На пути к формированию петрологии природных псевдоожиженных (флюидизированных) систем

НА ПУТИ К ФОРМИРОВАНИЮ ПЕТРОЛОГИИ ПРИРНДНЫХ ПСЕНДННЖИЖЕННЫХ (ФНЮИДИЗИРОВАННЫХ) СИСТЕМ -ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОГО НАПРАВЛЕНИЯ НАШЕЙ НАУКИ

Сотрудниками лаборатории петрографии Института геологии сформулировано новое направление в петрологии — формирование и эволюция флюидизатно-эксплозивных систем и их минерагения в связи с промышленными перспективами.

Немногим более 10 лет назад нами было установлено, что широко представленные на севере Урала грубообломочные породы, трактовавшиеся как палеозойские базальные конгломераты, формируют на самом деле не пласты, а интрузивные тела типа валунных (галечных) даек и силлов. Было показано, что эти породы не являются осадочными, а представляют собой так называемые интрузивные пирокластиты, или туффизиты. Обоснование нашей концепции потребовало обстоятельной аргументации, основанной на детальном изучении особенностей строения и состава этих спорных пород с привлечением петрохимических и геохимических данных. Такие многосторонние исследования показали, что главной особенностью конгломератовидных кластитов эндогенного происхождения было специфичное агрегатное состояние слагавшего их материала, следствием которого являлся и необычный механизм его перемещения в процессе формирования соответствующих тел. Как оказалось, этот материал представлял собой гетерогенную взвесь. В одних случаях это была туфоподобная эксплозивная твердо-газовая суспензия, а в других — капельная расплавно-газовая эмульсия, идентичная игнимбритовой. Соответственно внедрение таких масс происходило не в форме течения жидкости, что имеет место при формировании обычных магматических тел. Этот

вывод был весьма революционным, но имел все же региональное значение. Однако проведенный нами библиографический поиск показал, что с геологическими примерами подобных явлений исследователи систематически и повсеместно сталкивались на протяжении уже более ста лет. Пер-

Обломки типа «Галька в гальке» в кимберлите о-ва Телячий, Кандалакшский архипелаг: окатанные включения базальтоид-ного кимберлита с окатанными включениями гранита. Уменьшено в 2 раза

вые свидетельства этого мы встречаем в полевых записях английских вулканологов Т. Андерсена и Дж. Флет-та, изучавших последствия всемирно известного катастрофического извержения вулкана Мон-Пеле на острове Мартиника в Карибском море. В июле 1902 года они оказались свидетелями невиданного ранее явления: «Масса раскаленного вещества переливается через край кратера и в виде лавины

пепла устремляется по склону...сокру-шая все на своем пути. Эта лавина — смесь раскаленного пепла и газа, которая ведет себя подобно жидкости» (цит. по Г. Макдональд. Вулканы). Таково первое документальное свидетельство не истинно жидкого, а псев-дожидкого течения вулканического материала. Затем такие газо-пепловые лавины наблюдались многократно. Их продукты подобны нашим эксплозивным конгломератовидным класти-там и широко представлены во многих регионах, но зачастую и там трактуются как осадочные образования. Чтобы избежать проистекающих из этого грубейших ошибок в расшифровке геологического строения и прочтения истории развития соответствующих территорий, нами разработаны и обоснованы критерии надежной диагностики таких пород, изложенные в специальной монографии.

Анализ литературы показал, что пониманию природы течения пиро-кластитовых взвесей способствовало изучение К. Феннером последствий Катмайского извержения на Аляске, а также выявление П. Маршаллом в Новой Зеландии игнимбритов — отложений подобных потоков, отличавшихся тем, что взвешенный материал был представлен в них преимущественно не пеплом, а каплями еще не отвердевшей лавы. Крайне важным оказался материал, полученный в тридцатых годах при изучении рудоносных конгломератовидных класти-

тов США — так называемых рудных галечных даек и столбов в штатах Юта, Орегон, Айдахо, Аризона. По мнению Р. Фармина, эти образования сформированы такими же раскаленными взвесями, но тогда, когда материал не извергался в виде «огненных лавин», а не достигал поверхности, формируя трещинные и стволовые интрузии в перекрывающих толщах. Подобные рудные комплексы известны и в России, особенно типичны они для Алтая, Восточной Сибири и Дальнего Востока, где были неоднократно описаны Г. И. Туговиком, Л. Г. Страхо-

Многочисленные обломки типа «конгломерат в конгломерате» в алмазоносных кластитах Бразилии. Фрагмент поверхности мемориального останца около отработанного алмазного рудника Диамантина. Штат Минас-Жерайс. Уменьшено в 10 раз

вым, П. Ф. Иванкиным и другими исследователями. В 1941 г. механизм суспензионного внедрения был предложен Г. Клоосом для объяснения природы базальтовых диатрем Южной Германии. Он показал, что эти тела являются не взрывными жерлами, как полагали, а интрузиями, сформированными внедрением твердо-газовых взвесей, продукты литификации которых он предложил называть туффизитами (в отличие от классических субаэральных туфов).

