11.3 Модель с конечным временем формирования интрузии

Внедрение и охлаждение интрузий рассматриваются как события, мгновенные в геологическом масштабе времени. Однако, для формирования размеров термического и метаморфического ореола интрузии длительность этих событий может иметь большое значение (Delaney and Pollard, 1982). Чтобы изучить эту проблему, мы включили в компьютерный пакет алгоритм, позволяющий анализировать эволюцию термического режима вмещающих пород и изменение степени преобразования ОВ в процессе формирования интрузии внутри осадочной толщи. Близкий алгоритм был использован нами при анализе термических следствий механизма формировании океанической коры типа “дайка в дайке” в осевых зонах срединно-океанических хребтов (Галушкин, Дубинин, 1993; 1994; Галушкин и др.,1994а,б; Галушкин и др., 2000, 2007,б). В нашей модели формирование силла рассматривается как повторяющийся процесс внедрения в центре силла симметрично его оси тонкого слоя магмы толщиной 2z через каждый интервал времени t и раздвижения в стороны пород силла, сформированных до этого времени, вместе с вмещающими породами осадочной толщи (Рис.3-11a). При этом температура на оси силла, T_axis, может приниматься равной исходной температуре жидкого расплава на оси силла, T_i1 , как в модели, представленной на рис.3-11а, или может возрастать в течении некоторого времени от некоторой начальной температуры T_i0 до температуры жидкого расплава, T_i1 , оставаясь затем постоянной, если рассматривается модель интрузии в оболочке (рис.3-11б).

Варианты моделирования, представленные на рис. 4-11 дают возможность выбора между этими двумя моделями, а именно, между моделью с фиксированной температурой на оси силла в интервал времени его формирования (рис. 3-11а) и моделью с ростом этой температуры (модель формирования интрузии в оболочке; рис.3-11б). Пунктирные кривые 2 и 3 на рис.4-11 представляют результаты расчёта ореола зрелости, полученные в модели рис. 4-11а наращивания толщины 15-метрового силла с постоянной скоростью в течении 2.6 (кривая 3) и 8.8 часа (кривая 2). Процесс наращивания толщины силла

Рис.3-11. Модели интрузии с конечным временем вмещения. с постоянной (а) и переменной (б) температурой на оси силла (ось силла показана горизонтальными линиями; вертикальные линии отмечают положение рассматриваемого сечения силла в разные моменты времени) (Galushkin, 1997; Галушкин, 1999).

воспроизводился численно с шагами z=0.15 м и t  5 min. Результаты моделирования говорят о том, что модель аккреции этого силла с постоянной скоростью в течение 10 или менее часов дает ореол зрелости ОВ, аналогичный показанному линией 1 на рис. 4-11 и вычисленному в модели мгновенной интрузии. Мелкопунктирная кривая 4 на рис.4- 1 представляет вариант с минимальной скоростью аккреции силла. Алгоритм расчёта

Рис. 4-11. Ореол зрелости над силлом толщиной 15, вычисленный в моделях с конечным временем формирования силла с параметрами t_i1, Ts, Tl и L, аналогичными использованным в варианте кривой 1 рис. 2-11.

1 – модель мгновенного внедрения интрузии (кривая 1 на рис. 2-11); 2 и 3 – рост толщины силла в течении 2.6 и 8.8 часов в модели рис. 3-11а; 4 – модель экстремально медленного формирования силла в течении 0.5 года в модели рис. 3-11а (см. текст);

5 – модель формирования интрузии в течении 4.4 часа с ростом температуры на оси силла от T_io = 300°C до t_i1 = 1100⁰C в течении 2.2 часа (модель рис. 3-11б; см. текстt).

Звёздочки и треугольники на рисунке имеют тот же смысл, что и на рис. 2-11.

