CC BY
49
УДК 624.131.4
Ю.В. Фролова1, В.М. Ладыгин2, С.Н. Рычагов3
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ВУЛКАНОГЕННЫХ ПОРОД В ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ КУРИЛО-КАМЧАТСКОЙ ОСТРОВНОЙ ДУГИ4
Гидротермально-магматические системы Курило-Камчатской островной дуги сформированы в толщах вулканогенных пород неоген-четвертичного возраста. Термальные воды, воздействуя на вмещающие породы, приводят к их существенным изменениям и превращению в гидротермально-метасоматические породы — пропилиты, вторичные кварциты, цеолитовые образования, аргиллизиты, опалиты, кварц-адуляровые метасоматиты и пр. Динамика изменения свойств пород при гидротермальном процессе зависит от ряда факторов, в том числе от особенностей первичной породы, РТ-условий в системе, химического состава и рН флюида, фазового состояния флюида, продолжительности взаимодействия раствор—порода. Высокотемпературные глубинные растворы — независимо от состава раствора — вызывают уплотнение и упрочнение пород, повышение деформационных характеристик, снижение пористости и проницаемости, удаление гигроскопической влаги. Тенденция изменений свойств пород, вызванных воздействием низкотемпературных растворов более сложна и многообразна. Установлено, что при низкотемпературных гидротермальных процессах на изменение свойств пород существенно влияют химический состав и кислотность—щелочность термальных вод.
Ключевые слова: вулканогенные породы, гидротермальные преобразования, физические и физико-механические свойства, геотермальные месторождения, гидротермально-магматические системы, Курило-Камчатская островная дуга.
Hydrothermal-magmatec systems of Kuril-Kamchatka island arc are formed in Neogene-Qua-ternary volcanic rock. Thermal water acting to host rock leads to their alteration and transformation to hydrothermal-metasomatic rocks — propylites, secondary quarzites, zeolitic rocks, argillic rocks, opalites, quartz-adularia metasomatites etc. Dynamic of rock properties changes during hydrothermal process depends on a number of factors including peculiarities of primary rocks; temperature, pressure and composition of thermal fluids; fluid phase, and duration of fluid-rock interaction. Deep, high-temperature fluids cause consolidation and hardening, an increase of deformational properties, a decrease of porosity and permeability independently on fluid composition. The chemical composition and acidity-alkalinity of thermal fluids have a large influence on the alteration of rock properties for low temperature hydrothermal processes.
Key words: volcanic rocks, hydrothermal alterations, physical and physical-mechanical properties, geothermal fields, hydrothermal-magmatic systems, Kuril-Kamchatka island arc.
Введение. Во многих странах ведется активное исследование гидротермально-магматических систем (ГМС) и освоение приуроченных к ним геотермальных месторождений. При их изучении возникает множество вопросов, как прикладных, связанных с проблемами электро- и теплофикации, извлечения минеральных и рудных компонентов из термальных вод, так и научных, касающихся исследования условий формирования, эволюции, строения ГМС, динамики и механизмов геотермальных процессов, рудо- и минералообразования. Наиболее активные исследования проводятся в США, Исландии, Японии, Италии, Новой Зеландии, Индонезии, Китае, на Филиппинах и в ряде других стран [Bertam, 2010].
На территории нашей страны ГМС и разведанные геотермальные месторождения находятся в основном в пределах Курило-Камчатского региона.
При исследовании этих геологических объектов одна из важных задач — изучение вмещающих пород. Термальные воды, воздействуя на породы, приводят к значительным преобразованиям их минерального состава и структуры порового пространства, в результате чего существенно, а в некоторых случаях кардинально, меняются физические и механические свойства пород. Спектр термодинамических и физико-химических условий, в которых происходит преобразование, необычайно широк, что приводит к разнообразию новообразованных пород. В результате
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра инженерной и экологической геологии, e-mail: ju_frolova@mail.ru
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра инженерной и экологической геологии, ст. науч. с., канд. геол.-минер. н., e-mail: skalka@geol.msu.ru
3 Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, заведующий лабораторий геотермии, докт. геол.-минер. н., e-mail: volkan@ kscnet.ru
4 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 09-05-00022а, 10-05-00009а).
вулканогенные породы (эффузивы, туфы, туффиты) превращаются в совершенно новые гидротермально-метасоматические породы — вторичные кварциты, разнообразные пропилиты, цеолитовые образования, аргиллизиты, опалиты, кварц-адуляровые метасо-матиты и т.д. При этом в зависимости от разных факторов изменение свойств может отличаться. В одних случаях происходит «улучшение» свойств породы, т.е. ее уплотнение, упрочнение, снижение пористости и проницаемости, в других случаях, наоборот, — разуплотнение, разупрочнение, появление вторичной пористости и проницаемости, появление гигроскопической влажности, повышение влагоем-кости [Фролова и др., 2011]. Преобразование пород в свою очередь вызывает изменение структуры проницаемости вмещающей толщи, упругопластического состояния пород, напряженного состояния массива, что в свою очередь может привести к изменению гидрохимического, гидродинамического и температурного режимов системы.
