А. А. Новоселов

Московский государственный университет
имени М. В. Ломоносова, г. Москва

 

(научный руководитель С. А. Силантьев)

 

В ходе моделирования изучались процессы, связанные с взаимодействием базальтового и перидотитового субстратов и морской воды по мере ее просачивания сквозь океаническую кору. Расчеты проводились на базе комплекса GEOCHEQ, включающего программу расчета равновесий и базу термодинамических данных him97clo, в основе которой лежит SUPCRT92 [3].

При выполнении данной работы была создана термодинамическая модель нисходящей ветви конвективной гидротермальной ячейки. Исследовалась фильтрация морской воды сквозь гомогенную толщу неизмененных базальта и перидотита от поверхности до глубин соответствующих температуре 500 °С и давлению 4 кбар, т. е. практически на весь разрез океанической коры. Температура изменялась от 30 °С до 500 °С, давление от 0.4 до 4 кбар, отношение вода/порода от 1000 до 1.

На каждом уровне накапливающий изменения химического состава флюид реагировал со свежей породой. Всего в численном эксперименте было задействовано 7 уровней, на каждом из которых достигалось частичное равновесие между взаимодействующими раствором и породой. При этом уровни взаимодействия были подобраны с таким расчетом, чтобы выявить как можно точнее границы перехода между характерными ассоциациями индикаторных фаз. Особенно тщательно был исследован переход от окислительных условий к восстановительным, соответствующий температурному интервалу от 30 °С до 100 °С. При этом температура и давление описывают условия разреза коры, а отношение вода/порода не только степень проникновения морской воды, но и время взаимодействия. В рассматриваемой модели допускается, что до достижения следующего уровня взаимодействия состав флюида остается неизменным.

В качестве исходного в ходе моделирования использовался стандартный состав морской воды [7]. Перидотит был представлен неизмененным океаническим гарцбургитом, базальт – N-MORB [6]. Рассматривалась циркуляция гидротермального флюида в двух главных типах разреза океанической коры: Хессовском (сложен преимущественно перидотитами и характерен для медленно-спрединговых хребтов) и Пенроузском (снизу-вверх сложен канонической последовательностью перидотит-габбро-базальт; характерен для быстро-спрединговых хребтов).

В результате эксперимента с перидотитовым субстратом было получено 7 минеральных ассоциаций (рис. 1), соответствующих различным уровням глубинности. На основе анализа их минерального состава было выделено три уровня изменения перидотита. Первому из них (колонки 1–2) отвечает минеральная ассоциация доломита и гетита, сформировавшаяся в окислительной обстановке. Образование при этих параметрах талька, который часто появляется в подобных расчетах, но не наблюдается в природных условиях, обусловлено отсутствием в использованной базе данных соответствующих констант для смешано-слойных гидросиликатов. Возможно также, что появление или отсутствие талька в рассмотренной системе зависит от кинетического фактора. Непосредственно с этого уровня начинается серпентинизация коры Хессовского типа, проявленная в модели в появлении хризотила. Ко второму уровню (колонки 3–4) относится ассоциация серпентин + хлорит + гематит + пирит, отвечающая границе окислительных и восстановительных режимов. Третий уровень (колонки 5–7) соответствует наиболее глубинным условиям. Здесь устойчивы серпентин, оливин (форстерит + фаялит), магнетит и пирротин, образующиеся в устойчиво восстановительных условиях.

Гидратации базальтового слоя океанической коры, как следует из результатов предпринятого моделирования, также соответствуют три главных ступени окислительно-восстановительного режима, сменяющие друг друга по мере роста температуры и уменьшения величины В/П. Первому уровню изменения базальта отвечает ассоциация ломонтит + гетит + пирит; второму – клинохлор + тальк + гематит + пирит + гейландит; третьему – магнетит + цоизит + тремолит + олигоклаз + дафнит. Как и в случае системы перидотит-морская вода, в базальтовом субстрате, реагирующем с морской водой, отмечается резкий геохимический барьер, соответствующий температуре 250°С и фиксируемый в появлении ангидрита.