распределения температуры предполагал, что толщина силла увеличивается на элемент 2z (см. выше) только после того, как в процессе его остывания от предыдущего эпизода наращивания сила температура на его оси опускается от 1100°С до 1050C (всего на 100C выше температуры солидуса магмы, равной в модели 950°С). Такая модель предполагала замедление скорости аккреции с увеличением ширины интрузии, так как остывание пород на оси силла замедлялось по мере наращивания тела силла. Полное время формирования силла в такой модели достигало 0.5 лет. Хотя вариант модели рис. 3-11а даёт ореол зрелости наиболее близкий к наблюдаемому из рассмотренных выше, однако, петрологические данные не подтверждают столь долгого времени формирования подобных интрузий (Конторович и др.,1975; Казаринов, Хоменко, 1981). В целом, обзор вариантов расчёта распределений температур и %Ro, представленных кривыми 2-4, даёт основание предполагать, что модель формирования силла рис. 3-11а с фиксированной температурой на его оси не отвечает наблюдаемым данным.

Тот факт, что температуры на контакте магматических и вмещающих пород часто оказываются заметно ниже температуры солидуса магмы, предполагает внедрение жидкой магмы в оболочке из частично остывших магматических пород. Давление жидкой магмы расталкивает вверх и вниз оболочку из относительно холодных магматических пород с вязко-пластичной реологией, если силл уже проник в осадочную толщу, и толкает ту же оболочку вперёд при квазигоризонтальном продвижении силла в осадочной толще (рис. 3-11б). Толщина этой оболочки меняется с изменением скорости поступления магмы и не будет однородной вдоль простирания силла. В такой модели прямой контакт расплавленной магмы с вмещающими осадочными породами может отсутствовать. Для цели воспроизведения температурной истории вмещающих пород такой процесс формирования интрузии можно приближенно описать в рамках предшествующей аккреционной модели интрузии с той лишь разницей, что температура магмы на оси, T_axis, будет расти в течении некоторого времени t₀ от начальной температуры, которая была в точке первого контакта продвигающегося силла с вмещающими породами (T=T_i0), до температуры жидкого расплава T=T_i1 (модель рис.3-11б).

Кривая 5 на рис. 4-11 представляет результаты моделирования термических следствий процесса формирования 15 метровой интрузии при росте температуры на оси от T_i0=300C до T_i1=1100C в течении времени t_o=2.2 часа при полном времени формирования тела силла t_int=4.4 часа. Расчёты по этому варианту показывают, что модель внедрения интрузивного тела в оболочке из остывших магматических пород приводит к заметному уменьшению температуры и степени катагенеза во вмещающих породах. Вычисленный в такой модели профиль Ro становиться близким к измеренному выше силла. Однако, модель должна обеспечивать совпадение с данными измерения Ro и ниже сила и такая модель представлена на рис.5-11 – 7-11. Здесь показаны результаты расчёта по оптимальному варианту эволюции интрузии, полученному в рамках модели рис. 3-11б “интрузия в оболочке” и обеспечивающему хорошее согласие с измеренными значениями Ro как выше (сплошная линия на рис.5-11), так и ниже силла (пунктирная линия на том же рисунке). В этом варианте температура на оси силла возрастала от значения T_i0 = 100C до T_i1 = 1100C в течении 3-ех часов и оставалась равной 1100 C в последующие 1.4 часа. Тем самым полное время формирования интрузии составляло t_int=4.4 часа. В вычислениях предполагалось, что гидротермальная деятельность в области выше силла характеризовалась эффективным числом Нуссельта Nu=1.3, тогда как ниже силла термические градиенты препятствовали развитию конвективных движений грунтовых вод (Galushkin, 1997,б; Галушкин, 1999).

Р ис. 5-11. Результирующий ореол зрелости, вычисленный в модели рис. 11-3б (интрузия в оболочке), и хорошо согласующийся с измеренными значениями %Ro (Galushkin, 1997,б; Галушкин, 1999).

Сплошная и пунктирная линии – значения %Ro выше и ниже силла, соответственно.