Благодаря работам Д.С. Коржинского, В.А. Жарикова, Н.И. Наковника, А.А. Маракушева, С.И. Набо-ко, Б.И. Омельяненко, В.Л. Русинова, В.А. Ерощева-Шака, Г.А. Карпова, С.Ф. Главатских, А.Д. Коробова и др., а также зарубежных исследователей D. White, A. Steiner, A. Ellis, D. Coombs, H. Kristmannsdottir, A. Reyes, J.W. Lawless и др. накоплены обширные сведения об особенностях метасоматического, в частности гидротермального изменения горных пород. Однако несмотря на многообразие геохимических, минералогических и петрографических сведений о гидротермально измененных породах, данные об их физико-механических свойствах немногочисленны. Научные работы по изучению петрофизических характеристик пород ГМС и созданию петрофизической базы данных ведут ученые Геологической службы Исландии [Sigurdsson et al., 2000]. Отметим эксперименты немецких ученых из Научно-исследовательского геоцентра GeoForschungsZentrum (г. Потсдам), которые в специальной установке моделируют условия, соответствующие природной геотермальной системе, и ведут наблюдения за изменением петрофизических свойств горных пород [Milsch et al., 2010]. Изменение физико-механических свойств пород в зависимости от характера и типа гидротермально-метасоматических процессов на древних эндогенных месторождениях Урала и Центральной Сибири исследуют сотрудники Уральской государственной горно-геологической академии [Грязнов, 2003].
В течение многих лет авторы ведут работы на геотермальных месторождениях (ГТМ) Курило-Камчатского региона, включающие комплексное изучение физических и механических характеристик вмещающих пород и динамику их изменения под действием термальных вод [Фролова и др., 1999, 2011; Фролова, Ладыгин, 2008; Ladygin et al., 2000; Frolova et al., 2001, 2010; Структура..., 1993]. Обобщение и анализ данных, полученных на Паужетской, Мутновской,
Кошелевской, Эссовской, Северо-Парамуширской, Баранского ГМС, позволили выявить основные закономерности изменения свойств пород при гидротермальном процессе и показать главные факторы, контролирующие эти изменения. Полученные данные представляют интерес в связи с развитием геотермальной энергетики на территории Курило-Камчатского региона.
Геологические и геотермические условия. Курило-Камчатский регион находится в пределах одноименной вулканической островной дуги, расположенной в северо-западном сегменте Тихоокеанского огненного кольца. Огромные запасы геотермальной энергии региона связаны с повышенным тепловым потоком в зоне перехода океан—континент [Сугробов, 1982]. В общем случае геологические, гидрогеологические и геотермические условия Курило-Камчатской островной дуги благоприятны для формирования ГМС, особенно в пределах Центрально- и Восточно-Камчатского вулканических поясов и на Курильских островах. В этом регионе выделяется более 20 высоко- и низкотемпературных систем [Пилипенко, 1998]. Большая часть геотермальных площадей ассоциирует с плейстоценовыми и голоценовыми вулканами, расположенными вдоль региональных глубинных разломов, трассирующих названные выше вулканические пояса. Вмещающие толщи представлены вулканогенными породами неоген-четвертичного возраста — эффузивные и вулканогенно-обломочные. Ниже кратко охарактеризуем основные геотермальные месторождения и гидротермально-магматические системы региона.
Мутновское ГТМ — одно из наиболее перспективных и хорошо изученных месторождений Камчатки. Оно расположено в 70 км на юг от г. Петропавловск-Камчатский. В настоящее время здесь эксплуатируются две геотермальные станции мощностью 12 и 50 МВтэ, поставляющие электричество в общую энергетическую сеть полуострова. В строении Мутновско-Жировского геотермального (рудного) района принимает участие сложный комплекс вулканогенных и вулканогенно-осадочных пород от олигоцен-миоценового до голоценового возраста [Действующие вулканы..., 1991]. Наличие в недрах системы термальных вод с температурой, достигающей 280 С, привело к существенному перерождению пород и формированию зонального строения всей толщи. Снизу вверх выделяются следующие зоны: среднетемпературные пропилиты — кварц-эпидот-хлоритовые и кварц-вайракит-пренитовые, низкотемпературные пропилиты (иллит, хлорит, кальцит), зона высококремнистых цеолитов и гидротермальных аргиллитов, зона сернокислотного выщелачивания (опал, каолинит, алунит, кристобалит, тридимит, гидрооксиды железа) [Словцов, 1994]. Для определения физико-механических свойств пород нами исследовано 75 образцов из 4 скважин и 45 образцов из естественных обнажений.
Паужетское ГТМ расположено на юге Камчатки, на склоне Камбального хребта, в пределах крупной вулканотектонической депрессии. Здесь в 1967 г. была введена в строй первая в СССР Паужетская геотермальная станция, мощность которой в настоящее время составляет 11 МВтэ. Месторождение сформировано в толще туфов (N—Q), включающей лавовые потоки и дайки среднего и основного состава. Породы интенсивно изменены термальными водами с температурой до 180—220 С. Толща пород месторождения имеет зональное строение. Снизу вверх выделяются зоны низкотемпературной пропи-литизации (хлорит, кальцит, серицит), цеолитизации (ломонтит, хлорит, корренсит), высококремнистых цеолитов и аргиллизитов (клиноптилолит, морде-нит, гейландит, смектиты, опал). В разуплотненных зонах, по которым происходит подъем и вскипание гидротерм, образуются метасоматиты следующего состава: кварц + адуляр и кварц + адуляр + вайра-кит + пренит. Система находится на регрессивной стадии развития, что выражается в наложении низкотемпературных минеральных ассоциаций на более ранние высокотемпературные [Структура..., 1993]. Исследовано около 200 гидротермально измененных образцов преимущественно туфов, в меньшей степени эффузивных разностей, отобранных из 6 скважин (глубина до 500 м) и из обнажения, расположенного вне зоны влияния гидротерм (21 образец).
Кошелевская ГМС занимает наиболее южное положение в пределах п-ова Камчатка и расположена в недрах одноименного вулкана. Термальные поля этой высокотемпературной системы в настоящее время активно изучают сотрудники лаборатории геотермии Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН и кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. В пределах Кошелевского вулканического массива известно несколько термальных полей, два из которых очень крупные: Верхне- и Нижне-Ко-шелевское. Температура в недрах системы достигает 250 °С на глубине 1100 м [Белоусов, Сугробов, 1976]. Вмещающая толща представлена эффузивными и вулканогенно-обломочными породами (N—Q). Изучено 30 образцов андезитов и туфов, характеризующих приповерхностные изменения, происходящие на термальных полях.
Эссовская ГМС находится в пределах Срединного хребта Камчатки. В геологическом строении региона принимают участие неоген-плейстоценовые вулканогенные породы — туфы и эффузивы. В регионе много горячих источников с температурой до 95 °С. Детальной информации о строении системы пока нет. Исследовано 23 образца туфов, отобранных из естественных обнажений.
Северо-Парамуширская ГМС приурочена к вулканическому хр. Вернадского и расположена в северной части о-ва Парамушир. В центре системы находится вулкан Эбеко, один из наиболее активных действую-
щих вулканов Курильских островов. Геологический разрез изучен до глубины 2500 м (скважина ГП-3) и представлен миоцен-плейстоценовыми туфами и туффитами (основная часть разреза) и лавами анде-зитового и андезитобазальтового состава [Рычагов и др., 2002]. В строении ГТС выделяются следующие гидротермальные зоны: среднетемпературных пропи-литов (кварц-хлорит-эпидот-серицитовые), низко- и среднетемпературных пропилитов (кварц-адуляр-гидрослюдистые) и низкотемпературных опалитов (опал, кристобалит, тридимит, халцедон). Температура достигает 180—260 °С на глубине 1,5—2,5 км. Отдельно выделяются зоны «вскипания гидротерм», к которым приурочены кварц-адуляровые метасома-титы. Гидротермальная система находится на прогрессивной стадии развития [Рычагов и др., 2005]. Исследованы свойства 35 образцов из 4 скважин и 20 образцов, отобранных из обнажения, не попадающего в зону влияния гидротерм.
ГМС Баранского образовалась в недрах юго-западного склона вулкана Баранского и расположена в центральной части о-ва Итуруп. Это высокотемпературная система, находящаяся на прогрессивной стадии развития, с температурой, достигающей 300 °С на глубине 1200 м [Рычагов и др., 1994]. Вмещающая толща — плиоцен-плейстоценовые туфы и туффиты, переслаивающиеся с лавовыми потоками и прорванные дайками. Считается, что источником тепла служит неглубоко залегающее субвулканическое тело. Весь разрез месторождения, изученный скважинами до глубины 1200 м, испытал воздействие термальных вод. В разрезе выделяются следующие зоны (снизу вверх): вторичных кварцитов, среднетемпературных пропилитов (хлорит, кварц, вайракит, эпидот, альбит, серицит), низкотемпературных пропилитов (цеолиты, хлорит, кальцит), аргиллизированных пропилитов (смешанослойные глинистые минералы, кальцит), аргиллизации, а также зона сернокислотного выщелачивания (кремнистые минералы, каолинит, алунит). Зональность нарушена участками «вскипания гидротерм», в которых развиваются адуляр, кварц, вайракит. Исследованы свойства 250 образцов из 11 скважин [Фролова и др., 1999; Ladygin et al., 2000].
Результаты и их обсуждение. Факторы, влияющие на изменения свойств при гидротермальном процессе.
Характер и интенсивность петрофизических преобразований толщи пород под действием термальных вод зависит от многих факторов, главные из них — особенности первичной породы (состав, строение и свойства), РТ-условия в системе, химический состав и рН флюида, фазовое состояние флюида (пар, жидкость), продолжительность взаимодействия флюид—порода. Ниже рассмотрим вклад каждого фактора в изменение свойств вмещающий толщи пород.
Особенности вмещающих пород. Направленность и интенсивность петрофизических преобразований во многом зависит от того, какая порода подвергается
изменению. К факторам, способствующим гидротермальной переработке, относятся высокая пористость и проницаемость, микротрещиноватость, слабая цементация, стекловатая структура, основной (базальтовый) состав вулканитов. К факторам, затрудняющим гидротермальную переработку, — плотная, массивная текстура, низкая пористость, полнокристаллические структуры, кислый состав вулканитов.
Вмещающие породы ГМС Курило-Камчатского региона представлены вулканитами, сложенными эффузивно-экструзивными и вулканогенно-обломочными (вулканокластическими) образованиями неоген-четвертичного возраста. При сравнении свойств этих двух групп пород выявлены значительные различия (рис. 1). Для сравнения выбраны только свежие или слабоизмененные разности.
