CC BY
27Литература
1. БочаровГ.В., ГусевГ.С., Есикова J1.B., СпекторВ.Б. Карта современных вертикальных движений территории Якутской АССР // Геотектоника. 1983. № 3.
2. Золотарев А.Г. О знаках новейших вертикальных движений континентальных равнин в связи с изменениями уровня Мирового океана // Геотектоника. 1983. №3.
3. Никонов A.A. Современные вертикальные движе-
ния земной коры Северной Америки // Геотектоника. 1978. №6.
4. Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. М.: Наука, 1965. 164 с.
5. Розен О.М. Строение земной коры Анабарского щита.
7. Тычков С.И. Конвекция в мантии и динамика платформенных областей. Новосибирск: Наука, 1984. 96 с.
8. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука, 1977. 102 с.
------
УДК 551.21
Природа вулканических взрывов
B.C. Шкодзинский
Анализ теоретических и геологических данных показал, что причиной вулканических взрывов и образования ким-берлитовых трубок, брекчий и игнимбритов является консервация высокого внутреннего давления газовой фазы декомпрессионным затвердеванием низкотемпературных магм при подъеме.
Analysis of theoretical and geological data shown that volcanic explosions, formation of kimberlite pipes, breccias and ignimbrites are a result of blockade of high internal pressure of gas phase by means of decompression consolidation of low-temperature magmas during their ascent.
Существующие представления. Проблема происхождения вулканических взрывов издавна привлекает внимание исследователей. В последние десятилетия она наиболее интенсивно обсуждается в связи с открытием многих новых кимберлито-вых трубок на различных континентах. Рассматриваются две главные гипотезы - фреатомагмати-ческая и флюидномагматическая. Согласно первой, взрывы, формирующие кимберлитовые брекчии и диатремы, обусловлены парообразованием при соприкосновении кимберлитовой магмы с грунтовыми водами [1]. Это приводит к взрывной дезинтеграции вмещающих пород и кимберлитовых магм. В этом случае непонятно, почему взрываются не только вмещающие породы, но и кимберлитовые магмы и почему последние почти не изливаются на земную поверхность. В то же время внедряющиеся в районах распространения кимберлитовых трубок базальтовые магмы застывают в ос-
ШКОДЗИНСКИЙ Владимир Степанович, д. г.-м. н., г. н. с. ИГАБМ СО РАН
новном в виде даек, лав и силлов и очень редко формируют трубки взрыва, хотя более высокая температура этих магм (1000-1200°С) по сравнению с кимберлитовыми (800-1000° [2]) должна была бы приводить к более интенсивным фреатомагмати-ческим взрывам при их внедрении. Вызывает сомнение и возможность возникновения очень мощных фреатомагматических взрывов при соприкосновении магм и грунтовых вод, так как при подводных излияниях базальтовые магмы затвердевают обычно в виде пиллоу-лав без существенных взрывов [3]. Это обусловлено низкой теплопроводностью воды, которая приводит к переходу в пар лишь очень тонкого ее приконтактового слоя. Поэтому пар успевает удаляться без взрывных явлений.
Согласно флюидномагматической гипотезе, взрыв происходит в результате выделения и резкого расширения газов под влиянием декомпрессии в поднимающихся магмах [4]. Но не ясно, почему часть богатых летучими компонентами кислых магм достигает земной поверхности без взрыва с образованием потоков газонасыщенных пенистых лав (игниспумитов, пемзовых лав [3]), кимберли-
товые же магмы обычно не формируют потоки лав даже в районах широкого распространения ким-берлитовых трубок.
