Природа взрывов кимберлитовых магм в. С. Шкодзинский

ПРИРОДА ВЗРЫВОВ КИМБЕРЛИТОВЫХ МАГМ

В. С. Шкодзинский

Согласно флюидномагматической гипотезе взрыв происходит в результате выделения и резкого расширения газов под влиянием декомпрессии в поднимающихся магмах [Skinner, Marsh, 2003]. Но не ясно, почему часть богатых летучими компонентами кислых магм достигает земной поверхности без взрыва с образованием потоков газонасыщенных пенистых лав (игниспумитов, пемзовых лав [Ботвинкина, 1974]), кимберлитовые же магмы обычно не формируют потоки лав даже в районах широкого распространения кимберлитовых 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 [Покровский, 1980]. 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). 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 [Мархинин, 1985]. 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 [Филд и др., 1997], 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.

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 рассчитанная по опубликованным экспериментальным и термодинамическим данным Р-Т диаграмма фазового состава и эволюции кимберлитовых магм (рис. 1). На ней линии подъема магм (А, Б, В) на малоглубинной стадии подъема (при давлении менее примерно 1,5 – 2 ГПа) пересекают изоконцентраты расплава с все меньшим содержанием последнего. То есть, эти магмы затвердевают под влиянием декомпрессии и не могут достигать земной поверхности в жидком состоянии. Декомпрессионное затвердевание магм связано с падением давления летучих компонентов вследствие уменьшения общего давления при подъеме, что повышает температуру кристаллизации магм.

Вследствие относительно небольшой скорости образования зародышей кристаллов последние чаще всего не успевали возникать при подъеме магм, 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 на рис. 1), 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, 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 в поднявшихся к земной поверхности верхних частях кимберлитовых колонн. Эта величина лишь в 8 – 10 раз меньше максимального давления (2,5 ГПа [Покровский, 1980]), возникающего при взрыве тринитротолуола. С учетом огромного объема декомпрессионно завердевших частей магматических колонн (миллиарды м³) сила взрыва должна быть колоссальной. Как показали расчеты [Шкодзинский, 1995)], 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 затвердевших кимберлитов была выброшена 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 кимберлитовом расплаве дезинтеграция остеклованной кимберлитовой магмы была очень тонкой вплоть до распыления стекла и дробления вкрапленников. Взрывалась вся затвердевшая и полузатвердевшая часть 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 теплоотдачи в холодные ксенолиты вмещающих пород температура брекчий быстро понижалась на 500 – 600^о C и достигала 300 – 400^о [Шкодзинский, 1995] 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.

При прогнозно-поисковых и оценочных работах важно иметь возможность оценить степень эродированности 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 др. [1997] выделяют эпикластические, пирокластические и вулканокластические брекчии кратерной фации, кимберлиты диатремовой и гипабиссальной фаций. Однако различия механизмов их образования не достаточно ясны.

Из рассмотренной модели образования эксплозивных брекчий в результате дезинтеграции декомпрессионно затвердевших кимберлитовых магм под влиянием законсервированного высокого давления газовой фазы следует, что должна наблюдаться вертикальная зональность кимберлитовых пород в зависимости от степени затвердевания кимберлитового расплава перед взрывом и масштабов перемещения дезинтегрированного материала (рис. 2). 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. Эндокластические брекчии возникли из материала, не поднимавшегося над земной поверхностью, и разделяются на жидко-, пластично- и твердокластические.

Характерные для нижних частей жидкокластические эксплозивные брекчии сформировались в результате быстрого вскипания, суспензирования, дегазации и разбрызгивания полужидкой магмы, происходившими 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, 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 [Филд и др., 1997].

Типичные для верхней части жерла и нижней части раструба пластичнокластические кимберлитовые 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 автолитовых. 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, замещенным 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. Это систематика объясняет главные особенности строения кимберлитовых диатрем. Магмы богатые углекислотой, вследствие ее раннего отделения от расплава, взрывались на большей глубине и формировали относительно узкие протяженные диатремы, похожие на морковку. Бедные углекислотой магмы формировали короткие широкие бокалоподобные трубки взрыва.

Вследствие зарождения в нижних частях континентальной литосферы кимберлитовые магмы обычно имеют невысокую первичную температуру, поэтому их малоглубинная эволюция происходила в условиях, соответствующих полю Рс+Тв+Ф на рис. 1, в котором магмы не могут достигать земной поверхности без процессов декомпрессионного затвердевания и эксплозивной дезинтеграции. Это объясняет обычно отсутствие излившихся на земную поверхность кимберлитовых лав в районах распространения малоэродированных кимберлитовых трубок.

Список литературы

Ботвинкина Л. Н. Генетические типы отложений областей активного вулканизма. М.: Наука, 1974, 320 с.

Мархинин Е. К. Вулканизм. М.: Недра, 1985, 224 с.

Покровский Г. И. Взрыв. М.: Недра, 1980, 136 с.

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.

Шкодзинский В. С. Происхождение кимберлитов и алмаза. Якутск: изд. ЯНЦ СО РАН, 1995, 168 с.

Шкодзинский В. С. Фазовая эволюция магм и петрогенезис. М.: Наука, 1985, 232 с.

Lorenz V., Kurzlaukis S. Kimberlite pipes: growth models and resulting implications for diamond exploration // 8^th International Kimberlite Conference. Long Abstract. Victoria, Canada, 2003, 5 р.

Skinner E. M., Marsh J. S. Kimberlite eruption processes // 8^th Kimberlite Conference. Long Abstract. Victoria, Canada, 2003, 4 р.

Рис. 1. Р-Т диаграмма фазового состава и эволюции кимберлитовых магм с 10% Н₂О и 10% СО₂:

Линии со стрелками А – В – различные варианты эволюции магм при подъеме. Этапы эволюции магм: 1 – без процессов декомпрессионного затвердевания, 2 – с протеканием этих процессов, 3 – с эксплозивной дезинтеграцией. Показаны поля устойчивости граната (Гр), шпинели (Шп) и флогопита (Фл); Сб – карбонаты [по Шкодзинский, 1985, с упрощениями].

Рис. 2. 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.

жүктеу/скачать 90.95 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: