Процессы, проходящие в недрах Земли в областях активного вулканизма и сейсмичности, исследованы даже менее детально, чем космос или глубины океана. Их можно установить только при изучении обломков глубинных пород, вынесенных лавами при вулканических извержениях. 

Изучая ксенолиты Авачинского вулкана, новосибирские ученые существенно продвинулись в понимании физики процессов в литосфере. В ходе лабораторного эксперимента, который совместно провели ученые Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Института теоретической и прикладной механики СО РАН (ИТПМ СО РАН), Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ), были созданы условия, похожие на те, что происходят внутри Земли во время вулканической активности, сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с данными численного моделирования процесса формирования месторождений во время сейсмических процессов в мантии под вулканами. Результаты опубликованы в журнале Geochemistry International.

Сложность изучения состава глубоких недр Земли в том, что существует мало инструментов, позволяющих заглянуть вглубь и подтвердить или опровергнуть корректность той или иной гипотезы.

Часто исследователи могут судить об этих процессах лишь по косвенным признакам, например, по звуковым волнам, которые записывают сейсмологи. Ксенолиты (то есть обломки горной породы, захваченные магмой и вынесенные на поверхность во время извержения вулкана) являются одним из наиболее важных источников информации о минеральном составе и структуре земной коры и верхней мантии. В исследовании группы новосибирских ученых отправной точкой стала такая неприметная, на первый взгляд, деталь, как трещинные полости внутри ксенолита.

Объект изучения

Для эксперимента использовались типичные образцы из коллекции ксенолитов, собранных на поверхности Авачинской сопки, действующего вулкана на Камчатке. Эти обломки горной породы оказались на поверхности Земли в результате катастрофических выбросов.

«Представляете, – говорит доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник ИГМ СО РАН, профессор кафедры ГГФ НГУ Виктор Шарапов, – с глубины 70-40 км на поверхность Земли выносятся кристаллические обломки пород, в которых есть открытые полости, в них растут и растворяются кристаллы. Почему так происходит? Согласно теории Д. С. Кожинского, из глубин верхней мантии Земли к ее поверхности двигаются не только потоки тепла, но и потоки жидких и газообразных флюидов. В результате в сейсмически активных горизонтах литосферы Земли одни элементы замещаются другими, и первозданная картина распределения минералов заменяется другой, потому что происходит растворение минералов флюидами в одном месте и отложение растворенных веществ в другом».

Сотрудники ИТПМ СО РАН Анатолий Черепанов и Вера Черепанова создали математическую модель этих процессов и написали на ее основе специальный численный код. Экспериментальная проверка предложенной модели была проведена в совместной Учебно-научной лаборатории электронно-лучевой сварки ИЯФ СО РАН и НГУ.

Как шел эксперимент

В ходе эксперимента с помощью мощного электронного пучка ученые «расплавили» образец ксенолита. «Наша установка формирует сфокусированный пучок электронов, – объясняет научный сотрудник ИЯФ СО РАН Юрий Семенов. – При этом для электронов с энергией 60 кэВ можно создать плотность потока мощности порядка 10 МВт/см2 при диаметре пучка около 1 мм. Для снижения прямого попадания паров и капель обрабатываемых материалов на катод и высоковольтные элементы в нашей установке перед попаданием на материал электронный пучок совершает поворот на 270О, что существенно повышает надёжность и ресурс источника электронов».

Для облучения ксенолитов был выбран режим плавления, при котором пучок электронов диаметром 3-4 сантиметра воздействует на объект в течение 45 минут. Температура плавления на поверхности составляла примерно 2500 градусов. «Граница плавления медленно опускается внутрь, – поясняет Виктор Шарапов, – а на поверхности кипит расплав, так же, как лава кипит на вулкане, только температура в экспериментах примерно в два раза выше, чем в лаве самого горячего Гавайского вулкана». Это позволило получить потоки газов, которые фильтровались по трещинам, растворяли минералы, при этом на холодной поверхности формировались конденсаты. Полученная в эксперименте скорость растворения хорошо согласуется с оценками в рамках математической модели. В условиях лаборатории этот процесс занимает менее 45 минут, а в природе – несколько дней, во время сильных землетрясений.

В чем польза

Важность исследования связана с необходимостью совершенствования прогноза времени и места возможной сейсмической активности, чтобы минимизировать опасности для населения этих районов. Кроме того, исследование дает дополнительную информацию об образовании рудных месторождений.  

