Происхождение, внутреннее строение и глобальная конвекция в мантии Н.Л. Добрецов
реклама
Н.Л. Добрецов Происхождение, внутреннее строение и глобальная конвекция в мантии Содержание 1.Планеты Солнечной системы 2.Аккреция Земли 4,55 млрд лет назад 3.Внутренние оболочки Земли 4.Многослойная конвекция 5.Конвекция в верхней мантии 6.Геологические примеры (Атлантика, Тихий океан) 7.Мантийные струи (плюмы), движение плит, зоны субдукции 8.Корреляция глобальных событий 9.Заключение Массы планет (в единицах массы Земли) и их среднее расстояние от Солнца Схема внутреннего строения планет‐ гигантов в сравнении со строением Земли 2 Зависимость приведенной плотности планет (I) и метеоритов (II) от содержания в них железа и никеля (Маракушев, Безмен, 1983): 1 — Земля; 2 — Луна; 3 — Венера; 4 — Марс; 5 — Меркурий; 6 — железные метеориты; 7 — то же с силикатными включениями; 8 — палласиты; 9 — хондриты; 10 — хондриты типов L и LL; 11 — ахондриты 3 Рост относительной массы Земли m/mкон (конечной массы) при аккреции (Витязев, Печерникова, 2009; Цит. по: Добрецов, 2010): 1 — модель, учитывающая роль крупных тел; 2 — модель расширяющихся зон питания; 3 — модель с мегаимпактом; 4 — условия формирования ядра Земли в процессе ее роста по изотопии Hf‐W; 5 — то же при условии отделения и дифференциации лунной мантии позже на 60 млн лет 4 Оболочки Земли после аккреции (1, 2) и в настоящее время (3, 4). Варианты 1–4 см. в тексте (Superplumes, 2007) 5 Усредненные профили сейсмических скоростей P‐ и S‐волн (км/с) и плотности (кг/м3), полученные из сейсмических данных 6 Аномалии силы тяжести в свободном воздухе (аномалии Фая). Модель DTU13 7 Распределение температуры в мантии и ядре Земли: А — температурный профиль в усредненной мантии и главные фазовые переходы OW, PS, PP; Б — плавление MgO и (Mg,Fe)SiO3 в нижней мантии, PS — постшпинелевые фазы, НА и черный прямоугольник — возможные оценки Т в основании мантии (сводка из разных источников) 8 Конвекция и распределение температуры в мантии Земли: А — схема течений в мантии Земли (Добрецов, Кирдяшкин,1993): 1 — океаническая и 2 — континентальная литосфера; 3 — субдуцированная плита и возможные реститы; 4 — границы между слоями; 5 — течения в астеносфере и нижней мантии; 6 — возможные течения в переходной зоне С; Б — распределение температуры в мантии Земли в соответствии с критическими точками 1– 7 и экспериментальной моделью: А — литосфера, В — астеносфера; С — переходный слой верхней мантии; D1 — нижняя мантия; D2 — переходный слой от ядра к нижней мантии. Точки 1а, б, в — 3 а, б даны по глубинным ксенолитам, 4–б — по экспериментальным данным. Профили скорости в нижней и верхней мантии для: I — верхней неподвижной поверхности, и II — движущейся верхней поверхности 9 Параметры конвекции в мантии конвектирующая оболочка мощность, в км ∆T Вязкость η, пуаз ρ, кг/м3 Ra Режим конвекции астеносфера 360(о)200 (к) 1000 1017‐1019 3.2‐3.35 нижняя мантия 2200 2000 1021‐1023 4.5‐5.8 4‐8∙105 3‐6∙105 1.5‐4∙105 погранслоя или свободная специфическая общемантийная (А) 2800 3000 ~1018 4.2 107 турбулентная внешнее ядро 2000 2000 104‐108 11.0 > 107 турбулентная 10 Границы режимов течения. Данные экспериментов: 1 — Pr = 35–44 (гексадекан); 2 — Pr = 15–25 (трансформаторное масло); 3 — Pr = 88–1194 (вакуумное масло BM‐4); 4 — Pr = (2,5 ‐4,1)∙13 (глицерин); 5 — по данным В. С . Бердникова и др. (1987), Pr = 14–16; 6 — по данным G. E. Willis, J. W. Deardardorff (1967), I–IV — по данным R. Krishnamurti (1970, 1973); V — согласно (Willis, Deardorff, 1967) 11 Соотношения между сдвиговым напряжением и скоростью деформации для пород при различных