Научная статья на тему 'Концентрически-скорлуповатая отдельность в долеритах среднего Тимана'

Концентрически-скорлуповатая отдельность в долеритах среднего Тимана Текст научной статьи по специальности «Геология»

67
13
Поделиться
Ключевые слова
ГИДРОДИНАМИКА МАГМЫ / ЯЧЕЙКИ БЕНАРА / ТУРБУЛЕНТНОСТЬ / ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Аннотация научной статьи по геологии, автор научной работы — Голубева И. И., Ракин В. И.

Предложена модель формирования концентрически-скорлуповатой отдельности в долеритах. Она основана на двух механизмах: образовании на первом этапе ячеек конвекции в остывающем пласте базальтовой магмы, на втором этапе — развитии нелинейных диффузионно-кинетических процессов при активном участии флюидов, распространяющихся по границам ячеек.

Concentrically scaly cell in the Middle Timan dolerites

The model of concentrically scaly cell formation in the dolerites is offered. It is based on two mechanisms: formation of cells convection in a cooling down layer of basalt magma at the first stage and development of nonlinear diffusion-kinetic processes at active participation of the fluids extending on borders of cells at the second stage.

Текст научной работы на тему «Концентрически-скорлуповатая отдельность в долеритах среднего Тимана»

УДК 552. 323.5+332.3 (470.1)

КОНЦЕНТРИЧЕСКИ-СКОРЛУПОВАТАЯ ОТДЕЛЬНОСТЬ О ДОЛЕРИТАХ СРЕДНЕГО ТИМАНА

И. И. Голубева, В. И. Ракин

Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар iigolubeva@geo.komisc.ru

Предложена модель формирования концентрически-скорлуповатой отдельности в долеритах. Она основана на двух механизмах: образовании на первом этапе ячеек конвекции в остывающем пласте базальтовой магмы, на втором этапе — развитии нелинейных диффузионно-кинетических процессов при активном участии флюидов, распространяющихся по границам ячеек.

Ключевые слова: гидродинамика магмы, ячейки Бенара, турбулентность, диффузионно-кинетическая система.

CONCENTRICALLY SCALY CELL IN THE MIDDLE TIMAN DOLERITES

1.1. Golubeva, V. I. Rakin

Institute of Geology Komi SC UB RAS, Syktyvkar

The model of concentrically scaly cell formation in the dolerites is offered. It is based on two mechanisms: formation of cells convection in a cooling down layer of basalt magma at the first stage and development of nonlinear diffusion-kinetic processes at active participation of the fluids extending on borders of cells at the second stage.

Keywords: Hydrodynamics of the magma, Benard cell, turbulence, diffusion-kinetic system.

На Тиманском кряже широко проявился трапповый магматизм, интенсивность которого убывает с севера на юг. Девонский возраст базальтов трап-повой формации определяется их стратиграфической приуроченностью к тер-ригенным толщам [3]. На Среднем Ти-мане базальтовый магматизм отличается высокой степенью эксплозивности и со-

ответственно флюидальной насыщенностью [4]. Здесь отмечаются мощные отложения (180—450 м) туфов и туффи-тов. На этой территории в 70-х годах при проведении геологической съемки* В. И. Граф описал туффизиты, представленные в виде даек [1]. В Верхневорык-винском базальтовом покрове на Среднем Тимане развита столбчатая отдель-

ность в виде шестигранных призм, образованных трещинами, перпендикулярными к поверхности охлаждения. Далее призмы разбивались поперечными трещинами на отдельные блоки, которые в свою очередь серией криволинейных трещинок преобразовались в концентрически-скорлуповатую отдельность (рис. 1). В обнажениях хоро-

* Почуковский В. М., Плякин А. М., Граф В. И. и др. Производство опытной групповой геологической съемки м-ба 1:50 000 на Среднем Тимане в 1972—76 гг. Ухта, 1978. Инв. № 05100, ГБУ РК «ТФИ РК» (Комигеолфонд). Сыктывкар. 280 печ. л.

ІЗ

Рис. 1. Структура скорлуповато-концентрической отдельности в долеритах Среднего Тимана (а, б)

шо прослеживается, как остроугольные очертания «глыб» постепенно округляются вплоть до шаровидной формы в центральных частях. Идеальные формы шара скорлуповато-концентрической отдельности наблюдаются в центральных частях разрушившихся глыбовых «от-торженцев» небольшого размера, а в более крупных — эллипсоидальные ядра. Иногда под внешне целостной скорлупкой обнаруживается серия овальных обособлений, окруженных в свою очередь корками отслоения (рис. 1, а, б). При исследовании особенностей скор-луповатой отдельности обращает на себя внимание их ритмично повторяющаяся толщина (4—5 мм), сохраняющаяся в пределах всего обнажения. Корки обычно имеют рыхлую текстуру и легко разрушаются. Химический состав в зонах скорлуповатой отдельности и в центральных участках, не тронутых вторичными процессами и отслоением, остается одинаковым и соответствует типичным толеитовым базальтам. В описываемом обнажении в породах на макроуровне отмечается порфировая структура. Она обусловлена наличием редких (около 2—3 % от объема пород) лейст плагиоклаза с размерами до 3—4 мм (рис. 2). В афанитовом матриксе черного цвета благодаря стеклянному блеску хорошо диагностируются беспорядочно расположенные микролиты плагиоклаза (размеры кристалликов до 1 мм). Порфировые вкрапленники плагиоклаза в некоторых случаях обнаруживают зональное строение и представлены лабрадором — битовнитом. Основная масса порфировых долеритов имеет типичную офитовую структуру, обусловленную хаотичным (в редком случае радиально-лучистым) расположением мик-