Эффузивные и экструзивные породы образуются в процессе остывания и кристаллизации лавы, в ходе которых формируются прочные кристаллизационные контакты между кристаллами. Это делает породы плотными (р=2,3^2,8 г/см3) и прочными (^с=70^250 МПа), обусловливает высокие значения акустических и деформационных свойств (^>4 км/с, Е=30^50 ГПа), относительно низкую пористость и проницаемость (за исключением краевых частей потоков). Обычно лавовые потоки четвертичного возраста формируют экранирующие горизонты в структуре ГМС, хотя в некоторых случаях они об-
разуют резервуары термальных вод трещинного типа. Происхождение трещиноватости различно. Зоны повышенной проницаемости могут быть связаны с системой первичных трещин, образующихся при остывании лавы, однако вклад этих трещин в формирование проницаемости обычно невелик. Высокая проницаемост свойственна лишь краевым частям лавовых потоков, часто имеющим глыбовое строение. Большей интенсивностью отличается вторичная трещиноватость. Она может иметь тектоническую природу, поскольку исследуемый регион находится в тектонически активной области. Кроме того, вторичные трещины (трещины гидроразрыва) образуются в результате гидротермальных процессов когда давление, создаваемое гидротермами превышает прочность пород.
Вулканокластиты (туфы, туффиты) характеризуются цементационными контактами между зернами, которые образуются в ходе литификации изначально рыхлых пирокластических отложений. По сравнению с эффузивными породами вулканокластиты отличаются пониженными значениями физических и физико-механических характеристик, высокой пористостью и проницаемостью. Замечено, что неогеновые вулкано-кластиты более литифицированы и характеризуются более высокими значениями упругоплотностных и прочностных свойств (средние значения: р = 2,2 г/см3, п = 20%, Ур = 2,4 км/с, Rc = 60 МПа) по сравнению
Рис. 1. Сравнительная характеристика свойств эффузивных пород и туфов. На графиках: точка в центре — среднее значения показателя, прямоугольник — среднее квадратическое отклонение. Число образцов: эффузивные породы — 85; неогеновые туфы — 50; плиоцен-плейстоценовые туфы — 125
с плейстоценовыми (плиоцен-плейстоценовыми) породами (средние значения: р=1,6 г/см3, «=40%, Ур=2,1 км/с, Яе=20 МПа) (рис. 1).
Туфы и туффиты представляют собой наиболее распространенный тип пород, слагающих геотермальные резервуары. Обычно они образуют резервуары порового или порово-трещинного типа, хотя в некоторых случаях слагают экранирующие горизонты. Наиболее изучена Паужетская ГМС, основной резервуар которой сложен слабосцементированными крупнообломочными туфами, а верхний водоупор — тонкообломочными туффитами. Последние, несмотря на высокую пористость («=30^50%), водонепроницаемы, так как поры характеризуются ультрамалыми размерами, что делает пористость неэффективной для флюидов. Поровые растворы реагируют с вмещающей толщей, постепенно преобразуя ее в аргиллизиты, но при этом практически не фильтруются сквозь толщу.
Рис. 2. Сравнительная характеристика туфов, измененных под действием высоко- и низкотемпературных термальных вод: а — график зависимости скорости продольных вол от плотности; б — график зависимости прочности на одноосное сжатие от пористости. 1 — низкотемпературные преобразования, 2 — высокотемпературные преобразования
Влияние РТ-условий в системе. Температура и давление в гидротермальной системе кардинально влияют на изменение состава и свойств пород. Вулканогенные породы, измененные под действием низко- (Т<150 °С) и высокотемпературных (7>150 °С) растворов, существенно различаются по свойствам (рис. 2). В частности, туфы, измененные под действием высокотемпературных глубинных растворов, отличаются плотным сложением (р>2,3 г/см3, «<15%), высокими значениями прочности (Яс>50+70 МПа) и скорости упругих волн (^>4,0 км/с). У туфов, испытавших воздействие низкотемпературных близ-поверхностных растворов, прочность не превышает 50 МПа, ^,<4,0 км/с, плотность варьирует в интервале 1,0—2,0 г/см3, пористость выше 20%. Низкотемпературные гидротермалиты, как правило, неводостойки — при взаимодействии с водой они размягчаются или размокают. Кроме того, низкотемпературные породы обычно гигроскопичны ( №Т до 5—6%), тогда как высокотемпературные образования не содержат гигроскопической влаги.
Чтобы выстроить полную и последовательную картину гидротермальных преобразований, на каждом месторождении сначала были исследованы неизмененные породы, распространенные вне зоны влияния гидротерм, а затем породы, испытавшие гидротермальные преобразования.
Высокотемпературные глубинные растворы вызывают четкую последовательность изменения свойств — уплотнение, упрочнение, снижение пористости и проницаемости, удаление гигроскопической влаги. Изначально пористые, влагоемкие, гигроскопичные, низкопрочные туфы превращаются в плотные, высокопрочные образования. Эта тенденция наблюдается для всех основных типов растворов (хлоридно-натриевых, сульфатно-хлоридных, гидрокарбонатных), формирующихся в глубинных зонах ГМС. Упрочнение пород происходит вследствие заполнения межобломочного пространства вторичными минералами, формирования жестких, прочных контактов между обломками, перекристаллизации тонкообломочного базиса во вторичный микроагрегат, состоящий из более плотных и прочных минералов. Среди этих минералов большая роль принадлежит кварцу, эпидоту, прениту, альбиту.
