CC BY
35
УДК 624.131.431.2
С.В. Семашко, канд. геол.-минералог. наук, доц., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ)
ФЛЮИДЫ И ИЗМЕНЕНИЯ МОДУЛЯ ЮНГА ЗЕМНОЙ КОРЫ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ТИПА
Установлено, что в частях Земной коры континентального типа, задействованных в метасоматических и метаморфических процессах, значения модуля Юнга уменьшаются в несколько раз по сравнению с незадействованными в этих процессах частями Земной коры.
Ключевые слова: флюиды, метасоматические и метаморфические процессы, газовая проницаемость, модуль Юнга.
Известно, что подземная гидросфера принимает активное участие в современных процессах переноса вещества и энергии в верхней части Земной коры. Современные представления о роли воды на глубинах более 4.. .5 км сформированы на основе изучения:
- продуктов современной вулканической деятельности;
- газово-жидких включений в горных породах;
- ксенолитов;
- процессов метаморфизма и метасоматоза;
- взаимодействия горных пород и водных флюидов при высоких термодинамических параметрах в лабораторных условиях.
Многими исследователями признается ведущая роль подземной гидросферы в процессах метасоматоза и регионального метаморфизма, в различных тектонических процессах и явлениях, в том числе и в подготовке землетрясений. Экспериментальные и теоретические исследования выявили ведущую роль воды в формировании состава и свойств глубинных флюидов и их влияния на вмещающие горные породы: «... по доминированию (в среднем) в общем составе глубинных флюидов и, в особенности, по характеру связи с температурой плавления горных пород с их реологическими свойствами, водный флюид представляется наиболее важным компонентом природных глубинных флюидов» [3].
Несмотря на значительное количество теоретических и экспериментальных исследований, определение предельных глубин существования воды в литосфере было и остается предметом дискуссий. Это связано, в первую очередь, с тем, что возможность существования воды в недрах нашей планеты на тех или иных глубинах зависит от совокупности и количественных характеристик ряда факторов, в число которых входят:
- вид воды (свободная, физически, или химически связанная);
- минерализация вод (пресные и минерализованные воды, рассолы);
- вещественный состав и характеристики пустотного пространства горных пород;
- температура и давление горных пород и вод;
- тип пустотного пространства горных пород.
Поскольку на глубинах более 12 км количественные определения перечисленных выше факторов в настоящее время не проводились с помощью прямых методов, то возможна только их оценка на основе использования результатов лабораторных экспериментов, интерпретации данных геофизических методов и гипотетических построений и предположений. Отметим, что достоверность получаемых при этом оценок, как показывает опыт бурения глубоких и сверхглубоких скважин, нельзя признать высокой. Именно гипотетичность современных представлений о вещественном составе и термодинамическом состоянии земных недр определяет и избыточно широкий (с нашей точки зрения) интервал изменений оценок предельных глубин подземной гидросферы: от 4...5 до первых сотен километров.
На современном уровне знаний, наиболее общепринятым считается предположение, в соответствии с которым образование основной массы наземной и подземной гидросфер обусловлено процессами дегазации верхней мантии и выделением вод из магматических расплавов при их подъеме к земной поверхности [3]. Поэтому за нижнюю границу существования водных флюидов и, следовательно, подземной гидросферы наиболее часто принимают нижнюю границу верхней мантии.
Значимость принятия той или иной нижней границы распространения водных флюидов в литосфере объясняется тем, что при этом появляется возможность определить интервал изменений температур и давлений, при которых возможно существование флюидов и, следовательно, выявить особенности их взаимодействия с вмещающими горными породами. Результаты этих взаимодействий, в свою очередь, в значительной мере определяют интервалы изменений ряда физико-механических и прочностных характеристик глубинных зон. Известно, что флюиды, будучи самой подвижной и достаточно энергоемкой составляющей литосферы, являются активными участниками переноса и трансформации потоков вещества и энергии. Поэтому представляется достаточно логичным предположение, в соответствии с которым флюидонасыщенные зоны имеют причинноследственные связи со значительной частью современных геодинамиче-ских процессов.
Следовательно, при изучении современных геодинамических процессов и их эволюционной направленности определение мест локализации и перемещения флюидов необходимо отнести к одним из основных видов исследований Земной коры и верхней мантии. Эти исследования также крайне важны и при изучении и прогнозировании современных сейсмо-генных и деформационных процессов.
