CC BY
294
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012
Г еология
Вып. 2 (15)
ПЕТРОЛОГИЯ, ВУЛКАНОЛОГИЯ
УДК 552.32
К вопросу о происхождении столбчатой отдельности в базальтах и её аналогов
Д.Е. Трапезников, А.С. Сунцев, Т.М. Рыбальченко
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: poisk@psu.ru
(Статья поступила в редакцию 24 марта 2012 г.)
Столбчатая отдельность характерна для базальтов. Большинство исследователей связывают ее образование с действием контракционных сил в остывающей лаве. Контракционная гипотеза имеет ряд недостатков, она не может объяснить дифференциацию вещества внутри каждого «столба». Предложена конвективно-контракционная модель, которая точнее отражает особенности процесса формирования столбчатой отдельности. Подчеркивается, что в начальный этап образования отдельности основную роль играют конвективные течения вещества лавы. Ключевые слова: столбчатая отдельность, ячейки Бенара, конвекция, контракция, бифуркация, флуктуации, конвективно-контракционная модель.
Введение. Столбчатая отдельность -уникальное текстурное образование, характерное для вулканических пород основного состава (в частности, для базальтов). Ярким примером уникальности являются загадочные пейзажи «Дороги Ги-
гантов» в Северной Ирландии (рис.1). Еще несколько столетий назад вокруг возможных причин формирования «Дороги Гигантов» велись яростные дискуссии. Одни ученые утверждали, что прибой обнажил здесь окаменевшие бамбуковые
© Трапезников Д.Е., Сунцев А.С., Рыбальченко Т.М., 2012
8
заросли, другие говорили, что это гигантские кристаллы, рожденные на дне древнего моря. В ирландском эпосе до сих пор существует много легенд, описывающих происхождение Дороги.
В современной геологической науке имеется несколько гипотез происхождения столбчатой отдельности.
В.В. Белоусов высказал следующий взгляд на эту проблему: «... При застывании лавы на поверхности суши охлаждение происходит медленнее, чем в воде, и распространяется постепенно с поверхности вглубь. В этом случае образуются не центры, а вертикальные оси застывания, расположенные на расстоянии десятков сантиметров или 1-2 м друг от друга. Около каждой такой оси происходит стяжение лавы, поскольку при остывании объем ее уменьшается. Стяжения эти принимают форму столбов или призм преимущественно шестигранного горизонтального сечения. Между столбами возникают трещины растяжения. Высота столбчатых отдельностей зависит от толщины потока и может достигать десятков метров. В горизонтальном потоке столбы стоят вертикально. Наклонные столбы указывают либо на неровности ложа потока, либо на то, что поток после застывания испытал тектоническую деформацию...» [1].
Вулканолог А.Н. Сирин предлагает схожее мнение [5]: «... Закономерноерас-положение призматических столбов в лавовом потоке, их симметрия и постоянство диаметров указывают на равномерное распределение напряжений в лаве потока в момент образования трещин, которое, по данным С. И. Томкеева, носит характер взрыва, т. е. практически происходит мгновенно.
Величина напряжения (о), возникающего в какой-либо точке потока в результате его остывания, определяется известной в теории сопротивления материалов формулой
о = а Е^1^2),
где а — коэффициент линейного температурного расширения, Е — модуль упругости. Поскольку а и Е для одного лавового потока постоянны, то необходимым условием равенства напряжений во всех точках остывающего лавового объема к моменту образования трещин является равенство разностей начальных и конечных температур (ї1 — ї^), что возможно лишь в случае постепенной и равномерной теплоотдачи».
Практически аналогичную трактовку предложил австралийский ученый Е.Ш. Хиллс [6]. Однако он указывает еще, что «... наличие в пределах каждого столба признаков дифференциации вещества позволяет предполагать возможность образования столбчатой отдельности вследствие возникновения в жидкости конвекционных ячеек...». С нашей точки зрения, именно этому явлению следует придать статус основной причины образования столбчатой отдельности.
Конвекция. В 1947 г. физик Н.С. Шишкин [7] детально исследовал возникновение конвективных движений в слое жидкости или газа при наличии неустойчивого состояния. Такое состояние возникает, например, в жидкости, равномерно подогреваемой снизу и охлаждаемой сверху испарением (при нормальной зависимости плотности от температуры). При случайных нарушениях равновесия более лёгкая жидкость, находящаяся внизу, стремится подняться вверх в виде отдельных струй, а более тяжёлая жидкость стремится опуститься с верхних уровней вниз. Если аномальное распределение плотности поддерживается в течение достаточного времени, то постепенно в жидкости создается упорядоченное конвективное движение. Жидкость приобретает ячеистую структуру. В каждой из ячеек имеется замкнутая циркуляция жидкости. Такие ячейки были названы ячейками Бе-нара, по имени французского учёного, зафиксировавшего их в 1900 г. в лабораторных условиях [8]. Позднее ячеистые структуры жидкостей установлены в опытах Мэла с затвердевающим спермацетом,
содержащим взвешенный алюминиевый порошок [10], и в опытах Шмидта и Сондерса с водой [12].
