zealand: carbon dioxide and sulfur dioxide emission rates and melt inclusion studies//Chemical Geology, 2001, V. 177 1-2, p. 187-200.

129. Yokokawa H. Tables of thermodynamic properties of inorganic compounds. Journal of the national chemical laboratory for industry// Tsukuba Ibaraki 305, Japan, 1988. v.83, 27-118.

130. Zobak M.D., Byerlee J.B. The effect of dilatancy on the permeability of Waterly granite //J. Geophys. Res. 1975. V. 80. p. 752-755.1. Фондовая литература:

131. Барабанов JI.H. Гидротермы Курильской вулканической области. Отчет Фонды ИВ ДВО РАН.

132. В.Б.Мишин Отчет на подготовку геофизической основы для поисков в восточной части Северо-Парамуширской геотермальной системы. Елизово , 1993 , 140 с.

133. Вакин Е.А., Таран Ю.А., Пилипенко В.П., Рожков A.M. "Методика и результаты газогидрохимического опробования геотермальных скважин (Мутновское месторождение)". Отчет, Петропавловск-Камчатский, 1987.

134. КирюхинА.В., СловцовИ.Б., Калачева Е.Г. Отчет "О результатах поисково-разведочных и научно-исследовательских работ, проведенных ЗАО "Геотермик" и других организаций на Северо-Курильской геотермальной площади". Фонды ИВ ДВО РАН, 1997

135. Набоко С.И., Розникова А.П. "Гидротермальны метаморфизм пород и минералообразование на Паужетском месторождении современных парогидротерм". Отчет, Петропавловск-Камчатский, 1964 г.

136. Пчелкин В.И., Рослый Г.А., Швец Г.И., Шикеня И.М., Тютев С.А., Яблонский А.А., Филипенко З.П., Поселеннова Н.В. Проект на детальные поиски парогидротерм на Эбекском месторождении (о.Парамушир) 1991-1994 г. Фонды ИВ ДВО РАН, 177с.

137. Словцов И.Б."Минералого-петрографическое описание скважин Мутновского геотермального месторождения" Отчет, Петропавловск-Камчатский,

Информация о работе

Бессонова, Елизавета Павловна
кандидата геолого-минералогических наук
Новосибирск, 2004
ВАК 25.00.04

Диссертация

Моделирование динамики тепломассопереноса и физико-химических процессов в гидротермальной системе В. Эбеко - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы