Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Флюидогеодинамика и эпигенез калийных залежей (на примере Верхнекамского месторождения)

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Флюидогеодинамика и эпигенез калийных залежей (на примере Верхнекамского месторождения)"

РГ6 од

; ; ип

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Уральское отделэш*е Институт геологии и геохимии им.акад. А. Р.Заварицкого

На правах рукописи

Кудряшов Алексей Иванович

«ШЩОГЕОДИЯАИЙ?» И ЭПИГЕНЕЗ КАЛЯЙЗйС ЗАШЕЙ (¡¡а прикере Бэрхнекзмского месторождения)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогкческкх паук

Специальность 04.00.01 -общая и региональная геология

Екатеринбург - 1994

Работа Еыполнена в Горном институте Уральского отделения РАН

Офкцкальнке оппонента: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, Кариоз И.А.(ИЛ, г.Москва),

Ведущая организация - Пермский государственный университет им. М.Горького (г. Пермь)

Защита состоится 12 мая 1994 г. в 10 чаисщ на заседании специализированного соиета Д 0G2.81.02. Института геологии и геохимии им. академика А.Н.Заварицкогс Уральского отделения РАН по адресу: 620219, ГСП-644, Екатеринбург, Почтэлай пер.,7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геологии и геохимии им. академика А.Н.Заварицкого.

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Капчекко Л.Н. (ВНИГРЙ, г. Санкт-Петербург).

доктор геолого-минералогических наук, Аи^лмов Л.В. (ИГиГ УрО РАН, г. Екатеринбург) .

Автореферат разослан марта 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.г.-м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Газы, вода, нефть, магма и грязи как текучие геоматериалы были .известны человечеству очень давно. С появлением и развитием геологической науки оказалось, что во многих случаях перемещение масс каменной соли, глин, ангидридов, серпентинитов и многих других "твердых" пород лучше рассматривать как течение очень вязких жидкостей. Более того, результаты специальных реологических и геологических исследований показали, что все реальные тела в условиях длительного тангенциального напряжения ведут себя как жидкости. Таким образом, любое геологическое тело в определенных условиях может представлять собой подвижную среду (флюид).

В последние десятилетия неоднократно высказывались идеи единства физических и математических моделей переноса, методологии и конкретных методов исследований миграции различных подвижных сред. Однако, до сих пор отсутствует единая физико-геологическая концепция миграции всех флюидов в недрах Земли. Создавшаяся ситуация препятствует росту эффективности научных исследований и геологоразведочных работ.

Обращение автора к общим вопросам флюидогеодинамики в какой-то мере является вынужденным, поскольку разработка методик прогнозирования важнейших горно-геологических условий освоения Верхнекамского месторождения (единственной сырьевой базы калийной промышленности России) была невозможна без решения ряда теоретических вопросов. Большинство из этих вопросов являются общими для всех калийных залежей и в совокупности представляют собой проблему роли миграции флюидов в формировании данного типа месторождений. Малая пористость солей и их высокая механическая подвижность (текучесть) явились в некоторых случаях причиной предубеждения в том, что соляные толщи

не проницаемы для окружающих флюидов, а их внутренние части не изменяют своего состава на стадиях диагенеза и катагенеза. Сложившийся стереотип тормозит развитие теории галогенеза, что. в свою очередь, мешает повышению эффективности освоения калийных месторождений. В этом отношении проведенные исследования стали особенно актуальными после затопленияв 1986 году самого крупного в мире Третьего Березниковского калийного рудника.

Цель и задачи исследований. Цель исследований -. построение единой физико-геологической>концепции современной флюидогеодинамики и раскрытие роли миграции флюидов в эпигенезе калийных залежей. Реализация поставленной цели потребовала теоретической проработки и решения ряда задач, основными из которых являются:

1.Характеристика флюидогеодинамики. как отрасли научного знания.

2.Разработка физико-геологических основ и характеристика флюи-догеодинамических процессов.

3.Анализ и уточнение общегеологической роли миграции флюидов.

4. Раскрытие роли флюидогеодинамических процессов во вторичном преобразовании калийных залежей (выявление основных факторов эпигенеза солей и форм участия флюидов в процессах их вторичного преобразования, определение роли миграции подземных вод в формировании

I I .

изменчивости минерального состава калийных залежей, установление причин и механизмов течения солей Соликамской впадины, выявление природы очагов внезапных выбросов соли и газа).

Исходные материалы и методы решения задач. Исходными материалами при решении задач общей флюидогеодинамики явились опубликованные работы, что при огромном разнообразии флюидов вполне закономерно. Остальная часть диссертации написана, главным образом, на основе материалов, полученных в ходе исследований геологии Верхнекамского месторождения, которые автор проводил в период научной деятельности в Пермском государственном университете (1972-1975 гг.), Уральском

филиале ВНИИГ (1975-1988 гг.) и Горном институте УрО РАН (1988-1993 гг.) в качестве руководителя или ответственного исполнителя бюджетных и хоздоговорных тем. Лично автором, или под его руководством, были обследованы тысячи подземных горных выработок семи калийных рудников Верхнекамского бассейна, сделано несколько сот геологических зарисовок и фотографий, отобрано более 200 образцов и проб. В обобщение вкЛючены материалы Соликамской ГРП (данные разведки Верхнекамского месторождения) и рудников АО Уралкалий и Сильвинит (данные эксплуатационного опробования и геологическая документация ныне недоступных горных выработок).

Для решения общих задач флюидогеодинамики использовались анализ и синтез, сравнение и обобщение, идеализация, мысленный эксперимент, построение гипотез, классификация и другие общенаучные методы. При получении и обработке собственного фактического материала, кроме отмеченных, использовались полевые (визуальные наблюдения, зарисовки, фотографирование, замеры и др.), лабораторные (химический, минералогический, рентгено-структурный. изотопный, люминес-центно-битуминологический анализы, петрографическое описание шлифов, микрофотография, термобарогеохимия, инфракрасная спектроскопия, газовая и тонкослойная хроматография) и математические (геометро-статистическая обработка результатов опробования, корреляционный и регрессионный анализы, моделирование химических и физических процессов) методы.

Научная новизна и защищаемые результаты. Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем: на основе расширения содержания понятия флюид, предложены новые определения флюидогеодина-мики и ее базовых понятий; впервые разработана полная иерархическая классификация флюидодинамических систем и дана характеристика ее таксонов; выведена формула для расчета горизонтального смещения потока элизионных вод при уплотнении наклонно залегающих квазиоднородных толщ осадков; установлено, что пространственная ассоциация

флюидов и следов их миграции в большинстве случаев обусловлены единством'путей миграции; а'не общностью их источников; проведено обобщение и систематизация обширного материала по геологической роли миграции флюидов и. в частности, выявлены основные механизмы образования инъективных дислокаций (импрегнация, инъекция, пенетра-ция); показано, что основными факторами эпигенеза калийных залежей являются механические силы и химическая активность вод, которые проявляются в периоды действия литодинамических. гидродинамических и магмодинамических систем; выявлен ряд принципиально новых элементов и закономерностей геологического строения Верхнекамского месторождения (пять уровней изменчивости минерального состава продуктивных пластов, резкое различие в строении геохимических полей карнал-литовой и сильвинитовой зон залежи и в их соотношении с морфострук-турными пфлями. новые типы пород и систем флюидопроводников, органическое вещество солей, кроме сингенетического, содержит и эпигенетический битум - нефть, будинаж пластов и прослоев несоляных пород в пределах крупных отрицательных (лрлстур месторождения) и дано их генетическое толкование; реконструирован ряд важнейших условий и механизмов формирования современного облика калийной залежи Верхнекамского месторождения, в отношении которых дискуссия приобрела наиболее острый характер (Соликамский солеродный бассейн был глубоководным и характеризовался выдержанностью гидрохимических условий, латеральная изменчивость минерального состава продуктивных пластов - результат разномасштабного проявления метасоматоза, основным фактором которого явилась миграция подсолевых вод, в том числе и гидротерм, причинами соляной тектоники являются галоюшез и региональный тектонические силы, основной механизм течения солей - ползучесть Кобле, а при избытке водных растворов имеет место динамическая перекристаллизация по принципу Кюри); очаги внезапных выбросов соли и газа являются реликтами ранее существовавших флюидоди-намических систем, содержащих газ.

защиту выносится: 1- концепция современной флюидогеодинамики, в основу которой положены новое содержание понятия флюид и результаты обобщения огромного фактического материала по геологической роли миграции всех природных подеижных сред; 2 - выявленные закономерности эпигенеза калийных залежей, отражающие роль миграции подземных вод и других флюидов во вторичном преобразовании состава и структуры соляных толщ на стадиях диагенеза и катагенеза; 3 - теоретическая основа для разработки методов прогнозирования горно-геологических условий освоения Верхнекамского месторождения калийных солей, как совокупность выявленных причин и механизмов формирования состава его продуктивных пластов, складчатых структур и очагов внезапных выбросов соли и газа.

Практическое значенка работа. Результаты работы могут быть использованы при прогнозировании месторождений полезных ископаемых и инженерно-геологических условий освоения недр. Для Верхнекамского месторождения полученные результаты являются теоретической основой для разработки методик прогнозирования горно-геологических условий отработки его запасов (зоны замещения, интенсивность внутрисоляной складчатости, строение и состав водозащитной толщи и др.). Полученные результаты лежат в основе разработанного способа прогнозирования очагов внезапных выбросов соли и газа (АС СССР N 994767) и более 15 заключений о степени опасности отработки участков шахтных полей с аномальным строением соляной толщи на рудниках АО Уралкалий и Сильвинит.

Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались на: ежегодных научных конференциях геологического факультета Пермского государственного университета (1973-1975), Всесоюзных солевых совещаниях (Новосибирск,1974,1979,1988, Лиманчик,1983), конференции молодых галургов (Ленинград, 1976), совещании "Зоны замещения и разубоживания залежей калийных солей и возможные пути их прогноза на всех стадиях геологоразведочного процесса" ( Ленинград,

1985), 1-й Всесоюзной конференции "Геодинамические -основы прогнозирования нефтегазоносностй недр" (Москва, 1988), Всесоюзной конференции "Геология и минерально-сырьевые ресурсы Европейского Северо-востока СССР" (Сыктывкар,1988), региональных совещаниях по проблеме водозащитной толщи калийных месторождений (Березники, 1988, 1989, 1993; Пермь, 1991;--Соликамск. 1992), 6-м международном симпозиуме "Взаимодействие вода-порода" (Великобритания, Мальверн, 1989), Международном конгрессе "Пермская система земного шара" (Пермь, 1991), региональном совещании "Проблемы техногенного изменения геологической среды и охраны недр в горнодобывающих регионах (Пермь, 1991), научно-технической конференции "Геологические исследования и охрана окружающей среды на Западном Урале" (Пермь, 1991), научной конференции "Геология и минеральные ресурсы Западного Урала" (Пермь, 1993).

По теме диссертации опубликовано более 40 работ, в том числе монография и две энциклопедические статьи. Основные результаты исследований опубликованы в центральных и региональных издательствах ("Советская энциклопедия", "Наука", изд-во УрО РАН и др.). Общий объем публикаций - 23 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, включающего 547 наименований. Первые четыре главы составляют общетеоретическую часть флюидогеодинамики, две последующие посвящены ключевым вопросам эпигенеза калийных залежей, которые рассматриваются, в основном, на примере Верхнекамского месторождения. Диссертация содержит 360 страниц машинописного текста, который иллюстрирован 30 таблицами- и 116 рисунками (в том числе 26 фотографий, из них 17 - цветные). Рисунки оформлены в виде отдельного приложения к диссертации.

Пользуясь случаем, выражаю искреннюю признательность моим учителям профессорам В.Ф.Мягкову и А.Е.Ходькову, инициировавшим интерес автора к рассматриваемым здесь вопросам. Я благодарен Андрейко

С. С.. БаряхуА. А.. Бойченко А.П., Галкину В. И., Голубеву Б. М.. Джи-норидзе Н.М., Зильберимидту В. В., Ковалевичу В.М., Корочкиной О.Ф.. Кузнецову Н.В., Молоштановой Н.Е., Николаеву A.C., Одинцовой Т. А.. Платыгину В.И., Поповой В.И., Протопопову А.Л., Раевскому В.И.. Са-пегину Б. И., Сапфировой С. С.. Скрябиной Н.Е.. Суетиной Л. А., Фоти-ной Л. А., Ходьковой С. В., Чеснокову Б. В. и Шурубору Ю. В. за помощь в работе и конструктивные замечания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Часть I. ОБЩАЯ ФЛВДДОГЕОДИНАМИКА

Глава 1. Характеристика предмета исследований

Глава предваряется кратким историческим обзором развития идей флюидогеодинамики, наибольший вклад в становление которой принадлежит П. Н.Чирвинскому, А. Е. Ходькову, Г.Л.Поспелову, Ю. А. Косыгину и Е.А.Гуревичу. Анализ работ А.Е.Ходькова (1956, 1973 и др.), Г.Л.Поспелова (1963,1969 и др.), А.Е.Гуревича (1976), У.Файфа, Н.Прайса, А.Томпсона (1981), Р.Е.Чепмена (1983) и других исследователей делается вывод, что в-настоящее время отсутствует четкое определение флюидогеодинамики и других понятий, употребляемых в этой области знаний. Автор предлагает следующие определения:

Флкндогеодинамнка (ФГД) - раздел диншмческой геологии, изучающий процессы механической миграции флюидов в недрах Зешш с целью установления закономерностей и геологической роли этой миграции. Ее объектом являются природные флюида, а предметом - законы их механической миграции и геологические результаты этой миграции. Исходные положения ФГД: все геологические тела при соответствующих условиях могут проявлять свойство жидкостей (течь); процессы механической

миграции флюидов подчиняются законам механики жидкостей; основными источниками энергии процессов ФГД являются работа опускания более плотных масс и тепло Земли.• Задачи ФГД: установление видов природных флюидов и условий их существования; определение движущих сил миграции флюидов; предск£занйе новых процессов ФГД; оценка геологической роли миграции фЛюидов; разработка методов прогнозирования геологических результатов миграции флюидов. Основные понятия ФГД -флюид, миграционное напряжение и флюидодинамическая система.

Флюид - геологическое тело, характеризующееся состоянием текучести. вызванным внешней силой, врет непрерывного действия которой превышает время релаксации данного вещества. В геологических процессах. длительность которых нередко измеряется миллионами лет. в качестве флюида могут выступать не только газы, водные растворы, нефть, илы, магма, но и глины, соли, гипсы, ангидриты, известняки и другие "твердые" геоматериалы.

Миграционное напряжение - это перепад потенциальной механической энергии между двущ точками, 01>.рв'}:ляющий возможность, направление и интенсивность перемещения флюида. Миграционное напряжение т\ рассчитывается по формуле ц = Арф - pgДh (где Арф - разность давлений флюида в точках, р - плотность флюида. ДЪ - разность высотного положения точек). При трО флюид перемещается вверх, при П<0 - вниз.

Флюидодинамическая система (ФДС) - геологическое тело, представленное . флюидом, механически взаимодействующее с вмещающим субстратом земных недр, все част которого гидравлически связаны между собой и находятся в упорядоченном движении под действием миграционного напряжения, созданного какой-либо одной причиной. Полная ФДС состоит из областей питания, транзита и разгрузки. Количество областей в ФДС может быть различным, иногда они ' пространственно совпадают.'

В заключении главы приведена характеристика функциональных свя-

ФГД с другими науками.

Глава 2. Геолого-физические основы флюидогеодинамики

Природно-физическими предпосылками ФГД являются: механическая напряженность горных пород и ее неоднородность по горизонтали: генетически обусловленная фазовая гетерогенность продуктов литогенеза. метаморфизма и дифференциации первичного вещества Земли; неодинаковая текучесть и плотность геоматериалов. На основании обобщения большого объема литературных данных дается характеристика свойств, источников и путей миграции флюидов. Главными свойствами флюидов являются вязкость и плотность, которые определяют основные особенности их миграции и разгрузки. Общий диапазон вязкости флюидов -п- 10~5*п-1025 Па-с. диапазон их плотности - 1-10~4+5.0 г/см3. Эти свойства зависят от природы вещества, слагающего флюид, температуры и. в меньшей степени, от давления.

В ходе геологических процессов продуцируется огромное количество флюидов различного состава. Основными источниками флюидов, вязкость которых не превышает 1-Ю10 Па-с, являются инфильтрация метеорных вод, процессы седиментации, преобразование и разложение органического вещества, обезвоживание кристаллогидратов, метаморфизм, дегазация недр Земли и другие процессы. По приближенным оценкам (Фай®. Прайс. Томпсон. 1981) в ходе образования каждого объема пород гранулитовой фации выделяется ■ такой же объем легкоподвижных флюидов. Можно считать, что количество флюидов в недрах Земли практически неограничено, если учесть, что при соответствующих условиях любая горная порода может стать флюидом.

Важнейшим условием существования ФДС является наличие флюндоп-роводников, т.е. систем гидравлически связанных между собой пор и трещин, а так же разломов и каналов различного масштаба. Каналы по

отношению к трещинам и разломам обычно'являются вторичными. Значительная роль в образовании новых флюидопроводников принадлежит флю-идоразрыву. Количество флюидопроводников с глубиной в общем уменьшается, однако, они не исчезают полностью - смыканию их стенок препятствует само давление флюидов. Во всяком случае наличие флюидопроводников на глубинах до 12,5 км подтверждено бурением сверхглубоких скважин.

Глава 3. Динамика флюидов.

Рассмотрена терминология, применяемая при характеристике давлений в недрах Земли. В частности, показано, что в настоящее время отсутствует различие в понятиях поровое и пластовое давление. Предлагается применять определение понятия "давление флюида" данное К.В.Бернемом (1970): под давлением рф (давление флюида - А.К.) понимается давление, принимаемое или производимое флюидом. Обращено внимание, что использование термина "гидростатическое давление", как количественной характеристики давления флюида, неверно. Этот термин может и должен применятся только в одном смысле - как сжимающее равномерное всестороннее давление. На этом основании предлагается вместо термина "условное гидростатическое давление" (давление столба пресной воды) употреблять термин "условное давление".

Дан анализ причин возникновения миграционного напряжения, которые весьма разнообразны и нередко действуют совместно. К ним относятся: различие абсолютных отметок областей питания и разгрузки, уплотнение осадков, передача тепла от одного тела к другому, фазовые превращения и термическая деструкция веществ, тектонические движения, передача давлений с одних уровней на другие, силы всплы-вания, осмотические явления и другие процессы.

По причинам, механизмам, скоростям, путям миграции и условиям

разгрузки флюидов среди ФДС выделяются газодинамические, гидродинамические. вулканодинамические и литодинамические системы (рис.).

Газодинамические системы представлены флюидами, вязкость кото-

I

рых не превышает 0.5 МПа-с. Газы характеризуются сильной упругой сжимаемостью, что лежит в основе механизма самой быстрой формы разгрузки (взрывов), не характерной для всех других типов флюидов. Сжимаемость предопределяет еще одну особенность газодинамических систем - относительно небольшой размер по вертикали и приуроченность их к самым верхам земной коры. Дело в том, что при сильном сжатии свойства газов (вязкость, плотность) приближаются к свойствам жидкости (Соколов, 1971) и, следовательно, уподобляются гидродинамическим системам. Приведена краткая характеристика областей питания, условий транзита и разгрузки систем этого типа.

Гидродинамические системы получили свое название по наиболее типичному представителю флюидов этих систем - воде. Кроме того, флюидами этих систем являются нефть, сжиженные газы и другие природные жидкости, вязкость которых находится в интервале от 0,5 МПа-с до 1 Па-с. Обычными путями миграции флюидов гидродинамических систем являются поры и трещины. Область существования этих ФДС -вся земная кора, а также некоторые участки более глубоких недр. Кратко освещены инфильтрационные системы. Подробнее рассмотрены элизионные системы, направление движения флюидов которых в областях транзита зависит в основном от двух факторов - степени однородности состава по разрезу уплотняющейся осадочной толщи и общего угла наклона ее залегания. Показано, что даже в однородной толще, формирующейся на наклонном основании, при уплотнении происходит латеральная миграция флюидов. Получена формула для расчета полного горизонтального смещения потока X:

X = ^Оо/Кио) | ^(Щ-сй,

-Л и

о

о

ш -у

<

X

з: <

о

£ в-

вы л к а но-динами-

ЧЕСЛИЕ

Г И ДРО-ДИНАМИЧЕСКИЕ.

мстамо р<р о г *.нны£

АДВЕКТИВНЫЕ / СЕДИМЕНТОГЕННЫЕ

\

ТЕКТОНОГЕННЫЕ

СТАТИЧЕСКИЕ

ПРЕССИОННЫЕ

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ

ПЕНЕ ТРАЛЬНЫЕ

ПЕЛОДИНАМИЧЕСКИЕ

ГРЯЗЕВУЛКЬНИЧЕСКИЕ

ПЛУТОНИЧЕСКИЕ

МАГМО ДИНАМИЧЕСКИЕ

ВУЛКАНИЧЕСКИЕ

ЭЛИЭИОННЫЕ.

ИНФИЛЬТРАЦИОННЫЕ

К К

С. ФЛИШОИДНЫХ. толщ

с. лвкгиоднор. толш,

АРТЕЗИАНСКИЕ

С. ГРУНТОВЫХ, вод

КРИОДИНАМИЧЕСКИЕ

ОТКРЫТЫЕ

ЗАКРЫТЫЕ

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ

КОМБИНИРОВАННЫЕ

КОНВЕКТИВНЫЕ

ВОСХОДЯ Ш.ИЕ

ГАЗОВЫЕ СТРУИ

К*

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ

НЕПРЕРЫВНЫЕ

СИСТЕМЫ ПАРОВ

ГЕЙЗЕРЫ

ПАРОВЫЕ. СТРУИ

^■у МАРОЛЫ

ВРЕМЕННЫЕ

ПОСТОЯННЫЕ

ЭКСПДОЭИИ

К1

ПРОДУВКИ

ВЗРЫВЫ

типы

КЛАССЫ

ГРУППЫ

Рис. Схема классификации флюидодинамичесхих систем

где о«, - общий угол наклона уплотняющейся толщи, Кпо - коэффициент проницаемости отложений в основании толщи. Ь0 и - глубины залегания осадков в зоне поступления вод и интересующей нас части разреза толщи, Кп(Ю - функция коэффициента проницаемости отложений от глубины.

Криодинамические системы делятся на две группы - открытые и закрытые. Область разгрузки последних часто характеризуется образованием гидролакколитов. Значительное место уделено характеристике гидротермальных систем, среди которых автор выделяет три основные группы (восходящие, конвективные, комбинированные), отличающиеся друг от друга общим направлением миграции вод.

Вулканодинамические системы получили свое название по ярко выраженному характеру разгрузки магм и грязей на поверхность Земли -вулканизму. Вязкость флюидов этих систем колеблется от 1 Па-с до 1 ГПа-с. Вулканодинамические системы разделяются на магмодинамические и пелодинамические. Рассмотрены пути миграции, скорости и механизмы подъема магм, а также некоторые вопросы применения терминов. Грязе-вулканические системы разделены на два рода. Системы первого рода характеризуются тем. что их-флюиды (илы и другие слабоуплотненные осадки) существовали до начала деятельности самих систем. Типичным представителем очагов разгрузки этих флюидов являются грязевые вулканы дельт. Классические грязевые вулканы - это области разгрузки грязевулканических систем второго рода. Дана общая характеристика районов грязевого вулканизма и рассмотрены движущие силы и механизмы действия этих систем. Делается вывод, что наиболее прием'.емой моделью грязевого вулканизма является модель М.Н.Калинко (1960), согласно которой формирование канала и само действие грязевого вулкана происходит за счет внутренних сил (аномально высоких давлений флюидов). Область питания грязевулканических систем второго рода имеет два участка: первый - источник наиболее подвижных флюидов (вода, газ), второй - место, где генерируется сопочная грязь и гря-

зевулканические брекчии (вдоль стенок канала). К э'тим системам относятся т4к же грязевые вулканы, связанные с магматизмом и сейсмо-вулканы (песчаные вулканы).

Литодинамические системы характеризуются самой высокой вязкостью флюидов (ц>1 ГПа-с.), которые могут быть представлены солями. глинами, гипсами, ангидритами, углями, известняками и другими породами. Основными причинами миграции флюидов этих систем являются инверсия плотности разреза (адвективные системы) и неравномерность механической нагрузки (прессионные системы). Рассмотрены главные закономерности миграции флюидов всех груш этого типа систем.

Как и всякие природные тела ФДС возникают, развиваются и исчезают. Основными условиями их возникновения является наличие флюида, миграционного напряжения и путей миграции. ФДС исчезают по прекращению генерации или исчерпании источника флюида, утрате состояния подвижности веществом, представляющим флюид, снижение миграционного напряжения, колъматации или закрытии путей миграции, поглощении другой ФДС или переходе (превращении) в иную систему, уничтожении флюида и вмещающего его субстрата в результате эрозии.