Месторождения – это реализация условий, когда обычные по составу потоки магматических газов или растворов отлагают аномально большие количества рассеянных элементов на так называемых геохимических барьерах. Для того чтобы разобраться в механике этих процессов, ученые должны построить корректные физические модели, численно описать химические реакции, которые протекают в этом случае. Необходимо знать, какие термодинамические факторы приводят к тому, что в конкретной точке земной коры происходит концентрация этих элементов. Эксплуатация нефтяных скважин и месторождений сопровождается похожими процессами – растворения, переноса и отложения веществ. Модель, созданная группой ученых, дает важную дополнительную информацию о том, как проходит перенос тепла и массы при наличии в верхней мантии потоков магматических и метаморфических газов и рассолов.
 

Источники

В ИЯФ СО РАН смоделировали вулканические процессы
Arhano.ru, 24/05/2017
В ИЯФ СО РАН смоделировали вулканические процессы
Научная Россия (scientificrussia.ru), 24/05/2017
Гиперболоид - фантастика и реальность
Экономика и ТЭК России (tek-russia.com), 25/10/2017

Похожие новости

  • 20/06/2016

    В Институте ядерной физики СО РАН состоится 30-е международное совещание по физике токамаков

    С 21 по 25 июня в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) пройдет 30-е международное совещание по физике токамаков (The International Tokamak Physics Activity, ITPA). Мероприятия этой серии проводятся коллаборацией ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) дважды в год – во Франции, где сооружается установка, и в одной из стран-участниц проекта.
    3186
  • 03/09/2017

    Дмитрий Маркович: Масштабы молодёжи нас устраивают

    ​2017 год стал для Института теплофизики СО РАН годом перемен — здесь впервые за 20 лет сменился директор. Коллектив одного из крупнейших академических институтов энергетического профиля России возглавил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович.
    1839
  • 06/02/2019

    Готов эскизный проект первых шести станций ЦКП СКИФ

    ​Команда проектного офиса центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» и сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН объявили о готовности эскизного проект первых шести экспериментальных станций.
    1282
  • 23/05/2017

    Новосибирские журналисты стали свидетелями уникального эксперимента

    ​Когда-то Камчатский полуостров был плоской равниной, но в плейстоцене произошел взрыв, благодаря которому образовались вулканы, ныне занимающие 40% этой территории. А около 4 тысяч лет назад лавы двух мощных извержений вынесли на поверхность массу обломков глубинных пород - ксенолитов, изучение которых позволяет получить информацию о процессах, происходящих в недрах Земли.
    1112
  • 10/05/2018

    Программа Городских дней науки-2018 в Новосибирске

    ​В мае в Новосибирске проходят традиционные городские дни науки. На самых разных площадках нашего мегаполиса развернутся выставки, пройдут экскурсии во многих научных институтах, сибирские исследователи прочтут лекции для детей и взрослых, и практически каждый житель города сможет подобрать для себя мероприятие по вкусу.
    3173
  • 20/06/2017

    Международная выставка «НТИ ЭКСПО» в Новосибирске

    ​​​Уникальная международная выставка достижений технологического развития "НТИ ЭКСПО" пройдет в рамках V Международного форума технологического развития "Технопром-2017" 20-22 июня в Новосибирске при поддержке правительства РФ, коллегии ВПК, Минпромторга России, Минэкономразвития России, МИДа РФ, правительства Новосибирской области.
    3080
  • 28/01/2016

    Программа празднования Дней российской науки в СО РАН

    ​​8 февраля — День российской науки. Во всех научных центрах Сибирского отделения РАН с 8 по 12 февраля состоятся праздничные мероприятия. В Дни открытых дверей в институтах можно будет посетить научные лаборатории, увидеть уникальное оборудование и приборы, послушать лекции по актуальным вопросам науки, побеседовать с ведущими учеными, посмотреть фильмы о науке.
    4237
  • 26/07/2018

    Какие возможности открывает строительство синхротрона для ученых НГУ

    ​В феврале 2018 года президент Владимир Путин поддержал реализацию проекта «СКИФ» в Новосибирске. Современный центр научных исследований с использованием синхротронного излучения должен решить глобальную государственную задачу — не допустить превращения России в научно-технологическую периферию и кадрового донора.
    931
  • 02/04/2019

    Гранты РНФ-2019: победители конкурсов на продление проектов 2016 года и конкурса для отдельных научных групп 2019 года

    ​Российский научный фонд объявил победителей двух конкурсов: на продление проектов, реализация которых завершилась в 2018 году, и конкурса для отдельных научных групп с началом финансирования в 2019 году.
    2134
  • 19/05/2017

    Энергия молодости как движущая сила науки

    Так же, как российское могущество прирастает Сибирью, могущество Сибирского отделения прирастает молодыми учеными. Они приходят в науку разными путями, но затем все эти тропинки сливаются в одну дорогу, ведущую в будущее.
    2086