Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Формирование физико-механических свойств гидротермально измененных туфогенных пород плиоцен-четвертичного возраста Курило-Камчатского региона

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Формирование физико-механических свойств гидротермально измененных туфогенных пород плиоцен-четвертичного возраста Курило-Камчатского региона"

Московский Государственный университет им. М.В.Ломоносова

Геологический факультет Кафедра инженерной геологии и охраны геологической среды

РГ6 OA

О В (ftcc ^q. •'.; ' На правах рукописи

^ УДК. 624.131.4

Фролова Юлия Владимировна

Формирование физико-механических свойств гидротермально измененных туфогенных пород плиоцен-четвертичного возраста Курило-Камчатского региона.

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и охраны геологическс среды геологического факультета Московского Государственного университет им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор

Г.А.Голодковская

Официальные оппоненты:

Ведущая организация - Кафедра инженерной геологии МГТА

Защита диссертации состоится «20» февраля 1998 г. в 14 часов 30 мин. I заседании Специализированного Совета К 053.05.06 в Московско Государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: г. Москв Воробьевы горы, геологический факультет МГУ, ауд. 829.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факульте' МГУ, сектор «А», 6 этаж.

Автореферат разослан « » января 1998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждени просим отправлять по адресу: 119899 ГСП, г. Москва, Воробьевы горы, МГ геологический факультет, ученому секретарю Специализированного Совета 053.05.06 В.Н.Соколову.

Ученый секретарь Специализированного Совета К 053.05.06, доктор геолого-минералогических нау!

доктор геолого-минералогических наук кандидат геолого-минералогических наук

А.АВарга Е.П.Труфманова

В.Н.Соколов

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Одной из главнейших теоретических задач грунтоведения является разработка учения о формировании инженерно-геологических свойств горных пород. Известно, что различные постгенетические процессы, воздействие которых испытывают породы в ходе геологической истории, как правило, изменяют, а нередко и полностью затушевывают их первичные особенности. В молодых вулканических областях существенная роль в формировании свойств пород принадлежит гидротермально-метасоматическим процессам. В последние десятилетия интенсивные буровые работы на геотермальных месторождениях, с целью использования их тепловой энергии, открыли широкие возможности для последовательного исследования всех этапов становления своеобразной группы гидротермально-метасоматических пород: от неизмененных эффу-зивов до полностью переработанных гидротермальных продуктов. К настоящему времени накоплен обширный материал, касающийся различных аспектов гидротермального процесса, однако вопросы формирования свойств гидротермально-метасоматических пород остаются не исследованы, а их место в общей инженерно-геологической классификации не вполне определено. Между тем, изучение гидротермально-метасоматических пород имеет важное значение при оценке инженерно-геологических условий геотермальных станций и месторождений рудных и неметаллическим полезных ископаемых, приуроченных к гидротермально измененным толщам разного возраста.

Объект исследования. В нашей стране, начиная с 60-х годов, ведутся интенсивные поисково-разведочные и эксплутационные работы на геотермальные ресурсы на многих активных вулканах Курило-Камчатского региона. Фактический материал, положенный в основу диссертационной работы был собран автором во время полевых исследований 1989-90 г. г. на двух гидротермальных системах (ГТС) Курило-Камчатского региона, находящихся на разных стадиях развития: Океанской, расположенной в центральной части о. Итуруп (Южные Курилы) и Паужетской, приуроченной к одноименной вулкано-тектонической депрессии на Южной Камчатке. Исследованные системы сложены однотипными туфогенными отложениями плиоцен-четвертичного возраста, которые, однако, в процессе гидротермальной деятельности претерпели различные изменения. На Океанской ГТС автором проведено детальное опробование двух скважин (до глубины 1200 м) и поинтервально - десяти скважин, пробуренных в различных геолого-структурных зонах. Кроме того, изучен разрез скважины, пробуренной в 20 км от Океанской системы. На Паужетской ГТС опробованы шесть скважин (до глубины 640 м).

Лабораторные исследования были проведены автором за время обучения в очной аспирантуре с 1988 по 1991 г. г. и работы на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ с 1995 по 1997 г.г. Примерно для 1000 образцов определены значения основных физико-механических показателей свойств. С помощью программы "БУЗТАТ" в ФЦЧС "Экология" проведена математическая обработка полученных данных по физико-механическим свойствам. С целью изучения минерального состава просмотрено около 250 шлифов, использовано более 100 определений рентгеноструюурного и термогравиметрического анализов, 15 образцов исследовано и сфотографировано в электронном микроскопе.

Цель н задачи работы. Целью работы является исследование закономерностей формирования состава, строения и свойств туфогенных пород под воздействием современных гидротермально-метасоматических процессов на примере двух гидротермальных систем Курило-Камчатского. региона.

Основные задачи:

1. Выявление закономерностей формирования физико-механических свойств туфогенных пород в ходе регионального эпигенеза;

2. Изучение минералогической зональности на прогрессивной и регрессивной стадиях современного гидротермального процесса;

3. Инженерно-геологическая характеристика выделенных гидротермально-метасоматических зон;

4. Анализ изменения физико-механических свойств туфогенных пород в процессе их гидротермальной переработки;

5. Исследование особенностей гидротермальной зональности и физико-механических свойств пород в различных структурно-тектонических обстановках;

6. Исследование влияния структурно-минералогических факторов на физико-механические свойства гидротермально переработанных пород;

7. Составление инженерно-геологической классификации изучаемых пород.

Научная новизна и защищаемые положения.

1. Выявлены основные закономерности формирования физико-механических свойств туфогенных пород в процессе регионального эпигенеза.

2. Впервые установлено зональное изменение свойств пород по разрезу гидротермально измененной толщи в пределах изученных гидротермальных систем.

3. Впервые прослежено изменение физико-механических свойств туфогенных пород в ходе гидротермального процесса и выявлены отличия инженерно-геологических особеностей гидротермально измененных

туфогенных пород на прогрессивной и регрессивной стадиях развития гидротермальной системы.

4. Установлено влияние геолого-тектонической обстановки на гидротермально-метасоматическую зональность и физико-механические свойства пород.

5. Показано влияние структурно-минералогических характеристик пород на их физико-механические свойства на разных этапах гидротермального изменения.

6. Выявлены основные закономерности преобразования состава, строения и свойств туфогенных пород под влиянием гидротермально-метасоматических процессов и предложена модель формирования метасоматитов.

7. Предложена инженерно-геологическая классификация туфов и продуктов их гидротермального изменения и обосновано их место в общей инженерно-геологической классификации грунтов.

Научно-практическая значимость работы заключается в трактовке гидротермально измененных туфогенных пород современных ГТС как аналогов регионально пропилитизнрованных пород, образованных в различные геологические эпохи, слагающие мощные горизонты, с которыми связаны многие месторождения полезных ископаемых. Выявленные инженерно-геологические особенности туфогенных пород современных ГТС могут быть учтены и использованы в практике инженерно-геологических изысканий и проектирования в связи со строительством и добычей полезных ископаемых в районах развития регионально измененных пород. Комплексный анализ полученных физико-механических характеристик и структурно-минералогических особенностей гидротермально измененных пород позволяет уточнить структуру ГТС - оценить ее неоднородность, выделить зоны-коллектора термальных вод, водоупоры, зоны предполагаемого перетока вод - восходящих гидротерм и нисходящих холодных метеорных вод, участки фазового перехода жидкость-пар, контактовые зоны субинтрузивных тел и. т. д., с целью наиболее рациональной эксплуатации месторождений парогидротерм.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на конференциях аспирантов и молодых ученых геологического факультета МГУ (Москва, 1991, 1998), на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Использование геофизических методов для решения геоэкологических, инженерно-геологичеких и гидро-геологичеких задач» (Ташкент, 1991), на генеральной ассамблее IAVEI Puerto Vallaría (Мексика, 1997), на международной научно-технической конференции «Проблемы инженерной геологии» (Ленинград, 1997). По теме диссертации опубликовано 8 работ, 5 работ находятся в печати.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы из 115 наименований. Работа