.Гибель конкретной ФДС не всегда заканчивается абсолютным прекращением движения флюида. Она может означать переход (превращение) одной ФДС в другую в пределах одного класса. Например, переход системы грунтовых вод в артезианскую и наоборот. Имеет место также переход систем из одного типа в другой. Например, при снижении давления гидротермальные системы часто переходят в газодинамические. Отдельные части элизионных систем при определенных условиях постепенно переходят в пелодинамические (грязевые вулканы и сейсмовулка-

I '

ны). Однако об эволюции ФДС известно еще очень мало.

Для ФДС характерно не только переход одних систем в другие, но и тесное пространственное и временное совмещение миграции флюидов различных систем. Примером этого являются магматический вулканизм (магмодинамические, гидротермальные и газодинамические системы).

грязевый вулканизм (газодинамические, элизионные и пелодинамические системы), формирование и разрушение скоплений углеводородов (совместная миграция подземных вод. нефтей и газов) и другие явления. Таким образом, различие свойств, причин, конкретных геологических условий миграции и разгрузки флюидов, стадийность развития, взаимодействие и превращение одних ФДС в другие создают то бесконечное разнообразие проявлений и результатов механического перемещения подвижных сред, которое наблюдается в природе.

Рассмотрены наиболее часто встречающиеся случаи сочетания различных по природе флюидов и следов их миграции (углеводородов и солей, магм и солей, гидротерм и солей, углеводородов и гидротерм,

I

углеводородов и магм, гидротерм и магм и другие сочетания). Их анализ показал, что тесное переплетение различных флюидов и следов их миграции обусловлено обычно общностью путей миграции, а также наложением результатов миграции одних флюидов на более ранние, возникшие в ходе миграции других флюидов. Особую роль здесь играют долго-живущие разрывные нарушения.

Глава 4. Геологическая роль миграции флюидов

Эта роль характеризуется тремя аспектами: геохимическим, структурообразующим и геотермическим (в работе рассмотрены первые два).

. Геохимическая роль Проявляется в переносе вещества с одного, глубинного уровня Земли на другой, а также в образовании пород и месторождений полезных ископаемых. ФГД определяет образование почти всех горных пород. Главными флюидами при этом являются водные растворы и магма. Первые играют особую роль в формировании состава осадочных и метаморфических горных пород (цементация, метасоматоз, ги-пергенез и др.). Современный уровень исследований генезиса самых различных полезных ископаемых свидетельствует о том, что в подавля-

ющем большинстве случаев необходимым условием для их формирование является механическая миграция флюидов. В одних случаях тело полезного ископаемого может образоваться в результате фиксации флюида в недрах Земли или излияния его на дневную поверхность (самородная сера, сода, магнетитовые и сульфидные руды и др.). В других случаях месторождение формируется путем выпадения отдельных ингредиентов

I .»

мигрирующих флюидов или при выносе флюидами ингредиентов породы. Здесь существенная роль принадлежит водным растворам, меньшая -сжатым газам и нагретым парам. Роль миграции флюидов особенно велика в формировании и разрушении скоплений углеводородов. А.Леворсен (1970) отмечал, что геология нефти и газа в сущности является геологией флюидов. Разрушение месторождений в ходе механической миграции флюидов характерно не только для жидких, но и для твердых полезных ископаемых.

Структурообразующая роль миграции флюидов проявляется в образовании пликативных, дизъюнктивных и инъективных дислокаций. Последние образуются только при миграции флюидов. Инъективные дислокации могут формироваться в результате импрегнации, инъекции и пенетра-ции. Импрегнация - проникновение флюида в поровое пространство горных пород и отложение в нем привнесенного вещества. Заполнять это пространство могут как отдельные ингредиенты флюида, так и сам флюид, фиксирующийся в порах по каким-либо причинам. Так же формируются структуры при отложении вещества в пространстве, освободившемся при выщелачивании отдельных составляющих породы или всей породы, т.е. при метасоматозе. Инъекция - внедрение флюида в субстрат по трещинам с одновременным или последующим раздвиганием их стенок и фиксацией флюида или его составляющих в этом пространстве. Этот механизм образования инъективных дислокаций имеет 'очень широкое распространение и особенно при миграции магм. Пенетрация - смещение блоков, залегающих выше пород и проникновение в это пространство высоковязких флюидов.

Согласно классической концепции пликатвные дислокации в земной коре образовались под действием внешних тектонических сил: тангенциальных сил сжатия и вертикальных, обусловленных перемещением блоков фундамента относительно друг друга. Приводятся факты, которые не могут быть объяснены с этой точки зрения. Делается вывод, что пликативные деформации могут образоваться за счет процессов, протекающих в самой деформирующейся толще. Самым мощным из них является адвекция (Вихерт. 1981. Белоусов. 1976 и др.). Описаны механизмы ведущие к образованию структур компенсации, нагнетания и других пликативных деформаций.

В формировании дизъюнктивных дислокаций флюиды могут играть как активную, так и пассивную роль. В первом случае - это трещины гидроразрыва и системы разрывов, образующих так называемые черепаховые структуры,или структуры битой тарелки. Воспринимая геостатическое давление, флюиды пассивно участвуют в формировании локальных срывов, шариажей и других структур.

Часть II. ФЛЮИДОГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭПИГЕНЕЗА КАЛИЙНЫХ ЗАЛЕКЕЙ

Глава 5. Основные закономерности эпигенеза калийных залежей

Эпигенез калийных залежей рассмотрен, главным образом, на примерах солей хлоридаой ветви, поскольку они составляют подавляющую часть (более 90%) общего'количества калийных солей. Преобразование калийных залежей происходит под действием внутренних, обусловленных, главным образом, физико-химическим неравновесием соляного осадка (Страхов, 1962), и внешних факторов. Действие внутренних факторов на соляные минералы минимально и заключается в переходе

скелетных кристаллов в полногранные. Внешними являются механический, химический и термический факторы.. Последний фактор - второстепенный, так как действует, в основном, косвенно через снижение вязкости солей и повышение химической активности вод при их взаимодействии с соляными породами.

Механический фактор эпигенеза обуславливает изменение формы и внутренней структуры калийных залежей. Соляные тела (вместе с калийными залежами) при изменении формы и внутренней структуры, представляют собой литодинамические (адвективные и прессионные) системы. Основной этап проявления механического фактора в эпигенезе солей - катагенез. Дискуссионным здесь являются только механизм и, реже, причины течения солей.

Химический фактор проявляется в разрушении соляных тел и во вторичном изменении состава продуктивных пластов калийных залежей под воздействием подземных вод. Роль этого фактора на различных этапах эпигенеза калийных залежей исследователями . оценивается по разному. Одни считают, что химическое воздействие подземных вод ограничивается гипергенезом (системы грунтовых вод и артезианские гидродинамические системы). Другие полагают, что подземные воды имеют большое значение в изменении состава калийных солей и на стадиях диагенеза-катагенеза. В литературе этот вопрос обычно сводится к выяснению генезиса зон замещений продуктивных пластов каменной солью. Из работ В.Н.Аполлонова (1989), В.И.Борисенкова (1968), Г.Борхерта (ВогсЬеП. 1963), Э.А.Высоцкого и др. (1988), Н.М.Джино-ридзе и др. (1987), В.З.Кислика и Ю.И.Лупиновича (1969), К.Коха (1981), А.Макинтоша и Г. Маквитте (МаскШоз!!, Мс'У1Пе, 1983). Р.Макинтоша и Н.Вардлоу (Мс'^озЬ, ИагсПоу?, 1968) и многих других исследователей следует, что зонам замещения крупнейших калийных месторождений мира (Саскачеван, С.таробинское, Непское. месторождения Среднеевропейского калиеносного бассейна) присущ ряд признаков, указывающих на их вторичное происхождение. Важнейшими из них явля-

ются: ассоциация с тектоническими трещинами, разломами, телами магматических пород и другими крупными секущими структурами; относительно малый размер зон замещений и резкие секущие контакты с вмещающими исходными породами: развитие гигантокристаллических разностей минералов; нефтепроявления и сульфидная минерализация. В продуктивных пластах калийной залежи Верхнекамского месторождения также имеются зоны замещения каменной солью. Эти зоны имеют многие из перечисленных выше признаков эпигенетического образования. Однако. в калийной залежи этого месторождения нет разломов, а тем более следов магматической деятельности. В связи с этим, дискуссия о генезисе зон замещений Верхнекамского месторождения приобрела очень острый характер. Таким образом, возникает вопрос - каков генезис зон замещений в калийных залежах? . Если это эпигенетическое образо-

I

вание, то можно ли считать, что зоны замещения присущи всем калийным залежам, или это случайное явление? Этот, а также другие вопросы роли флюидогеодинамики в формировании калийных залежей рассматриваются на примере Верхнекамского месторождения.