значениях сжимающего давления по [Kirby, 1980]. Диаграмма прочности для океанической литосферы, показывающая зависимость прочности для хрупкой пластичности и напряжения при фиксированной скорости деформации для гибкой пластичности по данным [Mei et al., 2010; Chopra, Paterson, 1984; Теркот, Шуберт, 1985; Karato, 2008). Кривая 1 — степенная дислокационная ползучесть; кривая 2 — экспоненциальная ползучесть Пайерлса; кривая 3 — хрупкая пластичность; пунктирная кривая —деформация с катакластическим разрушением; xct — деформации с катакластическим разрушением bdt — переходная зона 12 Трубицын, 2012 Результаты численного эксперимента. Распределение вязкости и скоростей течений в модели конвекции в мантии с реологией типа оливина. Шкала значений логарифма вязкости показана справа. Скорости течений показаны стрелками с максимальным значением 15 см/год. 13 Фотографии экспериментальных ячеек, иллюстрирующих режим конвекции в астеносфере под океаном: а ‐ картина течения в слое глицерина в окрестности х = 0 (моделирующей обстановку вблизи СОХ) в вертикальном сечении при l = 10 мм, хн = 1,1 мм, Q = 125 Вт/м; б ‐ фотография сверху и в ‐ схемы течения в слое спирта, иллюстрирующие валиковые течения при хн ≤ 2l и х0 < x1 (Добрецов и др., 2001) 14 Обобщенная схема астеносферных течений под океаном: 1, 2 — океаническая и континентальная литосферы; 3 — астеносфера. Разрезы I–I и II–II в сечениях I–I и II– II, перпендикулярных плоскости рисунка 15 Схема астеносферных течений. Изображены профили температуры Т и скорости и в астеносфере под континентом и океаном, а также указаны векторы сил, действующих со стороны астеносферных потоков на океаническую (Fо) и континентальную литосферу (Fк). Внизу ‐ валиковые течения в вертикальном сечении I‐I. 16 Расположение полигонов детальных работ и схема тектонического районирования Центральной части Атлантики (выполнена на основе карты ГЕБКО) (Сколотнев, 2015) 17 Схема конвективных ячеек в астеносфере: а — влияние теплового поля на рельеф дна; б — структура течения, разрезы zy и xy. lв — диаметр валиков, δL — толщина литосферы, LT — расстояние между трансформами, Δyr и δT — глубина и ширина долины трансформного разлома, δT — толщина теплового пограничного слоя, w и u — составляющие скорости по оси z и x; (Добрецов и др., 2001) 18 Модель формирования микроплюмов обогащенной мантии. Условные обозначения: 1 ‐ нижняя мантия, 2 ‐ верхняя мантия, насыщенная веществом мантийного компонента HIMU, 3 ‐ конвектируемая верхняя мантия, 4 ‐ литосферная мантия, 5 ‐ кора, 6 ‐ диапиры астеносферной мантии, 7 ‐ микроплюмы обогащенной мантии, 8 ‐ направления течений в верхней мантии. (Сколотнев, 2015) 19 20 Гавайско‐императорская вулканическая цепочка: вверху — классическая модель формирования горячей точки согласно плюмовой гипотезе; внизу ‐ схема вулканической цепи Гавайи–Императорский хребет с указанием возраста вулканических пород. Рядом ‐график соотношения возраста и расстояния от действующего вулкана Килауэа (Пучков, 2009) 21 Сейсмическая томография Тихого океана по данным [3]. Темным тоном показаны области повышенных на 0.8% скоростей продольных сейсмических волн в зонах субдукции в различных сечениях Тихого океана. Дугами со стрелками указано расположение разрезов. Фазовые границы приведены на глубинах 410, 660 и 1700 км. 23 Результаты сейсмической томографии для Курило‐Камчатской дуги, (Кулаков и др., 2011): А — изолинии глубины верхней поверхности погружающегося слэба, заштрихованы западное лопастное и северное каплеобразное тело; Б — то же для нижней поверхности слэба; С — сечения. Показана верхняя и хрупкая часть слэба, участки утолщения (сжатия) и 23 утонения (растяжения) Модель отделения расплавов и флюидов в зоне субдукции [Kogiso et al., 2009] с изменениями. A ‐ схема фазовых переходов, плавления и подъема расплавов в зоне субдукции Японской дуги; Б ‐ изотермы (°C), зоны концентрации флюидов, надкритического флюида и расплавов, наложенные на результаты сейсмической томографии [Nakajima et al., 2009]. Srp ‐ серпентин, Chl ‐ хлорит, AmEc ‐ амфиболовые эклогиты, EpEc ‐ эпидотовые эклогиты, Br ‐ брустит, Bs ‐ голубые сланцы, Tc ‐ тальк. 