Взрывной процесс отличается от невзрывного очень быстрым расширением газов, почти мгновенно образующихся в результате химических реакций или ударных процессов, а также освобождающихся при разрушении емкостей высокого давления [5]. В поднимающейся магме, пока она остается жидкой, не может произойти очень быстрое расширение газов, поскольку скорость ее подъема в земной коре относительно не велика (сантиметры - метры в секунду [2]). В таких магмах пузырьки расширяются постепенно. При достижении занимаемого объема более 66% они начинают соприкасаться, магма распыляется, и в дальнейшем быстро поднимается расширяющаяся струя газов с обломками кристаллов и каплями расплава, которая формирует туфы [6]. Если слияние пузырьков не происходит вследствие невысокого содержания летучих, то магмы изливаются на земную поверхность. Для взрывного расширения выделяющихся из магм газов необходимо, чтобы этот процесс временно затормозился. Обычно предполагается [7], что расширение прекращается, когда отделяющиеся газы накапливаются под непроницаемыми для них породами. Когда это препятствие разрушается, происходит взрывное их расширение с формированием туфобрекчий и трубок взрыва. Однако также не ясно, почему взрывается вся магматическая колонна, а не только перекрывающие ее породы.
Декомпрессионное затвердевание магм при подъеме. Можно предполагать, что существует какое-то малоизвестное явление, которое на малоглубинной стадии подъема магм иногда препятствует расширению в них газов. Существование такого явления и его сущность иллюстрируют рассчитанные по опубликованным экспериментальным и термодинамическим данным Р-Т-диаграм-мы фазового состава и эволюции наиболее часто взрывающихся кислых (рис. 1) и кимберлитовых (рис. 2) магм [2, 8]. Линии подъема наиболее распространенных низкотемпературных и среднетем-пературных кислых магм (поля I - V) на малоглубинной стадии подъема на рис. 1 пересекают изо-концентраты расплава с все меньшим содержанием последнего и затем линию солидуса при избытке летучих. То есть эти магмы затвердевают под влиянием декомпрессии и поэтому не могут достигать земной поверхности в жидком состоянии. Декомпрессионное затвердевание магм связано с
^з Е35 ЕТЗе
ЕЗ^ О? ЕЗз И« С^п
Рис. 1. Р-'Г-диаграмма фазового состава и эволюции кислых магм [2]: линии со стрелками - эволюция магм при подъеме. Поля: I — низкотемпературные вязкие мигмы гнейсо- и мигматит-гранитов, II - умеренно низкотемпературные вязкие гранитные магмы, III - среднетемпературные маловязкие гранитные магмы, IV - умеренно высокотемпературные гранит-субвулканические магмы, V - высокотемпературные гранит-игним-бритовые магмы, VI - очень высокотемпературные гранит-ри-олитовые магмы. Рс - расплав, Тв - твердые фазы, Ф - флюид. 1 - магматические брекчии, 2 - субвулканические породы, 3 - игнимбриты, 4 - вулканические риолиты, 5 - приапикаль-ные гранит-порфиры, 6 - гранитоиды маловязких магм, 7 - гранитоиды вязких магм, 8 - реоморфические мигматит-граниты, 9 - метаморфические гранито-гнейсы, 10 - линии высоко- (Гв) и низкотемпературного (Гн) геотермических градиентов, 11 - линия начала декомпрессионного затвердевания расплава при подъеме
падением давления летучих компонентов вследствие уменьшения общего давления при подъеме, что повышает температуру кристаллизации магм.
