Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Математическое моделирование гидрофизических процессов при формировании гидротермальных месторождений

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование гидрофизических процессов при формировании гидротермальных месторождений"

С(*4' МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

^ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ ' АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Экз № 2(

САВШПСИН Сергей Борисович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность: 04.00.12 Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре "Гидравлика и гидрофизические процессы горного и геологоразведочного производства" Московской государственной геологоразведочной академии.

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

- доктор технических наук, профессор Брюховецкий О.С.

- доктор технических наук, профессор Лурье М.В.

- доктор технических наук, профессор Марон В.И.

- кандидат физико-математических наук, доцент Пименов В.П.

-ЦНИГРИ

Защита состоится /-3 ноября 1997 года в час. СО мин, на заседании Диссертационного Совета Д.063.55.03 в Московской государственной геологоразведочные академии по адресу:

117873, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, 23, аудитория

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТА.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 117873, Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, 23, Диссертационный Совет

Автореферат разослан "_" октября 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

доктор физ.-мат. наук, профессор Блох Ю.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Экономическая эффективность современного горного производства в условиях перехода к рыночной экономике во многом определяется интенсификацией процессов горного производства на всех его стадиях, В разработанном Государственным комитетом Российской Федерации по науке и технологиям перечне критических технологий федерального уровня большое внимание уделяется проблемам разработке основ и внедрения наукоемких технологий ускоренной оценки и комплексного освоения стратегически важного горнорудного и техногенного сырья.

Основу таких технологий составляют многофакторные модели геологических объектов, создаваемые сочетанием морфологических, качественных и геолого-экономических характеристик; соответствующие математические, аппаратурно-методические и технические комплексы и средства. Они формируются на базе фундаментальных исследований в области геотектоники, физики Земли, стратиграфии, геотермии, палеонтологии, петрологии, а также по итогам глубинных исследований недр Земли

В условиях малой вероятности крупных открытий в освоенных горнопромышленных районах, объективного снижения качества сырья в недрах, необходимости освоения северных и восточных районов страны, шельфа морей и океанов и более значительных глубин земной коры, большое значение имеют прогнозы, основанные на результатах математического моделирования имеющейся геологической информации.

Совершенствование новых информационных технологий и развитие вычислительной техники приводят к необходимости разработки автоматизированных методик фундаментальной математической оценки месторождений полезных ископаемых в том числе и гидротермальных.

Актуальность проблемы подтверждаемся и тем, что тематика научных исследований по разработке новых критериев поиска гидротермальных месторождений на основе математического моделирования гидродинамических процессов их формирования, вошла в календарный план важнейших работ, выполняемых в соответствии с государственным контрактом Министерства природных ресурсов РФ для федеральных нужд.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в разработке гидродинамической модели формирования гидротермальных месторождений полезных ископаемых на основе изучения процессов фильтрационной термоконвекции растворов и равновесного обмена веществом между раствором и вмещающими породами.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту

1. Понимание реальных геологических процессов рудообразова-

ния гидротермальных месторождений достигается совместным математическим моделированием процессов конвективной фильтрации гидротермальных растворов и процессов равновесного массобмена, дополненным современными средствами компьютерного анализа.

2. Сульфидное оруденение в океане непосредственно связано с высокотемпературным взаимодействием морской воды с породами слагающими океаническое дно, за счет ее циркуляции. Тепловой очаг, подобен гигантскому насосу, всасывающему морскую воду на одной части донной поверхности прокачивающему ее через породу рассматриваемого слоя, и выбрасывающему в виде минерализованного раствора в океан на другой част» донной поверхности.

3.Изучение времени остывания изолированного горячего тела (источника тепла) в массиве водонасьпценных вмещающих пород показало, что время его "жизни" может в несколько раз превосходить то, которое предсказывается обычной теорией теплопроводности пород.