Температура на оси силла возрастала от T_i0 = 100C до T_i1 = 1100C в течении 3-ех часов и оставалась равной 1100 C в последующие 1.4 часа. Полное время формирования интрузии составляло t_int=4.4 часа. Гидротермальный теплообмен со значением Nu=1.3 предполагался в области выше силла.

Значения Т_i1, Ts, Tl и L, аналогичны варианту кривой 1 рис. 2-11.

Звёздочки и треугольники на рисунке имеют тот же смысл, что и на рис. 2-11.

Рис. 6-11 иллюстрирует изменение профиля температуры для разных времен формирования интрузии в модели рис.5-11. Профиль, показанный наиболее мелкой пунктирной линией, характеризует процесс роста интрузивного тела в оболочке в течении времени t=2.2 часа с начала формирования силла. Отметим, что максимальная температура в рассматриваемом сечении силла к этому моменту не превосходила 800C.

Рис. 6-11. Температурные профили в окрестности 15-метрового силла, вычисленные для различных времён формирования (пунктирные кривые) и остывания сила (сплошные кривые) в модели формирования силла рис. 5-11 (Galushkin, 1997,б; Галушкин, 1999).

Время формирования силла: t=2.2 часа (короткий пунктир), t=4.4 часа (длинный пунктир).

Время остывания силла: t=0.5, 1, 5 и 5000 лет (сплошные линии).

Профиль, соответствующий длинно-пунктирной линии на рис.6-11, представляет распределение температуры в том же сечении силла на момент окончания его формирования (t=4.4 hours). К тому моменту максимальная температура на оси силла оставалась равной 1100C уже в течении 1.4 часа. Сплошными линиями показаны вариации температур силла и вмещающих пород в процессе остывания силла. Моделирование показывает, что температура на оси силла (опускается до значений 1000C, 800C и ниже 400C после 0.5, 1 и 5 лет остывания, соответственно (Fig. 6-11).

Рис.11-7 иллюстрирует аналогичную динамику изменения профиля Ro% во вмещающих породах. Как следует из расчетов, в течении первых 36 дней охлаждения полуширина профиля зрелости, отсчитываемая от границы силла до значения Ro=1.5%, не превосходила 0.3 м, в то время как в последующие 0.5 лет она достигла 1.8 м в области выше силла, где предполагался гидротермальный теплоперенос с эффективным числом Нуссельта Nu=1.3 (Рис.7-11). Она составляла всего лишь около 0.5 м для вмещающих пород ниже силла, где гидротермальная активность была подавлена (Nu=0). Значения полуширин профилей Ro в области выше и ниже силла достигали соответственно 3 и 1.6 м после 1 года остывания и 6 и 3.8 м после 5 лет остывания интрузивного тела, после чего скорость их изменения становилась совсем незначительной (рис.7-11).

Рис. 7-11. Ореолы зрелости (%Ro) во вмещающих породах выше силла, вычисленные для разных времён остывания силла в модели рис. 5-11 (интрузия в оболочке - рис. 3-11б; Galushkin, 1997,б; Галушкин, 1999).

Таким образом, моделирование показало, что ограниченный ореол термического воздействия интрузий вместе с относительно низким уровнем метаморфизма пород контактной зоны могут быть объяснены лишь в рамках модели, отличной от традиционной модели мгновенного вмещения расплавленного магматического тела во вмещающие породы. В самом деле, сравнение отражательной способности витринита, вычисленной согласно кинетической модели витринита, со зачениями Ro%, измеренными в пределах термических ореолов хорошо датированных интрузий, указывают, что вычисления в рамках традиционной модели мгновенного внедрения интрузии заметно переоценивают температуру и уровень метаморфизма вмещающих пород. Предложенная здесь модель внедрения, в которых мощности интрузивных тел наращиваются в течении некоторого промежутка времени, позволяет удовлетворительно объяснить размеры ореолов зрелости вокруг целого ряда хорошо датированных интрузивных тел (Galushkin, 1997,б). В следующем разделе главы мы рассмотрим примеры моделирования интрузий из других районов мира, подтверждающие это заключение.