Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Кольцевые структуры как индикаторы глубинного строения современных гидротермальных систем Камчатки

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Делемень, Иван Федорович, Владивосток

/ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Дальневосточное отделение Дальневосточный геологический институт

На правах рукописи УДК 551.24+551.4

Делемень Иван Фёдорович

КОЛЬЦЕВЫЕ СТРУКТУРЫ КАК ИНДИКАТОРЫ

ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

КАМЧАТКИ

Специальность: 04.00.01 - общая и региональная геология

Диссертация на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель:

доктор геол.-мин. академик РАЕН

/ I-.

Г.А.Карпов

Владивосток 1998

Введение Глава 1.

Глава 2.

Глава 3.

Глава 4.

Глава 5.

СОДЕРЖАНИЕ

Кольцевые структуры и современные гидротермальные системы Камчатки

Объемное геологическое строение и основные структурные элементы, определяющие циркуляцию теплоносителя на современных гидротермальных системах Камчатки Осесимметричное структурообразование на современных гидротермальных системах

Индикация структурообразующих факторов и глубинного строения гидротермальных систем по кольцевым структурам Индикация глубинного строения гидротермальной системы кальдеры Узон по кольцевым структурам

Заключение Список литературы

Текстовое приложение 1

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3. Приложение 4.

Приложение 5. Приложение 6.

Приложение 7. Приложение 8.

Приложение 9.

Приложение 10.

Приложение 11.

Приложение 12. Приложение 13.

Приложение 14.

Сводка рассматриваемых в тексте диссертации аналитических моделей и зависимостей между параметрами структурообразования

Графические приложения Номограмма для определения глубины залегания центра сферического источника деформации по радиусу сопряженной структуры

Номограмма для определения глубины верхней кромки сферического источника деформации в зависимости от диаметра круговой (кольцевой) структуры или ширины радиальной зоны растяжения и наклона поверхностей, являющихся индикаторами угловых деформаций Дуговидные и кольцевые разломы Камчатки Контроль региональной сдвиговой тектоникой кольцевых структур геотермальных районов Изрезанный баранкосами конус Корякского вулкана Визуализация цифровой модели образующей конуса Корякского вулкана и трансформации этого конуса Кольцевые структуры Южной Камчатки Структурная позиция Мутновской гидротермальной системы

Связь Дачного участка Мутновской ГТС с МЦТ в пределах Мутновского ГТР

Корреляция геологических данных с каротажными диаграммами по скв. 30 на Мутновской ГТС Связь газовых аномалий радона с проницаемыми зонами наДачном участке Мутновской ГТС Глубинная модель Мутновского ГТР Кольцевая структура, обусловленная развитием региональной сводовой структуры, в вершинной части которой расположена кальдера Узон

Соотношение КС и геологического строения кальдеры Узон

27

44

56

99

107 110 116

118

119

120 121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Перспективы обнаружения новых термальных ресурсов связываются с поиском их на глубоких горизонтах гидротермальных систем. Кольцевые структуры позволяют оценить их глубинное строение, что оптимизирует поиск связанных с ними гидротерм и оруденения, обеспеНИРП» выбор мест безопасного захоронения отходов и безопасность строительства в вулканических районах.

Основные цели и задачи исследования. Цель работы - выявление индикационных зависимостей между параметрами осесимметричного структурообразования на современных гидротермальных системах и их глубинным строением. Для этого решались задачи: выявление основных закономерностей связи кольцевых структур и строения гидротермальных резервуаров; разработка метода индикации их строения по кольцевым структурам, его апробация на выбранных эталонных системах и оценка работоспособности на примере гидротермальной системы кальдеры Узон.

Объекты исследований: гидротермальные системы - Мутновская, Паужетская и система кальдеры Узон. Использованы также результаты исследований автора на вулканоструктурах, рудных месторождениях и кольцевых структурах Камчатки и других регионов (Караобинская кольцевая структура, Прибалхашье; Ключевская и Авачинско-Корякская группа вулканов, Камчатка и т.д.).