изложена на ./.'Г.? страницах, содержит .3?... таблиц, ЗУ... рисунков. В приложении приведены данные о физико-механических свойствах пород по скважинам.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета МГУ под руководством доктора геол.-мин. наук профессора Г.А. Голодковской и канд. геол.-мин. наук В.М.Ладыгина, которым автор выражает глубокую благодарность за ценные советы, замечания и помощь на всем протяжении подготовки диссертационной работы. Автор искренне благодарен за помощь и консультации докторам геол.-мин. наук В.Н.Соколову, Э.М.Спиридонову, А.Д.Коробову (Саратовский ун-т), канд.-м геол.-мин. наук В.Г.Шлыкову, З.А.Кривошеевой, Л.Л.Панасьян, С.Н.Рычагову (ин-т Вулканологии ДВО РАН), О.В.Зеркалю (ФЦЧС «Экология»),

Содержание работы.

Глава 1. Современные представления о гидротермальном

метасоматозе.

В главе обобщены имеющиеся в геологической литературе сведения о современном гидротермальном метасоматозе, рассмотрены основные типы гидротермально-метасоматических пород и условия их образования.

Согласно представлениям многих ученых, метасоматоз, как геологическое явление, по его роли в формировании земной коры стоит в одном ряду с гипергенезом, седиментогенезом, магматизмом, метаморфизмом. Фундаментальными работами, посвященными изучению метасоматичес-кого изменения горных пород, являются труды Д.С.Коржинского, В.А.Жарикова, Н.И.Наковника, А.А.Маракушева. Частным случаем метасоматоза является гидротермальный процесс - метасоматическое изменение пород под воздействием восходящих горячих растворов (Т до 400°), возникающих в связи с процессом остывания магмы, внедрившейся в земную кору на небольшой глубине. Широкие возможности всестороннего изучения гидротермально-метасоматических процессов открылись в связи с разработкой действующих ГТС в областях современного вулканизма с целью использования тепловой энергии. Благодаря работам Б.И. Пийпа, С.И.На-боко, Н.И. Наковника, В.Л. Русинова, Г.А. Карпова, С.Ф.Главатских, А.Д.Коробова и др., а также зарубежных исследователей - Стейнера, Уайта, Вильсона, Эллиса накоплены обширные сведения о современном гидротермальном процессе, касающиеся различных аспектов геологии, геохимии, минералогии и. т. д. Детальные петрографические и минералогические исследования гидротермально измененных пород на геотермальных системах мира - Вайракей (Новая Зеландия), Рейкьянис (Ис-

ландия), Стимбот, Солтон-Си, Гейзеры (США), Лардерелло (Италия), Мацукава (Лпония), Серро-Присто (Мексика), Паратунском, Больше-Банном, Паужестком, Долине Гейзеров, Мутновском (Камчатский п-ов), Горячем Пляже (о. Кунашир) - выявили широкий комплекс гидротермальных минералов (более 100), развивающихся в качестве новобра-зований по породе и первичным минералам, а также в порах и трещинах. Формирование вторичных минералов обусловлено активным воздействием вулканических газов и агрессивных терм различного состава на уже сформированные вулканогенные породы.

Преобразования минерального состава пород по мере их взаимодействия с гидротермальным раствором проявляются в виде зональной картины, что связано с изменением состава флюида во времени и пространстве. Одними из первых четкую вертикальную зональность пород, измененных термальными водами парогидротермальных месторождений, показали А.Стейнер на материале бурения месторождения Вайракей ( 81етег,1953) и С.И. Набоко (1963) на Паужетском месторождении. Результаты дальнейших многочисленных исследований выявили общий мотив минералогических изменений на гидротермальных месторождениях. Приближенная схема включает следующие зоны (снизу вверх): 1. Вторичных кварцитов - кварц, серицит, алунит (Т 300-450°, хлоридные (фто-ридные), сульфатно-хлоридные растворы, рН 1.5-4.5); 2. Пропилитов — альбит, хлорит, кварц, кальцит, гидрослюда, эпидот, вайракит, ломонтит, корренсит (Т 180-350°, сульфатно-хлоридные с углекислотой растворы, рН 5,5-10); 3. Аргиллизированных пропилитов — корренсит, гидрослюда-монтмориллонит, кальцит, опал (Т 150-200°, сульфатно-хлоридные угле-ислые растворы, рН 5.5-7); 4. Гидротермальных аргиллитов - монтмориллонит, высококремнистые цеолиты, опал (Т 100-150°, сульфатно-хлоридные углекислые растворы, рН 5.5-7); 5. Сернокислотного выщелачивания — опал, каолинит, алунит, гидроокислы железа (Т ~ 100°, сульфатные ультакислые растворы). Разнообразие одновременно формирующихся гидротермально измененных пород определяется воздействием на них растворов с различными физико-химическими параметрами.

Анализ и обобщение литературных данных свидетельствует о том, что к настоящему времени накоплен обширный материал, касающийся различных аспектов современного гидротермального процесса. Многочисленные работы посвящены образованию вторичных минералов, гидротермальной зональности, рудообразованию. Однако работы, рассматривающие вопросы формирования свойств пород под воздействием гидротермально-метасоматической переработки практически отсутствуют.

Глава 2. Краткий обзор геологического строения и вулканизма Курило-Камчатского региона.

Изученные ГТС расположены в пределах Курило-Камчатского региона: Океанская находится в центральной части о. Итуруп (ЮжноКурильские о-ва), Паужетская - на юге Камчатского п-ва. Камчатский полуостров и Курильские острова входят в состав северо-западной части Тихоокеанского подвижного пояса и обычно рассматриваются как единая крупная островодужная система, относящаяся к области кайнозойской складчатости. Геологическое строение, тектоника, вулканизм Курило-Камчатского региона подробно освещены в работах Г.С.Горшкова (1965), Б.Н. Пискунова (1970-75), Е.Н.Петрова (1975), Г.С.Гнибиденко (1976), Е.А.Лоншакова (1982), М.Н.Шапиро (1987), В.И.Федорченко (1989) и др. Обзор геологической литературы показал, что в геологическом строении Курило-Камчатской островной дуги четко различаются донеогеновые образования фундамента и сложный по строению неоген-четвертичный комплекс. . Хотя строение северного сегмента дуги более сложно, Центрально-Камчатская зона (включая и Южно-Камчатскую) и острова Большой Курильской дуги принадлежат одной структурно-фациальной зоне, и их третичные разрезы исключительно схожи. Неогеновые отложения разными авторами объединяются в несколько регионально выдержанных серий и множество локально развитых свит. Продукты острово-дужного вулканизма образуют непрерывную андезитовую формацию и четко отвечают трем этапам вулканизма.

В геологическом строении изученных ГТС, несмотря на значительную удаленность их друг от друга, имеется ряд общих черт. Системы приурочены к плейстоценовым вулкано-тектоническим депрессиям (кальдерам), сложенным однотипными вулканогенными и вулканогенно-осадочными отложениями плиоцен-четвертичного возраста - пепловыми, псаммито-псефитовыми, крупнообломочными туфами, туффитами, в меньшей степени - лавами андезитов и андезито-базальтов. В недрах ГТС (на глубине 1-2 км) предполагается крупное диоритовое тело, являющееся источником теплового питания. Тектоническая структура ГТС характеризуется блоковым строением. Основные структуры - грабены, горсты, тектоно-магматические поднятия, относительно опущенные блоки - сформированы системой открытых кольцевых и линейных (региональных северо-восточных и поперечных северо-западных) тектонических нарушений.