На фазовой Р-Т-диаграмме для кимберлитовых магм (рис. 2) отсутствует четко выраженный отрицательный наклон линии солидуса, вследствие очень низкой температуры затвердевания остаточного карбонатитового расплава. Но такой наклон в очень большом интервале температуры и давления имеют изоконцентраты расплава. Все линии эволюции магм при давлении менее 2,5 ГПа пересекают изоконцентраты расплава с все понижающимся содержанием последнего, и, следовательно, при снижении давления ниже этой величины
Рис. 2. Р-Т-диаграмма фазового состава и эволюции кимберлитовых магм с 10% Н20 и 10% С02:
линии со стрелками А - В - различные варианты эволюции магм при подъеме. Этапы
в поднявшихся к земной поверхности верхних частях кимберлитовых колонн. Эта величина лишь в 8-10 раз меньше максимального давления (2,5 ГПа [5]), возникающего при взрыве тринитротолуола. С учетом огромного объема декомпрессион-но затвердевших частей магматических колонн (миллиарды м3) сила взрыва должна быть колоссальной. Как показали наши расчеты [8], при поверхностном взрыве обломки могли быть подброшены на высоту 15,5 км, при подземном взрыве на глубине 4 км - на 400 м. В последнем случае часть обломков вмещающих пород и затвердев-
эволюции магм: 1 - без процессов декомпрессионного затвердевания, 2-е протеканием ял
этих процессов, 3-е эксплозивной дезинтеграцией. Показаны поля устойчивости граната ших КИМОерЛИТОВ Оыла выоро-(Гр), шпинели (Шп) и флогопита (Фл); Сб - карбонаты [по 8 с упрощениями] шена на земную поверхность в
окрестностях трубки, но большая часть падала в диатрему. Крупные и плотные обломки опережали мелкие при падении, что приводило к перемешиванию кимберлитового материала и обломков вмещающих пород и объясняет иногда погружение последних ниже уровня их стратиграфического залегания.
Вследствие высокого содержания газов и весьма равномерного распределения их в кимберлито-вом расплаве дезинтеграция остеклованной ким-берлитовой магмы была очень тонкой, вплоть до распыления стекла и дробления вкрапленников. Взрывалась вся затвердевшая и полузатвердевшая части кимберлитовой колонны, а не только ее приконтактовая часть с водоносным или газонепроницаемым горизонтом, что объясняет образование больших объемов кимберлитовых брекчий.
Из-за сильного охлаждения газов при адиабатическом расширении и теплоотдаче в холодные ксенолиты вмещающих пород температура брекчий быстро понижалась на 500-600° С и достигала 300-400° [8] и менее, что является причиной незначительного метаморфизма ксенолитов осадочных пород в брекчиях и сохранения в них иногда даже древесины. Распыленный стекловатый материал вследствие его очень высокой химической активности, реагируя с остатками воды и углекислоты, замещался вторичными минералами, в основном серпентином и карбонатами. Декомпрессионное затвердевание и эксплозивная дезинтеграция кимберлитовых магм на малоглубинных ста-
должно происходить декомпрессионное затвердевание кимберлитовых магм.
Природа взрывов в декомпрессионно затвердевающих магмах. Вследствие относительно большой скорости подъема в расплавах обычно не успевали возникать зародыши минералов, поэтому происходило их остеклование. Повышение вязкости декомпрессионно остекловывавшихся магм препятствовало адиабатическому расширению пузырьков газа, возникавших в результате вскипания расплава, и приводило к консервации высокого внутреннего давления газовой фазы при падении внешнего литостатического давления по мере подъема. С увеличением этой разницы давлений до предела суммарной прочности перегородок между пузырьками в остеклованной магме и вмещающих пород происходили эксплозивная дезинтеграция верхних частей магматических колонн и приконтактовых частей окружающих пород (участки 3 на линиях эволюции, рис. 2), быстрое значительное их расширение за счет подброса материала вверх и частично в горизонтальном направлении за пределы образующегося кратера с возникновением кимберлитовых диатрем.
Как иллюстрирует фазовая диаграмма (рис. 2), интенсивное декомпрессионное затвердевание низкотемпературных кимберлитовых магм начиналось при давлении около 0,25-0,3 ГПа, и, следовательно, такая величина избыточного внутреннего давления газовой фазы могла быть законсервирована
днях подъема объясняет обычно отсутствие ким-берлитовых лав и широкое распространение теф-ры над слабо эродированными кимберлитовыми трубками.
Происхождение кимберлитовых брекчий.
При прогнозно-поисковых и оценочных работах важно иметь возможность оценить степень эроди-рованности кимберлитовых трубок по структурно-текстурным особенностям слагающих их пород. Для этого необходимо разработать генетическую систематику кимберлитовых пород с учетом их положения в вертикальном разрезе трубок. Для кимберлитов обычно применяется терминология, предложенная для вулканических пород. М. Филд и другие [7] выделяют эпикластические, пирокла-стические и вулканокластические брекчии кратер-ной фации, кимберлиты диатремовой и гипабис-сальной фаций. Однако различия механизмов их образования не достаточно ясны.
