Проблема энергетики процессов регионального метаморфизма первичноосадочных пород


Энергетика процессов регионального метаморфизма — одна из ключевых проблем, решение которых необходимо для понимания глобального процесса образования сиалической земной коры в докембрии и в фанерозое. Сущность проблемы состоит в том, что для объяснения повышенного теплового потока, проявляющегося на определенной стадии развития орогенных структур, к которой приурочены региональный метаморфизм и гранитообразование, необходимо привлечение дополнительных (по сравнению с радиогенными) источников энергии (тепла).

Для решения этой проблемы необходимо построение и оценка моделей источников тепла, которые могут быть обусловлены либо привносом тепла из мантии (в виде магм, растворов), либо трансформацией механической энергии тектонических процессов в тепло.

Особенности строения и тектонического положения поясов регионального термодинамометаморфизма указывают на закономерную связь формирования аномальных тепловых полей с этапами сжатия, в которое вовлекаются породы терригенных формаций. Поэтому представляется необходимым обсудить и оценить возможность образования дополнительных тепловых источников в связи с физико-химическими превращениями, протекающими в осадочных породах терригенных формаций под влиянием повышенных литостатических давлений в областях сжатия.

Общая направленность процессов, протекающих под влиянием высокого литостатического давления, определяется требованием уменьшения суммарного объема пород в зоне сжатия: уплотнение пород, уменьшение пористости и вытеснение поровых вод, сопровождающиеся уменьшением проницаемости — «закрытием» системы порового пространства, перекристаллизация с образованием ориентированных структур и текстур и, наконец, на стадии метаморфизма — химические превращения с образованием более плотных минералов, менее гидратированных и с более упорядоченной кристаллической структурой. Такая направленность химических превращений при прогрессивном метаморфизме может быть сопоставлена с процессами эклогитизации, протекающими в сухих магматических породах в условиях увеличения литостатического давления.

Для осадочных пород в условиях прогрессивного метаморфизма характерны реакции дегидратации минералов глин, имеющие отрицательные объемные эффекты в твердофазовой части и сопровождающиеся выделением воды, следствием чего является суммарный положительный объемный эффект. Следовательно, протекание их в условиях сжатия в закрытой системе порового пространства пород (на глубинах более 20 км) возможно лишь при условии инверсии знака объемного эффекта их в сопряженных процессах растворения компонентов породы во флюидной фазе.

Инверсия знака объемного эффекта реакций дегидратации возможна как следствие образования высококонцентрированных растворов (типа растворов внедрения) алюмосиликатного состава («цеолитоподобных»), формирующихся при избирательном растворении компонентов с положительным барическим коэффициентом растворимости: SiO2, Al2O3, CaO, Na2O, K2O и др. Суммарный эффект дегидратации и растворения состоит в перераспределении компонентов осадочной породы между твердыми фазами и флюидным раствором, при котором твердые фазы обогащаются силикатами Mg, Fe, Al, а флюидная фаза — алюмосиликатными компонентами ± кварц, т. е. описывает явление метаморфической дифференциации, характерное для регионально-метаморфических комплексов. Сопряженное протекание реакций дегидратации и избирательного растворения может быть определено как реакция бародегидратации.

Инверсия знака объемного эффекта в реакциях бародегидратации должна приводить к инверсии знака теплового эффекта, т. е. к выделению тепла в реакциях, следовательно к появлению дополнительного теплового источника в зоне барсметаморфизма.

Характерная черта теплового источника, связанного с реакциями бародегидратации,— зависимость мощности его от литологии осадочных пород в зоне сжатия, в данном случае — от содержания в них глинистой составляющей, свободного кремнезема, щелочей и кальция. Повышение температуры в зоне протекания реакций бародегидратации должно приводить к смещению равновесия между твердыми фазами и флюидным раствором, следствием которого является выделение из раствора компонентов полевых шпатов, изменение состава раствора и увеличение давления воды в новообразованном поровом пространстве. В данном случае возможно образование флюидного «сверхдавления» (РН2О > Рлит). Повышение температуры и высокое флюидное давление должно приводить к выплавлению эвтектических (и антиэвтектических) расплавов с образованием магматических мигматитов. Если объем осадочных пород в зоне реакции достаточно велик, то возможны процессы гравитационной дифференциации, вязкого течения (адвекции) и всплывание гранитного диапира («астенолита») с образованием купольных структур — «термоантиклиналей». Увеличение температуры и давления флюидной фазы должно привести также и к раскрытию порового пространства и появлению на границе зоны сжатия (и внутри нее) потока высокотемпературного флюида, агента метаморфизма и гранитизации в породах кровли.

Таким образом, в рамках предложенной модели получают логическое объяснение явления, наблюдаемые в связи с процессом регионального метаморфизма и гранитизации, образующие эндогенный этап в глобальном процессе образования сиалической земной коры. Образование источника энергии (тепловой) в данной модели обусловлено физико-химическими превращениями, протекающими в осадочных породах под влиянием литостатического давления, т. е. под влиянием гравитационного поля Земли.

Физико-химические превращения не являются самостоятельным («первичным») источником энергии, а только механизмом трансформации энергии, поглощенной в каком-то другом процессе. В данном случае наиболее вероятным источником энергии, трансформируемой в тепловую энергию регионального метаморфизма, является энергия солнечного излучения, поглощенная при осадкообразовании в зоне экзогенеза. Действительно, мощность источника тепла в соответствии с моделью механизма его образования, является функцией литологии осадочных пород, она определяется степенью осадочной дифференциации, протекающей на поверхности Земли, в зоне экзогенного круговорота воды, который совершается за счет поглощения энергии солнечного излучения.

