Физика Земли, 2020, № 4, стр. 61-82

Восходящий тепломассопоток в континентальной коре – к проблеме движущих сил тектогенеза

Б. Г. Поляк 1*, И. Н. Толстихин 2, М. Д. Хуторской 1

1 Геологический институт РАН
г. Москва, Россия

2 Геологический институт КНЦ РАН
г. Апатиты, Россия

* E-mail: polyak@ginras.ru

Поступила в редакцию 17.01.2019
После доработки 04.06.2019
Принята к публикации 22.06.2019

Аннотация

Рассмотрены геофизический и геохимический индикаторы восходящего тепломассопотока в континентальной коре – кондуктивный тепловой поток через ее поверхность и изотопный состав гелия в свободно циркулирующих подземных флюидах. Обсуждаются тектоническая упорядоченность теплового потока и причины дисперсии его плотности (q). Охарактеризованы источники и резервуары земного гелия, показана устойчивость отношения 3Не/4Не в геологическом разрезе по глубине и во времени, выявлены его линейные и площадные вариации разного масштаба и их сходство с распределением теплового потока. Корреляции изотопного состава гелия в свободно циркулирующих подземных флюидах, с плотностью кондуктивного теплопотока и состава гелия в газах районов новейшего вулканизма, с составом стронция в молодых лавах, указывают на транспорт гелия из мантии в кору магматическими расплавами.

Ключевые слова: континентальная кора, тепловой поток, изотопы гелия в подземных флюидах.

DOI: 10.31857/S0002333720030084

Список литературы

  1. Архангельский А.Д., Шатский Н.С. Схема тектоники СССР // Бюлл. МОИП. Отд. геол. 1933. Т. 11. № 4. С. 323–348.

  2. Башорин В.Н. Изотопный состав гелия в зонах разломов Урала. М-лы VII Всес. симп. по стабильным изотопам в геохимии. М.: ГЕОХИ АН СССР. 1976. С. 97–98.

  3. Бердичевский М.Н., Ваньян Л.Л., Кошурников А.В. Магнито-теллурическое зондирование в Байкальской рифтовой зоне // Физика Земли. 1999. № 1. С. 3–25.

  4. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.; Л.; Грозный; Новосибирск: Горгеонефтеиздат. 1934. 379 с.

  5. Вернадский В.И. История минералов земной коры (Вып. III. § 271, 1936 г.). Избр. соч. Т. IV, кн. 2. 1960. С. 157.

  6. Вернадский В.И. О значении радиогеологии для современной геологии (доклад на 17-й сессии МГК 26.07.1937). Избр. соч. Т. I. 1954. С. 687.

  7. Герлинг Э.К. Миграция гелия из минералов и пород. Труды Радиевого ин-та им. Хлопина. 1957. Т. 6. С. 64–87.

  8. Гордиенко В.В., Тарасов В.Н. Современная активизация и изотопы гелия на Украине. Киев: Знание. 2001. 102 с.

  9. Дучков А.Д., Шварцман Ю.Г., Соколова Л.С. Глубинный тепловой поток Тянь-Шаня: достижения и проблемы // Геология и геофизика. 2001. Т. 42. № 10. С. 1516–1531.

  10. Кутас Р.И., Гордиенко В.В. Тепловое поле Карпат и некоторые вопросы геотермии. Энергетика геологич. и геофизич. процессов (Труды МОИП. Отд. геол. 1972. Т. 46). С. 75–80.

  11. Лысак С.В. Тепловой поток континентальных рифтовых зон. Новосибирск: СО “Наука”. 1988. 198 с.

  12. Мамырин Б.А., Толстихин И.Н. Изотопы гелия в природе. М.: Энергоиздат. 1981. 222 с.

  13. Мамырин Б.А., Толстихин И.Н., Ануфриев Г.С., Каменский И.Л. Аномальный изотопный состав гелия в вулканических газах // Докл. АН СССР. 1969. Т. 184. № 5. С. 1197–1199.

  14. Маракушев А.А., Маракушев С.А. Потоки водорода из мантии: происхождение, геологические и биологические следствия // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 1. С. 152–170.

  15. Миллер Р., Кан Дж. Статистический анализ в геологических науках. М: Мир. 1965. 482 с.