24 Температурные режимы современных и древних зон субдукции, согласно данным разных авторов Модельные РТ‐профили для Японской, Курильской и Камчатской дуг показаны розовым полем по данным работы [Syracuse et al., 2010]. Подписаны РТ‐профили, оцененные для Японской дуги по комбинации петрологических и геофизических данных и термодинамического анализа [Peacock, Wang, 1999]. Штриховые линии ‐ верхняя граница субдукционной плиты, сплошные ‐ нижняя граница слоя океанической коры, красная – средний РТ‐профиль для Японско‐Камчатской зоны на границе субдукционной плиты и литосферы, использованный в данной работе. Полями показаны данные для субдукционных пород (эклогитов, гранулитов и зеленых сланцев) разных возрастов: AR—PR (архей— протерозой) и PH (фанерозой), по [Добрецов и др., 2001; Maruyama, Liou, 2005; Добрецов, 2010]. Отдельно выделены параметры пика метаморфизма Кокчетавского массива (Кч) по данным работы [Korsakov, Hermann, 2006]. Пунктирная зеленая линия — солидус мокрого базальта [Liu et al., 1996; 25 Schmidt, Poli, 1998]. РТ‐диаграммы основных гидратированных пород, представленных в субдукционной плите, по [Hacker et al., 2003a; Litasov, Ohtani, 2007; Omori et al., 2009; Kogiso et al., 2009]. А и Б ‐ лерцолит и гарцбургит в системе MASH. Ol — оливин, PhA — фаза А. В ‐ базальт MORB в системе NCFMASH. Поля метаморфических фаций: Gs — зеленые сланцы, LwBS — лавсонитовые голубые сланцы, LwEc — лавсонитовые эклогиты, EpAm — эпидотовые амфиболиты, Ec — эклогиты. Г‐ солидусы водонасыщенных базальтов [Liu et al., 1996; Schmidt, Poli, 1998] и перидотитов [Grove et al., 2006], показанные разными зелеными линиями. Максимальные различия между ними на глубине 50‐30 км. Красная линия ‐ профиль субдукционных плит Японской, Курильской и Камчатской дуг, голубым овалом обозначена область начальной дегидратации плиты, розовым овалом – область начального плавления плиты. Стрелками на части Г показано направление движения флюидов и расплавов в мантийном клине. Д ‐ дегидратация, ВП ‐ плавление в водонасыщенных условиях, Р ‐ расплав, плавление в недонасыщенных водой условиях, МК ‐ мантийный клин. 26 Сопоставление P–T данных, характеризующих образование ксенолитов графит (1) и алмазсодержащих (2) эклогитов из кимберлитов [9] и пород из палеозон субдукции. Ко – Корсика [13], КП – Колорадо плато [14], Кr – Кокчетавский массив [4, 11], Phz, Ar–Pt1– сводные данные по субдуцированным фанерозойским и докембрийским комплексам [10]; показаны расчетные линии горячей и холодной субдукций юго‐западной и северо‐ восточной Японии соответственно [3, 4]. Стрелка – линия преобладающих условий в зонах субдукции (“субдукционный” тренд). 27 Сопоставление экспериментальных и модельных данных для образования алмазов и кимберлитовой магмы Показаны линии солидуса водосодержащих базальтов MORB, перидотитов и линии солидуса кимберлита трубки Удачная Восточная (УдВ) в зависимости от содержания SiO2 [15]. Поля – области дегидратации (Д) и выплавления андезитовых расплавов (Р) в субдуцированной океанической плите; область магматической камеры в надсубдукционном мантийном клине (МК) и область образования кимберлитов (К). Серая пунктирная стрелка – линия преобладающих условий в зонах субдукции (“субдукционный” тренд). Стрелками также показаны пути миграции и подъема расплавов. 