В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что в литосфере в качестве наиболее вероятных мест нахожде-
ния водных флюидов признаются зоны повышенного поглощения сейсмических волн и сейсмические волноводы. В настоящее время заключение о наличии флюидных систем на глубинах более 4.. .5 км в Земной коре континентального типа признается наиболее обоснованным, если оно основывается на результатах комплексной интерпретации сейсмических и гео-электрических методов.
Отметим, что в земной коре и верхней мантии практически повсеместно выделяют сейсмические волноводы, электропроводящие зоны и участки повышенного поглощения сейсмических волн. Наличие пространственных совпадений (пересечений, перекрытий) перечисленных выше волноводов, электропроводящих зон и участков, или их частей, может рассматриваться и как доказательство реальности существования связанных между собой флюидных включений в значительных объемах литосферы.
Существование глубинных, водных флюидов в кристаллических породах фундамента на глубинах до 12 км подтверждено результатами исследований бурового раствора и керна глубоких и сверхглубоких скважин. При изучении Кольской сверхглубокой установлено, что в нижней части разреза средний уровень концентраций поровых растворов возрастает с глубиной в два - три раза и «.. наблюдается отчетливая связь величины концентрации элементов в поровых растворах с пористостью и прочностью пород. При этом содержание элементов растет в интервалах, где пористость повышается, а прочность понижается» [1]. Такое поведение прочностных характеристик свойственно водонасыщенным кристаллическим породам, независимо от того, в каких термобарических условиях они находятся. Экспериментально установлено, что наиболее явно уменьшение прочностных и деормационных характеристик горных пород при насыщении их водой (водными флюидами) проявляется при значениях пористости около одного процента [3].
Выявленные связи пористости, прочностных и деформационных характеристик и водонасыщенности горных пород позволяют вполне обоснованно полагать, что уменьшение их прочностных и деформационных свойств может быть обусловлено присутствием водных флюидов.
Следовательно, присутствие, или отсутствие водных растворов, пористость и проницаемость горных пород можно уверенно отнести к числу тех факторов, которые определяют прочностные и деформационые характеристики глубинных зон земной коры.
При этом крайне важным, с точки зрения автора, является то, что в результате анализа значений пористости и проницаемости могут быть сделаны выводы о существовании или отсутствии систем связанных между собой трещин или микротрещин и их параметрах. Наличие трещин и микротрещин и их параметры, как известно, в значительной степени и опреде-
ляют не только проницаемость, но и значения прочностных и деформационных характеристик исследуемых массивов горных пород.
Отметим, что во второй половине XX века на основе исследований проницаемости горных пород были созданы реометрические методы определения местонахождения ослабленных зон (зон с пониженными значениями прочностных характеристик) в стенках горных выработок. Исследования свойств массива с помощью реометрических методов успешно применялись на горнорудных предприятиях Кольского полуострова и Северной Карелии [4].
Экспериментальные определения проницаемости в условиях высоких давлений и температур, проводимые как на образцах горных пород, так и непосредственно в глубоких и сверхглубоких скважинах, относятся к одним из самых трудоемких исследований горных пород. В настоящее время наиболее обоснованные оценки проницаемости пород континентальной Земной коры до границы Мохо проведены на основе:
а) экспериментальных определений проницаемости на образцах горных пород в отсутствие физико-механических и физико-химических процессов взаимодействия флюидов и образцов;
б) термического моделирования и анализа метасоматических и метаморфических систем.
В результате обработки значений проницаемости полученных с использованием этих двух подходов было установлено, что проницаемость континентальной земной коры уменьшается с глубиной [2]:
а) по степенному закону (в отсутствие физико-механических и физико-химических процессов взаимодействия)
¡В (к) = а + М1с , (1)
где к - проницаемость, а = -12,56; Ь = -3,225; Ь - глубина, км; с = - 0,2230);
б) в соответствии с уравнением (термическое моделирование и анализ метасоматических и метаморфических систем)
1в(кМ1) = -3,21в (Ь) - 14. (2)
Для перехода от значений проницаемости к значениям модуля Юнга воспользуемся соотношением, связывающим между собой модуль Юнга Е, поверхностную энергию Т 5 и проницаемость к [5]:
к = 65,5 (Т 5 / Е)2. (3)
Из соотношения (3) в результате элементарных преобразований получаем
1
Е = 8,1- Т 5 -(1/ к)*. (4)
При подстановке значений проницаемости, полученных с использованием соотношений (1) и (2), в соотношении (4) получим, соответственно, значение модуля Юнга для пород континентальной Земной коры в отсутствие физико-механических и физико-химических процессов Е и для пород земной коры при метасоматических и метаморфических процессах Е ш .