В наибольшей степени повышение величин упругоплотностных и прочностных показателей проявляется при образовании среднетемпературных пропилитов и вторичных кварцитов. Такие преобразования наблюдаются на Мутновской, Баранского и Северо-Парамуширской ГМС (таблица). В частности, плотность туфов увеличивается от 1,1—1,7 г/см3 у неизмененных разностей до 2,3—2,6 г/см3 у переработанных пород, прочность повышается на порядок (до 100 МПа и более), Ур повышается в 2—3 раза (от 1,5—2,5 до 4,5—5,5 км/с). При этом пористость туфов снижается с 30—50% до нескольких процентов, существенно уменьшается водопоглощение туфов (от
25—40% до нескольких процентов), а гигроскопическая влажность исчезает.
Сравнительная характеристика свойств неизмененных туфов и среднетемпературных пропилитов
Порода р, г/см3 Щ % Ур, км/с Яе, МПа Число образцов
Северо-Парамуширская ГМС
Неизмененные туфы 1,3* 1,1-1,5 39 1,4 1,3-1,7 6 3-10 20
Среднетемператур-ные пропилиты 2,6 <1 4,25 4,0-4,5 73 50-95 5
Мутновская ГМС
Неизмененные туфы 1,4 0,9-1,6 25 1,8 1,3-2,4 5 1-12 8
Среднетемператур-ные пропилиты 2,6 2,3-2,7 1 4,7 3,9-5,6 90 60-190 70
ГМС вулкана Баранского
Неизмененные туфы 1,5 1,2-1,7 23 1,7 1,4-1,9 20 5-35 10
Среднетемператур-ные пропилиты 2,3 2,1-2,7 5 3,8 3-5,2 75 40-130 28
Вторичные кварциты 2,5 3 4,3 4-4,5 115 90-160 7
* Над чертой — среднее значение, под чертой — минимальное и максимальное значения.
Эффузивные породы под влиянием высокотемпературных растворов также испытывают уплотнение и упрочнение, хотя и в меньшей степени, чем туфы. В некоторых случаях степень переработки может быть настолько высокой, что породы утрачивают свои первичные особенности. В этом случае разница в свойствах между эффузивными и вулканогенно-обломочными породами исчезает.
Динамика изменения свойств пород, вызванных воздействием низкотемпературных растворов, более сложна и многообразна. Это обусловлено рядом факторов. Низкотемпературные растворы формируются прежде всего в приповерхностных горизонтах ГМС; для этих горизонтов характерно интенсивное смешение восходящих парогидротерм с метеорными и близповерхностными кислыми водами, в результате чего здесь преобладают слабокислые или кислые воды разнообразного состава. Эти воды, в отличие от высокотемпературных, активно выщелачивают минералы, растворят и переносят химические компоненты и т.д. Изменение свойств пород в этом случае во многом зависит от того, какой процесс превалирует: выщелачивание породы, залечивание пор и трещин или метасоматическое замещение первичных минералов более устойчивыми вторичными образованиями. При выщелачивании формируется вторичная пористость, породы разуплотняются; осаждение вторичных минералов в поровом пространстве приводит к обратному эффекту — породы уплотняются, снижаются их пористость и проницаемость; при замещении первичных
минералов на изменение свойств существенно влияет состав вторичных минералов. Таким образом, влияние низкотемпературных растворов на свойства вулканитов неоднозначно и требует подробного изучения, а также анализ геолого-структурных, петрологических, гидрогеохимических и других особенностей в каждом конкретном случае.
Химический состав термальных растворов. При низкотемпературных процессах существенное влияние на изменение свойств пород оказывают химический состав термальных вод и их кислотность—щелочность. В результате воздействия низкотемпературных вод с различными параметрами образуются разнообразные минералы — кремнистые образования (опал, три-димит, кристобалит, халцедон, кварц), глинистые минералы (каолинит, галлуазит, монтмориллонит, смешанослойные), цеолиты, алунит, которые по-разному влияют на свойства породы.
Опалитовая зона. Опалиты образуются под действием сернокислотного выщелачивания вулканогенных пород, вызываемого субповерхностными низкотемпературными сульфатными (хлоридно-сульфатными) водами с рН 1—3. Они широко развиты и образуют плащеобразные покровы в пределах ГМС Мутновской, Северо-Парамуширской, Кошелевской и Баранского. Под действием сернокислотного выщелачивания происходит вынос основных породообразующих компонентов из вмещающих пород (как правило, за исключением 81), которые в итоге превращаются в пористые, монокремниевые образования. Минералы кремнезема формируют псевдоморфозы по первичным компонентам. Вулканическое стекло замещается криптокристаллическим агрегатом кри-стобалита. При этом вполне закономерно изменяются свойства пород, однако последовательность изменения свойств у туфов и эффузивов различна.
