Окенический рифтогенез - Дубинин Е.П.
ISBN 5-89118-198-3
Скачать (прямая ссылка):
Кронекера и t - время. Символы m и / обозначают свойства смеси порода-флюид и свойства флюида, соответственно.
Связь плотности воды с температурой выражается уравнением
Р/= Ро [1 -аДГ-Го)]. (5.4)
Самое первое применение модели гидротермальной циркуляции этого типа для анализа аномалий поверхностного теплового потока было рассмотрено для среды с одинаковой проницаемостью [350]. Последующие модели включают как латеральные, так и вертикальные изменения проницаемости, а также более реалистичные свойства морской воды при более высоких температурах [242, 558]. В дальнейшем были рассмотрены двухмерные численные модели для описания гидротермальной конвекции вблизи магматических тел в осевых зонах СОХ [364, 180], в том числе с учетом влияния изменений проницаемости пород на циркуляцию вблизи от оси СОХ [470]. Попытки трехмерного численного моделирования гидротермальной конвекции были сделаны Б.Трависом с соавторами [535]. Однако численное моделирование двух разных потоков в системах морской воды, в отличие от чистой воды, еще не разработано.
Серьезным затруднением в моделях ячеистой конвекции в пористой среде является их масштабное разрешение и допущение изотермических условий на верхней границе. Модели ячеистой конвекции наилучшим образом описывают гидротермальный процесс в масштабе нескольких километров, они малоэффективны в более крупных масштабах так как отдельные трещины и разломы имеют уже очень высокую проницаемость. Усло-
вие изотермической верхней границы также препятствует моделированию высокотемпературных струй. Модели ячеистой конвекции в пористой среде наиболее удобны для описания вне осевой циркуляции в более старой коре, где тепловой поток через фундамент, топография дна и осадочный покров являются важными факторами, контролирующими гидротермальный поток [244].
5.3.2. Струйная конвекция
Модели струйной конвекции обеспечивают механизм для рассмотрения общего поведения гидротермальных систем без рассмотрения деталей распределения температуры и скоростей. Холодный флюид (морская вода) проникает в ослабленную зону на глубину, где он нагревается; затем уже нагретый флюид поднимается и изливается на поверхность дна. Модели предполагаются, как правило, однофазными. Пути погружения, миграции и излияния флюида моделируются в виде отдельных каналов или труб. Модель канала, или трубы может быть рассмотрена как особый случай в модели ячеистой конвекции, в которой крайне неоднородное распределение проницаемости ограничивает пути потока трубообразной зоной в среде с существенно непроницаемой матрицей. Хотя эти модели значительно упрощают реальную геометрию гидротермальных систем, они позволяют прояснить их физические основы в рифтовых зонах СОХ.
Струйные модели первоначально были применены для исследования гидротермальной циркуляции, чтобы объяснить аномалии теплового потока [362, 496]. Позднее модели этого типа были использованы для исследования формирования сульфидных рудных отложений в спрединговых центрах, которые, как полагают, аналогичны месторождениям сульфидов в офиолитовых комплексах [367]. В последних исследованиях основное внимание сфокусировано на тепломассопереносе в гидротермах “черных курильщиков” и их временной эволюции [365, 495, 81, 31].
Уравнения, описывающие модели струйной конвекции, учитывают интегральные свойства систем, такие как сопротивление потоку, полная масса потока, теплоснабжение и т.д. Формализация имеет полную аналогию с циркуляцией электрического тока, где Q - скорость потока (аналогично с течением тока), движущее давление (идентично приложенной разности потенциалов) и R - сопротивление потока (идентично электрическому сопротивлению). По аналогии с законом Ома для электрического тока закон Дарси для потока в пористой среде можно записать в виде [367]:
(5-5)
Тогда закон сохранения энергии выражается формулой:
Qh= QmAE, (5.6)
Q - скорость, АЕ - энтальпия флюида.
Для системы, состоящей из жидких фаз, АЕ = СР/АТ, где АТ - разность температур между нисходящей и восходящей ветвью потока. В струйной модели уравнение состояния запишется как:
Руо- Pfi - P/о ct/AT, (5.7)
где р/; и руо - средние плотности восходящего и нисходящего флюида, соответственно.
На рис.5.2 иллюстрируется простая модель конвекции. Детали движения магмы не учитываются; магма действует лишь как источник тепла, движущего гидротермальную систему. Предполагается, что потоковое сопротивление R действует лишь в восходящей ветви флюида в области его излияния. Тогда R = vh/kA , где v - кинематическая вязкость флюида, h - глубина циркуляции, к - проницаемость, А - поперечное сечение площади элемента излияния. Напор флюида будет % = руоа/ATgh . Подставляя выражения для % и R в (5.5) получим : рпосg кАТА
------ ¦ (5-8)
Если изначальная энергия обеспечивается подводящим от мантии теплом со скоростью Я0 через площадь S и система состоит из жидкой фазы, то выражение (5.6) будет иметь вид:
