ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В ГРИБООБРАЗНОЙ ГОЛОВЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ПЛЮМА

Описана модель мантийного термохимического плюма, и представлена схема его зарождения на границе ядро–мантия. Приведены основные соотношения для определения тепловой мощности термохимического плюма и диаметра его канала. Плюмы с грибообразной головой имеют относительную тепловую мощность 1.9<Ka<10. После прорыва расплава из канала плюма на поверхность происходит плавление вдоль подошвы массива коры над кровлей плюма и образуется грибообразная голова плюма, т.е. формируется крупное интрузивное тело (корневой батолит). На основе данных лабораторного и теоретического моделирования представлена тепловая и гидродинамическая структура термохимического плюма с грибообразной головой. Определены основные параметры некоторых плюмов, ответственных за образование батолитов Северной Азии. Гидродинамика и теплообмен в грибообразной голове плюма рассмотрены на основе модели плоского горизонтального слоя жидкости. Оценены величины изменения температуры и скорости течения в расплаве головы плюма. Расчеты состава расплава в грибообразной голове плюма проведены в два этапа: 1) после осаждения тугоплавких минералов на подошву головы плюма; 2) после осаждения плагиоклаза в расплаве, образовавшемся после первого этапа и содержащем 61.5 % плагиоклазового компонента. Результаты расчетов приведены в виде таблиц, представляющих процентное весовое содержание оксидов, а также нормативный минералогический состав расплава при температуре T_р=1410 °C и T_р=1380 °C. Расчеты толщины слоя остаточного расплава проведены для Хэнтэйского плюма, у которого толщина головы l=d=29 км (d – диаметр канала плюма). На основе предложенной модели плюма с грибообразной головой в результате расчетов может быть получен нормативный состав расплава, близкий к составу нормальных гранитов.

1. Bowen N.L., 1913. The melting phenomena of the plagioclase feldspars. American Journal of Science 35 (210), 577–599. https://doi.org/10.2475/ajs.s4-35.210.577.

2. Brandon A.D., Walker R.J., 2005. The debate over core–mantle interaction. Earth and Planetary Science Letters 232 (3–4), 211—225. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2005.01.034.

3. Brown M., 2013. Granite: from genesis to emplacement. Geological Society of America Bulletin 125 (7–8), 1079–1113. https://doi.org/10.1130/B30877.1.

4. Brückner R., 2003. Silicon dioxide. In: G.L. Trigg (Ed.), Encyclopedia of Applied Physics. Wiley, New York, p. 101–131. https://doi.org/10.1002/3527600434.eap432.

5. Cranmer D., Uhlmann D.R., 1981. Viscosities in the system albite–anorthite. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 86 (B9), 7951–7956. https://doi.org/10.1029/JB086iB09p07951.

6. Cross W., Iddings J.P., Pirsson L.V., Washington H.S., 1902. A quantitative chemicomineralogical classification and nomenclature of igneous rocks. The Journal of Geology 10 (6), 555–690. https://doi.org/10.1086/621030.

7. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Vernikovsky V.A., Gladkov I.N., 2008. Modelling of thermochemical plumes and implications for the origin of the Siberian traps. Lithos 100 (1–4), 66–92. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2007.06.025.

8. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., 2000. Sources of mantle plumes. Doklady Earth Sciences 373 (5), 879–881.

9. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., 2001. Deep Geodynamics. Siberian Branch of RAS Publishing House, Geo Branch, Novosibirsk, 408 p. (in Russian) [Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2001. 408 с.].

10. Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., 2005. Parameters of hot spots and thermochemical plumes. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 46 (6), 589–602.

11. Frye K. (Ed.), 1983. The Encyclopedia of Mineralogy. Springer, Berlin, 794 p. [Русский перевод: Минералогическая энциклопедия / Ред. К. Фрей. Л.: Недра, 1985. 512 с.].

12. Gladkov I.N., Distanov V.E., Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2012. Stability of a melt/solid interface with reference to a plume channel. Fluid Dynamics 47 (4), 433–447. https://doi.org/10.1134/S0015462812040023.

13. Gramenitsky E.N., Kotelnikov A.R., Batanova A.M., Shchekina T.I., Plechov P.Yu., 2000. Experimental and Technological Petrology. Nauchnyi Mir, Moscow, 416 p. (in Russian) [Граменицкий E.H., Котельников А.Р., Батанова A.M., Щекина T.И., Плечов П.Ю. Экспериментальная и техническая петрология. M.: Научный мир, 2000. 416 с.].

14. Jaupart C., Mareschal J.-C., 2007. Heat flow and thermal structure of the lithosphere. In: G. Schubert (Ed.), Treatise on geophysics. Vol. 6. Crust and lithosphere dynamics. Elsevier, p. 217–251. https://doi.org/10.1016/B978-044452748-6.00104-8.

15. Jaupart C., Mareschal J.-C., 2014. Constraints on crustal heat production from heat flow data. In: H. Holland, K. Turekian (Eds.), Treatise on geochemistry (Second Edition). Vol. 4. The crust. Elsevier, p. 53–73. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-095975-7.00302-8.

16. Johannes W., 1984. Beginning of melting in the granite system Qz-Or-Ab-An-H2O. Contributions to Mineralogy and Petrology 86 (3), 264–273. https://doi.org/10.1007/BF00373672.