Неустойчивость Бенара - это пример тепловой конвекции, возникающей в горизонтальном слое жидкости с вертикальным градиентом температуры [13]. Нелинейные уравнения, с помощью которых описываются образование и разрушение структур Бенара, называются уравнениями Лоренца. Эдвард Лоренц в 1963 г. исследовал решение уравнений, которые служат математической моделью конвективного движения в газах и жидкостях. Они связывают между собой координаты фазового пространства: скорости потоков в слое, температуру и управляющий параметр. Система Лоренца - один из примеров динамической системы, позволяющей проследить переход системы от простой динамики к сложной.
При анализе процессов в системе Бена-ра в качестве параметра, который показывает, когда в системе будет «порядок», а когда «хаос», т. е. определяет зону порядка или хаоса, выбирается т. н. критерий Рэлея, пропорциональный разности температур в слое вещества. Этот параметр называют управляющим, поскольку он «управляет» переводом системы из одного состояния в другое. При критических значениях числа Рэлея (точки бифуркации) наблюдаются переходы «порядок -хаос». Число Рэлея Re = gl3BdT/va, где g -ускорение свободного падения, 1 - характерный размер, В - температурный коэффициент объемного расширения среды, ёТ - градиент температур, V - кинематическая вязкость, а - коэффициент теплопроводности среды. Число Рэлея характеризует отношение потока тепла за счет архимедовой силы к теплопроводности среды.
В экспериментах проводятся наблюдения за поведением горизонтального тонкого слоя вязкой жидкости, заключенной между двумя плоскими параллельными пластинками и нагреваемой снизу. Нагрев системы устанавливает в слое жидкости градиенты температуры и плотности. Ре-
зультаты эксперимента зависят от степени нагрева. Когда нет нагрева, жидкость находится в гравитационном поле между двумя пластинами, имеющими равные температуры Т1 = Т2. Состояние системы равновесное. Наблюдатель, перемещаясь внутри равновесной системы, не смог бы определить, в каком из малых объемов внутри жидкости он находится: объемы не различимы. Нет возможностей пометить окружающее пространство: все однородно.
При слабом нагреве нижней пластины возникает возмущение, но оно быстро гаснет. Жидкость неподвижна в макроскопическом масштабе, скорость направленного движения равна нулю. Энергия рассеивается за счет теплопроводности. Теплопроводность стремится выровнять температуру в системе, а вязкость препятствует направленному движению. Оба явления приводят к преобразованию получаемой извне энергии в неупорядоченную энергию хаотического движения, а, значит, к росту энтропии в системе.
При более сильном нагреве между нижней и верхней поверхностью жидкости возникает разность (или градиент) температур dТ=Т1 -Т2, причем нижняя пластина нагрета больше (Т1>Т2). В жидкости возникают малые конвективные течения - флуктуации [13]. Конвекция вызывает коллективное движение жидкости, которое реализуется за счет работы сил, вызывающих всплывание более теплых масс жидкости. На элемент объема жидкости действуют сила тяжести Тт, сила Архимеда Та, силы вязкого трения Т^. Конвекция возникает под действием архимедовых сил в поле силы тяжести при наличии неоднородностей в плотности жидкости. Любая разность температур порождает разность плотностей жидкости. Нижний «легкий» (теплая жидкость с меньшей плотностью) и верхний «тяжелый» слои (холодная жидкость с большей плотностью) стремятся поменяться местами: более теплые слои поднимаются вверх, более холодные опускаются вниз. В жидкости возникают восходящие и нис-
ходящие потоки, струи, закручивающие капли жидкости.
При определенном градиенте температур вся жидкая среда разбивается на правильные шестигранные ячейки, в центре каждой одна порция жидкости движется вверх, другая по краям - вниз (рис. 2, 3). Рост градиента температуры предопределяет победу конвекции, и в системе порядок побеждает хаос. В зависимости от условий опыта структура может быть как цилиндрической, так и призматической.