  16. Погребной В.Н., Сабитова Т.М. Блоковое строение Высокой Азии и сопредельных территорий по сейсмологическим и магнитометрическим данным // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1989. № 8. С. 25–30.

  17. Подгорных Л.В., Хуторской М.Д. Планетарный тепловой поток. Карта масштаба 1 : 30 000 000 и объяснительная записка к ней. М.–С-Пб.: Оргсервис ЛТД. 1997. 65 с. http://geotherm.ginras.ru

  18. Поляк Б.Г. Изотопы гелия в подземных флюидах Байкальского рифта и его обрамления (к геодинамике континентального рифтогенеза) // Российский журн. наук о Земле. 2000. Т. 2. № 2. С. 109–136.

  19. Поляк Б.Г. Спрединг и рифтогенез: изотопно-гелиевая специфика // Геотектоника. 2004. № 6. С. 19–32.

  20. Поляк Б.Г., Смирнов Я.Б. Тепловой поток на континентах // Докл. АН СССР. 1966. Т. 168. № 1. С. 170–172.

  21. Поляк Б.Г., Смирнов Я.Б. Связь глубинного теплового потока с тектоническим строением континентов // Геотектоника. 1968. № 4. С. 3–19.

  22. Поляк Б.Г., Толстихин И.Н., Якуцени В.П. Изотопный состав гелия и тепловой поток – геохимический и геофизический аспекты тектогенеза // Геотектоника. 1979а. № 5. С. 3–23.

  23. Поляк Б.Г., Прасолов Э.М., Буачидзе Г.И. Кононов В.И., Мамырин Б.А., Суровцева Л.И., Хабарин Л.В., Юденич В.С. Изотопный состав Не и Ar в термальных флюидах Альпийско-Апеннинского региона и его связь с вулканизмом // Докл. АН СССР. 1979б. Т. 247. С. 1220–1225.

  24. Поляк Б.Г., Прасолов Э.М., Каменский И.Л., Елманова Н.М., Султанходжаев А.А., Чернов И.Г. Изотопный состав He, Ne и Ar в подземных флюидах Тянь-Шаня // Геохимия. 1989. № 1. С. 87–97.

  25. Поляк Б.Г., Каменский И.Л., Султанходжаев А.А., Чернов И.Г., Барабанов Л.Н., Лисицын А.К., Хабаровская М.В. Субмантийный гелий во флюидах юго-восточного Тянь-Шаня // Докл. АН СССР. 1990. Т. 312. № 3. C. 721–725.

  26. Прасолов Э.М. Изотопная геохимия и происхождение природных газов. Л.: Недра. 1990. 283 с.

  27. Сабитова Т.М. Строение земной коры Киргизского Тянь-Шаня по сейсмологическим данным. Фрунзе: Илим. 1989. 174 с

  28. Смирнов Я.Б. Тепловой поток в дне акваторий // Докл. АН СССР. 1966. Т. 168. № 2. С. 438–442.

  29. Смирнов Я.Б. Земной тепловой поток и проблемы энергетики геосинклинали // Энергетика геологич. и геофизич. процессов (Труды МОИП. Отд. геол. 1972. Т. 46). С. 52–74.

  30. Толстихин И.Н. Изотопная геохимия гелия, аргона и редких газов. Л.: Наука. 1986. 200 с.

  31. Хаин В.Е., Левин Л.Э., Тулиани Л.И. Некоторые количественные параметры глобальной структуры Земли // Геотектоника. 1982. № 6. С. 25–37.

  32. Хуторской М.Д. Геотермия Центрально-Азиатского складчатого пояса. М.: изд-во РУДН. 1996. 289 с.

  33. Хуторской М.Д., Поляк Б.Г. Роль радиогенной теплогенерации в формировании поверхностного теплового потока // Геотектоника. 2016. № 2. С. 43–61.

  34. Шатский Н.С. О некоторых насущных задачах геотектоники // Сов. геология. 1947. Сб. 16. С. 3–9. (то же. Избр. труды. Т. IV. М.: Наука. 1965. С. 61–67.).

  35. Шатский Н.С. Тектоника (или геотектоника) // БСЭ. 1946. Т. 53. стлб. 752–757 (то же. Избр. труды. Т. IV. М.: Наука. 1965. С. 56–60.).