ролитов плагиоклаза, имеющих более кислый андезиновый состав. В межзер-новом пространстве микролитов диагностируются изометричные гипидио-морфные кристаллики моноклинного пироксена. В породе присутствует стекло (5—8 %) в виде округлых или вытянутых обособлений, замещенное палаго-нитом. Магнетит представлен относительно мелкими кристалликами в количестве 1—2 %, равномерно распределенными в породе. Изучение ее под микроскопом показало, что порода хорошо раскристаллизована и по структурным особенностям отвечает долеритам.

К такому, довольно редкому, явлению, как скорлуповато-концентричес-кая отдельность, наблюдаемому в столбчатых колонах базитовых покровов,

приводят, как принято считать, процессы физического (механического) выветривания. Физическое выветривание приводит к разрушению пород без изменения минерального и химического состава. Механическая дезинтеграция пород происходит в результате линейного расширения породообразующих минералов под влиянием сезонного и суточного колебаний температуры. Однако выветривание не является причиной развития таких необычных сферических трещин, а только вскрывает внутреннее строение пород, сформированное на стадии остывания, стеклования и кристаллизации расплава.

В обнажающейся стенке долерито-вого пласта, представленной на схеме (рис. 3), видно, что область проявления концентрически-зонального отслоения суживается к кровле, а в нижней части наблюдается раздув. Конфигурация зоны развития скорлуповатой отдельности и особенности ее проявления предполагают восходящий поток флюидов, расширяющийся в нижней части и резко суживающийся в верхней области пласта, где он в виде тонких струй просачивается в самые проницаемые зоны — вдоль стенок столбчатой отдельности. В случае если бы отдельность развивалась за счет физического выветривания, то фронт просачивания поверхностных вод в пласте магматитов должен был уменьшаться с глубиной.

Мы предполагаем, что в этом участке покрова находился подводящий канал базальтовой магмы, являвшийся также проводником разогретых флюидов, поступавших из очага, которые на

Рис. 2. Порфировая структура долеритов с офитовой основной тканью (николи скрещены)

завершающем этапе становления бази-тов пропитывали закристаллизованный долерит. Именно флюиды, проникая вдоль криволинейных микротрещин, постепенно их расширяли и вызывали, в частности, вторичные низкотемпературные изменения с образованием оксидных пленок железа. Флюиды, поступавшие из еще неостывшего очага, являлись основными агентами в создании концентрически-зональной структуры, выявленной в форме скорлуповатой от-

дельности на стадии выветривания описываемых долеритов.

Как уже упоминалось выше, скор-луповато-концентрическая отдельность наблюдается в зонах развития многогранных столбов, которые образуются в мощных пластах базитов за счет развития конвекции расплава при разности температур. Верхняя часть расплава при контакте с воздухом быстро остывает, а нижняя остается горячей продолжительное время. За счет инверсии температуры в расплаве начинается конвекция и образуются структуры конвекционных ячеек, в стационарном состоянии имеющие вид правильных шестигранных призм, называемых ячейками Рэлея—Бенара. Скорости движения в ячейках очень малы, и их можно отнести к так называемым «ползущим» течениям [1]. Такие конвекционные потоки можно легко смоделировать. Нами использовалась смесь масла с порошком золотистой краски и сковородка, подогреваемая на водяной бане. _При постепенном нагревании через

некоторое время на поверхности жидкости появляются ячейки различной формы (рис. 4). В центре каждой ячейки хорошо видны поднимающиеся и опускающиеся по ее граням потоки жидкости. При изменении мощности нагрева можно увидеть различные формы и размеры конвекционных ячеек. Важно отметить, что в нестационарном состоянии в вязкой системе можно наблюдать крупные ячейки конвекции и одновременно серию мелких ячеек, расположенных между крупными, подобно столбчатым колоннам и овальным обособлениям, наблюдаемым в базальтах (рис. 3). При плавном изменении скорости нагрева можно проследить процесс распада и структурирования ячеек. В краевых участках ячеек, особенно при остывании, отмечаются волнообразные процессы (рис. 4, б), результаты которых тем не менее по форме отличаются от скорлуповатоконцентрической отдельности в доле-ритах.