Глава 6. Процессы эпигенеза калийной залежи Верхнекамского месторождения

Общие сведения о месторождении. Месторождение расположено в центральной части Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба. Оно представлено иренской соляной толщей с многопластовой (15 пластов) залежью калийно1магйиевых' солей в ее верхней части. Соляные отложения развиты на площади около 6,5 тыс.кмг. Калийная залежь расположена внутри контура соляной толщи и прослеживается в меридиональном направлении на 135 км при ширине до 40 км.

Проведен анализ общих условий соленакопления в Соликамском бассейне, которые освещены в известных работах Г.Г.Уразова, Д.Е.Ры-

ковскова. А.А.Иванова. М.Г. Валяшко. Н.М.Страхова. М. П. Фивега и других ученых. Он показал, что не все условия определены с достаточной четкостью. К таковым, в частности, относятся глубина солеродного бассейна и масштабы притоков континентальных пресных вод. Используя закономерности распределения рубидия по разрезу калийной залежи и равенство объемов твердой и жидкой фаз. которое наступает к началу садки сильвина, расчетным путем определено, что глубина солеродного

бассейна в начале садки калийных солей составляла не менее 200 м. i ?

Геоморфологические и климатические условия садки солей свидетельствуют, что масштабы поступления вод с уральской суши были не велики и ограничивались временными потоками. На основании результатов тренд-анализа количества Н. 0., сделан вывод, что присутствие терри-генного материала в солях лучше объяснить его эоловой транспортировкой, а не водотоками, как это считалось прежде. Главным выводом этого этапа исследований явилось то, что состав выпадающих из рапы солей был единый во всем бассейне и смена его -состава во времени происходила сразу на всей его площади. Однако латеральная изменчивость минерального состава существует и проявляется, главным образом, в присутствии пестрых сильвинитов в пластах карналлитовой зоны и участков развития каменной соли замещения во всех пластах калийной залежи.

Проведен детальный анализ гипотез, выдвинутых для объяснения образования пестрых сильвинитов и зон замещений: динамометаморфизма (Разумовская,1932; Морачевский, 1939), первичноседиментационная (Чирвинский, 1943), флюидогеодинамическая (Ходьков,1956), раннедиа-генетическая (Иванов, 1963), гипотеза сквозьсолевой миграции вод (Вишняков, 1974), термодинамометаморфизма (Джиноридзе, 1987) и концепция полигенного образования зон замещений (Филиппов, 1988). Детальный анализ этих гипотез показал, что несмотря на ряд положительных сторон, ни одна из них не может претендовать на всеобъемлющее объяснение свойств, распределения и взаимодействия этих образо-

ваний с вмещающими породами.

В целях выяснения генезиса пестрых сильвинитов и каменной соли зон замещений изучена изменчивость минерального 'состава калийной залежи на'пяти уровнях: 'региональном, локальном, уровне макротекстуры, уровне текстуры и уровне зерна.

Региональная изменчивость изучалась путем анализа литологи-ческих карт всех 15 продуктивных пластов калийной залежи, построенных по специально разработанной методике. Исходными данными явились результаты бурения скважин с поверхности. Эта изменчивость характеризует смену состава продуктивных пластов в масштабе всей калийной залежи. При этом установлено, что карналлитовые породы тяготеют к крупным отрицательным структурам, пестрые сильвиниты широко развиты не только в восточной части месторождения, но и во внутренних частях залежи, смена пород по разрезу происходит на огромных площадях и весьма резко, на отдельных участках границы пластов имеют явно наложецный характер.

Локальная изменчивость проявляется в том. что внутри огромных полей развития одной породы имеются участки трех типов, площадью до 1СМ5 км2, сложенные другими породами. Первый тип участков представлен сильвинитовыми и гипсово-глинистыми шляпами, приуроченными к апикальным частям крупных соляных поднятий. Природа этих участков известна - это гипергенез. Второй тип участков представлен относительно небольшими полями развития карналлитовых пород в центральных частях впадин и мульд. Третий тип участков - интенсивным развитием "аномальных" пород по разрезу калийной залежи. Расположение этих участков в плане не зависит от общей структуры месторождения.

Изменчивость состава на уровне макротекстуры характеризуется

I I

весьма прихотливым распределением блоков и линз различных пород по разрезу и простиранию продуктивных пластов. Контакты между породами часто имеют секущий характер, положение которых часто контролиру-

ется элементами складок._ Общее падение секущих контактов - на восток под углами 10*20°. При согласном залегании, как правило, более растворимые породы подстилают менее растворище. Значительная часть зон,замещений представляет собой пологопадающие сильно уплощенные тела каменной соли, в центральных частях которых иногда присутствуют ангидритовые ядра.

В калийной залежи встречаются глинистые тела различной формы, размер которых обычно не превышает 20 м. Часто они имеют секущие контакты с вмещающими породами, а последние несут четкие следа вторичных изменений. Сделано предположение, что эти тела вторичны и образовались путем механического перераспределения глинистых частиц мигрирующими растворами на стадии катагенеза. Рассчитано, что достаточная для этого скорость потока составляет около 3,5-Ю"6 м/с.

Изменчивость на уровне текстуры проявляется в том, что при смене состава пород из их годового слоя исчезает прослой карналлита или сильвина, а его место занимает другой минерал.' Текстура пород

I 1

вблизи контакта, как правило, остается слоистой. Далее, к центру замещения, текстура пород постепенно меняется на массивную, с характерным беспорядочным расположением соляных минералов, обрывков прослоев или комочков соленосных глин. Породы некоторых ангидритовых ядер характеризуются брекчиевидной текстурой.

Изменчивость на уровне зерна проявляется в наличии не только первичноседиментационных структур, но и структур, отражающих все стадии замещения одних минералов другими. Эти структуры наиболее характерны для пород зон замещений. Полная последовательность мине-ралообразования имеет следующий вид: карналлит сильвин -» галит ангидрит -> доломит пирит -» галит+сильвин (в трещинах разрыва).

Строение и соотношение геологических полей калийной залежи. Были. построены карты изоконцентрат КС1, СаЭ04 и Н.0. (для пластов карналлитовой зоны и МвС12) и изопахит основных продуктивных (от КрП до Е), а также структурная карта месторождения по пласту мар-

кирующей глины. Анализ этих карт показал, что пласты сильвинитовой зоны характеризуются наличием двух главных направлений изменчивости содержаний компонентов, хорошей согласованностью строения полей одного компонента, отсутствием какой-либо согласованности между геохимическими и морфоструктурными полями, независимостью содержания Н. 0. от содержаний других компонентов. Особенности карналлитовой зоны: чрезвычайная сложность строения геохимических полей, наличие природных связей между всеми компонентами, согласованность строения морфоструктурных и геохимических полей. Корреляционные связи между компонентами пестрых сильвинитов аналогичны таковым для карналлито-вых пород, но проявлены слабее. В богатых сильвинитовых пластах и слоях, обрамляющих зоны1замещения, зональность концентрации компонентов отсутствует.

Интерпретация огромного фактического материала говорит о том, что многие элементы и закономерности геологического строения калийной залежи логичнее объяснить с позиции возможной миграции водных растворов внутри соляной толщи на эпигенетической стадии формирования месторождения. Тем не менее, все рассмотренные факты являются лишь косвенным доказательством вторичного изменения состава и структуры калийных пород под воздействием агрессивных растворов. Возможность их проникновения внутрь соляной толщи и последующая миграция в ней остается все же лишь предположением. Автором обнаружены и описаны прямые доказательства былой миграции флюидов сквозь соляную трлщу месторождения. .Такими фактами являются: нефтепроявле-ния, редкие породы и пирротиновая минерализация.

