Введение к работе
Актуальность работы.
Гидротермальная циркуляция, наряду с другими механизмами переноса тепла в литосфере, является интегральной частью глобального теплового потока Земли. Кроме того, одно из значительных проявлений гидротермальной активности - транспортировка и переотложенне химических элементов в земной коре. Перемещаясь в пористой среде, флюиды несут растворенные газы, соли металлов, и другие соединения. Движения флюидов, как правило, приурочены к ослабленным и разломным зонам, обладающим повышенной проницаемостью, что приводит к локальному увеличению концентрации этих элементов. Особое значение имеет гидротермальный рудо-генез, с которым связано образование крупных месторождений, например отложения сульфидных руд на о. Кипр (массив Тродос), офиолитовые комплексы Омана и др., а также процессы метасоматоза и ретроградного метаморфизма.
Открытие высокотемпературных донных гидротермальных систем на Галапагосском рифте в 1977 году (Corliss et al., 1979) и в районе Калифорнийского залива в 1979 году (Восточно-Тихоокеанское поднятие, 21 с.ш.) (Edmond et al., 1979), в значительной степени изменило наше представление о вкладе гидротермальной активности в процессы теплового и химического обмена Земли. Более того, уже первые наблюдения спускаемых аппаратов показали наличие новых уникальных форм жизни, революционно изменив взгляды на биологию глубоководных зон океанов. Таким образом, изучение глубоководных гидротермальных систем является чрезвычайно актуальным.
Данные, полученные с помощью сейсмоакустическнх методов, глубоководного бурения, а также прямого наблюдения не дают ясного представления о структуре гидротермальной системы, ее эволюции во времени. Модели, существовавшие для гидротермальных систем континентального типа, также не подходят для объяснения процессов, происходящих в недрах донных гидротерм. В этой связи особую актуальность представляет направленное математическое моделирование, которое, опираясь на экспериментальные данные, способно восполнить этот пробел.
Цель работы.
С середины 80-х годов был предложен целый ряд концептуальных моделей, которые постоянно развиваются и перестраиваются по мере поступления новых данных. (Подробнее теоретические модели, данные наблюдений, физические и химические свойства высокотемпературных гидротермальных систем рассматриваются в первой главе). Данная работа преследует несколько целей:
— создание модели тепломассопереноса в окрестности малых интрузивных тел, в неоднородной по проницаемости флюидонасыщенной пористой среде;
развитие и численная апробация модели взаимодействия магматической камеры и гидротермально» системы;
изучение эволюционного поведения "черных курильщиков" с учетом имеющихся данных, полученных в результате прямых наблюдений, геологических и геофизических исследований;
— создание соответствующего программного обеспечения и алгоритмов решения подобных задач.
Фактический материал и личный вклад автора.
Работы по целенаправленному изучению высокотемпературных гидротермальных систем дна океанов ("черных курильщиков") проводятся уже около двадцати лет. За это время была построена обширная база данных,^главным образом касающихся внешних параметров донных гидротерм. Также был разработан ряд теоретических модельных концепций (глава 1). Некоторые из них легли в основу данной работы.
Рассматриваемая нами количественная модель процесса взаимодействия высокотемпературной гидротермальной системы и магматической камеры, основана на представлении о существовании динамической зоны "проникающей конвекции" (Lister, 1983). Механизм "проникающей конвекции" обеспечивает более быстрый теплообмен между магматической камерой и циркуляционным контуром и, соответственно, способствует увеличению времени жизни курильщика.
Автор принимал непосредственное участие в постановке и решении задач, интерпретации полученных результатов Разработка алгоритмов численных схем, написание программного обеспечения и численный анализ выполнены автором.
Методика исследований. Краткое содержание работы.
В работе использованы экспериментальные данные, полученные в результате прямого наблюдения высокотемпературных гидротермальных систем на дне океанов (Hekinian et al., 1983;Gente et al., 1986), глубоководного бурения и структурных исследований офиолитовых комплексов (Nicolas, Boudier, 1991; Nehlig et al., 1994).