  36. Allard P., Carbonnelle J., Dajlevic D., Le Bronec J., Morel P., Robe M.C., Maurenas J.M., Faivre-Pierret R., Martin D., Sabroux J.C., Zettwoog P. Eruptive and diffuse emissions of CO2 from Mount Etna // Nature. 1991. V. 351. P. 387–3911.

  37. Allard P., Jean-Baptiste Ph., D’Allessandro W., Parello F., Parisi B., Flehoc C. Mantle-derived helium in groundwaters and gases of Mount Etna, Italy // Earth Planet. Sci. Lett. 1997. V. 148. P. 501–516.

  38. Alwarez L.W., Cornog R. Helium and h.ydrogene on mass 3 // Phys. Rev. 1939. V. 56. № 6. P. 613.

  39. Andrews J.N., Hussain N., Youngman M.J. Atmospheric and radiogenic gases in groundwaters from the Strippa granite // Geochim. Cosmochim. Acta. 1988. V. 53. P. 1831–1841.

  40. Ballentine C.J., Burnard P.G. Production, Release and Transport of Noble Gases in the Continental crust // Reviews in Mineralogy Geochemistry. 2002. V. 47. P. 481–538.

  41. Bellani S., Magro G., Gherardi F. Heat Flow and Helium Isotopes in the Geothermal Areas of Tuscany (Central Italy) // Geothermal Resources Council Transactions. 2015. V. 39. P. 399–405.

  42. Bottomley D.J., Ross J.D., Clarke W.B. Helium and neon isotope geochemistry of some groundwaters from the Canadian Precambrian Shield // Geochim. Cosmochim. Acta. 1984. V. 48. P. 1973–1985.

  43. Ćermak V. Heat flow investigation in Czechoslovakia / Ed. by A. Adam. Geoelectric and Geothermal Studies. KAPG Geophys. Monogr. Budapest Akad. Kiado. 1976. P. 414–424.

  44. Chapman D., Pollack H. Global heat flow: a new look // Earth. Planet. Sci. Lett. 1976. V. 28. № 1. P. 23–32.

  45. Clark I.D., Al. T., Jensen M., Kennell L., Mazurek M., Mohapatra R., Raven K. G. Paleozoic-age brine preserved in an Ordovician shale aquiclude // Geology. 2013. V. 41. P. 951–954.

  46. Clarke W.B., Beg M.A., Craig H. Excess of 3He in the sea: evidence for terrestrial primordial helium // Earth Planet. Sci. Lett. 1969. V. 6. P. 213–220.

  47. Craig H., Lupton J.E. Primordial neon, helium, and hydrogen in oceanic basalts // Earth Planet Sci. Lett. 1976. V. 31. P. 369–385.

  48. Craig H., Welhan J.A., Hilton D.R. Hydrothermal vents in the Loihi caldera: Alvin results // Eos. 1987. V. 68. P. 1553.

  49. Du J. 3He/4He ratios and heat flow in the continental rift valley. Works of Gas Geochemistry Ed. by Y. Xu. Lanzhou: Gansu Sci. Technol. Press. 1992. P. 165–171.

  50. Graham D. Noble gas isotope geochemistry of mid-oceanic ridge and ocean island basalts: characterization of mantle sources reservoirs // Reviews in Mineralogy & Geochemistry. 2002. V. 47. P. 247–318.

  51. Grieshaber E., O’Nions R.K., Oxburgh E.R. Helium isotope systematics in crustal fluids from the Eifel, Rhine Graben and Black Forest, FRG // Chem. Geology. 1992. V. 99. P. 213–235.

  52. Hamza V.M., Muños M. Heat flow map of South America // Geothermics. 1996. V. 25. № 6. P. 599–646.

  53. Hamza V.M., Verma R.K. The relationship of heat flow with the age of basement rocks // Bull. Volcanol. 1969. V. 33. № 1. P. 123–152.

  54. Hasterok D., Global Heat Flow Database, Adelaide: Univ. Adelaide, 2016. http: heatflow.org/data

  55. Heat flow map of Italy 1 : 2 500 000. CNR-IIRG, Firenze: S.El.CA. 1991.

  56. Hilton D.R., Craig H. The Silljan deep well: helium isotope results // Geochim. Cosmochim. Acta. 1989a. V. 53. P. 3311–3316.