4. Районы земной коры с повышенными значениями геотермического градиента характеризуются наличием восходящих потоков флюида и как следствие одним из факторов для оценки возможности поиска месторождений полезных ископаемых.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается:

• в создании гидродинамической расчетной модели движения гидротермальных растворов в пористой и трещиновато-пористой среде;

• в разработке и применении математического аппарата для решения модельных задач гидротермального оруденения;

• в разработке вычислительного имитационного алгоритма и компьютерных программ расчета температурных нолей, картины фильтрационной термоконвекции и оруденения (линий равной концентрации компонент);

• в построении адекватных математических моделей оруденения океанического дна и океанического шельфа;

• в разработке качественных и количественных методик оценки мест локализации рудных компонент гидротермальных месторождений и времени остывания горячих интрузий.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЮ!. Представленные в работе математические модели закономерностей и процессов движения растворов и локализации оруденения разрабатывались с использованием современных методик программирования, математического аппарата гидродинамики, элементов численных методов решения дифференциальных уравнений.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Методика доведена до законченной схемы построения и расчета модельных задач, программной реали-

зации и используется в диссертации для расчета конкретных геологических ситуаций, широко известных специалистам. Основой методики является созданный в результате исследований программный комплекс имитационного прогнозирования геологических условий и мест локализации рудных тел и связанных с ними фильтрационных течений гидротермальных растворов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ценность развиваемой в диссертации методики математического моделирования процессов формирования рудных тел с рассмотрением их гидродинамических аспектов подтверждается ее применением в качестве оценочной методики, которая позволяет выделить качественные и количественные метрические соотношения массопереноса вещества , информация о которых необходима на всех стадиях жизненного цикла конкретного месторождения. Результаты исследования совпадают с данными физического моделирования субмаринной конвективно-рецинклинговой колче-данообразующей системы института ЦНИГРИ МПР РФ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основное содержание диссертационной работы отражено в 10 работах (в журнале Изв.вузов "Геология и разведка" за 1994-1996 гг.). Результаты исследований докладывались на многочисленных конференциях и научных семинарах, в том числе на ежегодных международных конференциях "Новые идеи в науке о земле" и международной конференции "5-th Zonenshain conference on plate tectonics" 1995, международной конференции по математическому по математическому моделированию в геологии Прага 1997 .

Кроме того, материалы диссертации были использованы в технических отчетах по теме с Министерством природных ресурсов, в которой автор принимал участие как исполнитель. Работа докладывалась в институте проблем нефти и газа РАН, где получила одобрение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и общих выводов, списка литературы из 97 наименований, 2-х приложений, содержит 29 рисунков.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Брюховецкому О.С. и научному консультанту доктору технических наук, профессору Лурье М.В. за ту неоценимую помощь и поддержку при подготовке работы.

Автор благодарит сотрудников коллектива кафедры гидравлики и гидрофизических процессов геологоразведочных и горных работ за помощь при подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор темы и актуальность использования методов математического моделирования для анализа гидротермальных месторождений полезных ископаемых.

Гидротермальные месторождения создаются циркулирующими в земной коре горячими минерализованными газово-жидкими растворами. Скопления полезных ископаемых гидротермального происхождения возникают как вследствие отложения минеральных масс в пустотах горных пород, так и в связи с замещением последних. Поэтому форма тел гидротермальных месторождений зависит, с одной стороны, от морфологии рудовмещающих полостей, а с другой стороны, от очертаний замещаемых пород. Наиболее типичны для гидротермальных месторождений жилы. Часто встречаются также штоки, гнезда, штокверки, линзы, пласто-образные залежи и сложные комбинированные тела.

Тела полезных ископаемых гидротермального генезиса обычно размещаются среди пород, подвергшихся гидротермальному изменению в процессе рудообразования. Кроме того, они, как правило, окаймляются ореолами рассеянной минерализации, постепенно затухающими по их периферии. В связи с этим тела полезных ископаемых гидротермальных месторождений часто не имеют четких границ и оконтуриваются по данным опробования на основе устанавливаемого минимального промышленного содержания ценных компонентов в руде.