Слабосцементированные пористые туфы под действием опалитизации становятся более прочными, повышаются их упругие характеристики, несмотря на то что уплотнение не происходит и пористость остается высокой. Основная причина этого заключается в формировании жесткого кремнистого каркаса, пористого, но более прочного по сравнению со слабой первичной цементацией туфов. В частности, неизменные туфы Мутновской ГТС характеризуются следующими значениями показателей свойств: р=0,9+1,5 г/см3, «=40-60%, у=1,5+2,2 км/с, Яе< 10 МПа. У пород, преобразованных в опалиты, эти свойства таковы: р=1,5+1,9 г/см3, «=30+40%, Ур=2,0+3,3 км/с, Яе=20+30 МПа [Фролова, Ладыгин, 2008]. В некоторых случаях происходит осаждение кремнезема и заполнение пор тонкокристаллическим кварцем или халцедоном, что приводит к формированию более плотных («=10%) и прочных (Яе=50 МПа) пород. В ассоциации с опалитами часто образуются гематит и гидроксиды железа, придающие бурую, а иногда пеструю окраску и вызывающие некоторое увеличение плотности.
При опалитизации литифицированных плотных туфов и эффузивных пород наблюдается противоположное явление — снижение плотности, прочности, упругих характеристик, формирование вторичной пористости. В частности, для андезитов с термальных полей Кошелевской ГМС удалось выстроить последовательный ряд по степени изменения пород: от свежего андезита до полностью переработанной породы — белого, легкого пористого опалита [Фролова и др., 2010]. С увеличением степени переработки пород микролиты и вулканическое стекло преобразуются в криптокристаллический кристобалит (опал, тридимит). Фенокристаллы выщелачиваются и замещаются тонкокристаллическим агрегатом, состоящим из кристобалита, иногда с примесью каолинита. Каолинит характерен для промежуточных стадий переработки, тогда как конечный продукт изменения практически целиком сложен кристобалитом. Замещение носит псевдоморфный характер. Вследствие выщелачивания и выноса первичных компонентов
Рис. 3. Изменение свойств андезитов под действием сернокислотного выщелачивания на Верхнекошелевском термальном поле: а — пористость; б — скорость распространения продольных волн; 1 — свежие андезиты (8Ю2 55%); 2 — измененные андезиты (8Ю2 70%); 3-5 — опалиты (8Ю2 86-91%)
формируется вторичная пористость (андезиты 8%, опалиты 37%), уменьшается плотность твердой фазы (от 2,85 до 2,31 г/см3), снижаются значения упруго-плотностных свойств (рис. 3); прочность на одноосное сжатие уменьшается в 4 раза — со 120 до 30 МПа. Отмечается снижение значения коэффициента Пуассона от 0,31 до 0,14. Это происходит вследствие формирования «ажурной» кремнистой структуры, при нагружении которой поперечные деформации малы и которая имеет хрупкий характер разрушения. Магнитная восприимчивость при образовании опалитов уменьшается на три порядка (от десятков до долей ед.СИ-10-3), что вызвано разрушением рудных и темноцветных минералов, обладающих ферромагнитными и парамагнитными свойствами и формированием кремнистых минералов — диамагнетиков.
Каолинитовая зона. Повышение рН до 4-5 приводит к образованию каолинита, что вызывает снижение физико-механических свойств вулканитов (^с~10 МПа, ^=1,5+2,0 км/с), образование гигроскопической влаги (1-5%), снижение проницаемости. В данных условиях основная масса туфов замещается каолинитом и опалом, кроме того, нередко присутствуют гидроксиды железа и диок-таэдрический монтмориллонит. Новообразованные минералы развиваются в основном по цементирующей массе породы, оставляя обломки плагиоклазов и пироксенов относительно свежими. Туфы легкие (р=1,6+1,7 г/см3), высокопористые («=35+40%), с Ур около 2,0 км/с и невысокими значениями прочности (^е=7+20 МПа). При прогрессирующем подкисле-нии раствора каолинит растворяется и замещается галлуазитом, образуя полностью переработанную белую породу, очень легкую (р=1,35 г/см3), высокопористую («=47%), влагоемкую (№=21%), малопрочную (^е=10 МПа) и разупрочняющуюся на 50% при водонасыщении, с полностью отсутствующими магнитными свойствами.
Смектитовая зона. Под действием гидрокарбонатных вод с рН 5-6 образуются глинистые минералы группы смектита. Эта зона обнаружена на всех исследованных гидротермальных системах. Смектит псевдоморфно замещает первичные минералы, развивается по вулканическому стеклу, что приводит к снижению физико-механических свойств пород (^е=10+20 МПа, ^,=2 км/с) и появлению гигроскопической влаги (№=2+6%). Аргиллизированные породы теряют прочность при взаимодействии с водой — размягчаются, в некоторых случаях размокают. Кроме того, смектиты существенно снижают проницаемость пород, несмотря на их высокую пористость (п=35+50%). Нередко целые массивы вулканогенных пород превращаются в глинистые толщи, причем замещение носит псевдоморфный характер. Зона аргиллизации часто служит верхним экранирующим горизонтом ГМС.
Зона высококремнистых цеолитов. Повышение рН раствора до значений, характерных для щелочной
среды, приводит к формированию высококремнистых цеолитов в ассоциации со смектитами. Высококремнистые цеолиты (клиноптилолит, морденит, гейлан-дит) часто образуют пленочный цемент в туфах, при этом межобломочное пространство остается пустым. Такие породы высокопористые, с низкими значениями плотности. Они могут быть проницаемыми, но присутствие смектита снижает проницаемость.