По валовому составу гидротермального флюида можно судить не только о трансформации водной фазы, но и о динамике потоков вещества при метаморфизме. Общей тенденцией является обогащение раствора, равновесного с перидотитом, рудными элементами и кремнием. На первом этапе (до 50 °С) при господстве окислительных условий на фоне общей стабильности выделяется углерод, который способствует образованию арагонита. Наиболее значительные изменения отмечены на границе второго и третьего этапов, где происходит смена окислительных условий на восстановительные. Здесь фиксируется резкое падение содержания в растворе серы, что обусловлено кристаллизацией сульфатов. Снижение концентрации магния связано с образованием оливина.

Основной задачей моделирования был анализ эволюции окислительно-восстановительных условий, сопутствующих процессам гидратации океанского субстрата. Решению этой задачи способствует изучение содержания различных растворенных в гидротермальном растворе газов (в настоящем исследовании – кислорода, сероводорода, метана, водорода, углекислого газа) [2].

Кислород в данной модели поступает в породы с морской водой, поэтому его содержание в растворе резко падает с момента начала взаимодействия между водой и породой. Высокое содержание в гидротермальном растворе кислорода характерно для приповерхностных “реакторов” нисходящей гидротермальной ветви. В температурном интервале 50–100 °С его содержание, согласно расчетам, ничтожно мало, а потом начинает расти в соответствии с появлением минеральных буферов: сначала магнетит-гематитового, потом кварц-магнетит-фаялитового (рис. 2). Таким образом, гидротермальный раствор на протяжении флюидодоминирующего и порододоминирующего участков становится все более восстановительным. В это же время в системе возрастают концентрации других растворенных газов. Метан выделяется уже на первом этапе. Его содержание очень быстро возрастает. Углерод, по-видимому, с ростом температуры освобождается при разложении карбонатной фазы, а водород, как и сероводород заимствуется из воды. Очевидно, на содержание сероводорода в растворе большое влияние оказывает реакция замещения пирита пирротином. Все перечисленные газы являются индикаторами восстановительных условий. Содержание СО₂ в растворе в течение всего опыта остается неизменным. Минимальные его концентрации в растворе фиксируются в температурном интервале серпентинизации. Величина рН гидротермального флюида неуклонно понижается, но среда все время остается слабощелочной, что отражает эффект влияния на систему температуры и давления.

Результаты моделирования свидетельствуют о том, что в процессе гидратации океанической коры в интервале глубинности от поверхности океанического дна до уровня порядка 6 км реализуются три различных окислительно-восстановительных режима: 1) приповерхностный (резко окислительный); 2) флюидодоминирующий (умеренно окислительный); и 3) порододоминирующий (восстановительный). В отличие от перидотитовой ситемы, в базальтах температурный уровень 250 °С не является границей между зонами проявления двух различных окислительно-восстановительных режимов (умеренно-окислительного и восстановительного), которой в базальтах отвечает температура порядка 450 °С (рис. 3). При 250 °С гидратация базальтов начинает способствовать эффективной генерации метана и водорода, которая в перидотитах начинается при более низких температурах. Очевидно, что различия во флюидных режимах гидратации базальтового и перидотитового субстратов океанической коры определяются в первую очередь валовым составом исходных пород, обуславливающим различия в их буферных характеристиках.

Следует отметить, что данная модель имеет упрощенный характер и не отражает главного тренда тектонической эволюции океанической коры, определяемого воздыманием ультраосновных пород снизу вверх к поверхности океанического дна при последовательном их взаимодействии с гидротермальными флюидами морского происхождения. Моделирование гидратации мантийных перидотитов срединно-океанических хребтов по мере их подъема к поверхности океанического дна в нисходящем потоке гидротермальных флюидов является ближайшей целью наших исследований.

Проведенное исследование было поддержано грантом РФФИ № 03-05-64018.