Е.А. Мясников

Тихоокеанский институт
географии ДВО РАН, Владивосток

О ПРИРОДЕ КОЛЬЦЕВЫХ ДИСЛОКАЦИЙ И КОЛЬЦЕВЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ
ПРОЯВЛЕНИЙ (НЕКОТОРЫЕ МАТЕРИАЛЫ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ)

Аннотация.
В
работе отмечается, что кольцевые дислокации и кольцевые гидротермальные
проявления, а также часто внешне хаотические их группировки не всегда удается
объяснить с позиции основных существующих гипотез образования кольцевых структур
или морфоструктур центрального типа. На основании анализа материалов физического
моделирования применительно к реальным геолого-геоморфологическим объектам
рассмотрена природа некоторых тектоногенных морфоструктур центрального типа,
сложных группировок кольцевых дислокаций и кольцевых гидротермальных проявлений.
Сделан вывод, что полученные результаты позволяют решать некоторые обратные
задачи - прогноз неизвестных (скрытых) кольцевых дислокаций в энергетических,
инженерно-геологических, сейсмопрогнозных и других целях. Показано, что
существует возможность развития соответствующих моделей для создания исходных
характеристик, максимально подобных реальным природным (многослойность требуемой
мощности и числа слоев моделируемой земной коры и др.). В будущем необходима
практическая проверка работоспособности результатов экспериментов на природных
эталонных объектах.

Кольцевые дислокации (КД) и кольцевые гидротермальные проявления (KГП), а
также часто внешне хаотические их группировки не всегда удается объяснить с
позиции основных существующих гипотез образования кольцевых структур или
морфоструктур центрального типа [Морфотектонические ..., 1988; Делемень, 1988; и
др.]. Большинство моделей традиционно и обоснованно опираются на
ортомагматическую концепцию, утверждающую, что оруденение и контролирующие его
структуры являются производными магматических инъекций разного состава, возраста
и формационной принадлежности.

Кроме того, значительная часть кольцевых, дуговых, сигмоидных и вихревых
дислокаций, не связанных с магматическими процессами, но также иногда
выполняющих роль гидротермальных каналов, может возникать: в результате ротации
жестких массивов (а), вращения блоков консолидированного основания (б),
взаимодействия литосферных глыб различных размеров (в, г), в результате
сопряженных сдвигов и сдвиго-раздвигов (д), на конце растущих (раздвигающихся)
трещин (е) и др. (рис. 1) (Ли Сы-гуан, 1958; Hoagland et al., 1972; Уткин, 1980;
Шахтыров, 1985; Кац и др., 1990; и др.).

Рис.1. Схемы образования
кольцевых дислокаций в результате разрядки горизонтальных напряжений
(пояснения в тексте).

Ниже
приводятся результаты относительно редко используемых в геологической литературе
физических экспериментов, которые, по мнению автора, заслуживают большего
внимания и предметного обсуждения.

1. Некоторые результаты моделирования кольцевых дислокаций в жидких и
газообразных средах. На основании результатов физических экспериментов в
жидких и газообразных средах (P. Вуд, 1901; Шабанов, Шубин, 1981; и др.) и
принципиальной возможности существования аналогичных явлений в твердых средах, а
также определенной идентичности рисунков полученных экспериментальных и реально
существующих природных структур, нам представляется возможным, что часть КД и
КГП может иметь пульсационно-вращательную природу в результате ударных, взрывных
или других порционно-энергетических напряжений. В экспериментальной физике для
описания данных явлений употребляется термин «вихревое кольцо», которое
обозначает кольцевой сгусток более или менее плотного вещества, или того же
вещества, но отличных физико-механических характеристик, вращающего вокруг
самого себя по направлению своего поступательного движения за счет вязкого
трения с вмещающей средой. В настоящей работе мы сознательно заменили данный
термин на его синоним - поступательно-вращающееся кольцо (ПВК), т.к. в геологии
вихревыми структурами обычно называют соответствующие образования также с
центрально-симметричной, но уже спиралевидной (с центростремительными или
центробежными направлениями движений) формой структурных (разломных) линий (рис.
1 б,в).

В результате экспериментальных наблюдений как в жидких, так и в
газообразных средах было установлено, что ПВК состоит из пучка спиральных линий
(газообразные или водные нитевидные сгустки), отражающих характер распределения
энергетических плотностей в самом кольце (рис. 2 а). В боковой проекции ПВК
имеет «хвост» (похожий на хвост кометы), который образуется за счет трения
внешних участков кольца об среду миграции при движении вперед.

Рис.2. Внутреннее
строение поступательно-вращающихся колец  (пояснения в тексте).