Рис. 2. Графическая схема движения вещества внутри ячеек Бенара
Направление вращения жидкости в соседних ячейках всегда противоположное, а скорости одинаковы. Какое направление реализуется в данной ячейке предсказать заранее нельзя, все решает случай. Случайность - необходимый элемент в эволюции любой сложной системы. Режим стационарного вращения жидкости означает, что вся жидкость вращается как единое целое. Появление новой структуры можно рассматривать как неравновесный фазовый переход.
Неустойчивость Бенара обнаруживает порядок на микроскопическом уровне: расстояния между молекулами, участниками событий, составляют величину порядка 10- см, тогда как размер ячейки виден невооруженным глазом. Временные масштабы тоже другие: период колебаний
молекул порядка 10-15 секунд, ячейки Бе-нара существуют минуты, часы [13].
Рис. 3. Фотография поверхности с ячейками Бенара
Грандиозная система подобных ячеек имеется на Солнце. Она образует конвективную зону сферической формы толщиной 105 км. Именно эта зона обеспечивает перенос на поверхность Солнца энергии, высвобождающейся за счет термоядерных реакций в его недрах.
Ячеистые структуры в природе
Конвективные движения широко распространены в природе. Они вызывают циркуляцию воздушных масс в атмосфере, водных масс в океанах, мантийного вещества внутри Земли. На поверхности Земли, по мнению Н.С. Шишкина [7], ячеистые структуры встречаются в двух основных формах: в микроструктуре облаков и в микрорельефе земной поверхности при ее сильной увлажнённости.
Микроструктура облаков. В атмосферных условиях образование конвективных ячеек возможно, если температура рассматриваемого слоя убывает с высотой. Например, при высоком температурном градиенте температура перегретого воздушного пакета, начавшего подъём, убывает по адиабатическому закону. Подъём будет продолжаться до тех пор, пока он не попадёт в слой с меньшим градиентом температуры или в слой инверсии. Подъём воздуха в одних местах вызовет компенсирующее опускание его в других местах. При наличии достаточной разности температур между нижним и
верхним основанием в слое значительной горизонтальной протяжённости (по сравнению с толщиной слоя) возникнет правильная конвективная циркуляция. Она является, в частности, причиной образования облаков с ячеистой структурой.
tab.
Рис. 4. Mammato cumulus над Пермским государственным университетом. Фотография Д.Е. Трапезникова
Неравновесное состояние у нижней поверхности облаков приводит к образованию mammato cumulus - вымеобразных полушаровидных облаков, свешивающихся вниз (рис. 4). При наличии движения нижележащего слоя воздуха эти облака могут вытягиваться в полосы - облачные гряды (strips) (рис. 5). Их можно было наблюдать 7 июля 2011 г. в 18-19 часов над территорией Перми.
Микрорельеф земной поверхности при сильной увлажнённости поверхностного слоя. Конвективные движения в слое жидкости или газа, как указывалось выше, образуются при наличии неустойчивого состояния. Такое состояние возникает, например, в жидкости, равномерно подогреваемой снизу и охлаждаемой сверху. Равновесие воды будет неустойчивым и в том случае, когда нижний уровень слоя имеет температуру 00С, а верхний поддерживается при положительной температуре до +40C.
В естественных условиях неустойчивое состояние жидкости, благоприятствующее образованию ячеек, возникает в
Арктике и Субарктике при весеннем оттаивании почв, содержащих большое количество влаги. При наличии вечной мерзлоты, обеспечивающей температуру около 00С на нижнем уровне жидкого слоя, неустойчивое состояние возникает и в летне-осенний период, если температура верхнего уровня положительна и близка к 40С. В зонах, где нет зимнего промерзания почвы, ячейки Бенара могут образовываться при засыхании разжиженной почвы благодаря тому, что верхний слой жидкости интенсивно охлаждается через испарение, в результате возникают трещинные полигоны.
Рис. 5. Облачные гряды (strips) над Пермским государственным университетом. Фотография Д.Е. Трапезникова
Возникновение трещинных полигонов обычно объясняется растрескиванием почвы или при её усыхании, или во время сильных морозов. Однако правильность расположения трещин, образующих часто систему шестиугольников, не нашла в этих гипотезах достаточного объяснения. В то же время бросается в глаза исключительное сходство формы трещинных гексагонов с картиной поверхности жидкости в лабораторных опытах Бенара, Мэла и
других исследователей, а также сходство с просветами облаков.
Конвекция возможна в глинистых жидких грунтах при постепенном уменьшении влажности в условиях, близких к прекращению текучести. Дальнейшее усыхание почвы может приводить к закреплению установившейся формы поверхности и к появлению трещин в местах понижений микрорельефа. Точно так же действует и морозное растрескивание. Таким образом, конвекция в ещё не отвердевшем грунте может подготовить условия для последующего растрескивания под действием других сил.