Научная новизна работы. Разработано новое направление в изучении современных гидротермальных систем вулканических районов: индикация их строения по кольцевым структурам. Создана методика такого анализа. Впервые осуществлена трехмерная реконструкция глубинного строения современных гидротермальных систем Камчатки. Определены факторы структурного контроля гидротермальных систем, уточнены некоторые особенности структуры и геодинамики региона.

Методы исследования: дешифрирование космо- и аэрофотоснимков, компьютерное и аналоговое моделирование, методы структурной геологии и геоморфологии, вулканологии, тематическое картографирование. Разработаны методика и алгоритм (частично реализованный в виде программных модулей для PC IBM на языках С++ и Фортран-77) индикации строения гидротермальных систем.

Достоверность научных положений и рекомендаций подтверждается сходимостью модельных и наблюдаемых данных.

Практическая значимость работы: обоснован "Способ прогноза геотермальных месторождений" [Способ прогноза..., 1990]; получен патент на "Способ захоронения жидких радиоактивных и других химически вредных жидких отходов" [Способ захоронения..., 1993[ ; выбраны оптимальные точки для установки пунктов мониторинга деформаций на Петропавловском геодинамическом полигоне; выданы рекомендации по безопасному размещению ряда ответственных строящихся промышлен-

ных объектов Камчатской области; изучена опасность катастрофического обрушения вулкана Корякский; уточнены факторы структурного контроля оруденения на некоторых эпитермальных месторождениях Камчатки; выполнено информационное обеспечение информационно-исследовательской автоматизированной системы "Геотермальные месторождения Камчатки и Курильских островов", разработанной в Лаборатории тепломассопереноса Института вулканологии ДВО РАН при участии автора. Эти работы выполнялись по заказам Администрации Камчатской области, а также АО "Наука", АО "КамчатТИСИЗ", ТОО "Камчатгеология", ЧП "Шатер", ЧП "Дальавиасервис", АО "Тревожное Зарево".

Защищаемые положения:

1. Кольцевые структуры являются следствием действия эндогенных факторов, связанных с тепломассопереносом и (в зависимости от их иерархического ранга)

Контролируют размещение геотермальных районов, отдельных гидротермальных систем, их элементов (пламбинги) и локальных термальных струй (глава 1).

2. В условиях гетерогенности строения резервуаров гидротермальных систем, при низкой проницаемости перекрывающих и подстилающих резервуар пород, решающим., структурным фактором формирования пространственного строения конвективных систем являются радиально-концентрические трещинные зоны очагового типа на высоко- и среднетепературных гидротермальных системах, и узлы пересечения региональной тектонической трещиноватости - в пределах низкотемпературных (глава 2).

3. При значительной роли линейных региональных тектонических структур, в строении высоко- и среднетемпературных гидротермальных систем доминантными Являются осесимметричные структуры, которые в значительной мере определяют геометрию тех проницаемых зон, по которым осуществляется тепломассоперенос на этих системах (глава 3).

4. Существующие наработки в теории кольцевых структур позволяют по внешним их признакам решить (с известной долей вероятности) обратную задачу в соотношении "причина - следствие" (процесс - отклик), получив таким образом модель глубинного строения гидротермальной системы, как совокупность источников деформации и связанных с ними проницаемых зон. (глава 4).

5. Обилие в кальдере Узон воронок фреатических взрывов и кольцевых структур гидротермального происхождения обусловлено отсутствием первичного кэпрока, кольматацией пород гидротермального резервуара и значительным количеством локальных источников деформаций в недрах гидротермальной системы {глава 5).

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на Всесоюзных вулканологических совещаниях (1985, 1991 г.г.); V Камчатской геологической конференции (1983г.); VII Всесоюзном палеовулканологическом симпозиуме (1986 г.); XII Совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (1988); Международном совещании по древнему вулканизму (Канберра, Австралия, 1994 г.); 8-м Международном Симпозиуме по взаимодействию "вода-порода" (Владивосток, 1995); Международном Юбилейном Вулканологическом Рабочем Совещании к 50-летию извержения Шова-Шинзан (Япония); 5-й Международной конференции по тектонике плит, 22-25 ноября 1995 г., Москва; Международном симпозиуме по сейсмостойкому строительству на урбанизированных территориях (Петропавловск-Камчатский, 1996); Всероссийском совещании "Гранитоидные вулкано-плутонические ассоциации: петрология, геодинамика, металлогения (Сыктывкар, 1997); конференции "Науки о.Земле на пороге XXI века" (1998) и на других представительных научных форумах.