Интенсивно трешиноватые, хорошо проницаемые отложения депрессий являются вместилищем грунтовых вод, которые нагреваются аномально высоким тепловым потоком, связанным с неглубоко залегающим крупным диоритовым телом. В результате устанавливается система конвективного движения вод, обусловленного разницей плотностей холодных и нагретых (нередко до 300-400°) вод. Восходящие

поток» достигают земной поверхности, образуя кипящие источники, паровые струи, парящие площадки.

Гидротермы Курило-Камчатского региона изучались рядом исследователей: В.В.Бочкаревым, Л.Е.Михайловым, В.В.Ивановым, С.И.Набоко, Л.Н Барабановым, В.Д.Пампурой, В.И.Кононовым, Г.А.Карповым, Е.К.Мархининым, Знаменским B.C., Никитиной И.Б. и др. В работах последних лет для конкретных месторождений перегретых вод Курило-Камчатской вулканической дуги была доказана первичность хлоридно-натриевых вод, имеющих региональное распространение в областях современного вулканизма, и вторичность других химических типов. В результате растворения эндогенных эманации в хлоридно-натриевых водах, "вскипания"терм в проницаемых зонах, конденсации пара, окисления в приповерхностной зоне, одновременно образуются гидротермальные растворы различной кислотности-щелочности и состава. Это обуславливает одновременное формирование различных типов гидротермально-метасоматических пород.

Глава 3. Формирование туфогенных пород и их свойств в процессе регионального эпигенеза.

Для выявления общих - эпигенетических - изменений в регионе был изучен разрез скважины (типичный для данного района), пробуренной за пределами Океанской ГТС. Исследования показали, что до глубины 650 м залегает рыхлая, практически несцементированная пирокластическая толща андезито-базальтового состава, а ниже, под действием эпигенетических преобразований происходит цементация обломочного материала с образованием скальных грунтов - туфов. Детальные микроскопические и рентгеноструктурные исследования выявили, что эпигенетические изменения начинаются с глубины 650 м и заключаются в образовании вокруг кристалло- и литокласт пленочного опал-монтмориллонитового цемента (интервал 750-800 м). Большая часть межобломочного пространства вторичными минералами не заполнена, а скрепление обломочных зерен обусловлено формированием между ними «глинистых мостиков». Монтмориллонит имеет крупноячеистое микростроение, характеризующиеся наличием крупных изометричных ячей, образованных агрегатами глинистых частиц. Первичный вулканогенный материал не перекристаллизован. В результате высокой пористости (42-48 %), туфы, несмотря на значительную плотность твердой фазы (2.88 г/см3) -- легкие (1.5-1.7 г/см3). Гигроскопическая влажность невысока —1.5%, т.к. содержание монтмориллонита, образующего пленки вокруг обломков не превышает 5 %. Поскольку цемент не сплошной и поры сообщаются между собой, туфы характеризуются значительным водопоглощением — 15-22 %. Значения скорости распространения продольных волн Vp, обусловленные прерыви-

стыми глинистыми контактами, невысоки -1.4-1.7 км/с. Однако заполнение открытого порового пространства водой заметно увеличивает значения Ур — в среднем на 0.3-0.9 км/с. Среднее значение прочности Ис для толщи составляет 26 МПа.

В интервале 800-1250 м содержание монтмориллонита увеличивается до 10 %: он полностью обволакивает обломочные частицы, кроме того, выполняет поры в пемзовых обломках и начинает развиваться по стеклу литокласт, Формируется порово-пленочный цемент. Межобломочные поры остаются по-прежнему пустыми. Кристаллокласты пироксенов и плагиоклазов практически свежие, иногда незначительно изменены по краям. Увеличение количества монтмориллонита приводит к значительному уплотнению туфов (2.02 г/см3), за счет снижения пористости до 29 %, повышению гигроскопической влажности до 2.7 %, снижению водопоглощения более, чем в два раза. Значения Ур остаются по-прежнему невысокими, возрастая при водонасыщении на 0,2-1.2 км/с,-Прочность изменяется от 14 до 40 МПа (в среднем составляя 35 МПа) и повышается до 88 МПа при значительном содержании кальцита, развивающегося в поровом пространстве.

В интервале 1250-1500 м монтмориллонит полностью заполняет межобломочное пространство, образуя порово-базальный цемент. Его содержание увеличивается до 20-30 %. Микростроение глинистой массы меняется по сравнению в вышезалегающими толщами: его можно охрактеризовать как листовато-мелкоячеистое. Размеры пор при этом заметно уменьшаются. Пелитоморфный кальцит, распространенный в предыдущих интервалах перекристаллизован в крупные кристаллы, которые совместно с монтмориллонитом участвуют в формировании цемента. Содержание кальцита увеличивается от 10 % в верхних частях интервала до 30 % в основании. На данном интервале происходит дальнейшее уплотнение туфов - в среднем до 2.27 г/см3, уменьшение пористости до 21 %. Гигроскопическая влажность увеличивается в среднем до 3.6 %, а на отдельных участках, с содержанием монтмориллонита около 50% - до 5-8 %. Водопоглощение характеризуется низкими значениями -5%, что связано с набуханием монтмориллонита при водонасыщении. Значения Ур и Лс возрастают до 2.15 км/с и до 45 МПа, соответственно. В отдельных горизонтах, в результате развития кальцита в поровом пространстве в виде цемента, значения Ур и Яс повышаются до 3.8-3.9 км/с и 80-90 МПа.

В интервале 1500-1600 м меняется состав и микростроение глинистых минералов. Монтмориллонит сменяется корренситом, который выполняет межобломочное пространство, замещает базис литокласт, развивается по кристаллокластам. Он характеризуется листоватым микростроением, с некоторой ориентировкой частиц на отдельных участках. По трещинам, на границах между обломками, по плагиоклазам

Рис. 1 Зональное изменение свойств туфогенных пород при региональном эпигенезе.

развивается ломонтит. Содержание кальцита убывает вниз по разрезу и в основании интервала он отсутствует. По сравнению с вышезалегающей толщей, туфы несколько разуплотнены (2.18 г/см3), за счет снижения плотности твердых частиц до 2.69 г/см3 вследствие равития значительного , количества цеолитов с низкой минеральной плотностью. Величина пористости при этом не меняется. Гигроскопическая влажность снижается ' на 1.2 %, т. к. в составе глинистых минералов уменьшилась доля ■ монтмориллонитовой компоненты.

Таким образом, в строении разреза скважины, отражающего особенности эпигенетических изменений в регионе, четко выделяется ряд зон, отличающихся средними значениями физико-механических свойств, их неоднородностью и характером изменения (рис. 1). В общем случае, значения плотности, прочности увеличиваются от зоны к зоне вниз по разре-~ зу, по мере заполнения межобломочного пространства вторичными минералами со сменой типов цемента. Следует отметить, что границы между, зонами достаточно резкие. Изменение свойств при переходе от одной зоны : к другой происходит скачкообразно, в узком интервале - 2-3 м. Есть осно-' вания предполагать, что подобные породы слагали разрез на месте ныне существующей Океанской ГТС (изученной до глубины 1200 м) до начала ее функционирования.

Глава 4. Гидротермалыю-метасоматическая зональность и физико-механические свойства пород изученных гидротермальных систем.

Прогрессивная стадия развития системы.