28 Возрастные интервалы разнотипного магматизма (MORB, плюмового и субдукционного (см. рис. 1, 4, 6) [Кораго и др., 2010; Акинин, 2012] и стадии мезозойской геодинамической эволюции в Арктике I—VII, учитывающие возраст ксенолитов и скорости движения плит, по данным [Engebretsen, Gordon, 1990; Зоненштайн, Кузьмин, 1993; Акинин, 2012]. УМ — Удско‐Мургальская, Ан — Анюйская, БА — Бристольско‐ Анадырская зоны; ОЧВП — Охотско‐Чукотский вулканический пояс, Тп — Тихоокеанская плита. 29 Корреляция важнейших событий Интервал времени, Спрединг млн. лет 15‐23 исчезновение плиты Фаралон, перескок зон спрединга С‐З Пацифики 30‐35 максимум спрединга в Атлантике 40‐45 разворот плиты Пацифики на 70°, перестройка зон спрединга 60‐65 максимум скорости спрединга в ВТП 75‐80 уменьшение скорости спрединга в ВТП, открытие Южной Атлантики максимум скорости спрединга в ВТП падение скорости спрединга во всех океанах 90‐95 100‐120 около 150 ‐ Зоны субдукции и коллизии Мантийные плюмы открытие бассейнов Шикоку Японского моря, Ю‐З Курил затухание многих плюмов перестройка в Ю‐В Азии рост активности плюмов перестройка субдукции в затухание Пацифике, начало коллизии в Юж. Андах, пододвигание Индии под Азию, коллизия в Альпах начало современных дуг в максимум плюмов, Пацифике исчезновений инверсий МП перестройка окраинных морей в затухание Пацифике, коллизия в Центральной Азии перестройка дуг в Тетисе, отрыв Индии от Гондваны перестройка в Атлантике, ранняя коллизия в Альпах и Карибском регионе коллизия в Центральной Азии максимум плюмов, исчезновение инверсий главный максимум, длительное отсутствие инверсии слабый максимум 30 Корреляция в пределах фанерозоя эпох оледенения с разнотипной магматической активностью 31 Заключение 1.Накопленные за последние 15‐20 лет данные (космические, геохимические, сейсмотомографические, результаты моделирования) убеждают в необходимости рассматривать многослойную и сферически‐симметричную модель глобальной конвекции в Земле, а именно как минимум три конвектирующих слоя: астеносфера, нижняя мантия и внешнее жидкое ядро. 2.Многослойная конвекция не допускает постоянную температуру вдоль границы сфер (вдоль границы верхней и нижней мантии, вдоль границы мантии и жидкого ядра). Вдоль этих границ будет формироваться достаточно большой градиент температуры, обусловленный конвективными течениями в нижележащей сфере. Именно этот градиент позволяет формироваться плоским конвективным ячейкам, как например, под Тихоокеанской плитой при соотношении толщины и длины ячеек L1/L2 < 0,1. Моделирование конвекции в астеносфере при T=const на нижней границе дает почти изометричные в плане ячейки, что не соответствует действительности. 3.В верхних частях конвектирующих оболочек, по крайней мере, в астеносфере и жидком ядре, возникает режим пограничного слоя, ответственный за специфику подъемных течений в зоне спрединга, поперечных валиковых течений, определяющих винтовое конвективное течение вблизи зон спрединга, сложное строение субдукционных течений и задугового спрединга. 4.В эволюции Земли выделяется несколько стадий, когда на рубеже около 3.8, 2.8,1.8 и 0.75 млрд. лет менялся глобальный режим конвекции. Пример быстрого глобального изменения конвекции в астеносфере иллюстрируется быстрым (около 42‐45 млн. лет назад) изменением направления движения самой большой Тихоокеанской плиты, обусловленным глобальными коллизионными событиями около этого времени (в Гималаях и Тибете, в Альпах и на Кавказе, Южно‐Американских Андах и др.) 32 М.