Известно, что активный флюидный режим характерен для глубинных сдвиговых зон, так же, как и высокая интенсивность метасоматоза. «Интенсивный флюидный режим выявляется ддя сдвиговых зон разного ранга как ддя верхнекоровых, так и ддя сквозькоровых. В последних, по изотопным данным, фиксируется воздействие глубинных (а не только приповерхностных) флюидов» [6]. Из изложенного выше следует, что наличие водных флюидов может приводить к снижению прочностных характеристик и модуля Юнга горных пород во всем интервале глубин Земной коры континентального типа. Для оценки этих изменений рассчитаем изменение по глубине отношение величин ЕиЕ ш - относительное изменение модуля Юнга.
Полученные нами оценки модуля Юнга, соотношения (4), (1) и (2) используем для оценки к и к ш, а также Е/ Е ш . После достаточно простых преобразований получим
Е/Е = 0,19 ■ 10 , (5)
где С = 1,6125 ■ Ь02230 , а Б = 1,6 ■ ¡в (Ь), Ь - глубина, км.
Результаты расчета Е/ Е ш для Земной коры представлены в таблице и на рисунке.
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00
Глубина Н км
Изменение Е/ Ем в Земной коре
Анализ результатов расчета Е/Еш представленных в таблице и на графике, позволяют выделить верхнюю часть Земной коры до глубины 10 км как область максимальных изменений (уменьшения) модуля Юнга при наличии метасоматических и метаморфических систем, присутствие или отсутствие которых может приводить к изменению значений модуля Юнга в несколько раз, что, несомненно, не может не привести и к уменьшению прочностных свойств горных пород. Следует обратить внимание и на глубину 20 км, до достижения которой происходит уменьшение значений Е/Еш (до 2,20), а затем с увеличением глубины начинается медленный рост значений Е/Еш. Отметим, что именно на верхнюю часть Земной коры (до 20 км) приходится и большинство гипоцентров коровых землетрясений [7].
В результате проведенных исследований Земной коры континентального типа получены следующие результаты:
- значения модуля Юнга частей Земной коры, задействованных в метасоматических и метаморфических процессах, уменьшаются в несколько раз (от 2,4 до 7,8), по сравнению с незадействованными частями Земной коры;
- наибольшее уменьшение модуля Юнга при наличии метасоматических и метаморфических систем происходит в верхней части Земной коры.
Список литературы
1. Изучение зависимости элементного состав поровых растворов от физико-механических свойств горных пород в разрезе Кольской СГ-3. Результаты изучения глубинного вещества и физических процессов в разрезе Кольской сверхглубокой скважины до глубины 12261 м/В.С. Комаров и [и др.]. Апатиты: Изд-во МУП «Полиграф», 2000. 170 с.
2. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков A.B. Флюидная проницаемость пород Земной коры. М.: Научный мир, 2002. 216 с.
3. Родкин М.В. Роль глубинного флюидного режима в геодинамике и сейсмотектонике. М., 1993. 194 с.
4. Каспарьян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. Л.: Недра, 1985. 184 с.
5. Семашко С.В. Оценки проницаемости и модуля Юнга в низкопористых кристаллических породах фундамента//Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства: 3-я Международная конференция по проблемам рационального природопользования. Тула, 2010. 304 с.
6. Родкин М.В., Никитин А.Н., Васин Р.Н. Сейсмотектонические эффекты твердотельных превращений в геоматериалах. М.: ГЕОС, 2009. 198 с.
7. Щукин Ю.К., Юдахин Ф.Н. Геодинамическая модель и сейсмичность. Глубинное строение и сейсмичность Карельского региона и его обрамления /под ред. Н.В. Шарова. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2004. 353 с.
S. Semashko
Fluids and changing Young modulus of continent type Earth's crust
It’s ascertained that Young modulus means at the deep parts of continent type Earth's crust without metasomatic and metamorphic processes less than at the parts with these processes.
Key words: fluids, metasomatic and metamorphic processes, gas permeability, Young modulus.
Получено 22.09.10