При этом вмещающая среда вокруг ПВК также вращается. Особенности
вращательного движения спиралевидных линий в кольце характеризуются увеличением
угловой скорости вращения по мере продвижения к центру кольца. При этом очень
важно, что IIBK могут генерировать структуры, имеющие форму не только колец, но
и дуг или полумесяца и т.д., а их границы могут быть как четкими, так и
расплывчатыми (рис. 2 6, в).

Образуются ПВК в результате взаимодействия ударной или энергетической
волны с какой-либо мембраной. В процессе продвижения фронта волны в участках
расслоенности и изменения реологических свойств происходит разбегание волны от
центра ее возникновения к периферии.

Изучение влияния геометрической формы исходных отверстий (источников
энергии или зон напряжений) показало, что из одного или нескольких
пространственно сопряженных источников получается одно ПВК одной и той же
морфологии. Но в любом случае ПВК образуются лишь при выходе отдельными
порциями, т.е. в виде пульсаций, а не непрерывной струей, в устоявшуюся (без
конвективных потоков) вмещающую среду.

Опыты проведения экспериментов в газовой и жидкой среде показывают, что
природа формирования ПВК одна и та же. По-видимому, данная аналогия может быть
распространена и на твердые среды, так как в основе всех этих процессов главную
роль играют силы вязкого трения. Правда, как показывают опыты, полная аналогия
имеет место лишь в первый момент после их образования. В дальнейшем поведение
ПВК в жидкой среде и в газообразной оказывается несколько различным.

Особенности
движения ПВК в газах заключается преимущественно в движении газообразной фазы
вокруг самого кольца. В таком относительно неизменном виде ПВК может
продвигаться довольно долго. Однако, если на его пути появляется мембрана,
перпендикулярная
поступательному
движению   ПВК,   последнее как бы расплывается, не
теряя при этом кольцевой формы. Объясняется это тем, что поток воздуха,
движущегося внутри ПВК, образует область повышенного давления, и происходит
равномерное расширение всего ПВК. Если плоскость мембраны наклонена под углом к
направлению движения ПВК, то последнее отталкивается от нее за счет аномального
повышения давления в пространстве между ПВК и мембраной (рис. Зб). Если ПВК
перпендикулярно налетает на мембрану с отверстием (диафрагмой) меньшего
диаметра, чем ПВК, то в первом случае, когда центр ПВК проходит через центр
диафрагмы – ПВК рассеивается, а по другую сторону диафрагмы возникает новое
кольцо меньшего диаметра. Аналогичная картина происходит, когда диаметр
диафрагмы равен диаметру ПВК или несколько больше его. В случае же несовпадения
центров ПВК и диафрагмы, вновь образующееся кольцо вылетает под углом к
начальному направлению движения (рис. За). Очень важными оказались
характеристики взаимодействующих ПВК, как диаметр (d) отверстий (диафрагм) и
расстояние между ними (L).
В частности, если L<d каждого отверстия, то образуется одно ПВК. При
d<L<1,5d
кольцо не образуется. При L
>4d ПВК возникают, но не взаимодействуют друг с другом, а если 1,5d
<L<4d,
ПВК сначала сближаются, а затем расходятся (рис. Зв). Эксперименты в жидкой
среде (самый простой пример - последовательное развитие капли чернил, упавшей в
воду) показывают, что там происходит процесс самостоятельного деления «капли» на
несколько ПВК, которые, в свою очередь, также на некоторой глубине разделяются
на аналогичные по морфологии кольца меньшего диаметра и т.д.

Рис.3. Особенности движения
поступательно-вращающихся колец в газах: а – в случае
несовпадения центров кольца и диафрагмы, б - если
плоскость мембраны наклонена под углом к направлению его движения.

Данный феномен может быть объяснен наличием неоднородности среды
(например, послойное увеличение плотности воды с глубиной), в которой движется
ПВК. Каждая капля, из которой впоследствии рождается кольцо, ведет себя
независимо от всех последующих, также сформированных в результате аккумуляции и
деления на новые ПВК. Если предположить, что процесс деления ПВК в жидкой среде
обуславливается существованием различия в плотностях движущейся массы и слоев
субстрата на границе их соприкосновения (удара), а движение осуществляется в
направлении толчка, то, используя модель образования колец в жидкости, легко
получить проекцию вложенных друг в друга колец, имеющих различный возраст,
уровень сопряженности, иерархии и глубин заложения (рис. 4-I, II).

Возникновение
ПВК может происходить вблизи друг друга и в разное время, причем неоднократно, в
результате чего в силу вступают процессы их взаимодействия. Опыты в газообразных
средах показывают, что кольца, имеющие большую скорость вращения, отскакивают
друг от друга, но, если кольца вращаются медленно, они соединяются (рис. 4). В
момент соединения форма ПВК очень неустойчивая. Соединяемые кольца при этом
могут скачком менять свое пространственное положение на 90º (вертикальное), а
затем медленно возвращаются обратно, приобретая форму прежних колец. Данные
состояния взаимодействующих друг с другом ПВК очень важны, в частности при
моделировании сейсмоопасных и других катастрофических геодинамических ситуаций.
Взаимодействие ВПК в жидких средах имеет три разновидности (рис. 4 III).