Из рассмотренной модели образования эксплозивных брекчий в результате дезинтеграции деком-прессионно затвердевших кимберлитовых магм под влиянием законсервированного высокого давления газовой фазы следует, что должна наблюдаться вертикальная зональность кимберлитовых пород в зависимости от степени затвердевания ким-берлитового расплава перед взрывом и масштабов перемещения дезинтегрированного материала (рис. 3). Материал, не подвергавшийся эксплозивной дезинтеграции, представлен массивными порфировыми или афировыми кимберлитами подводящей дайки. При высоком (более 20%) содержании обломков глубинных или вмещающих пород он переходит в эруптивную брекчию. Выше расположены эксплозивные брекчии, подразделяемые на эндо- и эпикластические. Эндокластичес-кие брекчии возникли из материала, не поднимавшегося над земной поверхностью, и разделяются на жидко-, пластично- и твердокластические.
Характерные для нижних частей жидкокласти-ческие эксплозивные брекчии сформировались в результате быстрого вскипания, суспензирования, дегазации и разбрызгивания полужидкой магмы, происходивших в результате резкого снижения давления при взрыве верхних декомпрессионно затвердевших частей магматических колонн. После удаления большей части газов происходили процессы частичного слияния капель, начавших затвердевать под влиянием декомпрессии. Такие брекчии имеют вид неоднородных кимберлитов с иногда раздробленными вкрапленниками и небольшими округлыми участками массивных кимберлитов,
Рис. 3. Распределение различных разновидностей кимберлитов в трубке в соответствии с моделью взрыва кимберлитовых магм в результате декомпрессионного затвердевания:
1 - интрузивные кимберлиты; 2 - 4 - эндогенные жидкокластические (2), пластичнокластические (3) и твердокластические (4) эксплозивные брекчии; 5 -эпигенные твердокластические эксплозивные брекчии
промежутки между которыми содержат повышенное количество вторичных серпентина и карбоната. В кимберлитовых участках присутствуют микролиты клинопироксена, возникшие в результате резкого снижения давления воды после взрыва [7].
Типичные для верхней части жерла и нижней части раструба пластичнокластические кимберли-товые брекчии содержат более четко выделяющиеся округлые выделения мелкозернистых кимберлитов, сцементированные обычно более крупнозернистыми карбонатом и серпентином. В ядрах округлых выделений (автолитов) часто присутствуют вкрапленники или ксенолиты, что обусловлено повышенной прочностью таких выделений и хорошей сохранностью их при взрыве и дегазации. Выделения иногда имеют концентрическую микрозональность, образование которой связано с процессами химического и динамического воздействия потоков отделяющихся газов на обломки остекловывающейся вязкой магмы. Такие пластичнокластические брекчии в отечественной литературе обычно описываются под названием автоли-товых.
Главный объем раструба должен быть сложен твердокластическими брекчиями, возникшими при взрыве почти полностью декомпрессионно затвердевших частей кимберлитовых магматических колонн. Обломки в них угловатые и сцементированы мелко раздробленным материалом, замещен-
ным вторичными минералами. Вследствие большой прочности полностью затвердевших кимберлитовых магм и максимального избыточного давления в них газовой фазы сила взрыва при образовании этих брекчий была наибольшей. Это обусловило максимальное разрушение вмещающих пород и формирование наиболее широкой части кимберлитовых диатрем - раструба.
Выше располагаются эпикластические эксплозивные брекчии кратерной части кимберлитовых трубок. Они возникли в результате падения в кратер кимберлитового материала, подброшенного взрывом выше земной поверхности. Главными их особенностями являются присутствие грубой слоистости, связанной с сортировкой материала по крупности и плотности при падении, меньшее развитие вторичных минералов, присутствие иногда примеси осадочного материала [7]. Это систематика объясняет главные особенности строения кимберлитовых диатрем.