Значение гидротермальных месторождений для добычи многих важнейших полезных ископаемых огромно, особенно для получения цветных, редких, благородных и радиоактивных металлов. Подавляющая часть меди, свинца, сурьмы, молибдена, ртути, серебра, лития, а также значительная доля золота, кобальта, олова и вольфрама извлекаются из руд гидротермального происхождения. Такой же генезис имеет большинство месторождений магнезита, флюорита, барита, а также некоторые существенные месторождения горного хрусталя, исландского шпата, графита и апатита.

В первой главе диссертации анализируются существующие точки зрения на природу и механизмы гидротермального оруденения, ставится цель исследования и формулируются ее основные задачи,, главная из которых, это разработка математической модели гидрофизических процессов циркуляции гидротермальных растворов и формирования ими рудных залежей.

Разработка теории и моделей рудообразования, объясняющих широкий круг вопросов, связанных с образованием месторождений, имеет важное научное и практическое значение, так как позволяет создать основу 6

для целенаправленного поиска и технологии разработки месторождений. Одной из наиболее прогрессивных теорий рудообразования является так называемая "гидротермальная" теория, основным положением которой является утверждение, что целый ряд рудных месторождений образуется в результате циркуляции гидротермальных растворов в массивах вмещающих пород.

Гидротермальная теория за последние годы получила немало теоретических и экспериментальных подтверждений (Д.С.Коржинский, В.И.Смирнов, Х.М. Абдуллаев, A.M. Бэтман, А.И.Кривцов, Г.К.Хельгесон, В.К.Пуртов, Г.М.Ятлук, В.А.Жариков, И.Г.Грамберг, В.Т.Покалов, Р.П.Рафальский, В.А.Рудник, С.В.Ежов, В.И.Синяков и многие другие отечественные и зарубежные исследователи.

Согласно этой теории основную роль в происхождении рудных месторождений играют растворы, которые переносят минералосоставляю-щие компоненты и при определенных физико-химических условиях откладывают их, формируя во вмещающих породах рудные образования.

Однако в гидротермальной теории генезиса рудных месторождений оставался и продолжает оставаться до сих пор не изученным ее гидродинамический аспект, хотя именно он мог бы дать инструмент для установления количественных закономерностей и метрических соотношений массопереноса веществ в пространстве и, в частности, прогнозирования мест локализации рудных компонент. Действительно, до сих пор не было ясно, каков механизм эндогенного оруденения, какие причины заставляют рудообразующие растворы циркулировать во вмещающих породах, почему в одних местах происходит растворение содержащихся в породах компонент, в других - их простой перенос, а в третьих - осаждение и локализация. Ответы на эти вопросы можно получить только с привлечением гидродинамических законов, определяющих движение жидкости в пористой или трещиновато-пористой среде.

В соответствии с поставленными целями были сформулированы и решены следующие задачи:

• сформирован математический аппарат, разработаны компьютерная методика, алгоритмы и программный комплекс по моделированию фильтрационной термоконвекции и процессов рудообразования в плоских и осесимметричных ячейках вмещающих пород для различных способов передачи тепловой энергии;

• получено аналитическое решение задачи о фильтрационной термоконвекции и оруденении, вызываемым изолированным очагом тепла;

• рассмотрена возможность формирования рудных компонент в результате спрединга восходящих растворов вдоль свободной поверхности флюида;

• проанализировано влияние зависимости вязкости и плотности раствора от температуры на параметры фильтрационной термоконвекции;

• проанализировано влияние тегогофизических параметров вмещающих пород на картину фильтрационной термоконвекции растворов;

• решена модельная задача об оруденении океанического дна и описан механизм возникновения "черных курильщиков;

• решена задача об остывании изолированного горячего тела;

• объяснено на модельных примерах возникновение пространственной зональности в строении рудообразований гидротермальных месторождений;

• проанализирована возможность формирования газовых месторождений путем миграции газа гидротермальными растворами;

• рассчитаны тепловые поля, возникающие в верхней части земной коры от магматических источников с учетом процессов конвективной фильтрации растворов.