Океанская ГТС находится на прогрессивной галоидно-сернисто-углекислой стадии развития и характеризуется высокими температурами, достигающими 450°. Воздействие термальных вод приводит к цементации рыхлой 650-метровой пирокластической толщи вторичными ' минералами - опалом, глинами, цеолитами, с формированием скальных грунтов. Ниже, до глубины-1200 м, происходит смена слабого опал-монтмориллонитового пленочного цемента на прочный порово-базальный кварц-серицитовый, кварц-хлоритовый с цеолитами, эпидотом. При этом отмечается упрочнение от 20-35 до 50-100 и более МПа, уплотнение от 1.6-2.0 г/см3 до 2.3-2.5 г/см3, повышение Vp от 1.5-2.0 до 3.5-4.5 км/с, изчезновенне гигроскопической влажности, уменьшение пористости от 45-30 до 10-20%. Происходит значительная перекристаллизация первичного материала - в первую очередь витрокласт, затем кристалло- и лито-класт, что приводит к снижению плотности тведрых частиц до 2.70-2.75 г/см3 при развитии значительного количества глинистых минералов, и до 2.5-2.6 г/см3 при развитии опала.

Гидротермально измененная толща имеет зональное строение (табл.1). Зональность обусловлена не сменой типов цемента, как при региональном эпигенезе, а сменой минеральных ассоциаций при неизменном порово-базальном типе цемента. Минералогическая зональность обуславливает и зональное изменение физико-механических свойств. К экзоконтактовой зоне диоритового тела (инт. 1100-1200 м) приурочена зона вторичных кварцитов, которая представлена однородной толщей полностью переработанных пород — плотных (2.40-2.55 г/см3), низкопористых, акустически «жестких» (Ур 4.0-4.9 км/с), с Лс> 100 МПа. Высокие значения свойств обусловлены развитием криптокристал-лического кварцевого агрегата, как по цементу так и по обломкам туфов, в порах и трещинах, формирующим вторичную гранобластовую структуру. Значения физико-механических показателей несколько снижаются при развитии в кварцевом агрегате серицита, алунита, вайракита, а также вследствие неравномерности окварцевания и наличия реликтов хлоритизи-рованных литокласт. Выше залегает мощная - 600-метровая зона средне-температурных пропилитов, которая характеризуется большим . разнообразием вторичных минералов, основными из которых являются хлорит, кварц, вайракит, альбит, эпидот. Туфы в этой зоне перекристаллизованы на 60-80%. Гидротермальные минералы развиваются в виде псевдоморфоз по цементу и первичным обломкам, в результате чего просматривается исходная туфовая структура. Плотность, прочность среднетемпературных пропилитов достаточно высоки, хотя и несколько снижаются по сравнению с вторичными кварцитами: р - до 2.3 г/см3, Ур падает на 1.0 км/с, 11с— примерно в два раза - до 50-60 МПа. При переходе к зоне низкотемпературных пропилитов, на 50-90% перекристаллизованных хлоритом, корренситом, ломонтитом, гидрослюдой, кальцитом, отмечается дальнейшее снижение плотности - до 2.1-2.2 г/см3, Ур до 2.5-3.0 км/с, Ис в среднем до 30-40 МПа. В верхней части зоны выявлено присутствие смешаннослойных гидрослюдисто-монтморил-лонитовых минералов, которые обуславливают появление гигроскопической влажности. Значительный разброс свойств связан с различными количественными соотношениями вторичных минералов. Зона низкотемпературных пропилитов, по мере трансформации хлоритов и гидрослюд в смешаннослойные образования с монтмориллонитовым компонентом, переходит в зону аргиллизированных пропилитов, для которой характерны разуплотненные (1.7-1.9 г/см3), гигроскопичные (3-4%) породы с прочностью порядка 15 МПа, снижающейся до первых МПа при водо-| насыщении. Степень перекристаллизации первичного вулканогенного материала составляет 80-100 %. Вторичные минералы формируют псевдоморфную структуру. В пределах зоны гидротермальных аргиллитов, типоморфными минералами которой являются опал, тридимит и монтмориллонит, свойства пород колеблются в значительных пределах и

Гидротермально-метасоматическая зональность и

Стадия развития ГТС Гидротермально-метасоматическая зона Размерность туфа Степень пере-работ.% Структура

Прогрессивная (Океанская) опалиты моноопаловая псаммито-псефитовые 100 псевдоморф.

опал- каолинитовая 20-30 крист.-литокласт.

60-80 псефдоморф.

гидротермальные аргиллиты псаммито-псефитовые 20-30 литокластическая

60-90 псевдоморф.

крупно-псефитовые 10-20 литокластическая

аргиллизированные трансильванские пропилиты псаммито-псефитовые 70-60 крист.-литокласт.

крупно-псефитовые 50-60 литокластическая

пепл.,псам.- псеф.,крупно- псефитовые 80-100 псевдоморф.

низко Т цеопитовые пепловые 70-90 псефдоморф.

псаммито-псефитовые 50-60 крист.-литокласт.

трансильванские псаммито-псефитовые 70-90 псевдоморф.

средне Т пропилиты псаммито-псефитовые 60-80 псевдоморф.

крупно-псефитовые 30-40 литокластическая

вторичные кварциты серицитовые псам.-псеф., крупнопсеф. 90-100 гранобластовая

алунитовые

"вскипания гидротерм" псаммито-псефитовые 80-90 гранобластовая

Регрессивная (Паужетская) высококремнистые цеолиты и гидротермальные аргиллиты пепловые 60-90 кристаллокластич.

псаммито-псефитовые 60-80 кристаллокластич.

низко Т пропилиты цеолитовые крупнопсеф. 40-50 литокластическая

псаммито-псефитовые 60-80 кристаллокластич.

псам.-псеф., пепловые 80-100 гранобластово-пойкиллитовая

трансильванские крупно-псефитовые -50 литокластическая

"вскипания гидротерм" псаммито- псефитовые, крупнопсеф. 80-100 гранобластовая

Таблица 1

свойства пород изученных ГТС

Вторичные минералы р'з г/см г/сМ3 п, % УУг, % М/в, % Ур, км/с Урв, км/с Яс, МПа Рев, МПа Кол-во обр.

опал, окислы Ре 1.67 2.54 35 1.4 14 3.1 3.15 35 24 30

опал, каолинит 2.12 2.69 21 0.9 4 3.75 4.15 60 54 8

1.64 2.67 37 2.3 12 2.1 1.9 10 4 8

монтмориллонит, опал 2.13 2.78 23 2.6 6 3.65 3.75 42 35 16

1.77 2.70 35 3.1 14 2.15 1.8 14 4 50

2.30 2.71 15 3.8 3 3.95 4.05 55 36 15

гидрослюда- монтмориллонит, кальцит, хлорит, аморфн. кремнезем 1.96 2.83 30 3.0 14 3.0 2.1 24 10 15

2.19 2.85 23 2.5 6 3.0 2.75 30 14 21

1.82 2.85 36 3.3 14 2.25 2.0 15 3 84

корренсит, хлорит, ломонтит, кальцит,хлорит гидрослюда 1.78 2.68 34 1.3 2 1.5 1.35 11 6 7

2.11 2.78 24 0.8 8 2.35 2.45 40 30 20

2.14 2.85 24 1.4 8 3,3 3.3 36 22 20

хлорит, кварц, альбит, цеолиты, серицит, эпидот 2.30 2.81 18 0.7 5 3.55 3.95 56 45 45

2.43 2.87 15 0.7 4 4.3 4.5 90 72 25

кварц, серицит 2.50 2.86 13 0.5 3 4.3 4.6 115 85 34

кварц, алунит 2.40 2.70 13 0.5 4 4.5 4.25 67 - 15

кварц,адуляр, вайракит.эпид. 2.35 2.79 16 0.6 5 4.0 4.25 100 85 80

монтмориллонит, опал, морденит, клиноптиллолит 1.40 2.63 49 3.2 28 2.0 1.75 11 2 60

