Флюид + магма = вулкан
Вулканические извержения, происходящие по всему миру, говорят об одном: магма покидает свои очаги и резервуары и по каналам и трещинам выходит на поверхность. Иногда это происходит со сверхзвуковой скоростью. Каким образом тяжелая вязкая жидкость получает такой большой импульс? Почему она движется то медленно, то быстро? Почему в извержениях возникают перерывы, иногда короткие, иногда очень длинные, иногда периодические? Для ответа на все эти вопросы одного механизма подъема магмы к верхним слоям коры недостаточно.
Специалисты в области вулканологии полагают, что ведущую роль в развитии извержения играют летучие компоненты магмы: различные газы, растворенные в ней под высоким давлением и высвобождающиеся по мере подъема магмы к поверхности Земли. К этим газам относят, прежде всего, водяной пар, углекислоту, сернистый газ. Действительно, растворимость летучих в магме резко возрастает с увеличением давления, имея явно выраженные скачки от36% (при 30
КБар) до 20% (при 11 КБар) и затем до 10% (при 10 КБар). Неизвестным, правда, остается реальное количество летучих, растворенное в магме на таких глубинах. Базальтовая магма на выходе содержит порядка 1% летучих, кислая - до 6%. Остальное могло выделиться внутри расплава в виде пузырей, что, по мнению ученых, создает в магме избыточное давление. Выделение летучих на уровнях фрагментации, а также процессы кристаллизации превращают
магму в трехфазную смесь, анализ поведения которой достаточно сложен. Насколько выделение летучих способно вызвать большое ускорение потока магмы, неясно. Популярна аналогия с бутылкой Кока-Кола, при откупоривании которой вспененная смесь напитка и пузырьков выбрасывается наружу. Но ускорение жидкости в которой растворен газ под давлением, возможно только при открывании бутылки - резком сбросе внешнего давления, что обеспечивает высокие значения градиента давления. Магма поднимается к поверхности медленно, давление в ней падает постепенно, пузырьки выделяются так же медленно. По-видимому, высокая скорость магмы при извержении - это результат действия какой-то иной силы. Пузырьки, расширяющиеся внутри магмы сами по себе не способны разогнать поток до высоких, околозвуковых скоростей.
Они могут взорвать магму и окрестные породы, если давление внутри них велико, а выхода наружу нет. Но разогнать магму и держать ее скорость в течение длительного времени они не могут! Ускорение магмы пузырьками - это по сути известный по литературе опыт барона Мюнхгаузена, который сам себя вытаскивал за волосы из болота. Фрагментация меняет плотность и вязкость магмы, но не давление, так как летучие в виде флюида уже давно находятся при закритической температуре и их давление соответствует давлению внутри магмы.
Мы предполагаем, что «иная сила», вызывающая реальное ускорение магмы и ее извержение, обусловлена контактом магмы с областью, содержащей флюид - так называют в геологии жидкость, находящуюся в толще породы под большим давлением и при высокой температуре.
Роль флюидов в геологии и минералогии трудно переоценить. Однако, на наш взгляд, их участие в геодинамических и вулканологических процессах недооценено.
Вопрос о генезисе флюида в земной коре, особенно на больших глубинах, в высшей степени дискуссионный. Мы оставляем его в стороне, исходя из того, что содержащие флюид области реально существуют, и найти их можно, наверное, на всех глубинах. Убедительным аргументом в пользу флюида может служить тот факт, что в зонах субдукции океаническая кора, имеющая осадочный слой, насыщенный водой, оказывается под материковой корой, доставляя водяной флюид в зону активного вулканизма.
Наиболее простой случай контакта магмы и флюида - это когда подводящий магматический канал пересекает слой, содержащий флюид. Возможно, это как раз пористый или трещиноватый слой, обладающий относительно малой прочностью и высокой проницаемостью.
Если магма с температурой порядка 1000 С проникает в область флюида или оказывается вблизи него, то возникает объем так называемого перегретого флюида, имеющего не только закритическое давление, но и закритическую температуру. Для воды критические значения составляют соответственно 220 Бар и 647К. Перегретый флюид сжимаем и подчиняется закону состояния идеального газа (в широком диапазоне высоких температур и давлений отличие его поведения от «идеальности» не превышает 10%). Цель нашей работы - предложить перегретый флюид на роль идеального газа, а магму на роль жидкости в рассмотренном выше механизме «газового поршня».