Нефтепроявления обнаружены на трех участках Четвертого Березни-ковского рудника. Присутствие нефти обнаруживается по появлению бурого оттенка соленосных глин и светло-бурого цвета у галита, а также по отчетливому запаху керосина. Каменная соль на этих участках обычно перекристаллизована, осветлена и сильно дислоцирована. Содержание растворимых в хлороформе битумоидов достигает 3,3 вес.% на

породу. Их структурно-групповой состав, определенный люминесцент-но-битуминологическим анализом, методами тонкослойной хроматографии и ИК-спектроскопии, показал, что выделенные экстракты всех проб представляют собой аллохтонную нефть. Аналогичный комплекс исследований фоновых соленосных глин и древесных остатков свидетельствует о том, что сингенетическое органическое вещество представлено углистым материалом гумусового-ряда.' Отметим, что микрокапельки нефти весьма характерны для многофазных включений шпатового галита каменной соли зон замещений.

Обнаружены редкие пороЭы. которые представлены тремя типами. Сульфатно-хлоридный тип пород слагает ангидритовые ядра крупных зон замещений. Основными минералами здесь являются галит и ангидрит, содержание которых в породе весьма не выдержано. Характерной особенностью этих пород является примесь пирита в виде тонких вкраплений. По текстурным особенностям внутри этого типа выделено три разновидности (сливная, желваково-пятнистая, брекчиевидная). Силикат-но-карбонатный тип представлен темно-серой, тонкослоистой, очень прочной породой. Порода обнаружена в нижнем прослое соленосных глин

пласта В-Г, где она залегает в виде тонких (2-4 см) линз. Под мик-( !

роскопом - это глинисто-карбонатная порода, с примесью кварца (5-10%). Карбонатная часть преобладает и представлена криптозер-нистым доломитом. При растирании породы в ступке чувствуется резкий запах керосина. Сульфидно-хлоридная'порода встречена в горных выработках. Третьего Соликамского рудника, где она ассоциируется с мелкими зонами замещения сильвинитов пласта А. Основу породы составляет шпатовый галит. Рудный минерал представлен сульфидом железа, содержание которого в породе достигает 31,5%.

Пирротинавая минерализация связана с проявлениями сульфид-но-хлоридной -породы. По данным минералогического и рентгено-струк-турного анализов пирротин слабомагнитен и имеет состав Fe9S10. По ряду косвенных определений температура образования пирротина нахо-

дится в интервале 50*125°С.'

Совокупность этих фактов (нефтепроявления. редкие породы, пир-ротиновая минерализация) свидетельствует о том, что соляная толща в какие-то периоды своего развития была проницаема для подсолевых вод (в том числе и гидротерм), которые на путях миграции коренным образом изменяли состав пород калийной залежи, основной механизм изменения состава - метасоматоз.

Рассмотрены общие условия метасоматоза солей калийной залежи месторождения, к которым относятся: источники вод и их реакционная способность, пути миграции растворов внутри солей и. палеогидродина-жа соляной толщи.

Источниками агрессивных растворов являются уплотняющаяся толща ^иляных осадков и подстилающая соляные отложения глинисто^ангидри-товая толща; а также более глубокие горизонты земной коры: Исходя из геологического строения месторождения, данных по пористости свежих осадков ;и пород (Валяшко, 1962; Дзенс-Литовский и др., 1959; Соненфелд. :1988; Несмелова, 1959; Медведев, Полянина. 1974; Шокин, 1966 и др.) и закономерностей изменения пористости при уплотнении осадков (Ходьков, 1965; Капченко, 1974; Энгельгардт, 1964; Мухин, 1968; Волков и др.. 1968 и др.) рассчитано, что объем поровых растворов. отжатых из соляного осадка в стадию диагенеза составляет около 35 м3 на один квадратный метр площади залежи. При дегидратации гипса .из подстилающей глинисто-ангидритовой толщи выделилось около 93 м3 '.пресной воды на каждый квадратный метр • площади. Количество воД. : которое могло проникнуть в соляную толщу из более глубоких горизонтов, а так же объем инфильтрационных вод, соприкасавшихся с калийной залежью, расчету не поддается.

Реакционная способность вод дана в виде объема замещенного минерала. приходящегося на единицу объема агрессивного раствора. После оценки состава всех вод. проведен расчет материального баланса реакций взаимодействия этих вод с сильвином и карналлитом. При этом

получено, что агрессивность отжимаемой межкристальной рапы подстилающей каменной соли по отношению к сильвину составляет 0,025, а по отношению к карналлиту - 0,5. Для всех других вод эта величина составляет:. по отношению к сильвину - 0,058. а по отношению к карналлиту - почти 1,0. Исходя из этого, с учетом состава и мощности продуктивных пластов калийной залежи, рассчитано, что только вод, изгоняемых из галогенной формации, достаточно для того, чтобы почти

I !

полностью уничтожить всю калийную залежь. Но все зависело от путей и направления миграции агрессивных растворов внутри соляной толщи.

Пути миграции растворов разномасштабны и эволюционировали в ходе эпигенеза соляной толщи. На стадии диагенеза в уплотняющейся толще осадков не было сколько-нибудь выраженных локальных флюидоп-роводников. а миграция отжимающейся межкристальной рапы происходила в форме сплошной фильтрации по сообщающимся порам. На стадии катагенеза в соляной толще имелись системы потенциальных флюидопровод-ников различного масштаба (микротрещины, границы зерен, прослойки и пласты несоляных пород, отслоения и открытие макротрещины).

Автором в горных выработках Второго Соликамского и Четвертого Березниковского рудников обнаружен новый тип флюидопроводников -каналы. Они представлены'трубчатыми пустотами овальной или щелевид-ной формы. Размер по длинной оси овала достигает иногда 10 см и более. В плане каналы находятся в контуре зоны замещения или вблизи ее. В разрезе они расположены в прослоях соленосных глин в нижней части пластов каменной соли A-Kpl, KpI-KpII и В-Г. Глинистый материал прослоев на расстоянии 10*15 см от пустот часто осветлен. Вглубь массива каналы вследствие их кривизны прослежены на небольшую глубину (0,5-0,7 м).

В работе доказана возможность проникновения подсолевых вод в соляную толщу на стадии катагенеза. В основе этого доказательства приняты два положения. Первое - над стыками блоков подсолевого фундамента в соляной толще образуется веер инициирующих относительно

к-'"сг:т трещин, и второе - трещины заполнялись высоконапорными подсолевыми водами. Для определения возможности и направления развития инициирующих трещин были выполнены геомеханические расчеты различных геомеханических моделей, отличающимися тектоническими обстановками. ; Численная реализация геомеханических расчетов проводилась методом граничных элементов в варианте "разрывных смещений" (Крауч, Старфилд, 1987). Критериальная оценка условий развития трещин осуществлялась по скорости высвобождения энергии при их росте. Расчеты показали, что если в условиях Верхнекамского месторождения на соляную толщу будет действовать горизонтальное тектоническое напряжение, в полтора раза большее, чем геостатическое, то в соляной толще возможно образование пологих флюидопроводящих трещин, совпадающих с генеральной ориентировкой контактов зон замещений каменной солью.

Реконструированы тюлеогидродиюшические условия соляной толщи месторождения. При этом установлено, что на стадии диагенеза латеральная миграция вод преобладала над вертикальной, т.е. флюиды двигались в основном от наиболее погруженных частей бассейна к его краевым частям или локальным поднятиям. В приосевой части Камской синклинали и крупных впадинах метасоматическое изменение состава пород на стадии диагенеза было минимальным, где и сохранились поля карналлитовых 1 пород нижних пластов карналлитовой зоны (основная особенность региональной и второй тип локальной изменчивости минерального состава калийной залежи).

В катагенатическую стадию гидродинамический режим характеризовался очаговым типом разгрузки вод подсолевых отложений над стыками блоков подсолевого комплекса пород. Миграцией агрессивных растворов на' этой стадии эпигенеза обусловлен третий тип "аномальных" участков локальной изменчивости.

Изменчивость минерального состава продуктивных пластов на более высоких уровнях - результат макродисперсии элементов потока на обе-

их стадиях миграции агрессивных растворов. Таким образом, все наблюдаемые взаимоотношения вторичных и первичных пород калийной залежи могут быть объяснены особенностями палеогидродинамики соляной толщи, если учитывать эволюцию и разномасштабность флюидопроводни-ков внутри соляной толщи.