1.64 2.74 40 1.2 20 1.95 2.55 13 3 8

ломонтит, хлорит, корренсит 2.18 2.81 22 0.6 7 3.55 3.65 50 30 20

1.93 2.74 30 0.6 11 2.45 2.4 25 17 85

1.64 2.64 39 0.9 22 0.85 0.8 3 2 156

кальцит, гидрослюда хлорит, кварц 2.33 2.85 18 1.4 5 3.45 3.85 41 32 40

кварц, адуляр 2,21 2,72 19 0.4 6 4.35 4.4 90 82 54

зависят от степени переработки, изменяющейся от 10-20% до 80%, и от количественного соотношения и формы выделения монтмориллонита и опала. В верхней зоне - зоне опалитов - выделяются две подзоны. Характерной чертой опал-каолинитовой подзоны, как и в предыдущей зоне, является крайняя неоднородность в распределении свойств, связанная с раличной степенью переработки - от 20 до 100%. В венчающей разрез моноопаловой подзоне происходит полная перекристаллизация туфо-генных пород, с образованием опалитов, которые несмотря на высокую пористость, достигающую 35 %, характеризуются значительной прочностью 30-50 МПа, и Ур, превышающими 3.0 км/с.

В общем случае, от зоны к зоне вверх по разрезу (за исключением •опалитов) отмечается тенденция уменьшения плотности (от 2.5 до 1.6 г/см3 ) и прочности (от более 100 МПа до 10-15 МПа), увеличение гигроскопической влажности (от 0.5 до 3-4 %), пористости (от 10-15 до 3040%). Границы между зонами достаточно четкие.

Следует отметить, что общую зокономерность изменения свойств по разрезу нарушают зоны «вскипания» гидротерм. Эти зоны приурочены к участкам повышенной проницаемости с особым термодинамическим режимом, и занимают, как правило, секущее положение по отношению к основной вертикальной зональности. Независимо от положения в разрезе, распространенные в этих зонах кварц-адуляровые породы характеризуются высокими значениями свойств, аналогичными вторичным кварцитам.

Регрессивная стадия развития системы.

В отличие от Океанской ГТС Паужетская система находится на регрессивной сернисто-углекислой, с переходом в собственно углекислую, стадии развития и характеризуется снижением температуры минерало-образующих растворов с 300° в начале гидротермальной деятельности до 200° в современное время. В результате происходит наложение низкотемпературных минеральных ассоциаций на более высокотемпературные с широким развитием глинистых минералов и цеолитов. Гидротермальная зональность имеет ряд отличий от Океанской ГТС и заключается в следующем (табл. 1).

1. На Паужетской гидротермальной системе отсутствует зона вторичных кварцитов в недрах и зона опалитов на поверхности. Это обусловлено разными РТ-условиями и гидрохимическими режимами двух систем. В отличие от Океанской ГТС, находящейся на высокотемпературной (400°) стадии развития, когда наблюдается высокая активность галоидов и сернистых соединений, Паужетская ГТС находится на рубеже сернисто-углекислой и собственно углекислой стадии, характеризующейся температурой 150-200°, низким содержанием сероводорода, ■ что затрудняет образование кислых вторичных растворов, вызывающих сернокислотное выщелачивание.

2. На Паужетской ГТС практически отсутствуют средне-температурные пропилиты, что связано с более низкими, по сравнению с Океанской ГТС, температурами минералообразования, редко превы-' шающими 300° в начале гидротермальной деятельности на рубеже плейстоцена-голоцена. В настоящее время, вследствие снижения температуры по мере функционирования ГТС до 150-200°, среднетемпературные пропилиты почти полностью перекристаллизованы продуктами низкотемпературной пропилитизации и аргиллизации.

3. Зона низкомпературных пропилитов присутствует на обоих ГТС, однако на Паужетской системе низкотемпературные пропилиты характеризуются значительным распространением как по глубине, так и по простиранию, прослеживаются во всех тектонических блоках. На Океанской системе низкотемпературные пропилиты имеют ограниченное распространение и малую мощность, не превышающую 100 м. На Паужетской системе четко выделяются две пространственно разобщенные фации - цеолитовые и трансильванские пропилиты, тогда как на Океанской в ассоциации с цеолитами нередко присутствуют гидрослюда и кальцит, типичные для трансильванских пропилитов. Такая неравновесная асоциация указывает на незавершенность процесса формирования низкотемпературных пропилитов. На Паужетской системе зона цеолитовых пропилитов характеризуется различной степенью переработки, обуславливающей широкий разброс значений физико-механических свойств: плотность 1,40-2,23 г/см3, пористость 19-48%, скорость распространения продольных волн 0,6-4,1 км/с, прочность 2-73 МПа (высокие значения характерны для крупнопсефитовых туфов, менее переработанных по сравнению с остальными). Однако, в целом процесс цеолитизации более интенсивный, чем на Океанской системе, о чем свидетельствует нередко встречающаяся высокая степень цеолитизации (до 70 % ломонтита) и полная переработка туфов в хлорит-ломонтитовую породу с вторичной гранобластово-микропойкилитовой структурой -разуплотненную (р = 1,4-1,8 г/см3), низкопрочную (Re <10 МПа), с предельно низкими значениями Vp, не превышающими 1.0 км/с. Такие породы на Океанской системе не обнаружены. На Океанской системе в зоне цеолитовых пропилитов туфы сохраняют первичную кластогенную структуру, содержание цеолитов не превышает 20 %, хлорит, как правило, доминирует на цеолитами, степень перекристаллизации вулканогенного материала составляет 50-70 %. Это находит свое отражение в более высоких значениях физико-механических свойств: р= 2,04-2,22 г/см3, п= 19-29 %, Vp= 1,55-2,75 км/с, Rc= 11-65 МПа, разброс которых во многом обусловлен первичными неоднородностями пород. Вышеперечисленные различия низкотемпературных пропилитов двух гидротермальных систем связаны с тем, что Паужетская система долгое время находилась на стадии

низкотемпературной пропилитизации, приведшей к интенсивному перерождению туфогенных пород в цеолитовые пропилиты. В настоящее время процесс цеолитизации практически закончен, т.к. система вступила в стадию гидротермальной ариллизации. На Океанской гидротермальной системе, находящейся на стадии среднетемпературной пропилитизации, низкотемпературные пропилиты имеют подчиненное значение, их формирование далеко не закончено.

4. На Паужетской ГТС в пределах зоны гидротермальных аргиллитов все породы интенсивно переработаны, в отличие от Океанской системы, где степень переработки изменяется от 10 до 100 %. Соответственно, по физико-механическим свойствам зона гидротермальных аргиллитов более однородная, по сравнению с Океанской системой, характеризующейся широким разбросом значений физико-механических свойств. В пределах Паужетской ГТС отмечается широкое распространение высококремнистых цеолитов, не характерных для Океанской ГТС. Это связано с различными литологическими особенностями разрезов гидротермальных систем, в частности с отсутствием на Океанской системе кислых витрокластических туфов, служащих необходимым материалом для формирования высококремнистых цеолитов. Значительное количество высококремнистых цеолитов, развивающихся в виде скрытокристаллической массы по основной массе туфов, повышает их прочность примерно в два раза - до 25-30 МПа, несмотря на то, что породы остаются высокопористыми (40-50 %).

Глава 5. Изменение физико-механических свойств пород в процессе развития гидротермальной системы.