В случае, когда второе кольцо обгоняет первое, не задевая его, происходит
следующее:

1)
потоки воды отталкивают кольца друг от друга;

2)
имеет место переток вещества с первого кольца на второе и иногда
образуется еще новое небольшое кольцо. Если второе кольцо при обгоне задевает
первое, то последнее распадается на новые маленькие ПВК.

В третьем случае, второе ПВК при прохождении через первое уменьшается в
размерах, а первое, наоборот, расширяется. Если вышеперечисленные примеры
взаимодействий ПВК также спроектировать на плоскость, то отрисуются довольно
сложные группировки разновременных и разноглубинных ПВК. На первый взгляд они
хаотические и неупорядоченные, но на самом деле, как было показано выше, ПВК
располагаются во времени и пространстве вполне закономерно и связанно друг с
другом, причем это физически объяснимо.

Рис.4. Поступательно-вращающиеся
кольца в жидких средах. I – вид в плане, II – вид сбоку, III – взаимодействие колец друг с
другом, случае: а – когда второе кольцо обгоняет первое не задевая его, б
– когда втрое кольцо при обгоне задевает первое, в – когда кольца
испытывают центральное
соударение.

Наиболее характерными для всех случаев является, по нашему мнению:

1)
делимость ПВК со временем на более мелкие ПВК,

2)
многократное в плане их пересечение,

3)
устойчивые и неустойчивые формы взаимодействующих ПВК,

4)
возможность решения обратных задач - по формам и группировкам ПВК
прогнозировать их строение, геодинамическое развитие и решения различных
прикладных задач.

2.
Обсуждение результатов моделирования применительно к природным
геолого-геоморфологическим объектам. Аналогичные вышеописанным процессы и
явления возможны и в земной коре. Роль мембраны могут выполнять участки
расслоения земной коры и мантии или зоны пологих тектонических нарушений
(например, надвиги) или другие границы резкого изменения реологических свойств
субстрата, а роль диафрагмы (отверстия различных размеров в мембране) - зоны и
узлы пересечения разломов разной мощности, транcкоромантийные
инверсионные зоны типа «труба дегазации» и др. Результаты процесса продвижения
энергетических ПВК могут быть зафиксированы в виде различий геофизических и
петрофизических свойств пород, подвергшихся данному воздействию, а также
различной степени трещиноватости и микротрещиноватости этих пород,
характеризующихся участками сжатия и растяжения, имеющие соответствующую
кольцевую и дуговую форму.

В реально существующих природных объектах группировки и отдельные
проявления КД и КГП имеют повсеместное распространение. При этом в рельефе
Земли, как наиболее чутком и ярко выраженном «экране» эти разновозрастные и
разноглубинные дислокации, как видно из многочисленных публикаций, проявляются
за счет эффекта «просвечивания» через эндогенные, экзогенные и другие
ландшафтные индикаторы.

Анализ размещения эпицентров землетрясений Приамурья, Камчатки и других
регионов во многих случаях указывает на наличие кольцевых и дуговых
сейсмоактивных разломных зон разных радиусов кривизны с разной глубиной
заложения (Николаев и др., 1989; Тащи, Ермошин, 1997; Мясников, 1997). Кроме
того, широко проявленные пологие и крутые надвиговые зоны, в т.ч. дуговой и
кольцевой формы, имеют также аномально высокую проницаемость, обводненность и
повышенную сейсмичность.

При импульсных деформациях пород механическая энергия частично
трансформируется в тепловую, что может существенно влиять на гезогеохимические
выделения (известны аномальные «выбросы» радона, гелия, углекислого газа и др.)
и формирование гидротермальных растворов (термальных и минеральных). Некоторые
исследователи также считают, что под действием ударных волн землетрясений
каталитическая активность глинистых и некоторых других минералов, широко
проявленных в различных зонах, стимулирует активизацию физико-химических
преобразований среды.

В частности, на многих эндогенных месторождениях Приамурья известны
«бескорневые» жильные тела, в том числе и кольцевой формы, которые возможно
образовались за счет миграции глубинного вещества при воздействии ударных волн
фильтропрессинга (Петров, 1978; Копылов, 1997; и др.). Результатом этого могут
являться также некоторые месторождения штокверкового и меднопорфирового типов, в
которых многократное воздействие ударных волн наряду с тектоническим дроблением
и разрушением пород формируют метасоматические колонки локальных
рудномагматических систем.