................................
В работе предложен простой физический механизм, который может служить основой для объяснения различных типов вулканических извержений. Предполагается, что ускорение магмы и ее извержение вызвано неустойчивостью в контактной зоне между магматическим каналом и флюидным слоем на глубине свыше 1км.
Перегретый флюид, находящийся в закритическом состоянии (это может быть флюид водяного пара) при давлениях, превышающих 220 Бар и температурах выше 647К подчиняется закону идеального газа. В соответствии с этим законом, чем больше первичный объем флюида, тем меньше падение давления флюида при его распространении в магматический канал. Если перегретый флюид проникает внутрь магматической системы и вытесняет некоторое малое количество магмы на поверхность, а его объем превышает некоторую критическую величину, то в контактной зоне «магма-флюид» возникает перепад давления, и флюид начинает выталкивать магму наружу, как поршень.
В течение вулканического извержения флюид совершает работу и расширяется, его давление и плотность падает, извержение прекращается. Чтобы оно повторилось и образовался стратовулкан, система нуждается в некотором времени для восстановления критического объема флюида в зоне его перегрева, опустошенной извержением. Это может происходить вследствие диффузии флюида с периферии. Возможно, это время диффузии флюида как раз и определяет интервал между извержениями. После истощения флюидного слоя деятельность вулкана может прекратиться. Но если под магматическим очагом на большей глубине существует другой флюидный слой, он может получить закритическую температуру и активизироваться спустя десятки тысяч лет после образования стратовулкана. Соответствующее мощное извержение способно опустошить магматический очаг и вызвать образование кальдеры. После извержения магмы и пирокластики флюидная субстанция может вырваться наружу.
Разогнавшись в магматическом канале до сверхзвуковых скоростей, флюид захватывает со стенок канала мельчайшие частицы расплава и превращается в палящую пепловую тучу. Извержение флюида - это финал Плинианского извержения, которому предшествовало образование стратовулкана и опустошение его магматического очага. Все эти события - результат нарушения баланса и превышения критических условий в системе «магма-кора-флюид
https://istina.msu.ru/media/publications/articles/858/603/3417291/Volcanoes_eruption_-rus-MGU-size9.pdf
Специалисты в области вулканологии полагают, что ведущую роль в развитии извержения играют летучие компоненты магмы: различные газы, растворенные в ней под высоким давлением и высвобождающиеся по мере подъема магмы к поверхности Земли. К этим газам относят, прежде всего, водяной пар, углекислоту, сернистый газ. Действительно, растворимость летучих в магме резко возрастает с увеличением давления, имея явно выраженные скачки от36% (при 30
КБар) до 20% (при 11 КБар) и затем до 10% (при 10 КБар). Неизвестным, правда, остается реальное количество летучих, растворенное в магме на таких глубинах. Базальтовая магма на выходе содержит порядка 1% летучих, кислая - до 6%. Остальное могло выделиться внутри расплава в виде пузырей, что, по мнению ученых, создает в магме избыточное давление. Выделение летучих на уровнях фрагментации, а также процессы кристаллизации превращают
магму в трехфазную смесь, анализ поведения которой достаточно сложен. Насколько выделение летучих способно вызвать большое ускорение потока магмы, неясно. Популярна аналогия с бутылкой Кока-Кола, при откупоривании которой вспененная смесь напитка и пузырьков выбрасывается наружу. Но ускорение жидкости в которой растворен газ под давлением, возможно только при открывании бутылки - резком сбросе внешнего давления, что обеспечивает высокие значения градиента давления. Магма поднимается к поверхности медленно, давление в ней падает постепенно, пузырьки выделяются так же медленно. По-видимому, высокая скорость магмы при извержении - это результат действия какой-то иной силы. Пузырьки, расширяющиеся внутри магмы сами по себе не способны разогнать поток до высоких, околозвуковых скоростей.