Анализ полученных значений показателей свойств (их средних значений, разброса, характера соотношения) с помощью гистограмм, графиков взаимосвязей, корреляционного метода, позволил получить дополнительную, качественно иную информацию о строении гидротермальных систем и выделенных в их пределах гидротермальных зон, нежели петрографические, минералогические, геохимические методы. Для выявления направленности гидротермального процесса с точки зрения изменения показателей физико-механических свойств пород, последовательно рассмотрены свойства пород, испытавших изменения в процессе регионального эпигенеза, на прогрессивной стадии развития ГТС и на регрессивном этапе. Выявлено, что в ходе гидротермального процесса, вследствие развития большого количества разнообразных вторичных минералов, преобразования структуры пород, происходит заметная дифференциация туфогенной толщи по плотности и прочности, отмечается снижение гигроскопической влажности. Значения показателя Ур увеличиваются на

прогрессивном этапе развития ГТС, а регрессивному этапу свойственно увеличение их разброса.

Анализ графиков взаимосвязей выявил существенные различия в соотношении свойств пород на разных этапах развития ГТС. В качестве примера приведен график взаимосвязи р-Ур, который показывает, что при одинаковой плотности, породы Океанской ГТС обладают значениями Ур, примерно на 1.0-1.5 км/с выше, чем регионально измененные туфы за ее пределами (рис. 2-А). По-видимому, этот факт связан с различной структурой и морфологией порового пространства. В первом случае межобломочное пространство полностью заполнено вторичными минералами, и пористость породы определяется пористостью этих минералов. Во втором случае - пористость обусловлена крупными межобломочными порами, при этом количество проводящих контактов, сформированных монтмориллонитом и опалом невелико. Результатом являются низкие значения Ур, хотя плотность при этом может быть достаточно высока, т.к. обломки лавы не изменены и имеют высокую плотность твердых частиц, в отличие от гидротермально измененных пород ГТС, где литокласты в значительной степени перекристаллизаваны вторичными минералами с меньшей плотностью. Для пород гидротермальной системы существует достаточно четкая зависимость Ур от р, с коэффициентом корреляции 0.88, тогда как для эпигенетически измененных туфов коэффициент корреляции составляет всего 0.56, а при плотности менее 2.0 г/см3 такая зависимость вовсе отсутствует.

Характер взаимосвязей физико-механических параметров (Ис-Ур, р-Ур, р-Яс) на прогрессивной и регрессивной стадиях гидротермального процесса одинаков, однако на прогрессивной стадии она более четкая, а на регрессивной более расплывчатая (шире разброс значений )(рис 2-Б).

Сравнение особенностей гидротермальной зональности на двух этапах развития ГТС в помощью графиков взаимосвязей выявило следующее. Гидротермальные зоны, сформированные на прогрессивном этапе развития ГТС, характеризуются относительно широким разбросом значений физико-механических показателей, что обусловлено существенным влиянием первичных структурно-минералогических неоднород-ностей, неравномерностью и незавершенностью гидротермальных преобразований. Значения физико-механических показателей свойств, характеризующие различные зоны в значительной степени перекрываются между собой (рис.З-А). С вступлением гидротермальной системы на регрессивную стадию развития в общем случае увеличивается разброс значений ■ физико-механических показателей, однако в пределах каждой гидротермально-метасоматической зоны породы становятся более однородными. Каждая зона характеризуется вполне определенным, присущим только ей набором значений физико-механических свойств, заметно отличающимся от других зон (рис.З-Б). Это свидетельствует о более интен-

Ур, км/с

Ур, км/с

А.

"Ч.

. л*

в

. О о

0 . '¡Л.ВО

_ Ро

О05 "

о°Р0

£

о

о О

ОСО (

0

?

о. О

• • ** • со

.во О? ' . 0

о • - . *о • •

ООО - с в* .

¿Р.- в

0,0

сЯз

с? О о

1.0

2.0

>1.5 2.0 25 р. г/см

Рис. 2 Соотношение р-Ур на разных этапах развития ГТС

• Региональный эпигенез • Прогрессивная стадия развития ГТС О Регрессивная стадия развития ГТС

р, г/см

Ур,км/с

4

>4Г

Ур, км/с

Р.У

1.5

Л_

2.0 _1_

А - Океанская ГТС

/

'■Уу/

/ V ^ ь

С/- '/ I

• .V

• ■^ Ч *

1.0 I

г \,

ч:

V 2.0

р, г/см

Б- Паужетская ГТС

р, г/см

Рис. 3 Соотношение р-Ур в различных гидротермальных зонах

♦ Опалиты

4- Опал-каолишгговые породы Ш Гидротермальные аргиллиты у Аргиллизированные пропилиты Цеолнтовые пропилиты

♦ полностью переработанные

♦ не полностью переработанные

А Кальцит-гидроелюдистые пропилиты Кварц-альбит-хлориговые пропилиты

# Вторичные кварциты

* Кварц-адуляровые метасоматигы

5

о

3

т

г

2

+

■

1

Я

сивном и продолжительном процессе гидротермального преобразования пород по сравнению с прогрессивным этапом, достижении гидротермальной системой некоторой стабильности. Кроме того, в ходе эволюции ГТС в породах формируется единая структура порового пространства.

Следует отметить, что в процессе гидротермальной переработки в некоторых метасоматических зонах происходит постепенное выравнивание значений показателей физико-механических свойств пород, изначально отличавшихся друг от друга структурно-минералогическими особенностями и инженерно-геологическими характеристиками. В зонах цео-литовых пропилитов Паужетской ГТС, аргиллизированных пропилитов, вторичных кварцитов, опалитов Океанской ГТС, зонах «вскипания» обеих систем, свойства пепловых, мелкопсефитовых, псефитовых и даже крупнообломочных туфов, испытавших интенсивное воздействие гидро-' термальных растворов, становятся крайне близки.

Глава 6. Влияние структурно-тектонической обстановки на гидротермальную зональность и свойства пород.

В общую модель гидротермальной зональности существенные коррективы вносят геолого-тектонические особенности региона, поскольку именно они во многом контролируют термодинамические условия и проницаемость пород, влияя тем самым на характер и степень гидротермальной переработки.

В различных геолого-структурных блоках, выделенных в пределах изученных геотермальных систем, гидротермальная зональность имеет ряд ' специфических особенностей. Наиболее активно гидротермальные процессы протекают в пределах горстов и неотектонических поднятий, сложенных интенсивно нарушенными туфогенными породами, которые под действием термальных растворов полностью разрушаются (степень переработки 80-100%), превращаясь в новые метасоматнческие породы. Горсты характеризуются неоднородным строением температурного поля. Как правило, в пределах открытых тектонических нарушений, пересекающих и оконтуривающих горсты, а также в экзоконтактовых зонах субинтрузивных тел, характеризующихся сложным гидродинамическим режимом и высокими температурами (300-400°), формируются вторичные кварциты - плотные (р=2.3-2.6 г/см3), прочные (Дс>100 МПа), акустически «жесткие» (Ур=4-5 км/с) породы. На некотором уделении от них фиксируются охлажденные участки (Т< 200°), где образуются мощные, однородные толщи рыхлых, разуплотненных (р=1.5-1.8 г/см3), низкопрочных (Лс-первые МПа), низкоскоростных (Ур=0.8-1.5км/с), высокопористых (п=30-40%) цеолитовых и аргиллизированных пропилитов. Аргиллизи-

рованные пропилиты, кроме того, обладают значительной гигроскопической влажностью - 3-4%.

Тектонически спокойные структуры, сложенные менее нарушенными породами по сравнению с горстами, характеризуются плавным нарастанием температуры с глубиной и, как следствие этого, - четкой, закономерно-последовательной сменой гидротермальных зон по разрезу. Так, на Океанской ГТС, в относительно опущенном блоке, от зоны к зоне вверх по разрезу отмечается тенденция уменьшения плотности, прочности, увеличение гигроскопической влажности, пористости (см.главу 4). Границы между зонами достаточно резкие. Однако, в пределах зон наблюдаются значительные колебания значений свойств, связанные с различной степенью гидротермальной переработки, изменяющейся от 10 до 100% (в целом менее интенсивной, по сравнению с горстами).