Рассмотрим более детально механизмы трансформации энергии солнечного излучения, поглощенной в экзогенном круговороте воды, в химическую работу осадочной дифференциации. Начальный этап — испарение воды в океаническом бассейне. При этом тепловая компонента солнечного излучения расходуется на процессы испарения и нагревания, частично трансформируется в механическую работу изменения объема (расширения) и переноса паров воды в тепловом и гравитационном полях с уровня Океана на уровень Континента (Нк > Но) [см. рисунок]. Баланс энергии в макросистеме океан— континент (закон сохранения энергии [3]): dU = dеU + d,U, где dеU — поток энергии на границе системы океан — континент; в данном случае, deU = ES — энергии солнечного излучения, поглощенной в процессах нагревания и испарения; принимаем для простоты ESE = ESo — энергия, поглощенная в океане. Величина ESo включает две составляющие: ESo = deU = Q + PdV, где Q — теплота нагревания и испарения, PdV — работа расширения объема при нагревании и испарении. Величина diU — изменение внутренней энергии системы в процессах, протекающих внутри нее: теплообмен, массоперенос и химические реакции. Из закона сохранения энергии вытекает, что суммарное изменение внутренней энергии системы во внутренних процессах (во всех ее частях) равно нулю; приращение энергии системы может быть связано только с потоком энергии на ее внешних границах, т. е. в данном случае с потоком энергии солнечного излучения. Эта энергия, затрачиваемая на работу расширения объема и массоперенос в гравитационном поле, преобразуется в химическую энергию «пресной» воды на континенте, химический потенциал которой повышен по сравнению с исходной океанической водой, что обусловливает процессы химического выветривания, протекающие в микросистеме: раствор — твердые фазы на континенте.

Таким образом, формирование терригенных пород на поверхности континента, так же как хемо(био)генных пород в океане, обусловленное процессами массопереноса в атмо-и гидросфере, — следствие поглощения энергии солнечного излучения.

Участие биологических систем в реакциях выветривания и осадконакопления вносит дополнительный вклад в осадочную дифференциацию, способствуя дополнительному поглощению энергии солнечного излучения в процессах экзогенного минералообразования.

Баланс вещества в макросистеме Океан—Континент: dMо = -dМк; изменение масс компонентов обусловлено перераспределением их в процессах переноса. Для воды (в единицу геологического времени):

где dMН2Ок, dМоН2О — изменение массы воды на Континенте и в Океане (твердые фазы + гидросфера); dMН2Оо-к, dMН2Ок-о — массоперенос воды в атмосфере и гидросфере, dMН2Охрк, dMН2Окро — изменение массы воды в результате химических реакций в системе порода — вода.

Из условия баланса вещества в макросистеме вытекает, что уменьшение массы воды в Океане обусловлено химическими реакциями гидратации континентальных пород (в зоне выветривания): dMH2Oo-к = -dMH2Oхрк.

Для компонента i:
Проблема энергетики процессов регионального метаморфизма первичноосадочных пород

где ±dMiк-о — изменение массы i-компонента при массопереносе (в гидросфере континента), dMiхрк, dMiхро — изменение массы i-компонента в результате химических реакций (выветривание-осадконакопление); хрк — химические реакции на континенте, хро — химические реакции в Океане. Условие баланса i-компонента в макросистеме приводит к сопряжению реакций выветривания и хемогенного (биогенного) осадконакопления; накопление сиалических компонентов в терригенных осадках сопряжено во времени и пространстве с относительной базификацией океанических осадков: dMiхрк =dMiхро.

Количественная мера процессов дифференциации компонентов — смещение химического равновесия в системе порода — раствор.

Таким образом, образование контрастных по составу типов пород в процессе осадочной дифференциации — следствие смещения равновесия в микросистеме порода—раствор, под влиянием массопереноса в метасистеме Океан—Континент. Механическая работа массопереноса, совершаемая в гравитационном поле Земли,— результат поглощения энергии солнечного излучения, преобразуемой в работу расширения объема системы в процессе испарения.

Продукты континентального выветривания, образующие континентальные коры выветривания, подвергаются механическому разрушению и переносу в потоках наземной гидросферы в направлении бассейнов конечного стока. В процессах осадконакопления в океане продукты механического и химического выветривания образуют осадочные формации, обогащенные теми или иными компонентами: терригенными в условиях приконтинентальных прогибов или хемо(био) генными в глубинных океанических условиях.

Предпосылки к протеканию реакций с выделением энергии, поглощенной в процессе осадочной дифференциации, создаются при совмещении в пространстве микросистемы порода — раствор продуктов дифференциации: минералов глин, карбонатов и других растворимых продуктов реакций выветривания. Фактор, вызывающий обратный процесс трансформации избыточной химической энергии в тепло, — литостатическое давление как функция гравитационного поля Земли. Процесс метаморфической дифференциации по своей химической направленности является симметричным по отношению к процессу химического выветривания — исходному для осадочной дифференциации; поэтому предположение о выделении теплового эквивалента энергии солнечного излучения, поглощенной в процессе химического выветривания, при совершении работы сжатия в системе порода — раствор представляется логичным. Можно предположить, что этот процесс не завершается на уровне гранитообразования и регионального метаморфизма, а продолжается на более низких уровнях (подкоровых), в условиях барометаморфизма осадочных пород, обогащенных карбонатными компонентами и участвующих в образовании формаций океанической коры.





Яндекс.Метрика