Они могут взорвать магму и окрестные породы, если давление внутри них велико, а выхода наружу нет. Но разогнать магму и держать ее скорость в течение длительного времени они не могут! Ускорение магмы пузырьками - это по сути известный по литературе опыт барона Мюнхгаузена, который сам себя вытаскивал за волосы из болота. Фрагментация меняет плотность и вязкость магмы, но не давление, так как летучие в виде флюида уже давно находятся при закритической температуре и их давление соответствует давлению внутри магмы.
Мы предполагаем, что «иная сила», вызывающая реальное ускорение магмы и ее извержение, обусловлена контактом магмы с областью, содержащей флюид - так называют в геологии жидкость, находящуюся в толще породы под большим давлением и при высокой температуре.
Роль флюидов в геологии и минералогии трудно переоценить. Однако, на наш взгляд, их участие в геодинамических и вулканологических процессах недооценено.
Вопрос о генезисе флюида в земной коре, особенно на больших глубинах, в высшей степени дискуссионный. Мы оставляем его в стороне, исходя из того, что содержащие флюид области реально существуют, и найти их можно, наверное, на всех глубинах. Убедительным аргументом в пользу флюида может служить тот факт, что в зонах субдукции океаническая кора, имеющая осадочный слой, насыщенный водой, оказывается под материковой корой, доставляя водяной флюид в зону активного вулканизма.
Наиболее простой случай контакта магмы и флюида - это когда подводящий магматический канал пересекает слой, содержащий флюид. Возможно, это как раз пористый или трещиноватый слой, обладающий относительно малой прочностью и высокой проницаемостью.
Если магма с температурой порядка 1000 С проникает в область флюида или оказывается вблизи него, то возникает объем так называемого перегретого флюида, имеющего не только закритическое давление, но и закритическую температуру. Для воды критические значения составляют соответственно 220 Бар и 647К. Перегретый флюид сжимаем и подчиняется закону состояния идеального газа (в широком диапазоне высоких температур и давлений отличие его поведения от «идеальности» не превышает 10%). Цель нашей работы - предложить перегретый флюид на роль идеального газа, а магму на роль жидкости в рассмотренном выше механизме «газового поршня».
................................
В работе предложен простой физический механизм, который может служить основой для объяснения различных типов вулканических извержений. Предполагается, что ускорение магмы и ее извержение вызвано неустойчивостью в контактной зоне между магматическим каналом и флюидным слоем на глубине свыше 1км.
Перегретый флюид, находящийся в закритическом состоянии (это может быть флюид водяного пара) при давлениях, превышающих 220 Бар и температурах выше 647К подчиняется закону идеального газа. В соответствии с этим законом, чем больше первичный объем флюида, тем меньше падение давления флюида при его распространении в магматический канал. Если перегретый флюид проникает внутрь магматической системы и вытесняет некоторое малое количество магмы на поверхность, а его объем превышает некоторую критическую величину, то в контактной зоне «магма-флюид» возникает перепад давления, и флюид начинает выталкивать магму наружу, как поршень.
В течение вулканического извержения флюид совершает работу и расширяется, его давление и плотность падает, извержение прекращается. Чтобы оно повторилось и образовался стратовулкан, система нуждается в некотором времени для восстановления критического объема флюида в зоне его перегрева, опустошенной извержением. Это может происходить вследствие диффузии флюида с периферии. Возможно, это время диффузии флюида как раз и определяет интервал между извержениями. После истощения флюидного слоя деятельность вулкана может прекратиться. Но если под магматическим очагом на большей глубине существует другой флюидный слой, он может получить закритическую температуру и активизироваться спустя десятки тысяч лет после образования стратовулкана. Соответствующее мощное извержение способно опустошить магматический очаг и вызвать образование кальдеры. После извержения магмы и пирокластики флюидная субстанция может вырваться наружу.
Разогнавшись в магматическом канале до сверхзвуковых скоростей, флюид захватывает со стенок канала мельчайшие частицы расплава и превращается в палящую пепловую тучу. Извержение флюида - это финал Плинианского извержения, которому предшествовало образование стратовулкана и опустошение его магматического очага. Все эти события - результат нарушения баланса и превышения критических условий в системе «магма-кора-флюид
https://istina.msu.ru/media/publications/articles/858/603/3417291/Volcanoes_eruption_-rus-MGU-size9.pdf