Публикации. Опубликовано более 30 работ, в том числе две коллективных монографии. Кроме того, диссертационная работа положена в основу авторской монографии "Кольцевые структуры и гидротермальные системы современных

Рис. 1. Расположение изученных объектов на бланковой карте Камчатки.

Гидротермальные системы показаны затушёванными окружностями.

вулканических областей", включенной в план издательства "Дальнаука" на 1999 г. По результатам прикладных работ написано также 35 отчетов.

Фактическая основа работы. Работа является результатом двадцатилетнего изучения автором (по программам НИР Института вулканологии ДВО РАН) гидротермальных • систем Курило-Камчатского региона (рис. 1). Для характеристики аналогов над-очаговых зон вулканов привлечены результаты работ, выполненных в 1977-1980 г.г. при изучении строения надинтрузивных зон Прибалхашья (Караобинская ГРП, ПГО "Центрказгеология").

Значительная часть работ была выполнена в ТМК "Прикладная геотермия" ИВ ДВО АН СССР в рамках проекта № 426, получившего финансовую поддержку АН СССР (второе место на конкурсе естественнонаучных проектов ТМК, объявленном в 1989 г. Президиумом АН СССР). В дальнейшем часть работ проводилась по программам проектов РФФИ N.93-05-8222 (1993-1995 г.г.) "Исследование методами математического моделирования зарождения и эволюции магматических очагов, питающих систем и округлых каналов вулканов" и N.96-05-66243 (1996-1998) "Моделирование нестационарных процессов, происходящих в малоглубинных магматических очагах. Эволюция малоглубинных вулканических очагов и надочаго-вых зон" (руководитель - академик РАН С.А.Федотов); №91-05-96613 (1997-1999) "Экспериментальные и теоретические исследования механики оползневых процессов на основе комплексной оценки нестационарного температурного и динамических (прочностного, структурного и гидравлического) полей в условиях сейсмических и вулканических воздействий региона Камчатки" (руководитель - д.г.-м.н., к.т.н. Б.И.Кулачкин) и №97-05-96556 (1997-1999) "Трехмерное компьютерное моделирование условий локализации процессов потери устойчивости склонов на городских территориях, расположенных в областях современной эндогенной активности (в связи с проблемой прогноза оползней и вторичной сейсмической опасности для городских и промышленных центров Камчатки)" (руководитель - И.Ф.Делемень). Использовались также архивные материалы Камчатского, Сахалинского, Центрально-Казахстанского ТГФ, ИВ ДВО РАН, АО "КамчатТИСИЗ", ГП "Мутновка" и АО "Тепло Земли".

Структура и объем работы. Текст состоит из Введения, пяти глав, Заключения, списка литературы, 2 текстовых и графических приложений. Объем работы 120 страниц машинописного текста, включая 46 рисунков и 8 таблиц.

Терминология, используемая в работе, сведена в табл. 1. Кольцевая структура может рассматриваться также как рингомент, расположение элементов которого контролируется структурными особенностями земной коры. Очаговая кольцевая структура находится над источником деформаций (очагом), центр кривизны которого

Таблица 1

Используемые в работе определения основных терминов

Термин Определение термина, принятое в данной работе Варианты принятых определений термина Автор и год публикации определения Примечания

Структура Совокупность структурных форм какого-либо участка земной коры, определяющая его геологическое строение. Имеется в виду структура в геологическом (тектоническом и структурно-геологическом) понимании термина

Кольцевая структура Совокупность одновозрастных или разновозрастных геологических образований, группирующихся в виде дугового обрамления вокруг единого центра или центральной области. [ Гинтов О.Б., Гутерман В.Г. и Симоненко Т.Н. , 1976] В узком смысле - структура с кольцевым расположением геологических образований; в широком - структура с осью симметрии. Синонимы: структура центрального типа, осесимметричная структура.