17. Kirdyashkin A.A., Dobretsov N.L., Kirdyashkin A.G., 2004. Thermochemical plumes. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 45 (9), 1005–1024.

18. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., 2016. On thermochemical mantle plumes with an intermediate thermal power that erupt on the Earth’s surface. Geotectonics 50 (2), 209–222. https://doi.org/10.1134/S0016852116020059.

19. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Distanov V.E., Gladkov I.N., 2016. Geodynamic regimes of thermochemical mantle plumes. Russian Geology and Geophysics 57 (6), 858–867. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.05.003.

20. Kirdyashkin A.A., Kirdyashkin A.G., Gurov V.V., 2017. Parameters of thermochemical plumes responsible for the formation of batholiths: results of experimental simulation. Geotectonics 51 (4), 398–411. https://doi.org/10.1134/S0016852117040057.

21. Kirdyashkin A.G., Kirdyashkin A.A., 2016. Parameters of plumes of North Asia. Russian Geology and Geophysics 57 (11), 1535–1550. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.10.002.

22. Kuzmin M.I., Yarmolyuk V.V., Kravchinsky V.A., 2010. Phanerozoic hot spot traces and paleogeographic reconstructions of the Siberian continent based on interaction with the African large low shear velocity province. Earth-Science Reviews 102 (1–2), 29–59. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2010.06.004.

23. Larsen E.S., 1929. The temperatures of magmas. American Mineralogist 14, 81–94.

24. Luth W.C., Jahns R.H., Tuttle O.F., 1964. The granite system at pressures of 4 to 10 kilobars. Journal of Geophysical Research 69 (4), 759–773. https://doi.org/10.1029/JZ069i004p00759.

25. Maaløe S., Wyllie P.J., 1975. Water content of a granite magma deduced from the sequence of crystallization determined experimentally with water-undersaturated conditions. Contributions to Mineralogy and Petrology 52 (3), 175–191. https://doi.org/10.1007/BF00457293.

26. Marsh B.D., 1981. On the crystallinity, probability of occurrence and rheology of lava and magma. Contributions to Mineralalogy and Petrology 78 (1), 85–98. https://doi.org/10.1007/BF00371146.

27. Maruyama S., 1994. Plume tectonics. Journal of the Geological Society of Japan 100 (1), 24–49. https://doi.org/10.5575/geosoc.100.24.

28. Nekrasov B.V., 1973. Fundamentals of General Chemistry. Vol. 1. Khimiya Publishing House, Leningrad, 656 p. (in Russian) [Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т. 1. Л.: Изд-во «Химия», 1973. 656 с.].

29. Pabst W., Gregorová E., 2013. Elastic properties of silica polymorphs – a review. Ceramics – Silikáty 57 (3), 167–184.

30. Persikov E.S., 1984. The Viscosity of Magmatic Melts. Nauka, Moscow, 160 p. (in Russian) [Персиков Э.С. Вязкость магматических расплавов. М.: Наука, 1984. 160 с.].

31. Saranchina G.M., Shinkarev N.F., 1967. Petrography of Magmatic and Metamorphic Rocks. Nedra, Leningrad, 324 p. (in Russian) [Саранчина Г.M., Шинкарев Н.Ф. Петрография магматических и метаморфических пород. Л.: Недра, 1967. 324 с.].

32. Sobolev V.S., 1986. Petrology of Traps. Nauka, Novosibirsk, 209 p. (in Russian) [Соболев В.С. Петрология траппов. Новосибирск: Наука. СО, 1986. 209 с.].

33. Tuttle O.F., Bowen N.L., 1958. Origin of granite in the light of experimental studies in the system NaAlSi3O8–KAlSi3O8–SiO2–H2O. In: Geological Society of America Memoirs, vol. 74, p. 1–146. https://doi.org/10.1130/MEM74-p1.

34. Vertushkov G.N., Avdonin V.N., 1992. Tables for Mineral Determination Based on Chemical and Physical Properties: A Handbook. Nedra, Moscow, 489 p. (in Russian) [Вертушков Г.Н., Авдонин В.Н. Таблицы для определения минералов по физическим и химическим свойствам: Справочник. М.: Недра, 1992. 489 с.].

35. Vogt P.R., 1979. Global magmatic episodes: new evidence and implications for the steady-state mid-oceanic ridge. Geology 7 (2), 93–98. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1979)7<93:GMENEA>2.0.CO;2.

36. Voitkevich G.V., Kokin A.V., Miroshnikov A.E., Prokhorov V.G., 1990. Geochemistry Reference Book. Nedra, Moscow, 480 p. (in Russian) [Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. М.: Недра, 1990. 480 с.].

37. Walzer U., Hendel R., Baumgardner J., 2004. The effects of a variation of the radial viscosity profile on mantle evolution. Tectonophysics 384 (1–4), 55–90. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2004.02.012.

38. Whitney J.A., 1988. The origin of granite: the role and source of water in the evolution of granitic magmas. Geological Society of America Bulletin 100 (12), 1886–1897. http://dx.doi.org/10.1130/0016-7606(1988)100%3C1886:TOOGTR%3E2.3.CO;2.

39. Winter J.D., 2014. Principles of Igneous and Metamorphic Petrology. Harlow, Pearson, 739 p.

40. Zonenshain L.P., Kuzmin M.I., Bocharova N.Yu., 1991. Hot-field tectonics. Tectonophysics 199 (2–4), 165–192. https://doi.org/10.1016/0040-1951(91)90171-N.