Яркое проявление процессов конвекции в форме ячеек Релея—Бенара

Рис. 3. Обнажение долеритов со столбчатой и скорлуповато-концентрической отдельностью. Стрелкой указан фрагмент обнажения, в котором прослеживается развитие скорлуповатой отдельности в проницаемой зоне столбчатой отдельности

Рис. 4. Конвективные ячейки Релея—Бенара в разогретом растительном масле

Рис. 5. Концентрически-зональные текстуры тингуаита в сечении, перпендикулярном ячейкам Бенара (образец предоставлен Ю. Л. Войтеховским)

запечатлено в уникальнейших щелочных породах — тингуаитах [2]. Породы разбиты трещинами на сигарообразные ячейки с ритмично-концентрической зональностью внутри (рис. 5). Ячейки вытянуты перпендикулярно запьбандам даек, точно так же, как столбчатая отдельность в базальтовых пластах. Относительно крупные ячейки в тингуаитах сложены чередующимися слойками, имеющими различный минеральный состав: темная (узкая) часть сложена в основном фемическими минералами, светлая (широкая) — салическими. Происхождение зональности в тингуаитах связывают с самоорганизующимся ритмичным процессом кристаллизации калиевых и натриевых минералов [2]. По нашему мнению, диффузионно-кинетический механизм образования зональной неоднородности при кристаллизации минералов, например в тингуаитах, может реализоваться в вязкой системе уже на завершающей стадии остывания при остановке конвекции и существенном понижении температурного градиента, одновременно со стеклованием части вещества. Частичная дифференциация вещества происходит еще на стадии конвективного развития ячеек расплава. В ходе ползущего вязкого течения разность давлений в центре ячейки и на ее периферии стимулирует вынос летучих компонентов и в небольшой степени — перераспределение тугоплавких

минералов. Таким образом, на стадии остановки конвекции первые трещины формируются по контактам конвективных ячеек и начинают служить каналами распространения флюидов. Резкое отличие химического состава флюида от застывающего расплава стимулирует встречную диффузию химических компонентов в ячейке и диффузию тепла. Таким образом, образование открытой термодинамической системы в пределах ячейки конвекции является необходимым условием развития дальнейших процессов кристаллизации базальта. При нелинейной кинетике процессов зародышеобразования и кристаллизации легкоплавких компонентов базальта формируется ритмичная зональность, выражающаяся не только в минеральной или химической дифференциации базальтового вещества, но и в неоднородности размеров кристаллитов. Если в случае тингуаита ритмичность проявляется в виде отложений мезократовых и лейкократовых минералов (типичная минеральная, вещественная дифференциация) при мощности зоны в 0.35 мм, то скорлуповатая отдельность в тиманс-ких долеритах на порядок крупнее (4— 5 мм) и образована, возможно, за счет неоднородности размеров кристаллитов. В последнем случае минеральный состав обособления остается однородным. Можно высказать предположение, что ритмика формируется за счет нелинейной кинетики зародышеобразования самых легкоплавких минералов и обусловлена диффузией тепла и механическими деформациями, связанными с кристаллизацией. Поэтому ширина зон, проявившихся при выветривании до-леритов, закономерно на 1—2 порядка крупнее, чем в случае диффузии вещества в тингуаитах.

Структуры расплава, выявляющиеся при выветривании в форме овоидальных обособлений с концентрически зональным строением, образуются также и вне конвективных столбов на стадии застывания текущей базальтовой лавы. При перемещении расплава и его остывании нарастает вязкость. Спокойное ламинарное (слоистое) движение жидкости вблизи неровных неподвижных стенок может нарушиться и перейти в турбулентное с образованием завихрений [1]. Тур-

булентные завихрения отрываются движущей жидкостью и, увлеченные потоком, транспортируются, перемешиваются. В нашем случае обособления с кон-центрически-зональным строением ово-идальной формы наблюдаются также и вне конвективных столбов и расположены хаотично, без какого-либо видимого направления.

Таким образом, скорлуповато-кон-центрическая отдельность, наблюдаемая в пластах тиманских долеритов, образуется, во-первых, в результате формирования конвекционных ячеек, возникающих на стадии подвижного текучего расплава в остывающей базальтовой толще, и во-вторых, за счет просачивания флюидов по первичным трещинам, окружающим конвекционные ячейки, и развития нелинейных процессов кристаллизации вещества расплава в пределах ячейки. Роль флюидов, поступающих из общего неостывшего очага в закристаллизованные породы и выделяющихся из базальта по трещинам, исключительно велика, поскольку они создают открытость термодинамической системы.

Авторы выражают глубокую признательность И. Ф. Любянскому за оказанную помощь в сборе коллекционного материала.

Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект № 12-У-5-1023.

Литература

1. Альбом течений жидкости и газа / Сост. и авт. текста М. Ван-Дайк. М.: Мир, 1986. 175 с.

2. Войтеховский Ю. Л. Ячеистозональные тингуаиты плато Тахтарум-чорр // Уникальные геологические объекты Кольского полуострова: Хибины. Апатиты, 2010. С. 34—36.

3. Ивенсен Ю. П. Магматизм Ти-мана и полуострова Канин. М.; Л.: Наука, 1964. 125 с.

4. Тиманский кряж. Том 2. Литология и стратиграфия, геофизическая характеристика земной коры, тектоника, минерально-сырьевые ресурсы: Монография / Редакторы-составители: Л. П. Шилов, А. М. Плякин, В. И. Алексеев. Ухта: УГТУ, 2010. 437 с.

Рецензент д. г.-м. н. А. М. Пыстин