Во второй главе диссертации излагается и обосновывается математическая база для достижения цели и решения поставленных задач. Ее основой являются уравнения теории термоконвективной фильтрации в совокупности с уравнениями массообмена веществом между жидкой (раствор) и твердой (породы) фазами. Приводятся необходимые уравнения теории, излагаются исходные постулаты, допущения, а также общий алгоритм решения задач.

Исходными базисными предпосылками, лежащими в основе дальнейшего моделирования процессов фильтрационной конвекции и процессов рудообразования гидротермальных месторождений, являются следующие утверждения:

1. Вмещающие породы земной коры на большую глубину водонасы-щенны;

2. Флюид, насыщающий верхние части земной коры, представляет собой многокомпонентный минерализованный раствор;

3. Вследствие взаимодействия тепловых очагов с окружающими мантийными породами содержащиеся в них растворы находятся в состоянии неравномерного нагрева;

4. Неравномерный нагрев раствора генерирует фильтрационную термоконвекцию флюида из-за разности плотностей слоев жидкости;

5. В каждой точке пород существует локальное термодинамическое равновесие между жидкой (раствор) и твердой (порода) фазами, поэтому химический состав раствора определяется равновесным химическим составом вмещающих пород в данной точке, соответствующим локальным давлению и температуре;

6. При движении раствора происходит обмен веществом между породами и раствором; механизм этого обмена-процессы, восстанавливающие термодинамическое равновесие между фазами;

7. Возникающая циркуляция поровых растворов перераспределяет вещество в мантийных породах, причем в отдельных областях вмещающих пород создаются условия, благоприятные для отложения вещества (оруде-нения пород) или выщелачивания вещества из породы.

Фильтрационную термоконвекцию рудообразующих растворов, возникающую вследствие неравномерности нагрева, жидкости, можно описать в рамках следующей гидродинамической модели. Компоненты и^х,у,гД) вектора скорости фильтрации связаны с градиентом поля давления и вектором силы тяжести уравнениями закона Дарси:

+ (О

М

где к-проницаемость пород, ц - вязкость раствора, р - плотность раствора, g - ускорение силы тяжести.

Компоненты скорости фильтрации не являются произвольными функциями, а удовлетворяют уравнению неразрывности, выражающему закон сохранения массы жидкости в пустотах вмещающих пород:

сНУЦ=0

В этом уравнении тп-пористость вмещающей породы. По повторяющемуся индексу 1 предполагается суммирование от 1 до 3.

Если бы температурное поле в массиве не менялось от точки к точке, то и равновесные концентрации раствора оставались постоянными во всех его точках. А это значит, что и плотность раствора можно считать неизменной. Поэтому уравнение неразрывности после подстановки в него компонент вектора скорости фильтрации сводилось бы к уравнению Лапласа.

= 0, (2)

которое при невозмущенных граничных условиях давало бы устойчивое гидростатическое распределение давления и движения жидкости не возникало бы.

В случае непостоянства температурного поля в пространстве такое движение возникает и причиной его развития является конвективная неустойчивость неравномерно нагретого раствора в поле силы тяжести.

Для слабоконцентрированных несжимаемых растворов ( к которым относятся, в частности, растворы сульфидов и ряда других веществ)

можно положить, что изменение плотности происходит главным образом за счет его теплового расширения. Если пренебречь зависимостью плотности раствора от давления и считать температурное поле известным (либо постоянным, либо рассчитываемым с учетом термоконвекции раствора), то можно пркйти к известному в математической физике уравнению Пуассона

Ч2р(х,у,г,0 = Г(х,у,1), (3)

в котором - правая часть уравнения есть функция, характеризующая изменение плотности раствора по температуре и давлению.

Уравнение Пуассона служит для расчета поля давлений. Если использовать решение уравнения в уравнении для компонент вектора скорости фильтрации, то можно построить картину фильтрационного течения, возникающего при неравномерном нагреве породы.