Зона цеолитовых пропилитов образуется под действием щелочных растворов с температурой около 200 °С. Эта зона широко развита на Паужетской ГМС, где наблюдается полная переработка туфов в хлорит(корренсит)-ломонтитовую породу с вторичной гранобластово-микропойкилитовой структурой. Это высокопористые («=35+40%), низкопрочные (Яе<10 МПа) породы с аномально низкими значениями Ур~1 км/с, что, по-видимому, обусловлено особым микропористым строением хлорит-ломонтитового матрикса породы со слабыми контактами между микрокристаллами, замедляющим время прохождения упругих волн.
В целом цеолитизация и аргиллизация способствуют снижению упруго-плотностных и прочностных показателей, а под действием сернокислотного выщелачивания — в результате развития кремнистых минералов — упругие и прочностные характеристики туфов, напротив, повышаются, несмотря на увеличение пористости.
Фазовое состояние флюида. Особыми с точки зрения термодинамического и геохимического режимов являются области фазового перехода жидкость—пар. Они могут быть приурочены к открытым тектоническим нарушениям, где происходит резкое падение литостатического давления, в результате чего гидротермы закипают; их кипение сопровождается резким снижением температуры. Также кипение может происходить по мере подъема гидротерм к поверхности (при пересечении точки кипения при данных давлении, температуре и составе раствора). Процесс кипения сопровождается потерей тепла и снижением температуры, отделением газовой составляющей, ощелачиванием раствора. Зоны «вскипания» образуются на различной глубине. Они фиксируются кварц-адуляровой, вайракит-эпидот-кварц-адуляровой минеральными ассоциациями, в основе которых лежит тонко- и криптокристаллический, реже мозаичный кварц и почти всегда адуляр [Структура..., 1993]. Интенсивно окварцованные породы отличаются высокой плотностью (р=2,3+2,4 г/см3), большой прочностью (Яе>80-100 МПа), высокими значениями Ур=4,0+4,2 км/с и отсутствием магнитных свойств, так как основной породообразующий минерал — кварц — диэлектрик. Между тем противоположное влияние на свойства оказывает наличие крупных пустот выщелачивания, характерных для этой зоны. В этом случае формирование вторичной пористости снижает плотностные (р<2 г/см3), упру-
гие (Ур~3,0+3,5 км/с) и прочностные (Яе=40 МПа) характеристики пород.
Продолжительность гидротермального процесса. Изменчивость свойств пород в пределах ГМС зависит от продолжительности гидротермального процесса. Это видно при сравнении трех хорошо изученных ГМС — Паужетской, Мутновской и Баранского, функционирующих в течение разного времени и находящихся на разных стадиях развития [Рычагов и др., 2005]. ГМС Баранского наиболее молодая и находится на прогрессивной стадии развития. Гидротермальные зоны этой системы (особенно низкотемпературные) характеризуются широким диапазоном значений физико-механических показателей, что обусловлено значительным влиянием первичных петрографических неоднородностей, неравномерностью и незавершенностью гидротермальных преобразований. В пределах одной зоны могут встречаться как неизмененные, так и полностью переработанные породы, обладающие разными свойствами. Мутновская ГМС проходит экстремальную стадию развития. Гидротермальные зоны по петрофизическим показателям обосабливаются в отдельные области. Паужетская ГМС — наиболее древняя из рассматриваемых систем. В настоящее время она находится на регрессивной стадии развития, для которой характерно наложение низкотемпературных преобразований на более ранние высокотемпературные. Регрессивному этапу развития соответствует более интенсивный и продолжительный процесс преобразования пород, в результате которого сформировались гидротермальные зоны, однородные по составу и свойствам. Таким образом, в ходе эволюции систем увеличивается разница в свойствах между зонами и возрастает однородность пород внутри каждой зоны.
Выводы. 1. Гидротермально-магматические системы Курило-Камчатской островной дуги сформированы в толщах вулканогенных пород неоген-четвертичного возраста. Свойства вмещающих пород — эффузивных и вулканогенно-обломочных — изначально заметно различаются. Эффузивные породы характеризуются более высокими значениями плотностных, прочностных и деформационных характеристик; они менее пористые и проницаемые.
2. Спектр термодинамических и физико-химических условий, в которых происходят гидротермальные преобразования, необычайно широк, что приводит к разнообразию формирующихся пород. Вулканогенные породы превращаются в совершенно новые, гидротермально-метасоматические образования — монокварциты, разнообразные пропилиты, цеолитовые образования, аргиллизиты, опалиты, кварц-адуляровые метасоматиты и т.д.
3. Термальные воды, воздействуя на вмещающие породы, приводят к существенным и разнонаправленным изменениям их свойств. Динамика изменения свойств пород при гидротермальном процессе зависит от ряда факторов, основные из них — осо-
бенности первичной породы, РТ-условия в системе, химический состав и рН флюида, фазовое состояние флюида, продолжительность взаимодействия раствор—порода.
4. Высокотемпературные глубинные растворы, практически независимо от их состава, уплотняют, упрочняют, повышают деформационные характеристики, снижают пористость и проницаемость, удаляют гигроскопическую влагу. Такие изменения свойств наблюдаются как для эффузивных пород, так и для туфов, но у последних они проявляются сильнее. Это происходит вследствие заполнения межобломочного/ межкристаллического пространства вторичными минералами, формирования жестких, прочных контак-
тов между зернами/кристаллами, перекристаллизации базиса во вторичный микроагрегат, состоящий из более плотных и прочных минералов.