Гексагональные фигуры на поверхности почвы встречаются и в южных районах: описаны поверхностные ячейки на солончаковых почвах в Иране, на соляных образованиях пересохшего солёного озера в Восточной Африке, на солончаках Уюни в Боливии (рис.6).
В южных районах неустойчивое состояние в слое жидкой почвы возникает благодаря интенсивному испарению с поверхности, сопровождающемуся охлаждением. Плоскую или даже вогнутую форму «шашек» можно объяснить тем, что высыхание поверхности происходит весьма интенсивно, и возникает сильное стягивание верхнего слоя корки. Условия, определяющие форму возникающих полигонов, пока ещё не выяснены. Сущест-
венную роль, видимо, играют условия на боковых границах слоя. Замечено, что направление трещин всегда параллельно и перпендикулярно к бровке террасы или берегу водоёма. При непрямолинейных границах площади, на которой возникают полигоны, они имеют шестиугольную или неправильную форму.
Модель образования столбчатой отдельности
Излившаяся базальтовая лава, насыщенная летучими компонентами, имеет температуру в 1000-1200°. Остывает лава довольно длительное время, ибо установлено, что при температуре 600° она все еще остается жидкой [9]. По расчетам А.Н.Сирина [4], суточное понижение температуры в лавовом покрове составляет около 20С. Подстилающая покров поверхность представлена горными породами, обладающими низкой теплопроводностью [6], верхняя поверхность контактирует с воздушной или водной средой, имеющими гораздо более высокую теплопроводность. Это приводит к тому, что температурный градиент ориентируется вертикально вверх. Создаются необходимые условия для возникновения конвективного движения в данном слое, и вполне вероятно, что через какое-то время, а его вполне достаточно, начнут возникать ячейки Бенара, форма которых станет «затравкой» для формирования каменных колонн.
Такое развитие событий подтверждается наблюдениями за излившимся лавовым покровом вулкана Килауэа [3]: « ... При наблюдениях за развитием столбчатой отдельности по мере застывания лавовых озер вулкана Килауэа на Гавайях [11] установлено, что начало заложения трещин относится к первым же минутам образования тонкой коры застывшей лавы и происходит при температурах порядка 9000С. Возникают полигоны сечением в десятки метров. В течение первых часов после излияния они разбиваются на трех-, шестигранники сечением в среднем 4-5 м. Образуется
Рис. 6. Ячеистая структура на солончаках соляного озера в Боливии
всхолмленный рельеф лавового озера из-за наличия скоплений газов на границе застывшей корки и жидкой лавы. В последующие месяцы трещины отдельности разрастаются книзу, происходит заложение более мелких полигонов с появлением коротких трещин в их центрах.».
Изложенный выше материал позволил нам создать модель образования столбчатой отдельности. Представляется, что процесс ее формирования можно разделить на шесть стадий.
Стадия 1 - образование покрова. На данной стадии происходит извержение вулкана и образование стационарного (неподвижного) лавового озера (покрова), поверхность которого мгновенно покрывается тонкой коркой застывшей лавы. Со времени образования покрова начинается временной и температурный отсчет. Температура лавы составляет около 12000С.
Стадия 2 - стадия флуктуации (самоорганизации, вихрей). В стационарном лавовом покрове начинается медленное охлаждение. Разность температур на верхней и нижней границах приводит к разности плотностей лавы в покрове. В веществе самопроизвольно при его неравномерном охлаждении в поле тяготения появляется конкурирующий механизм рассеяния энергии - конвекция. Более теплые нижние слои становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз. При некоторых условиях перемешивание вещества самоорганизуется, возникает структура отдельных вихрей - флуктуаций.
Стадия 3 - заложение конвекции. В лавовом веществе возникают малые конвективные течения. Эти течения пока разрознены, на поверхности покрова образуются крупные полигоны неправильной формы с сечением в десятки метров. Очертания полигонов обнаруживаются по трещинам в образовавшейся корке застывшей лавы. После излияния прошло несколько минут, температура лавы понизилась до 1000-9000С.
Стадия 4 - собственно конвекция. В слое лавы конвективные течения приобретают все более упорядоченную структуру. Крупные полигоны, образовавшиеся на предыдущих стадиях, разбиваются на полигоны более правильной формы с сечением 4-5 м. На поверхности возникает всхолмленный рельеф из-за выделяющихся газов, находящихся между жидкой и застывшей лавой. Прошли первые часы после излияния. Температура опускается, вероятно, до 900-8000С.