Вследствие зарождения в нижних частях континентальной литосферы [8] кимберлитовые магмы обычно имеют невысокую первичную температуру, поэтому их малоглубинная эволюция происходила в условиях, соответствующих полю Рс+Тв+Ф на рис. 2, в котором магмы не могут достигать земной поверхности без процессов декомп-рессионного затвердевания и эксплозивной дезинтеграции. Это объясняет обычно отсутствие излившихся на земную поверхность кимберлитовых лав в районах распространения малоэродированных кимберлитовых трубок.
Природа игнимбритов. Фазовая Р-Т-диаграм-ма для кислых магм (рис. 1) отличается от таковой для кимберлитовых магм небольшими размерами поля Рс+Тв+Ф, что отражает более низкое содержание в них (обычно 1 -2%) летучих компонентов. Это обусловливает декомпрессионное затвердевание и эксплозивную дезинтеграцию низко- и сред-нетемпературных кислых магм на меньшей глубине и объясняет отсутствие протяженных трубок взрыва, выполненных брекчиями кислого состава. Небольшая глубина взрывов приводит к выбросу кластического материала чаще всего на большую высоту. Обычно большой объем кислых магматических колонн обуславливает иногда колоссальйое количество формирующихся вулканокластов. Например, при взрыве вулкана Каракатау на высоту до 80 км было выброшено около 18 км3 вулканического материала [3].
При таких взрывах образуются игнимбриты. Наблюдающиеся постепенные переходы игнимб-
ритов в туфы, несвойственная кислым лавам очень высокая подвижность их исходного материала (его потоки распространяются далеко от центров извержения, заполняют все понижения в палеорельефе, формируют почти горизонтально залегающие породы) и ряд других особенностей приводят большинство исследователей к представлениям о формировании игнимбритов из туфообразующих палящих туч с участием последующих процессов спекания туфов [2, 3, 6 и др.]. Однако неясной является природа высокой подвижности этих туч, причины длительного сохранения высокой температуры в игнимбритах (в их порах иногда кристаллизовался гиперстен). На основании этого, а также существования интрузивных тел игнимбритов, присутствия в них флюидальности, параллельной интрузивным контактам, и отсутствия механической сортировки некоторые исследователи предполагают лавовую природу этих пород и возникновение в них неоднородности путем ликвации, смешения магм или метасоматоза, что также не объясняет всех имеющихся данных [2].
Диаграмма на рис. 1 показывает, что кислые магмы, соответствующие полю V, декомпрессионно затвердевали на малоглубинной стадии подъема, что приводило к консервации высокого давления в газовых пузырьках. При дальнейшем подъеме происходил взрыв затвердевших верхних частей магматических колонн с выбросом большого объема кластического материала. Сразу же после взрыва из обломков стекла вследствие его большой вязкости еще некоторое время продолжалось выделение с большой скоростью газовой фазы. Это создавало газовую подушку между обломками и земной поверхностью, обеспечивало стремительное движение палящих туч на большое расстояние и тормозило процессы механической дифференциации в них. Палящие тучи возникают при взрыве декомпрессионно затвердевших магм, а не путем распыления кислого расплава расширяющимися газовыми пузырьками, поскольку из брызг расплава не возможно высокоскоростное отделение летучих компонетов.
Глубинные камуфлетные взрывы более низкотемпературных магм (поле III, рис. 1), видимо, формировали кислые магматические брекчии, иногда встречающиеся в апикальных частях гранитных интрузий. Быстрое декомпрессионное затвердевание верхних частей магматических колонн без взрыва объясняет генезис субвулканов (поле IV) и порфировых апикальных частей интрузий (поля II и III).
КНЯЗЕВ, МЕЛЬНИК
Таким образом, главной причиной вулканических взрывов является консервация декомпрессион-ным затвердеванием высокого внутреннего давления газовой фазы в относительно низкотемпературных, богатых летучими магмах при подъеме. Такое происхождение вулканических взрывов объясняет главные осбенности кимберлитовых диатрем, брекчий и игнимбритов.