5. Динамика изменения свойств пород, вызванного воздействием низкотемпературных растворов, сложнее и многообразнее; она может различаться для туфов и эффузивных пород. Существенно влияют на изменение свойств пород при низкотемпературных гидротермальных процессах химический состав и кислотность—щелочность термальных вод.
6. В ходе эволюции ГМС увеличивается дифференциация свойств между гидротермальными зонами и возрастает однородность пород внутри каждой зоны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Белоусов В.И., Сугробов В.М. Геологическая и гидрогеотермическая обстановка геотермальных районов и гидротермальных систем Камчатки // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток, 1976. С. 5-23.
Грязнов О.Н. Инженерная петрология метасоматитов // Зап. Горного института. 2003. Т. 53. С. 140-143.
Действующие вулканы Камчатки / Под ред. С.А. Федотова, Ю.П. Масуренкова. М.: Наука, 1991. 412 с.
ПилипенкоГ.Ф. Современные гидротермальные системы и термальные источники Камчатки // Современные гидротермальные системы и эпитермальные золото-серебряные месторождения Камчатки. Петропавловск-Камчатский, 1998. С. 8-21.
Рычагов С.Н., Белоусов В.И., Главатских С.Ф. и др. Северо-Парамуширская гидротермально-магматическая система: характеристика глубокого геологического разреза и модель современного минерало-рудообразования в ее недрах // Вулканология и сейсмология. 2002. № 4. С. 1-19.
Рычагов С.Н., Главатских С.Ф., Гончаренко О.П. и др. Температурный режим вторичного минералообразования и структура температурного поля в недрах гидротермальной системы вулкана Баранского (о-в Итуруп) // Вулканология и сейсмология. 1994. № 6. С. 96-112.
Рычагов С.Н., Коробов А.Д., Главатских С.Ф. и др. Эволюция метасоматических процессов в структуре гидротермально-магматических систем островных дуг // Мат-лы междунар. полевого Курило-Камчатского семинара «Геотермальные и минеральные ресурсы областей современного вулканизма» 16 июля-6 августа 2005 г. Петропавловск-Камчатский, 2005. С. 207-216.
Словцов И.Б. Минералого-геохимические критерии физико-химических условий в недрах геотермальных месторождений (на примере Мутновского геотермального месторождения, Камчатка): Автореф. канд. дисс. М., 1994. 28 с.
Структура гидротермальной системы. М.: Наука, 1993. 298 с.
Сугробов В.М. Геотермальные ресурсы Курило-Камчат-ского региона // Энергетические ресурсы Тихоокеанского региона. М.: Наука, 1982. С. 93-107.
Фролова Ю.В., Голодковская Г.А., Ладыгин В.М., Рычагов С.Н. О природе инженерно-геологических свойств
гидротермально-метасоматических пород Курило-Кам-чатского региона // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1999. № 3. С. 36-42.
Фролова Ю.В., Ладыгин В.М Петрофизические преобразования пород Мутновского вулканического района (Южная Камчатка) под воздействием гидротермальных процессов // Вестн. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2008. Вып. 11. № 1. С. 158-170.
Фролова Ю.В, Ладыгин В.М., Лучко М.В., Зухубая Д.З. Преобразование вулканогенных пород под действием сернокислотного выщелачивания в приповерхностной зоне современных гидротермальных систем // Мат-лы Междунар. науч. конф. «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии» 25-26 мая, 2010 г. М., 2010. С. 29-30.
Фролова Ю.В, Ладыгин В.М., Рычагов С.Н. Инженерно-геологические особенности гидротермально-метасоматических пород Камчатки и Курильских островов // Инженерная геология. 2011. № 1. С. 48-62.
Bertani R. Geothermal Power Generation in the World 2005-2010 Update Report // Proceed. WGC 2010, Bali, Indonesia, 25-29 April 2010 / CD-ROM.
Frolova J., Ladygin V., Rychagov S. Geothermal reservoir study through petrophysical data // Geother. Res. Council Transactions. 2001. Vol. 25. Р. 401-403.
Frolova J., Ladygin V., Rychagov S. Petrophysical alteration of volcanic rocks in hydrothermal systems of the Kuril-Kamchatka Island Arc // Ibid.
Ladygin V., Frolova J., Rychagov S. Formation of composition and petrophysical properties of hydrothermally altered rocks in geothermal reservoir // Proceed. WGC (Kyushu — Tohoku, Japan, May 28 — June 10). 2000. Р. 2695-2699.
Milsch H., Spangenberg E., Raab S. et al. Effects of pressure, temperature, fluid-rock interactions, and phase changes on the physical properties of geothermal reservoir rocks: the experimental perspective // Proceed. WGC. Indonesia, Bali, 2010. CD-ROM.
Sigurdsson O., Gugmundsson A., Fridleifsson G.O. et al. Database on igneous rock properties in Icelandic geothermal systems. Status and unexpected results // Proceed. WGC (Kyushu— Tohoku, Japan, May 28 — June 10). 2000. Р. 2881-2887.
Поступила в редакцию 30.11.2010