Стадия 5 - стадия ячеек Бенара. На этой стадии конвективные течения образуют ячейки Бенара, преимущественно гексагональной формы, с сечением в десятки сантиметров, редко - до метра. На поверхности лавового покрова закладываются более мелкие полигоны. Температура постепенно понижается от 800 до 6000С, после излияния проходят месяцы.
Стадия 6 - контракционная. Вступают в действие контракционные силы. При постепенном охлаждении прекращается текучесть. На участках понижений микрорельефа создаются благоприятные условия для возникновения трещин. Это места лобового столкновения горизонтальных конвекционных потоков, которые являются наиболее остывшими и, как следствие, имеют наименьший объем. Именно здесь закладываются микротрещины, которые при последующем остывании лавового вещества, его сжатии и растрескивании (контракции), будут разрастаться на глубину, тем самым повторяя очертания ячеек Бенара и придавая горной породе столь необычную форму столбов. При полном остывании горная порода заметно сжимается, в результате чего расстояния между соседними столбами достигают нескольких сантиметров.
Сечения столбов преимущественно гексагональной формы, но из-за влияния различных факторов внешней среды количество сторон в многогранниках может колебаться от 3 до 9. Высота столбов равна мощности материнского лавового покрова, обычно составляет несколько метров, изредка превышая 10 м.
Выводы
Специфическая (столбчатая) отдельность формируется в определенных условиях: 1) при обогащении лавы преимущественно водным флюидом, способствующим понижению точки кристаллизации; 2) в лаве с низкой вязкостью и, следовательно, обладающей высокой подвижностью; 3) при излиянии лавы в аэральных
Библиографический список
1. Белоусов В.В. Структурная геология. 3-е изд. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 248 с.
2. Белоусов В.В. Основные вопросы геотектоники. 3-е изд. М.: Госгеолтехиздат, 1962. 608 с.
3. Кориневский В.Г. Эффузивы Урала. Свердловск: Изд-во Урал. ун-та, 1987. 144 с.
4. Раст Х. Вулканы и вулканизм / пер. с нем. М.: Мир, 1982. 344 с.
5. Сирин А.Н. Разновидности столбчатой отдельности в лавовом потоке и условия ее образования // Тр. Лаб. вулканологии АН СССР. М., 1962. Вып. 21. С. 50-56.
6. Хилс Е.Ш. Элементы структурной геологии. М.: Недра, 1967. 433 с.
условиях, способствующих её относительно медленному остыванию.
В процессе формирования столбчатой отдельности принимают участие два фактора: на начальном этапе - конвекция, на заключительном - контракция. Исходя из этого схема формирования столбчатой отдельности в вулканических породах названа «конвективно-контракционной моделью».
7. Шишкин Н.С. Образование ячеистых структур в слоях жидкости или газа // Успехи физ. наук. 1947. Вып. 4. С. 461-490.
8. Benard Н. Ann. d. chim. et phys. 1901. Vol. 23. Р 62.
9. Goranson. The Melting of granit // Am. Joum. Sci. 1932. Vol. 23. P. 227.
10. Mal S. Beitr. z. Phys. d. fr. Atm. 1931. Vol. 17. P. 40.
11. Peck D.L., Minakami J. The formation of columnar Joints in the upper of Kilauean lava lakes, Havaii // Bull. Geol. Soc. Amer. 1968. Vol. 79, N 9. P. 1151.
12. Schmidt R., Saunders O. Proc. Roy. Soc. 1938. A 165. P. 216.
13. URL: http: // solidstate. karelia. ru / ~KOF / OLD / kse-pact / practicum / benar / benar. html.
On the Question of Origin of the Columnar Separately in the Basalts and its Analogs
D.E. Trapeznikov, A.S. Suntsev, T.M. Rybalchenko
Perm State National Researching University, 614990, Perm, Bukirev st., 15 E-mail: poisk@psu.ru
Columnar jointing - a unique texture formation of stone columns up to 10 m, mostly hexagonal cross section. It is typical for rocks of basic composition. There are several points of view on the origin of columnar separately. Most researchers explain their origin as the effect of contraction forces in the cooling lava. Contraction hypothesis has several disadvantages. It cannot explain the differentiation of matter inside the each «pillar».
We propose a model of convection-contraction, which accurately reflects the characteristics of the process. It is emphasized that at the initial stage of the process the convective flow of lava material is dominated.
Keywords: columnar jointing, Benard cells, convection, contraction, bifurcation, fluctuations, convective-contraction model.
Рецензент - кандидат геолого-минералогических наук Н.Е. Молоштанова