В начале 50-х гг. подобные диат-ремы, но не базальтоидные, а гранитные, были изучены в Ирландии Д. Рейнольдс. На этой основе она опубликовала в Am. J. of Sciences статью «Fluidization as a geological process...», в которой утверждала, что проявления жидкоподобного течения природных взвесей отвечают давно известному технологическому процессу, именуемому флюидизацией. С ее подачи это понятие вошло в геологию. Особо подчеркнем, что этот термин образован не от известного научного термина, а от бытового слова fluid, означающего в английском языке жидкий, жидкость, а потому этимологически отвечает понятию «ожи-

жение». Так он и трактуется в энциклопедии «Британика»: «Флюидизация — процесс, сходный с ожижением, в результате которого зернистый материал конвертируется из статичного твердо-подобного состояния в состояние высокой мобильности (текучести) под воздействием протекающего через этот порошок газа». Поскольку реальная жидкость при этом не образуется, наши технологи предпочитают говорить в такой ситуации не об ожижении, а о псевдоожижении. Именно так переводится термин АшёкаИоп в специализированных англо-русских словарях — физическом, политехническом, технологическом. Так же трактуется он и в Интернете.

Причины формирования газовой (флюидной) фазы, обусловливающей переход твердых раздробленных масс и вязких расплавов в высокомобильное псевдоожиженное состояние многообразны. Наиболее обычен механизм ретроградного кипения газонасыщенных расплавов при снижении внешнего давления вследствие их подъема на более высокий уровень либо попадания в зоны растяжения. По такой схеме флюидизируются продукты кристаллизации не только гранитных, но и базальтовых магм. Хотя содержание воды в последних редко превышает 3 %, его достаточно для флюидизации остаточных расплавов. Диатремы и дайки базитовых туффи-зитов неоднократно описаны в При-ангарье, Норильском районе, а также в пределах всех трапповых полей мира. Магматогенные флюидизатные системы неизменно ассоциируются и с любыми щелочными расплавами, поскольку последние всегда богаты летучими, которые помимо воды могут быть представлены в них углекислотой, фтором и иными компонентами. Особо отметим флюидизаты несиликатных магм: карбонатитовой, апа-титолитовой, фосфатно-феррооксид-ной (нельсонитовой), а также еще более редких — ф ерролитовой и сульфи-долитовой, в которых на долю флюи-дизатных взвесей приходится не меньший объем, чем на долю материнских расплавов. Близки к этой категории и так называемые лампрофиры, привлекающие в последние годы особое внимание петрографов. Исключительную роль играют здесь кимберли-товые, оранжеитовые, лампроитовые и минеттовые флюидизиты, формирующие дайки, силлы и диатремы. Эти тела не столь объемны, но они весьма многочисленны.

Флюидизацию могут вызывать и фреатомагматические явления, обусловленные воздействием горячих интрузий на водонасыщенные горизонты прорываемых ими толщ. Свой вклад могут вносить и летучие компоненты, изгоняемые в больших объемах из преобразуемых пород при региональном метаморфизме. Наконец, существенную роль должны играть и флюидные потоки глубинного происхождения, поступающие вследствие перераспределения вещества верхней мантии, астеносферы и более глубинных геосфер, включая и ядро, гравитационная дифференциация которого весьма далека от завершения. Многообразие путей природного псевдоожижения (флюидизации) порождает и разнообразие создаваемых этими процессами пород. На протяжении многих лет мы имели дело как с гранитными, так и с базальтоидными флюидизатами, а также с карбонати-тами, апатитолитами, разнообразными лампрофирами и кимберлитами, включая породы Архангельской провинции и Тимана. Полученные результаты окончательно убедили нас в крайней важности эффекта природного псевдоожижения в процессах породообразования и минерагении. В последние годы предметом наших исследований были и специфичные алмазоносные образования Вишерско-го Урала, и даже алмазоносные породы Бразилии (см. соответствующие публикации в предшествующих номерах « ^ее&Ксоса»).