  57. Hilton D.R., Craig H. A helium isotope transect along the Indonesian archipelago // Nature. 1989b. V. 342. P. 906–908.

  58. Hooker P.J., Bertrami P.J., Lombardi S., O’Nions R.K., Oxburgh E.R. Helium-3 anomalies and crust-mantle interaction in Italy // Geochim. Cosmochim. Acta. 1985. V. 49. №12. P. 2505–2513.

  59. Hurley P.M., Fairbairn H.W., Pinson W.H. Jr. Rb-Sr isotopic evidence in the origin of potash-rich lavas of Western Italy // Earth Planet. Sci. Lett. 1969. V. 5. P. 301–306.

  60. Italiano F., Martelli M., Martinelli M., Nuccio P.M. Geochemical evidence of melt intrusions along lithospheric faults of the Southern Apennines, Italy: geodynamics and seismogenic implications // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № B6. P. 13569–13578.

  61. Italiano F., Nuccio P.M., Nakai S., Wakita H. Light-noble gas isotopic ratios in gases from Mt. Etna (Southern Italy): implications for mantle contamination and volcanic activity // J. Geophys. Res. 1999. V. 85. B6. P. 3115–3121.

  62. Jacobsen S.B., Wasserburg G.J. The mean age of mantle and crustal reservoirs. // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. P. 7411–7427.

  63. Jenden P.D., Hilton D.R., Kaplan I.R., Craig H. Abiogenic hydrocarbons and mantle helium in oil and gas fields // U.S. Geol. Surv. Prof. Paper. 1993. № 1570. P. 31–55.

  64. Kutas R.I., Lubimova E.A., Smirnov Ya. B. Heat flow map of the European part of the USSR and its geological and geophysical interpretation // Geoelectric and Geothermal Studies / Ed. By A. Adam. Budapest: Akad. Kiado, 1976. P. 443–449.

  65. Martelli M., Nuccio P.M., Stuart F.M., Burgess R., Ellam R.V., Italiano F. Helium-strontium isotope constraints on mantle evolution beneath Roman Comagmatic Province, Italy // Earth Planet. Sci. Lett. 2004. V. 224. P. 295–308.

  66. Marty B., Tolstikhin I.N. CO2 fluxes from mid-oceanic ridges, arcs and plumes // Chem. Geology. 1998. V. 145. P. 233–248.

  67. Morgan W.J. Convection plumes in the lower mantle // Nature. 1971. V. 230. P. 42–43.

  68. Newell D.L., Crossey L.Y, Karlstrom K.E., Fisher T.P., Hilton D.R. Continental-scale links between the mantle and groundwater systems of the western United States: Evidence from travertine springs and regional He isotope data // GSA Today. 2005. V. 15. № 12. P. 115–157.

  69. Newell D.L., Jessup M.J., Hilton D.R., Shaw C.A., Hughes C.A. Mantle-derived helium in hot springs of the Cordillera Blanca, Peru: Implications for mantle-to-crust fluid transfer in a flat-slab subduction setting // Chem. Geology. 2015. V. 417. P. 200–209.

  70. O’Nions R.K., Oxburgh E.R. Heat and helium in the Earth // Nature. 1983. V. 306. P. 429–431.

  71. O’Nions R.K., Oxburgh E.R. Helium, volatile fluxes and the development of continental crust // Earth Planet. Sci. Lett. 1988. V. 90. P. 331–347.

  72. Parello F., Allard P., D’Alessandro W., Federico C., Jean-Baptiste P., Catani O. Isotope geochemistry of Pantelleria volcanic fluids, Sicily Channel rift: a mantle volatile end-member for volcanism in southern Europe // Earth Planet. Sci. Lett. 2000. V. 180. P. 325–339.

  73. Pecoraino G., Giammanco S. Geochemical characterization and temporal changes in parietal gas emissions at Mt.Etna (Italy) during the period July 2000–July 2003 // TAO Terrestirial, Atmospheric and Oceanic Sciences. 2005. V. 16. № 4. P. 805–842.

  74. Pollack H.N., Hurter S.J., Johnson J.R. Heat flow from the Earth interior: analysis of the global data set // Rev. Geophys. 1993. V. 31. P. 267–280. http://heatflow.org

  75. Polyak B.G., Tolstikhin I.N. Isotopic composition of the Earth’s helium and the motive forces of tectogenesis // Chem. Geology. 1985. V. 52. C. 9–33.