И. Эпов Нефтегазовые ресурсы: происхождение и добыча Гипотезы о неорганическом происхождении нефти и газа Впервые идея о минеральном происхождении нефти была высказана в 1805 году Александром Гумбольдтом. В 1866 году французский химик М. Бертло предположил, что нефть образуется в недрах Земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы. В 1871 году другой французский химик Г. Биассон высказал идею о происхождении нефти путем взаимодействия воды, CO2 и H2S с раскаленным железом. В 1877 году русский химик Дмитрий Менделеев в работе «Нефтяная промышленность в Северо‐Американском штате Пенсильвания и на Кавказе» сформулировал свою гипотезу. Д.И. Менделеев считал, что процесс формирования залежей происходил следующим образом: 1.Карбиды металлов и водяные пары под воздействием высоких давлений и температур в глубине земной коры преобразовываются в ацетилен, этилен и метан. 2.Эти соединения, в свою очередь, под воздействием радиации превращаются в углеводороды нефти. Основными доказательствами являлись лабораторные опыты. Неорганическая («космическая») теория, разработанная Соколовым, Беком и Каграмановым, получила наибольшее распространение в 20 веке. Образование залежей происходило следующим образом: 1.В эпоху генезиса Земли, углеводороды являлись частью первичного вещества нашей планеты (или же сформировались на первых этапах её генезиса в условиях высоких температур). 2.Под воздействием охлаждения первичного вещества, углеводороды смешивались с остывающей магмой и постепенно поднимались в её составе по разломам к земной коре, задерживаясь в осадочных породах. Подтверждением этой гипотезы является наличие углеводородов в космосе. Основные недостатки гипотез заключаются в том, что нет объяснения географического и геологического распределений месторождения нефти и газа, а также современных процессов их восполнений. Гипотеза об органическом происхождении нефти и газа М.В. Ломоносов писал в трактате «О слоях земных» : «Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя... и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменного масла, жидковская смола, нефть. Которые хотя чистотой разнятся. Однако из одного начала происходят». Немецкий химик К. Райхенбах предположил, что нефть «…представляет собой скипидар доисторических пиний (итальянских сосен), находилась в углях в готовом виде и выделялась из них под действием теплоты Земли». Эта классическая научная концепция была развита в 20 веке в трудах Зелинского, Губкина и других. Она предполагает следующие процессы: 1.Низшие животные и растения под влиянием кислорода и живых бактерий разлагались на газы и прочие продукты распада. 2.Газы смешивались с атмосферой, жиры с белками расщеплялись кислотами и спиртами, а всё, что оставалось, задерживалось в осадочных породах. 3.Со временем эти остатки опускались глубже в недра Земли, где под воздействием высоких температур и давления превращались в нефть. Основными доказательствами в пользу органической теории выступают следующие положения: 1.Основные месторождения нефти и газа (97%) расположены в крупнейших зонах распространения осадочных пород. 2.В составе природной нефти зафиксировано наличие элементов и молекул органического происхождения. 3.