Кроме того, пульсационно-кольцевую природу могут иметь некоторые
месторождения углеводородов, пространственно приуроченные к морфоструктурам
центрального типа (Чэнь Гуанхань, 1987; и др.). В них, например, возможно
перемещение и концентрация углеводородов, благодаря ударным сбросам поровых
давлений в глубинных нефте-газогенерирующих толщах осадочных впадин (Кузнецов и
др., 1997; и др.).

Таким образом, совокупность всех вышеуказанных факторов (наличие воды,
повышенных температур, активных химических реакций многократных стрессов полей
напряжений энергетических (ударных) волн и др.), которые закономерно возникают в
пределах кольцевых и дуговых дислокаций морфоструктур центрального типа, может
приводить к формированию современных и палеогидротермальных проявлений и других
важных явлений и процессов.

Выводы

В данной работе приведены материалы физического моделирования
применительно к реальным геолого-геоморфологическим объектам. Представляется,
что они могут помочь объяснить природу некоторых тектоногенных морфоструктур
центрального типа, сложных группировок кольцевых дислокаций, кольцевых
гидротермальных проявлений и др. Основные выводы следующие:

1 - данные экспериментальных и природных наблюдений показали их хорошую
корреляцию и принципиальную возможность аналогичных сопоставлений;

2 - полученные результаты позволяют решать некоторые обратные задачи -
прогноз неизвестных (скрытых) КД и КГП в энергетических,
инженерно-геологических, сейсмопрогнозных и других целях;

3 - есть реальная возможность усложнять соответствующие модели для
создания исходных характеристик, максимально подобных реальным природным
(многослойность требуемой мощности и числа слоев моделируемой земной коры и
др.);

4 - в будущем необходима практическая проверка работоспособности
результатов экспериментов на природных эталонных объектах;

5 - немаловажно и то, что предлагаемые модели экспрессны и
экономичны.

ЛИТЕРАТУРА

1.
Делемень
И.Ф.
Кольцевые структуры как индикаторы глубинного строения современных
гидротермальных систем Камчатки. Автореф. канд. дисс. Владивосток, 1998. 28 с.

2.
Кац
Я.Г., Козлов В.В., Полетаев А.И.
Ротационные структуры литосферы // Изв. Вузов, Геология и разведка. 1990. № 7.
С.36-42.

3.
Копылов
М.И.
Сейсмическая активность и металлогения Приамурья // Геология и и геофизика
Приамурья (40 лет геофизической экспедиции). Хабаровск, 1997. С.45-53.

4.
Кузнецов
В.Е., Бормотов В.А., Войтенок А.А., Копылов М.И.
Глубинные предпосылки нефтидогенеза в связи с прогнозной оценкой Среднеамурской
впадины // Геология и геофизика Приамурья (40 лет геофизической экспедиции).
Хабаровск, 1997. С.30-39.

5.
Ли
Сы-Гуан.
Вихревые структуры Северо-Западного Китая. М., 1958.

6.
Морфотектонические системы центрального типа Сибири и Дальнего Востока.
М.: Наука, 1988. 216 с.

7.
Мясников
Е.А.
Сейсмоопасные зоны и геоморфологические процессы по морфоструктурным данным (на
примере Верхнего Приамурья) // Тез. докл.: Стихия. Строительство. Безопасность.
Владивосток, 1997. С.106-107.

8.
Николаев
В. В., Семенов Р.М., Оскорбин Л.С. и др.
Сейсмотектоника и сейсмическое районирование Приамурья. Новосибирск: Наука,
1989. 128 с.

9.
Тащи
С.М.
Геодинамика и вопросы устойчивого развития территорий (Приморский край) // Тез.
докл.: Стихия. Строительство. Безопасность. Владивосток, 1997. С. 39.

10.
Уткин
В.П.
Сдвиговые дислокации и методика их изучения. М.: Наука, 1980. 142 с.

11.
Чэн
Гуанхань.
Кольцевые структуры в регионе Северного Китая и формирование в них нефти и газа
// Геология нефти и газа. 1987. Т. 6. С.454-459.

12.
Шабанов
С., Шубин В.О.
вихревых кольцах // Опыты в домашней лаборатории, Библиотека «Квант». 19...
Вып.4. С.18-25.

13.
Шахтыров
В.Г.
Морфоструктуры центрального типа в сдвиговых зонах Северо-Востока СССР (в связи
с проблемой структурной конвергенции) // Морфотектонические системы центрального
типа Сибири и Дальнего Востока. М.: Наука, 1988. С.102-106.

14.
Вуд
Р.
Вихревые кольца // Nature. 1901.
С.10-15.

15.
Hoagland
R.G., Rosenfield А.К.,
Hahn G.Т.
Mechanisms of Fast Fracture and Arrest in Stels // Metallurg. Transact.. 1972.
Vol.3, N 1. Р.123-136.