Глава 7. Основные закономерности преобразования туфогенных пород под воздействием современных гидротермальных процессов.

В главе детально рассматривается влияние структурно-минералогических факторов на физико-механические свойства туфов на разных стадиях гидротермального изменения. Предлагается модель формирования гидротермально-метасоматических пород (табл.2), в которой последовательно рассмотрены этапы преобразования туфогенных пород под воздействием термальных растворов различной кислотности-щелочности, состава, температуры, с образованием новых пород -опалитов (р=1.55-1.70 г/см3, Яс=30-50 МПа), гидротермальных аргиллитов (р=1.6-1.8 г/см3, 11с=7-10 МПа), аргиллизированных пропилитов (р=1.8-1.9г/см3, Яс=15 МПа), пропилитов — цеолитовых (р=1.4-1.7 г/см3, Яс<5 МПа), кальцит-гидрослюдистых (р=2.0-2.3 г/см3, Лс=25-40 МПа), кварц-альбит-хлоритовых (р=2.3-2.4 г/см3, Яс=50-60 МПа), вторичных кварцитов (р=2.40-2.55 г/см3, ЯоЮО МПа).

Предлагается инженерно-геологическая классификация изученных вулканогенных и метасоматических пород и обосновывается их место в общей инженерно-геологической классификации грунтов (табл.3). Согласно общей инженерно-геологической классификации грунтов все изученные породы относятся к классу скальных грунтов, характеризующихся структурными связями кристаллизационной и цементационной природы. По генезису выделяются магматические и метасоматические породы. Магматические породы представлены туфами, которые по преобладающему размеру обломочного материала разделяются на пелитовые и алевритовые (< 0. 1 мм), псаммито-мелкопсефитовые (0.1-10 мм) и крупнопсефитовые (> 10 мм). Метасоматические породы объединяют несколько типов: опали-

Модель формирования гидротермально-метасоматических пород

Таблица 2

Туфы неизмененные и слабо переработанные (< 30%) с первичными вулканокластическими структурами

По строению - пелитовые и алевритовые витрслластические с базальным цементом. псаммито-мелколсефитовые кристалло-й литокластические с пленочным, пороео-пленочным и пореоо-ба зальный цементом, крупнопсефмтовые литокластические с перовым цементом

По составу - андезитЫзазальтоэые, реже дэиитовые и риодациговые

Воздействие термальных растворов

Т 10típH 1.5-4 Сульфатные Т 100-15tí'pH 7-7.5 Хло р ид ноугле кислые Т150-200? рН 5,5-7 Сульфатно-хлоридно- углекислые Т 180-26tfpH 5,5-7 Сульфатно-хлоридно- углекислые Т 180-260;>Н 7-10 Сульфаггно-хлоридные с углекислотой Т 250-350?рН 6.5-7.5 Сульфатно-хлоридные Т 350-450? рН 1,5-4,5 Хлоридные (фторидные) Супьфатно-хлорианые

i i ▼ 1 ▼ 1

Туфы средне-интенсивно переработанные (30-70 %) с реликтовыми вулканокластическими структурами

Аргиллизи ро ванные (монтмориллонит, опал, №1»ЮПТИПЛ0ЛИГ, тридимкт) Аргиллизиро ванные и лролилитизированные (монтморилпонит-гмдрослюда, хлорит. кальцит, опал) Пропил итизированные кальцит-гидрослюдистые (хлорит, гидрослюда, кальцит, кварц) Цеол итизированн ые (ломомтит, хлорит, корренсит) Пропил итизированные кварц-альбит-хлоритовые (хлорит, кварц, альбит, серицит, еайрадо, эпмдот)

1 i | i i ¡ i i i I | i 1

Педитоаьм и &леври-тоеыа Псамиито» мелко» псефитовые Кругио-товью Пелитоеые и алевр*-тоеые Псамыито- мел»> лсефитоеы« Кругме- псефито- аыв Псанмито- мелко- псефитоеые Круто-псефитоаые Пелитоеые и алевритовые Пса*иит> мело псефито-вые Kpyrwo пеефито вые Псанмгго-лсефитовые Крупно-псефитсвые

1 Г \ 1 \ I / \ / \ г

Олалиты (Опал, окислы железа, структур* пеевдоморфмая) Гидротермальные аргиллиты (структура псевдоморфная) Аргиллизиро ванные пропил иты {структура псеадоморфная) Кальцит-гидрослюдистые пролилкты (структура псеадоморфная) Цеолитовые пролилкты (стуктура гранобпастово-н ик pono йк ил л итовая) Кварц-альСит-хпорктоаые пропилить! (структура псбВДомор4»«я) Вторичные кварциты (ива рц. серицит .элидот) (структура гранобл зетовая, легждограноблэсто&ая)

Полностью переработанные; >70 %) породы с вторичными гидротермальными структурами

Таблица 3

Инженерно-геологическая классификация туфогенных пород и продуктов их гидротермапьно-метасоматической переработки_

Класс (по характеру структурных связей) Группа (по генезису) Тип (по петрографическим особенностям) Разновидность (в соответствии с ГОСТ 25100-95) (по прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии и плотности скелета фунта)*

Скальные Магматические (эффузивные) Туфы Пелктовые и алевритовые Рыхлые, малопрочные (неизмененные и цеолитизированные)

Псаммито-псефитовые Рыхлые, малопрочные (аргиплизированные и пропилитазированные)

Рыхлые, средней прочности (неизмененные с пленочным цементом)

Плотные, средней прочности (неизмененные с порово-базальным цементом и цеолитизированные)

Крупно-псефитовые Плотные, малопрочные (аригиллизированные и пропилитазированные)

Плотные, средней прочности (пропилитазированные -цеолитизированные и кальцит-гидрослюдистые)

Плотные, прочные (неизмененные и пропилитазированные -кварц-альбит-хлоритовые)

Метасоматические Опалиты Рыхлые, средней прочности

Гидротермальные аргиллиты Рыхлые низкой и очень и низкой прочности

Пропилиты Рыхлые, низкой и очень низкой прочности (аргиплизированные)

Рыхлые, низкой прочности (цеопитовые)

Плотные, средней прочности (кальцит-гидрослюдистые и кварц-альбит-хпоритоеые)

Вторичные кварциты Плотные, прочные

* р: 2.5-2.1 г/см-- плотные, 2.1 -1.2 г/см3- рыхлые; f

Ree: 120-50 МПа -прочные, 50-15 МПа-средней прочности, 15-5 МПа -малопрочные, 5-3 МПа - пониженной прочности, 3-1 МПа - низкой прочности, <1 МПа - очень низкой прочности

ты, гидротермальные аргиллиты, пропилиты (аргиллизированные, цеоли-товые, кальцит-гидрослюдистые и кварц-альбит-хлоритовые) и вторичные кварциты. Последняя графа классификации выявляет разновидности пород по прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии и плотности грунта, в соответствии с ГОСТ-25100-95.

Заключение

Результаты петрографического, минералогического и инженерно-геологического исследования гидротермально измененных туфогенных пород двух гидротермальных систем Курило-Камчатского региона позволяют сделать следующие выводы.

1. Эпигенетические преобразования рыхлой пирокластической толщи в изученном регионе начинаются с глубины, более 650 м. В строении туфогенной толщи, до глубины 1600 м, выделяется ряд зон, объединяющих туфы с определенным размером обломочного материала и типом цемента, что находит отражение в зональном изменении свойств пород по разрезу. Происходит скачкообразное увеличение значений р (от 1.3 до 2.3 г/см3), Яс (от 15-20 до 50-60 МПа), \¥г(от 1.5 до 3-4 %) и других свойств от зоны к зоне вниз по разрезу, по мере заполнения межобломочного пространства вторичными минералами - опалом, монтмориллонитом, смешаннослойными, со сменой типов цемента (пленочного, порово-пленочного, порово-базального). Первичный вулканогенный материал андезитового, андезито-базальтового состава остается неизменным, что обуславливает высокие значения плотности твердой фазы.