Морфоструктура центрального типа КС, выраженная в рельефе земной поверхности.

Система Часть литосферы, отличающаяся от окружающей среды своим составом, строе-нием или протекающими в ней процессами. 1. Группа взаимосвязанных структур, таких как разломы, трещины или дайки. 2. Устойчивая совокупность ряда элементов. 1 .М.Гери и др. [Толко-вый..., 176] Имеется в виду система в геологическом (тектоническом, структурно-геологическом) понимании термина.

Гидротермальная система Естественная конвективная система в земной коре, в которой тепломассоперенос осуществляется водой (в жидкой и "газообразной фазах) при положительных температурах. Термоаномалии в верхней части коры областей современного вулканизма, приуроченные к определенным геологическим структурам и характеризующиеся поверхностной гидротермальной активностью. [Белоусов В.И., Сугробов В.М., 1976] Существуют древние (захороненные или палеосистемы), и современные (активные, действующие) системы.

Вулканическая система Естественная конвективная система в земной коре, в которой тепломассоперенос осуществляется магмой и ассоциирующими с ней флюидами.

Линеамент Линейная совокупность структурных элементов земной коры, проявленная в тех или иных ландшафтных индикаторах, включая рельеф и фотоизображение земной поверхности. Хоббс, 1904 В отличие от традиционной трактовки Хоббса, понятие линеамент сейчас не предусматривает строгого соответствия линеаментов глубинным разломам.

Рингомент Любое неслучайное дуговидное или осе-симиетричное (имеющее ось симметрии) сочетание индикационных ландшафтных элементов. Термин предложен автором, по аналогии с"ли-неаментом. Весьма сходный по звучанию и смыслу термин предлагает использовать Ф.С.Онухов [1988] ("ринглинеамент").

Паттерн Структурно обусловленный пространственный парагенезис кольцевых и линейных образований земной коры, слагающих их элементов и приуроченных к ним проявлений эндогенной активности. Англоязычный термин (Wash-bum. 1950). Термин предложен автором. Существующие понятия "узор" и "мозаика" не полностью соответствуют смысловому значению англо-язычного термина pattern.

является фокусом (по Б.В. Ежову) или гипоцентром структуры. Проекция гипоцентра на поверхности - эпицентр или центр структуры.

Гидротермальные системы подразделяются на стационарные - длительно существующие, и эфемерные - кратковременные. Пламбинг - трубообразная субвертикальная зона повышенной проницаемости, по которой осуществляется подъём термальных вод к дневной поверхности. Гидротермальный резервуар - наиболее проницаемая часть гидротермальной системы, в которой циркулируют термальные воды; бэдрок и кэпрок - соответственно подстилающая и перекрывающая резервуар толщи непроницаемых или слабопроницаемых пород. Вероятно, о гидротермальных системах имеет смысл говорить только тогда, когда в конвективном тепломассопереносе учавствует вода. Для более крупных используется термин "геотермальная", так как теплоносителем в этих системах являются, наряду с водой, магма и глубинные газы (интрател-лурический поток флюидов).

Принятые сокращения: ГТС - современная гидротермальная система, ВГР - высокотемпературный гидротермальный резервуар, ГТР - геотермальный район, КС -кольцевая структура, D - диаметр, H - глубина.

Постановка темы и научное руководство работ на первом этапе исследований осуществлялись рано ушедшим из жизни докт. геол.-мин.наук М.М.Василевским. В дальнейшем работа проводилась под руководством докт.геол.-мин. наук, академика РАЕН Г.А.Карпова. Лучшему пониманию поднятых проблем способствовало обсуждение с академиком РАН С.А.Федотовым соотношения вулканизма и структурогене-за, с И.С.Уткиным - анализа изображений и моделирования, с докт. геол.-мин.наук

A.В.Кирюхиным - конвективного тепломассопереноса, с канд.геол.-мин. наук Г.И. Аносовым - геофизичес