Однако температурное пале в материнских породах заранее неизвестно. Известны лишь источники, генерирующие его. Поэтому для определения температурного поля во вмещающих породах дополнительно привлекается к рассмотрению уравнение притока тепла (уравнение изменения энергии в горном массиве). Для установившегося течения это уравнение имеет вид:

ц^}Т = аЯ3Т, (4)

где а-коэффициент температуропроводности водонасыщенных вмещающих пород. Однако это уравнение нельзя решать отдельно от других уравнений задачи, потому что в его левую часть входят заранее неизвестные компоненты вектора скорости фильтрации, которое генерируется тепловым полем, зависящим в свою очередь от циркуляционного поля В результате возникает некая "самосотласованная" задача о нахождении всех параметров процесса Совместное решение системы дифференциальных уравнений для поля давления и для поля температур дополненное граничными условиями позволяет рассчитывать термобарические и фильтрационные поля в различных случаях.

Рассмотрим теперь моделирование процессов выщелачивания и отложения рудообразующих компонент в массиве вмещающих пород при циркуляции гидротермальных растворов.

Механизмом, обуславливающими переход отдельных металлосо-держащих компонент из вмещающей пород в раствор или, наоборот, из раствора в породу, являются молекулярные процессы, стремящиеся обеспечить (восстановить, если оно нарушено) термодинамическое равно-

весие между составом твердой (порода) и жидкой (раствор) фаз. Поскольку в тех бесконечно медленных фильтрационных процессах, которые происходят в массивах вмещающих пород под действием неравномерного нагрева, локальное термодинамическое равновесие всегда успевает восстанавливаться, то выщелачивание металлов из породы или, наоборот, отложение их в порах этих пород определяется равновесными концентрациями данной многокомпонентной системы, которые зависят от давления и температуры. Таким образом, в конечном счете, распределение давления и температуры в пространстве определяет для раствора данного состава места выщелачивания или отложения металлов.

При не слишком больших перепадах давления решающим фактором состояния многокомпонентного раствора является температура. Как правило, при нагревании растворов, они становятся "недонасыщенными", а при остывании - "перенасыщенными". Поэтому зная распределение температуры в пространстве вмещающих пород и рассчитав картину линий тока фильтрационной конвекции, можно найти области, в которых раствор, двигаясь, остывает, и области, в которых он при своем движении нагревается. В первых из них может происходить осаждение рудообра-зующих компонент, во вторых - их выщелачивание из породы.

Математически процесс рудообразования во вмещающих породах можно описать уравнением скорости отложения компоненты в породе, в которое входят компонент вектора скорости фильтрации.

£2,=и,Л^С,в, (5)

/-.О

где С г -равновесная концентрация компоненты в растворе

Данное уравнение имеет простое толкование: если температурное поле, генерируемое во вмещающем массиве таково, что вектор скорости фильтрации направлен против градиента равновесной концентрации, рассматриваемого компонента в растворе, то концентрация этого компонента в породе увеличивается и наоборот.

Таким образом, совместное рассмотрение полей равновесных концентраций компонент, составляющих раствор, и фильтрационной термоконвекции позволяет раскрыть процессы массообмена и массопереноса вещества в массивах вмещающих пород.

В третьей главе диссертации рассматрены базовые задачи циркуляции гидротермальных растворов и формирования рудных тел в случаях, когда определяющую роль играют процессы кондуктивного переноса тепла, а роль конвективного теплопереноса пренебрежительно мала. Найдены аналитические и численные решения некоторых фундаментальных (в по-

]]

этому в известной степени модельных) задач гидротермального орудене-ния. В то же время выдвинуты и количественно обоснованы некоторые важные гипотезы о формировании рудных тел в однородных и неоднородных массивах вмещающих пород. Проанализирована роль геологических неоднородностей и экранов в формировании рудных тел гидротермальных месторождений.