Для реализации численного решения было создано авторское программное обеспечение, использовался стандартный пакет визуализации 2-D и 3-D научной графики.
Научная новизна работы.
В рамках теории движения флюида в пористой среде решена задача тепломас-сопереноса над локальным источником тепла в неоднородной по проницаемости среде. Доказано существование автомодельного решения для класса функций проницаемости, достаточно хорошо описывающих реальное состояние внутри гидротермальной системы (локализованные зоны трещиноватостн, системы листрических сбросов
и другие случаи, встречающиеся в рифтовых зонах срединно-океаническнх хребтов). Найдены распределение поля температур, вертикальной и горизонтальной составляющей скорости Дарен флюида для некоторых из этих случаев.
Опираясь на предположение о строении переходного слоя в основании гидротермальной системы, реализована квазистационарная модель, с помощью которой оценено взаимовлияние ее основных параметров: выносимого теплового потока, проницаемости зоны трещиноватости, площади зоны теплообмена а так же ее характерных размеров. Благодаря выявленной взаимосвязи стало возможным оценить внутренние физические параметры черного курильщика на основании внешних наблюденных данных (выносимый тепловой поток, дебет, температура изливающегося флюида).
В развитие концепции проникающей конвекции (гл. I), разработана эволюционная модель глубоководной гидротермальной системы, позволяющая оценить время жизни гидротермы, а так же охарактеризовать ее физические параметры на каждом этапе существования.
Основные защищаемые положения.
На защиту выносятся следующие наиболее важные результаты:
автомодельное решение задачи тепломассопереноса над локальным источником тепла (точечным и линейным) в неоднородной по проницаемости пористой среде,
концепция "проникающей конвекции" как механизм регулирования времени жизни "черного курильщика";
результаты численного моделирования взаимодействия высокотемпературной гидротермальной системы и магматической камеры;
модель эволюции теплового режима "черного курильщика";
методика оценки внутренних параметров гидротермальной системы, по наблюденным данным.
Практическая ценность работы.
Возможность моделирования процессов тепломассопереноса в донных гидротермальных системах позволяет вести количественные расчеты перемещения и отложения растворенных солей металлов, что весьма важно при изучении природных гидротермальных рудообразующих процессов.
Разработанная методика позволяет находить автомодельные решения для достаточно широкого класса функций проницаемости.
Развитие теоретических моделей позволяет предсказывать поведение реальных гидротермальных систем на основе имеющихся экспериментальных данных.
Восстановление эволюционной истории "черных курильщиков" чрезвычайно важно для понимания процессов, проходящих в зонах спрединга срединно-океанических хребтов.
Апробация работы. Публикации.
Основные результаты работы доложены на ряде международных научных конференций (XX Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза, Г.Гамбург, 1995, Всемирном Геотермическом Конгрессе, Флоренция, 1995, XXI Геофизическая Ассамблея EGS, г.Болдер, 1996, XXX Международном Теологическом Конгрессе, г.Пекин, 1996, II Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле", г. Москва, 1997), научных семинарах Института метеорологии и геофизики, Университет им. И.В.Гете (г. Франкфурт-на-Майне), Института геофизики, Университет г. Бонна, Центра математического моделирования и компьютерного эксперимента, г. Бангалор (Индия), Института океанологии г. Гоа (Индия) и др. Основное содержание диссертации изложено в пяти статьях и пяти тезисах и докладах на различных конференциях.
Объем работы.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 86 страниц, 14 рисунков и список литературы из 72 наименований.
Автору хотелось бы выразить свою искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю Глико Александру Олеговичу за всестороннюю поддержку, терпение, постоянное внимание и помощь в работе, сотрудникам лаборатории теоретической геофизики за посильную помощь и участие, а также Фир-совой Валентине Сергеевне за содействие в оформлении данной работы. Содержание работы.