  76. Polyak B.G., Prasolov E.M., Cermak V., Verkhovsky A.B. Isotopic composition of noble gases in geothermal fluids of the Krusne Hory Mts. (Czechoslovakia) and geothermal anomaly // Geochim. et cosmochim. acta. 1985. V. 49. P. 695–699.

  77. Polyak B.G., Prasolov E.M., Tolstikhin I.N., Yakovlev L.E., Ioffe A.I., Kikvadze O.E., Vereina O.B., Vetrina M.A. Noble Gas Isotope Data Base (2015). http://data.deepcarbon.net/ ckan/dataset/523f4bf3-5de4-4c30-9c62-34af0dc62f70

  78. Rao R.U.M., Rao G.V., Reddy G.K. A dependence of continental heat flow – fantasy and facts // Earth. Planet. Sci. Lett. 1982. V. 59. № 2. P. 288–302.

  79. Ren J., Wang X., Chen J., Li C., Yang H., Quyang Z. Leakage of mantle helium from the Liaodong Peninsula, China // Chinese Sci. Bull. 1988. V. 43. № 9. P. 761–764.

  80. Rison W., Craig H. Helium isotopes and mantle volatiles in Loihi Seamount and Hawaiian Islands basalts and xenoliths // Earth Planet. Sci. Lett. 1983. V. 66. P. 407–426.

  81. Sano Y., Fisher T.P. The Analysis and Interpretation of Noble Gases in Modern Hydrothermal Systems / Ed. by P. Burnard. The Noble Gases as Geochemical Tracers (Advances in Isotope Geochemistry) // Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2013. P. 249–317.

  82. Sano Y., Wakita H. Geographical distribution of 3He/4He ratios in Japan: imlications for arc tectonics and incipient magmatism // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. P. 8729–8741.

  83. Sano Y., Tominaga T., Nakamura Y., Wakita H. 3He/4He ratios in methane-rich gases in Japan // Geochem. J. 1982. V. 16. P. 237–245.

  84. Sass J.H., Blackwell D.D., Chapman D.S., Roy S. Heat flow of the crust of the United States // Physical properties of rocks and minerals. N.Y.: McGrew-Hill. 1981. P. 503–548.

  85. Sclater J., Francheteau J. The implication of terrestrial heat flow observations on current tectonics and geochemical models of the crust and upper mantle of the earth // Geophys. J. Roy. Astr. Soc. 1970. V. 20. № 5. P. 509–542.

  86. Sclater J., Parsons B., Jaupart C. The heat flow through oceanic and continental crust and heat losses from the Earth // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. P. 11535–11552.

  87. Tedesco D., Scarsi P. Isotopic variation at the Solfatara crater // Earth and Planet. Sci. Lett. 1999. V. 171. P. 465–480.

  88. Toksöz M.N., Bird P. Modelling of temperatures in continental convergent zones // Tectonophysics. 1977. V. 41. P. 181–193.

  89. Tolstikhin I.N., Kramers J. The Evolution of Matter from the Big Bang to the Present Day Earth. Cambridge: Cambridge University Press. 2008. 521 p.

  90. Tolstikhin I., Waber H.N., Kamensky I., Loosli H.H., Skiba V., Gannibal M. Production, redistribution and loss of helium and argon isotopes in a thick sedimentary aquitard-aquifer system (Molasse Basin, Switzerland) // Chemical Geology. 2011. V. 286. P. 48–58.

  91. Torgersen T., Jenkins W.J. Helium isotopes in geothermal systems: Iceland, the Geysers, Raft River and Steamboat Springs // Geochim. Cosmochim. Acta. 1982. V. 46. P. 739–748.

  92. Vieira F.P., Hamza V.M. Global heat flow: comparative analysis based on experimental data and theoretical values // Proc. 12-th Int. Congr. of the Brazilian Geophys. Soc. 2011. P. 1–6.

  93. Vitorello I., Pollack H. On the variation of continental heat flow with age and thermal evolution of continents // J. Geophys. Res. 1980. V. 85. P. 983–995.

  94. Wakita H., Sano Y. 3He/4He ratios in CH4-rich natural gases suggest magmatic origin // Nature. 1983. V. 305. P. 792–794.

Дополнительные материалы отсутствуют.