Причины и механизмы течения солей остаются спорными вопросами соляной тектоники Верхнекамского месторождения (Иванов, 1935; Ходь-ков, 1956; Копнин. 1966; Голубев. 1973; Джиноридзе и др., 1992 и др.). Нами впервые установлено, что в пределах Тверитинской мульды пласт маркирующей глины разорван различно ориентированными трещинами и отрывами на отдельные блоки размером от 4 до 12 м. Форма блоков в вертикальном сечении - параллелограмм, прямоугольник или трапеция. Трещины и узкие отрывы выполнены волокнистым галитом. а широкие - вмещающей каменной солью. Каменная соль здесь осветлена, ;ерекристаллизована, но слоистость ее остается довольно четкой. Характер расчленения пласта и резкое различие физико-механических свойств глинисто-ангидритовых пород, слагающих этот пласт, и вмещающей каменной соли дают основание говорить, что здесь имеет место будинаж. Степень растяжения пласта маркирующей глины достигает 20%. Наличие растягивающих деформаций в пределах отрицательных структур и, наоборот, четкое проявление деформации продольного сжатия в соседних положительных структурах говорит об одном - соляная тектоника месторождения несёт явные следы галокинеза (в понимании Ф. Трусхейма, 1990).

В то же время, асимметричная форма крупных соляных поднятий и внутрисолевых складок (западные склоны и крылья их круче, чем восточные), свидетельствует о действии горизонтальных тектонических сил. направленных с востока на запад (Иванов. 1935). Учитывая эти две особенности, автор пришел к выводу, что основной причиной деформации солей месторождения является совместно действие гравитационных (неравномерность нагрузки надсолевых отложений) и региональ-

- 31 -

ных тектонических сил (действие Урала).

Из работ (Фивег. 1959; Голубев, 1972 и др.) следует, что при деформации солей Верхнекамского месторождения первично-седиментаци-онные структуры меняются на линейно-вытянутые, а длинные оси зерен ориентированы, в основное. вдоль слоистости. Это отчетливо проявляется как в подстилающей каменной соли, так и в породах, слагающих продуктивные пласты. Таким образом, общий механизм течения солей соответствует перекристаллизации по принципу Рикке (ползучести Кобле) . В диссертации на основе большого фактического материала показано, что на участках наибольшей дислоцированности (плойчатости) породы, при ярко выраженной флюидальной текстуре, характеризуются гранобластовой структурой. Более того, интенсивно деформированные породы имеют четкие признаки вторичного преобразования (перекристаллизация. осветление, иногда локальное замещение). Сделан вывод, что такое сочетание (плойчатость, равноосность зерен и вторичные изменения) обусловлено миграцией водных растворов, воспринимающих на себя часть напряжения в скелете породы. Избыток воды и отсутствие (снижение) разницы давлений на различных участках зерна создают условия для перекристаллизации по принципу Кюри, в основе которого лежит стремление кристалла (зерна) приобретать форму, соответствующую минимуму поверхностной энергии (Григорьев, Жабин, 1975). Не исключена возможность, что на отдельных участках, где деформация пород близка к 1000%, имела место сверхпластичность. Во всяком случае, формальные признаки сверхпластичности (Пуарье, 1988 и др.) в местах интенсивной деформации обнаруживаются достаточно уверенно.

Проблема очагоз внезапных выбросов соли и газа заключается в выявлении механизмов формирования зон пород, характеризующихся повышенной газоносностью и пониженной прочностью. Ана,лиз особенностей геологического строения, мест проявления внезапных выбросов соли и газа на Верхнекамском и других калийных месторождениях (Проскуряков

и др.. 1974; МагёвгаГ, 1971; Зи1йг1п5к1. 1981 и др.) показал, что очаги выбросов приурочены к путям миграции флюидов (водно-солевые растворы, нефть, магма и др.) в солях. Основываясь на этом, был предложен механизм формирования этих очагов.

Движение флюидов осуществлялось по путям миграции, которые представляли собой единую гидравлически связанную систему макро- и микрополостей. По прекращению движения флюидов единая система распадалась на части, образуя серию квазиизолированных более мелких систем пустот, заполненных остаточным флюидом. В зависимости от конкретных условий локальные системы пустот исчезали или сохранялись неопределенно долгое время. Флюид, обладая высоким давлением, препятствовал восстановлению структурных связей между зернами. В результатё низкая прочность пород, приобретенная при тектоническом дроблении массива, выщелачивании калийных минералов и других эпигенетических процессах, может сохраняться очень длительное время. Если остаточный флюид был представлен газом или содержал газ. то такие изолированные системы, вместе с вмещающими их породами, являлись ни чем иным, как очагами внезапных выбросов. На этой основе были предприняты целенаправленные поиски критериев прогнозирования очагов внезапных выбросов соли и газа. В их ходе было установлено, что в местах, где произошли внезапные выбросы, отношение содержаний в породах п-бутана к 1-бутану выше, чем фоновые значения (в среднем 3,85 против О,64). Это дало возможность предложить способ прогнозирования участков опасных по внезапным выбросам соли и газа, который защищен авторским свидетельством.

Результаты исследований, изложенные в настоящей главе, свидетельствуют о том, что в формировании современного облика калийной залежи Верхнекамского месторождения существенная роль принадлежала эпигенетическим процессам, основным фактором которых являлась миграция различных флюидов. Существованием элизионных систем на стадиях диагенеза и катагенеза обусловлены основные черты латеральной

изменчивости минерального состава продуктивных пластов калийной залежи. В процессе течения солей на стадии катагенеза были образованы крупные соляные пликативные структуры месторождения с характерной внутрисоляной складчатостью. Действием вод инфильтрационных систем на стадии гипергенеза обусловлены современные контуры калийной залежи в плане и, частично, по разрезу. Роль этих вод в формировании изменчивости состава продуктивных пород невелика. Существование газодинамических систем весьма-проблематично, однако образование очагов внезапных выбросов соли и газа связывается нами с действием флюидодинамических систем, флюиды которых содержали газ.

Для Верхнекамского месторождения проведенные исследования имеют не только теоретическое значение. Их результаты могут использоваться в качестве теоретической базы для совершенствования и разработки новых методик прогнозирования горно-геологических условий освоения его запасов калийных солей.

В отношении калийных залежей вообще, отметим, что в стадию катагенеза они не являются изолированными от окружающих ее подземных вод. Движение блоков относительно друг друга, на которые разбито подсолевое ложе почти всех соленосных бассейнов (Айзенштадт, Слепа-кова. 1982; Валеев. Вишняков. .1976; Высоцкий и др.. 1988; Кох. 1981; Моралес, 1961; Павлов, 1974 и др.), и высокое давление флюидов в подсолевых этажах предопределяют проникновение агрессивных вод внутрь соляных толщ. . Миграция этих вод внутри соляных толщ -главная причина вторичного изменения состава калийных залежей, а главный механизм этого изменения - метасоматоз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненных исследований могут быть резюмированы следующим образом:

1. Дано определение флюидогеод::намики и ее базовых понятий.

2. Разработана классификация флюидодинамических систем и дана характеристика ее таксонов.

3. Выведена формула для расчета горизонтального смещения потока элизионных вод при уплотнении наклонно . залегающих квазиоднородньк толщ.

4. Установлено, что пространственная ассоциация флюидов и следов их миграции чаще всего обусловлена общностью путей миграции, а не единством источника.

5. С современных позиций рассмотрена геологическая роль миграции флюидов. При этом, в частности, выявлено, что основными механизмами образования инъективных дислокаций являются импрегнация, инъекция и пенетрация.

6. Показано, что основными факторами эпигенеза калийных залежей являются гравитационные и тектонические силы, а также химическая

I

активность подземных вод. Флюиды участвуют здесь в форме литодина-■чческих. гидродинамических и магмодинамических систем.

7. Установлено, что соляные толщи на стадиях катагенеза в периоды тектонической активизации становятся проницаемыми для окружающих подземных вод. Проникая внутрь соляной толщи, подземные воды воздействуют на калийные залежи, изменяя их состав и структуру.

8. Выявлен ряд принципиально новых элементов и закономерностей геологического строения Верхнекамского калийного месторождения, в том числе: пять уровней изменчивости минерального состава продуктивных пластов; карналлитовая и сильвинитовая зоны резко отличаются по строению геохимических полей и их соотношению с морфоструктурны-ми полями; новые типы пород и флюидопроводников;часть органического вещества солей представлёна эпигенетической нефтью; будинаж несоляных пород в пределах крупных отрицательных структур месторождения.