Строение молекул природной нефти свойственно веществам, имеющим биогенное происхождение (биомаркеры) . Месторождение «Белый тигр» (Вьетнам), запасы 500 млн. т. Глубокие месторождения Астраханского свода Водорастворённый газ: ресурсы и добыча Глобальные неконвенциальные и традиционные ресурсы газа Разновидности ресурсов Газ (м³) Водорастворённые газы (0,1 – 1,0) · 1017 Газогидраты (0,5 – 2,0) · 10¹⁶ Сланцевые газы (3,8 – 4,2) · 10¹⁴ Угольные газы (2,2 – 2,5) · 10¹⁴ Газы плотных пород (1,8 – 2,2) · 10¹⁴ Глубинные газы (2,0 – 3,5) · 10¹⁴ Традиционные газы 1,8 · 10¹⁴ ВРГ в отложениях Западной Толщина, м % СН Сибири Концентрация, м /т трлн. м 3 4 3 250 99 0.024 2.0 200 99 0.12 0.4 400 98 0.36 4.0 600 98 2.4 253 460 95 26.4 55 600 92 1.68 47 120 92 6.0 35 400 85 7.2 80 850 85 7.2 405 600 85 7.2 43 924/830 Сланцевый газ (США) Gas Shale Basin Глубина, м Толщина, м Barnett 1.981 - 2.591 31 - 183 Fayetteville 305 - 2.134 6 - 61 Haynesville 3.200 - 4.115 Marcellus Содержание газа, м3/т 9,3 1,2 1,7 - 6,2 1,5 1,2 61 - 91 2,8 - 9,3 20,3 7,1 1.219 - 2.591 15 - 61 1,7 - 2,8 42,5 7,4 Woodford 1.829 - 3.353 37 - 67 0,7 0,3 Antrim 183 - 671 21 - 37 1,1 - 2,8 2,2 0,6 New Albany 152 - 610 15 - 30 1,1 - 2,3 4,5 0,5 81 18,3 Суммарно 8,5 - 9,9 Ресурсы, трлн. Извлекаемые м3 запасы, трлн. м3 5,7 - 8,5 Концентрации сланцевого газа в плотных породах, как правило, не превышают 0,2 м3/м3. Состав: водород 25‐40%; азот 22‐25%; окиси углерода 20‐40%; метан 14‐17%; тяжёлые углеводороды 4‐5%. Газонасыщенность пластовых вод ВРГ Урало‐Волжская НГП – до 1‐1,3 м³/м³. Западно‐Сибирская НГП – до 2‐3 м³/м³. Средне‐Каспийская НГП – до 4‐5 м³/м³. Ресурсы газогидратного метана примерно в 50 раз больше извлекаемых запасов традиционного газа. Основные ареалы распространения газогидратов приурочены к осадкам континентальных окраин (глубины 500‐1000 м) Мирового океана. Гидроразрывы пластов Последствия добычи сланцевого газа • заражение грунтовых вод химическими реактивами (около 600 химикатов: ингибиторы коррозии и контроля сланцев, загустители, кислоты, биоциды, гелеобразователи, в том числе потенциально канцерогенные); • разрушительные процессы в породах с увеличением сейсмической нестабильности (по данным Колумбийского университета ГРП может инициировать землетрясения. Так в Огайо на одном из мест добычи с января 2011‐го по февраль 2012‐го было зафиксировано более 100 толчков силой до 3,9 балла); • заражение почвы отработанными водами; • проникновение углеводородных газов в источники питьевого снабжения (так в пробах питьевой воды из колодцев в Пенсильвании вблизи зон добычи сланцевого газа повышение концентраций метана в среднем в 6 раз, этана – в 23 раз); • загрязнение воздуха выбросами углеводородов и веществами из растворов ГРП; • неконтролируемые проседания дневной поверхности. В СССР подходы к утилизации ВРГ сформулированы в 1974 году. Рассматривалось три типа возможных технологий: 1.Самоподъём высоконапорных газонасыщенных вод в верхние слабонапорные горизонты. При определённых тектонических условиях предполагалось формировать искусственные залежи. 2.Засоление предельно газонасыщенных подземных вод внедрением рассолов из верхних горизонтов. Приводит к разгазированию пластовых вод и образованию залежей. 3.Использование сверхмощных глубинных взрывов для нарушения фазового равновесия с усилением дегазации пластовых вод. Основная проблема при разработке месторождений растворённых газов заключается в транспортировке подземных вод на дневную поверхность, где они будут дегазироваться при атмосферном давлении, и в утилизации рассолов. Современные объёмы добычи ВРГ невелики. Ограничения связаны с экологическими (утилизация извлечённой воды) и транспортными (низкое давление и малые дебиты) проблемами. Стоимость добычи газа Свободный газ 50 $/тыс. м³ Сланцевый газ 150 $/тыс. м³ Угольный метан 100‐200 $/тыс. Метан газогидратов м³ ? $/тыс. м³ Водорастворённый ?$/тыс. м³ метан СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