При решении конкретных задач о термоконвекции учитывают характерные величины размерных параметров, таких как: глубина расположения теплового источника под поверхностью земли Н; его характерная температура Т.; плотность р и динамическая вязкость раствора V; коэффициент теплового расширения раствора ускорение силы тяжести е0 -радиус теплового источника и т.п. Поэтому в той или иной задаче можно оценить влияние различных процессов на генерацию термоконвекции. Основные расчетные уравнения в безразмерных соотношениях выглядят следующим образом:

Ро

_ кеН _ _х

и + /#.); (6,7,8)

V

йЯ Т =— У2Т. у

Отношение Рг=у/а называется числом Прандтля. Из последнего уравнения следует, что именно этот безразмерный параметр характеризует соотношение между кондуктивным и конвективным переносом тепла. Отношение Ка=к§4НТ./ау характеризует интенсивность циркуляционных процессов конвективной фильтрации. Отношение 8а=Ц*Н/\'2 определяет степень влияния температурного поля на распределение давления.

В рамках сформулированной расчетной модели (3,4,5) одной из первых рассмотрена задача о фильтрационной термоконвекции, возникающей вокруг изолированного теплового очага, находящегося в водонасыщен-ном массиве пород ниже поверхности флюида, причем на самой поверхности давление в жидкости постоянно.

Речь может идти о горячей интрузии, вышедшей в приповерхностные слои земной коры, или о магматическом центре, расположенном, например, под океаническим дном. Если число Прандтля мало и конвективным переносом тепла можно пренебречь, то температурное поле в массиве вмещающих пород, расположенных ниже плоскости г=Н, описывается стационарным решением уравнения теплопроводности Тогда для поля

давлений получается уравнение Пуассона, для которого получено аналитическое решение уравнения для области водонасыщенных пород в виде:

Р = Ро+ Ро§(Я -z) + 0,5 [{г-к0)/г-(Н-к0)/Щ (9)

Поле скоростей фильтрационного течения, соответствующее найденному решению, устроено так, что имеет в начале координат сингулярность типа "сток". Это означает, что в некоторой окрестности теплового очага жидкость со всех сторон течет по направлению к очагу. Картина фильтрационной термоконвекции, возникающей.в породах, лежащих ниже поверхности г=Н, представлена на рис. 1.

Можно выделить несколько областей:

• область, в которой морская вода прокачивается через придонные породы - в одном месте происходит засасывание воды, а в другом ее выброс 0);

• область в которой тепловой очаг заставляет глубинные слои гидротермальных растворов подниматься наверх, к океаническому дну, и

вытекать в океаническую воду (океанические гидротермы) (2);

• на некотором расстоянии от теплового очага возникает циркуляционная тороидальная область, в которой частицы гидротермальных растворов движутся по замкнутым траекториям, обусловливая мощный обмен веществом между глубинными и приповерхностными слоями пород океанического дна (3);

• область в которой раствор подтягивается из глубинных слоев и, не попадая: в морскую воду, отбрасывается за пределы рясчегной области

(4).

Другим примером аналитического решения уравнений рассматриваемой модели является задача о гидротермальной конвекции, возникающей в массиве вмещающих пород, находящихся под свободной поверхностью флюида. Решение позволяет обосновать возможный механизм ору-денения за счет так называемого "спрединга" (растекания) восходящих потоков раствора (многокомпонентного флюида) вдоль его свободной поверхности.

Свободные поверхности рудообразующих флюидов, конвектирую-щих в массиве вмещающих пород над подземными очагами тепла, могут формировать вдоль себя оруденения. Иными словами, восходящие над очагом тепла потоки рудообразующего флюида, достигая свободной поверхности, растекаются вдоль нее, удаляясь от очага остывают и формируют области повышенной концентрации рудных компонент. Таким образом, свободные поверхности флюида являются как бы матрицами, на которых может формироваться оруденение. Для того, чтобы поднимающийся флюид менял направление своего движения и растекался вдоль свободной поверхности необходимы соответствующие силы. В то же время давление на такой поверхности постоянно и градиент давления вдоль нее отсутствует. Отсюда следует, что свободная поверхность пластового флюида не может оставаться горизонтальной - под воздействием восходящего потока она искривляется и на ней образуется, бугор (конус) вод, поддерживающий спрединг рудообразующего раствора вблизи этой поверхности.