9. Реконструированы важнейшие условия, и механизмы формирования современного облика калийной залежи Верхнекамского месторождения:

солеродный бассейн был глубоководным и характеризовался выдержанностью гидрохимических урловий; латеральная изменчивость минерального состава продуктивных пластов залежи обусловлена разномасштабным проявлением метасоматоза.основным фактором которого является миграция подземных вод. в том числе и гидротерм, на стадиях диагенеза и катагенеза; главная причина соляной тектоники - совместное действие галокинеза и региональных тектонических сил; основной механизм течения солей - ползучесть Кобле, но при избытке водных растворов имеет место динамическая перекристаллизация по принципу Кюри.

10. Выявлена природа очагов внезапных выбросов соли и газа, которые являются реликтами ранее существовавших флюидодинамических систем, содержащих газ.

Основные опубликованные работы по теме диссертации:

Монография и энциклопедические статьи

1. Флюидогеодинамика. Свердловск. УрО АН СССР, 1991. 226 с.

2. Флюид//Горная энциклопедия. Т.5.М., Сов. энц-я, 1991. С. 323.

3. Флюидогеодинамика// Горная энциклопедия, т. 5. М., Сов. энц-я. 1991. С.323-324. (совместно с А.Е.Ходьковым).

Статьи

4. Роль подземных вод в формировании калийной залежи Верхнекамского месторождения//Гидрогелогия и карстоведение. вып.7. Пермь. 1975. С. 66-76.

5. О роли эолового осадконакопления в Формировании пермских пород Приурэлья // Уч. зад. Пермского ГУ. N 318. 1976. С. 84-89, (совместно с Н.И.Чернышевым).

6. Пространственные соотношения морфоструктурных и геохимических полей сильвинитовкх пластов Верхнекамского месторождения // Проблемы соленакопления.Т.2.Новосибирск.Наука, 1977.С.120-126, (сов-

местно с В.Ф.Мягковым).

7. Оценка агрессивности растворов различного генезиса в условиях Верхнекамского месторождения // Калийная промышленность. Реф. сб. N 3. М., НШТЭХИМ. 1977. С. 11-12, (совместно с Е.Б.Шмагиной).

8. Математический метод расшифровки природных связей компонентов калийных солей на примере Верхнекамского месторождения // Вопросы геологии Южного Урала и Поволжья. Саратов. Саратовский ун-т, 1978. С. 161-163.

9. Эволюция минерального и химического состава солей калийной залежи Верхнекамского месторождениЯ//Соленосные формации и практическое значение их изучения. Т. 2. Новосибирск, ИГиГ СО АН СССР, 1972.С.52-53, (совместно с В.Ф.Мягковым. В.Н.Яниным, О.Ф.Бровченко).

10. К методике изучения палеографических условий формирования соляных толщ (на примере Верхнекамского месторождения) // Соленос-ные формации и практическое значение их изучения. Т.II.Новосибирск, Наука, 1979. С. 149-150.

И. Принципы районирования месторождений калийных солей по горно-геологическим условиям их отработки (на примере Верхнекамского месторождения) // Геологическая и минералого-петрографическая оценка распространения качества руд и условий разработки калийных месторождений. Л.. ВНИИГ, 1979. С. 3-9. (совместно с В.И.Раевским).

12. Методика регионального прогнозирования интенсивности внут-рисоляной складчатости на Верхнекамском калийном месторождении // Геологическая и минералого-петрографическая оценка распространения качества руд и условий разработки калийных месторождений. Л., ВНИИГ, 1979. С.9-14.

13. Состав и ритмичность строения пачки галит-ангидритовых и глинисто-доломитовых прослоев ("книжечки") пласта КрЬКрН Верхнекамского месторождения // Строение и условия формирования месторождений калийных солей. Новосибирск. Наука, 1981. С.106-110, (совместно с Н. Е.Молоштановой).

14. Методика прогнозирования участков развития соляных пород пониженной прочности // Условия формирования и преобразования вещественного состава пород калийных месторождений. Л., ВНИИГ, 1982. С.82-86, (совместно с 0.В. Базановой).

15. К,вопросу о прогнозировании технологических свойств сильви-нитовых руд Верхнекамского месторождения. Деп. Библ. указатель ВИНИТИ "Депонированные научные работы", N 9, 1983, (совместно с Н.Е.Молоштановой и О.В.Базановой).

16. Способ определения выбросоопасности пластов месторождений калийных солей. A.C. К 994767 // БИ 07.02.83, N 5, (совместно с В.И.Галкиным).

17. Прогнозирование состава вмещающих пород Верхнекамского калийного месторождения. Деп. (N деп. 4745-88), (совместно с Е.Б.Беловой) .

18. Определение глубины Верхнекамского солеродного бассейна // Общие проблемы галогенеза. М.. Наука. 1985. С. 217-220.

19. О природе очагов внезапных выбросов соли и 'газа // Горный журнал, N' 2. 1986. С. 10-13, (совместно с С. С.Андрейко).

20. Геологическое строение Верхнекамского калийного месторождения // Повышение эффективности разработки Верхнекамского калийного бассейна. Пермь. Пермское кн-е изд-во. 1986. С. 6-20.

21. Изучение условий привноса терригенного материала в солерод-ный бассейн на основе анализа горно-геометрических моделей, построенных с помощью ЭВМ (на примере Верхнекамского солеродного бассейна) // Физико-химические закономерности осадконакопления в солерод-ных бассейнах. М., Наука, 1986. С. 201-207, (совместно с В.Л.Баталовым и Ю. В. Шурубором).

22. Общие принципы флюидогеодинамики // Гипотеза III (к разработке основ и теории развития Земли и земной коры).. Деп. N деп. Ю29-ХП-86. С. 57-65, (совместно с А.Е. Ходьковым).

23. Некоторые особенности строения пласта Б на Втором Березни-

ковском руднике // Проблемы морского и континентального галогенеза. Новосибирск. ИГиГ СО АН СССР. 1988. С. 124. (совместно с Ю.А.Плотниковым, М. И. Шестаковой, Н. В.Лужецкой. Н. В. Бессоновой).

24. Основные задачи геологии в решении проблемы водозащитной толщи Верхнекамского калийного месторождения // Материалы Второго регионального совещания по проблемам изучения водозащитной толщи на Верхнекамском месторождении калийных солей. Березники, 1991. С. 15-22, (совместно с Н.В.Кузнецовым).

25. О деформации соляной толщи в Тверитинской мульде Верхнекамского калийного месторождения // Проблемы техногенного изменения геологической среды и охраны недр в горнодобывающих регионах. Пермь, ГИ УрО РАН, 1991. С. 139-140, (совместно с О.Ф.Корочкиной).

I f

26. Редкие породы соляной толщи Верхнекамского месторождения // Пермская система земного шара (Тез. докл. на междунар. конгрессе). Свердловск, УрО АН СССР, 1991. С. 163, (совместно с О.Ф.Корочкиной, Н. Е. Скрябиной. Т.В.Харитоновым).

27. Системы трещин в соляной тол^з Верхнекамского месторождения калийных солей // Проблемы комплексного изучения водозащитной толщи •'а месторождениях калийных солей. Пермь, УФ ВНИИГ, 1991. С. 16-24,

совместно с О.Ф.Корочкиной).

28. О природе галитовых тел продуктивных пластов Верхнекамского местороадения // Геологические исследования и охрана окружающей среды на Западном Урале. (Тез. докл. н. -техн.конф.). Пермь, Пермский Дом науки и техники, 1991. С.17-18, (совместно с A.C.Сунцевым).

29. Факторный анализ > данных о 'составе и мощности пласта В Верхнекамского месторождения // Состав и условия образования морских и континентальных галогенных формаций. Новосибирск, Наука. 1991. С. 110-115, (совместно с Ю.В. Шурубором).

30 Опыт классификации флюидодинамических систем //Тр. XI геол. конф. Коми АССР. Сыктывкар, Коми НЦ УрО АН СССР, 1991. С.214-217.

31. Флюидогеодинамика, и горно-геологические условия разработки

Верхнехамского месторождения калийных солей // Комплексное освоение недр-Западного Урала. Свердловск. УрО АН СССР, 1991. С. 3-7.

32. Формы нахождения сульфидов железа в отложениях Верхнекамского месторождения // Геология и минеральные ресурсы Западного Урала (тез. докл.). Пермь, 1593, С. 43, (совместно с Н..Е.Молоштановой и Н.Е.Скрябиной).

Сдано в печать 15.3.94. Формат 60x84. Объем 2 уч.-изд.л. Тира ж 150. Заказ Г21Ч.

Ротапринт Пермского государственного технического университета