2. Гидротермальная зональность и свойства пород двух ГТС, находящихся на разных стадиях развития, существенно различны. На прогрессивном этапе эволюции ГГС (Океанская система) происходит цементация рыхлой пирокластической толщи вторичными минералами с образованием скальных грунтов; смена «слабого» опал-монтмориллонитового пленочного, порово-пленочного цемента на прочный порово-базальный цемент -кварц-серицитовый, кварц-хлоритовый, сопровождающаяся значительным уплотнением, упрочнением (в 2-5 раза), снижением пористости, исчезновением гигроскопической влажности. Выявлена четкая вертикальная зональность в изменении свойств, обусловленная зональным распределением вторичных минеральных ассоциациий (снизу вверх) - вторичных кварцитов, среднетемпературных кварц-альбит-хлоритовых пропилитов, низкотемпературных цеолитовых и кальцит-гидрослюдистых пропилитов, аргиллизированных пропилитов, гидротермальных аргиллитов, опалитов. В общем случае от зоны к зоне вверх по разрезу отмечается тенденция уменьшения плотности (от 2.5 до 1,6 г/см3 ) и прочности (от 115 до 10-15 МПа), увеличение гигроскопической влажности (от 0.5 до 3-4 %), пористости (от 10-15 до 30-40%). Значения показателей физико-

механических свойств, характеризующие выделенные зоны, в значительной степени перекрываются между собой, что свидетельтвует о незавершенности гидротермальных преобразований и значительном влиянии на свойства пород первичных петрографических неоднородностей.

Регрессивная стадия развития ГТС (Паужетская система) характеризуется снижением температуры минералообразующих растворов и наложением низкотемпературных минеральных ассоциаций на более высокотемпературные. Широкое развитие приобретают цеолиты и глинистые смешаннослойные минералы. Зональность имеет ряд отличий от Океанской ГТС. Во-первых, отсутствуют зоны вторичных кварцитов, среднетемпературных пропилитов, опалитов. Во-вторых, низкотемпературные пропилиты четко дифференцируются на цеолитовые и кальцит-гидрослюдистые. Для зоны цеолитовых пропилитов характерны разуплотненные (р - 1.4-1.7 г/см3 ), ннзкопрочные (Яс - перые МПа), высокопористые (35-40%), низкоскоростные (<1,0 км/с) породы, не имеющие аналогов на Океанской ГТС. В-третьих, зона гидротермальных аргиллитов и высококремнисгых цеолитов характеризуется большей степенью гидротермальной переработки и, соответственно, однородностью в распределении свойств, В общем случае на регрессивной стадии увеличивается разброс значений свойств (по сравнению с региональным эпигенезом и прогрессивной стадией), однако в пределах каждой зоны породы становятся более однородными, что свидетельствует о более интенсивном и продолжительном процессе преобразования пород по сравнению с Океанской ГТС.

3. В общую схему гидротермально-метасоматической зональности существенные коррективы вносят геолого-тектонические особенности региона, влияя на характер и степень гидротермальной переработки, мощность зон, их однородность, свойства пород в их пределах. Наиболее активно гидротермальные процессы протекают в пределах горстов, неотектонических поднятий, характеризующихся неоднородным строением температурного поля, сложенных интенсивно нарушенными, хорошо проницаемыми породами, которые под действием термальных вод нередко полностью разрушаются, превращаясь в метасоматические породы. В пределах открытых тектонических нарушений, пересекающих и оконтуривающих горсты, в экзоконтактовых зонах субинтрузивных тел формируются плотные, прочные вторичные кварциты, а на удалении от зон разломов образуются рыхлые, разуплотненные, высокопористые, низкопрочные толщи аргиллизированных и цеолитовых пропилитов. Тектонически спокойные структуры характеризуются меньшей степенью гидротермальной переработки и четкой вертикальной зональностью.

4. Выявлены основные этапы становления гидротермально-метасоматических пород под воздействием термальных растворов

различной температуры, состава, кислотности-щелочности и структурно-минералогические факторы, определяющие свойства пород на разных этапах переработки. Свойства неизмененных и слабоизмененных (< 30 %) туфов определяются размером обломочного материала, типом вулкано-кластической структуры и типом цемента. В общем случае происходит увеличение прочностных-плотностных показателей от алевритовых к крупнопсефитовым туфам; от туфов с пленочным цементом к туфам с порово-базальным цементом. Свойства средне-интенсивно (30-70 %) переработанных туфов зависят как от первичных особенностей ~ размера обломков, типа вулканокластической структуры, так и от типа, количества и формы выделения вторичных минералов. При переработке пород свыше 70 %, сопровождающейся образованием вторичных гидротермальных структур, свойства не зависят от первичных особенностей, а целиком контролируются типом, соотношениями, формами выделения вторичных минералов, образующих вторичные - гранобластовые, пойкиллитовые, псевдоморфные структуры.

5. Обоснована целесообразность введения в общую инженерно-геологическую классификацию грунтов новой группы пород - метасо-матитов, характеризующихся специфическими условиями образования и физико-механическими свойствами: от скальных плотных, прочных грунтов до полускальных рыхлых, низкой и очень низкой прочности.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Роль гидротермального процесса в формировании физико-механических свойств вулканитов // Вестник МГУ. Сер. 4. 1992. N3.C. 85-91

2. Влияние гидротермального изменения минерального состава на физико-механические свойства вулканитов // Материалы XVIИ науч. конф. молодых ученых геол. ф-та МГУ. Секция «Инженерная геология и охрана геологической среды», 16 апреля 1991 г./ МГУ, М., 1991, С.40-50: - Деп. в ВИНИТИ. УДК. 624.13.143.

3. Петрофизические свойства пород Паужетского месторождения парогидротерм (Южная Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 1991. N 6. С. 95-110 (совместно с Ладыгиным В.М., Рычаговым С.Н.)

4. О возможностях использования комплексного изучения петрофи-зических свойств вулканогенных пород // Геофизические исследования в гидрогеологии, инженерной геологии / Тр. ГИДРОИНГЕО. -Ташкент: САИГИМС. 1991. С.92-95. (Совместно с Ладыгиным В.М., Рычаговым С.Н.)

5. Петрофизические свойства гидротермально измененных пород II Петрофизические свойства. Владивосток, 1992. С. 39-50. (Совместно с Ладыгиным В.М., Рычаговым С.Н., Румянцевой H.A., Вебером С.И.)

6. Петрофизические свойства пород гидротермальной системы // Структура гидротермальной системы. М.: Наука, 1993. С. 120-148 (Совместно с Кривошеевой З.А., Ладыгиным В.М., Рычаговым С.Н.)

7. Зональность инженерно-геологических свойств в парогидротермальных месторождениях (Курильские о-ва). Тезисы докладов. Международная науч.-тех. конф. «Проблемы инженерной геологии» , Ленинград, 1997. (Совместно с Кривошеевой З.А., Ладыгиным В.М., Панасьян Л.Л., Рычаговым С.Н., Шлыковым В.Г.)

8. Metasomatic zoning and petrophysical characteristics of the volcanic rock from parohydrothermal deposits (Kamcyatka peninsula and Kuril island). Тезисы докладов. IAVEI General Assemblu Puerto Vallarta, Mexico, 1997. (Совместно с Кривошеевой 3.A., Ладыгиным В.М., Рычаговым С.Н.)