Литература
1. Lorenz V., Kurzlaukis S. Kimberlite pipes: growth models and resulting implications for diamond exploration // 8th International Kimberlite Conference. Long Abstract. Victoria, Canada, 2003. 5 p.
2. Шкодзинский B.C. Фазовая эволюция магм и пет-рогенсзис. М.: Наука, 1985. 232 с.
3. Ботвинкина Л.Н. Генетические типы отложений областей активного вулканизма. М.: Наука, 1974. 320 с.
4. Skinner Е.М., Marsh J.S. Kimberlite eruption processes // 8th Kimberlite Conference. Long Abstract. Victoria, Canada, 2003. 4 p.
5. Покровский Г.И. Взрыв. M.: Недра, 1980. 136 с.
6. Мархинин Е.К. Вулканизм. М.: Недра, 1985.224 с.
7. Филд М., Гибсон Д.Г., Уилкис Т. А. и др. Геология кимберлитовой трубки Орапа А/К1, Ботсвана: дальнейшее развитие представлений о внедрении кимберлитовых трубок // Геол. и геофиз. 1997. Т. 38. № 1. С. 24-45.
8. Шкодзинский B.C. Происхождение кимберлитов и алмаза. Якутск: Изд. ЯНЦ СО РАН, 1995. 168 с.
—
УДК 561(116.2) (571.56)
Система аммонитов подсемейства Harpoceratinae
В.Г. Князев, О.А. Мельник
В работе приведено обоснование новой системы аммонитов подсемейства Harpoceratinae, представленной единой филогенетической линией, состоящей из родов Tiltoniceras, Eleganticeras, Harpoceras и Pseudolioceras (с подро-дом Tugurites). При выделении таксонов высокого ранга (подсемейство и выше) в качестве основного диагностического признака выступает механизм усложнения лопастной линии (количество основных элементов лопастной линии, момент их заложения и форма отдельных лопастей и седел). Признаки высоких таксонов появляются на ранних стадиях онтогенеза (1-4 обороты). При выделении родов и видов на первый план выступают изменения общей формы раковины и скульптуры, которые наиболее отчетливо проявляются на поздних стадиях онтогенеза.
The paper evidences of a new ammonite system of Harpoceratinae subfamily represented by a single phylogenetic line composed of Tiltoniceras, Eleganticeras, Harpoceras and Pseudolioceras (with Tugurites subgenus) genera. When distinguished high-rank taxons (subfamily and higher), the main diagnostic property is a mechanism of lobe line complication (quantity of basic elements of a lobe line, the moment of their creation and the shape of individual lobes and saddles). Features of high-rank taxons are observed at the early stages of ontogeny (1 to 4 whorls). Genera and species are firstly distinguished by changes of a common shape of a shell and sculpture which are most clearly revealed at the late stages of ontogeny.
Аммониты (головоногие моллюски) - вымершая группа ископаемых организмов - наиболее надежный индикатор возраста геологических слоев, вмещающих эти ископаемые. Основоположник современной стратиграфии Уильям Смит еще в 1790 году обратил внимание на то, что для каждого геологического слоя характерно свое особое сочетание ископаемых организмов и поэтому возраст этих слоев можно определять по содержащимся в них остаткам. Установление этой закономерности способствовало
КНЯЗЕВ Валерий Георгиевич, д.г.-м.н., г.н.с. ИГБМ СО РАН; МЕЛЬНИК Ольга Алексеевна, аспирант ИГАБМ СО РАН
созданию современной геохронологической шкалы. Вполне естественно, что появление новых данных по систематике древних организмов существенно изменяет наши представления на эволюцию рассматриваемых групп организмов и, как следствие, уточняет возраст вмещающих их геологических слоев. Поэтому изучение системы древних организмов, наряду с эволюционным аспектом, имеет важное значение для создания новой стратиграфической основы.
Впервые классификация этого подсемейства, базирующаяся на результатах онтогенетического изучения лопастной линии, была разработана О. Шиндевольфом [4]. Он считал, что усложнение