В последние годы появились (не без нашего участия) предложения о выделении особого сообщества горных пород — класса или даже типа флюидизитов. Проблема, однако, в том, что, хотя течение псевдоожижен-ных масс подчиняется, в общем, тем же законам, что и течение жидкостей, включая расплавы, многие особенности этих процессов настолько различны, что оказываются практически несопоставимыми. К примеру, скорость подъема флюидизатных масс, выполняющих кимберлитовые трубки, несоизмеримо выше скорости течения магмы. Как установлено независимо друг от друга геологами разных стран (А. Г. Булах, А. В. Уханов, О. Е Мельник, П. Папале и др.), она варьирует в пределах 400—800 м/сек. Такие же значения получены и для скоростей подъема «фрагментированных» лав, т. е. лав, преобразованных в капельные эмульсии. Резко отличаются и другие свойства магматитов и флюи-

Флюидизаты Магмы

Скорость течения От 100 до 1000 м/сек От 0.1 до 10.0 м/сек

Теплоемкость Низкая

Термально-ко нтактовое воздействие на породы рамы Отсутствует Типично

Причина остановки течения Утечка газа Консолидация расплава

Длительность литификации Десятки и сотни часов Тысячи и миллионы лет

Излившиеся аналоги (лавы, пепел) Отсутствуют Обычные

Типичные формы крупных обособлений, включенных в матрикс (вкрапленников) Оскольчатые и окатанные Первичная огранка захваченных кристаллов исчезает вследствие механических разрушений (растрескивания, окатывания), а также растворения Кристаллы обычно хорошо ограненные Характерно восстановление (регенерация) даже частично растворенных или механически нарушенных захваченных кристаллов

Причины формирования полосчатых текстур Распределение твердофазных компонентов в ламинарном потоке (принцип Бернулли) Гравитационное осаждение твердофазных компонентов в неподвижном расплаве

дизитов, что видно из приведенной таблицы.

Число сопоставляемых критериев можно и увеличить, причем существенно. Отметим, к примеру, такой важный признак, как пульсационный характер развития флюидизации, не свойственный эволюции магматических систем. Это проявляется в развитии во флюидизатах включений сложного строения типа «брекчия в брекчии» или «конгломерат в конгломерате», абсолютно не свойственных истинным магматитам. Совершенно очевидно, что закономерности развития флюидизатных и магматических систем кардинально различны. Поэтому процессы литосферного псевдоожижения и их петрогенетическую сущность невозможно интерпретировать исходя из стандартных петрологических положений. Разница между классической петрологией и петрологией флюидизационных (псевдоожи-женных) систем не меньше, чем между геометрией Эвклида и геометрией Лобачевского или Римана. Мы не претендуем на роль Лобачевских от петрологии, а лишь призываем к тому, что флюидизатную петрологию нужно создавать и развивать! Конечно, это задача не из легких. Она не для обособленного коллектива, и уж тем более не для исследователя-одиночки, но начинать с чего-то нужно!

Масштабы флюидизации и объемы ее проявления в полной мере со-

поставимы с другими ведущими процессами. На долю игнимбритов приходится около 20 % объема всех вулканитов вообще. Туффизитовых диат-рем известны десятки тысяч, а туффизитовых даек — на два порядка больше. Интерес к таким образованиям усугубляется систематической сопряженностью с ними ценных месторождений черных, цветных, редких и благородных металлов, как и нерудного сырья. Это не случайно. Псевдоожижение создает идеальные условия для перемешивания твердых и флюидных компонентов, обеспечивая их эффективное взаимодействие. Флю-идизатные месторождения не принадлежат, правда, к категории гигантов, но руды в них высокотехнологичные . Да и запасы не так уж малы — на долю рудных диатрем и валунных даек США приходилось в ХХ веке более трети мировых запасов меди. Многие полагают, что флюидизита-ми являются и главные источники алмаза — кимберлиты и лампроиты. Но дело не только в формировании полезных ископаемых и специфических горных пород! Именно флюиди-зация создает условия для поступления вещества глубинных геосфер (включая ядро) на доступные изучению приповерхностные уровни нашей планеты. Напомним наконец гениальнейшие высказывания нашего великого геофизика — академика П. Н. Кропоткина, отдававшего веду-

щую роль в формировании эндогенных пород и руд, как и литосферы в целом, тому, что он называл «мантийным дыханием». Концепция флюидизации в известной мере конкретизирует эти высказывания и, конечно, многое проясняет в возможных путях реализации соответствующих процессов.

Разработка соответствующего направления петрологии будет способствовать повышению качества региональных и структурно -геологичес -ких исследований, включая геологическое картирование любых масштабов. Изучение минерагении флюиди-затно-эксплозивных систем позволит сформулировать новые критерии региональных прогнозных оценок регионов на различные рудные и нерудные полезные ископаемые, оказывая прямое влияние не только на методику поисково-разведочных и оценочных работ, но и на выбор их стратегии.

Литература

Голубева И. И., Махлаев Л. В. Конгломераты и магматогенные псевдоконгломераты. Екатеринбург, 2005. 180 с.

Махлаев Л. В., Голубева И. ЖПсевдо-ожижение (флюидизация) как особый геологический процесс и его роль в поро-дообразовании и минерагении // Магматизм и метаморфизм в истории Земли: Матер. XI Всерос. петрограф. совещ. Екатеринбург, 2010. С. 58—59.

Д. г.-м. н., проф. Л. В. Махлаев, к. г.-м. н. И. И. Голубева