Аналитическое решение для высоты подъема раствора в рамках сформулированной задачи имеет вид:

/г(х,у)/Н = 1/[Вг(1+х2 + у2)1'2], (Ю)

где Вг=Нро/£,еоТ.. безразмерный параметр, определяющий явление. Отсюда, в частности, видно, что максимальный подъем свободной поверхности флюида над тепловым очагом дается формулой Ь(0) = 2Н/Вг, т.е. с ростом числа Вг он уменьшается.

Найти, однако, точные решения важных прикладных задач удается

только в редких случаях, поэтому использован численный метод решения таких задач. Сущность метода состоит в численном расчете значений фильтрационного потенциала (давления или функции тока для плоских и осесимметричных задач), удовлетворяющего эллиптическому уравнению Пуассона и заданным граничным условиям для различных значений безразмерных критериев, отражающих фильтрационные и теплофизические свойства раствора и вмещающих пород.

Из множества известных методов решения подобных уравнений выбран метод последовательных осреднений (метод Либмана), который особенно удобен в реализации для областей сложных конфигураций, поскольку не требует решения больших систем рекуррентных уравнений.

Полученное аналитическое решение (9) не учитывало тот факт, что реальные вмещающие породы неоднородны и, как оказывается, эта неоднородность может вносить существенные коррективы в расположение мест локализации и форму рудных тел. Этот факт хорошо известен в геологии и существует большое число исследований, посвященных выявлению связи расположения рудных тел с гидрогеологической неоднородностью вмещающих пород, и прежде всего с неоднородностью их фильтрационных свойств.

В геологической терминологии существует такое понятие, как "экранирование", то есть наличие пропластков с пониженной проницаемостью, меняющих направление рудообразующих растворов. Так, например, многие исследователи (Крейтер, Худяков, Кащеев) занимающиеся проблемами экранирования гидротермальных растворов тектоническими нарушениями или слабопроницамыми пропластками, утверждают, что такое экранирование играет основную роль при образовании месторождений ж ильного, прожилково-вкрапленного и сложного структурного типов в складчатых областях.

Поэтому в диссертации проанализирована проблема неоднородности фильтрационных свойств вмещающих пород и ее влияние на формирование оруденения гидротермальных месторождений

В более общем виде указанную проблему можно сформулировать так: как неоднородность фильтрационных свойств вмещающих пород влияет на места локализации и форму оруденения? Экраны различного типа: непроницаемые, проницаемые или полупроницаемые, тектонические нарушения, глинковые пропластки и т.п. являются частными случаями пространственной неоднородности вмещающих пород. Важно выяснить, только ли от угла встречи гидротермального потока с экранирующей поверхностью зависит интенсивность оруденения, и только ли благоприятны для локализации оруденения экранирующие поверхности с пологими углами падения?

Во всех примерах моделирования неоднородности, которые были рассчитаны в работе, формирование рудных тел определялось не только геометрической структурой пласта, но главным образом, направленностью фильтрационного потока раствора по отношению к градиенту генерирующего его теплового поля. Приведенные в работе примеры носят модельный характер, однако полученные результаты интересны тем, что они вскрывают механику формирования рудных тел в неоднородных массивах и поясняют роль такой неоднородности.

В четвертой таяве диссертации задачи о термшаанвЕкгиввш циркуляции растворов рассматриваются в полнообъемной постановке, с учетом кондуктивных и конвективных факторов. В этой главе получены результаты, имеющие отношение к сульфидному оруденению океанического дна и их концентрированного проявления - "черные курильщики", механизмам возникновения зональности строения рудных тел, образованию периодических циркуляционных структур, времения "жизни" горячих интрузивов, миграции газа в районах континентального шельфа ( в изотропных и анизотропных случаях), а также интерпретации результатов геотермических измерений.

При изучении сульфидного оруденения в океане исследователи установил^ что практически все проявления: такого оруденения: обнаруживаются в весьма схожих обстановках, а именно, в зонах, характеризующихся наличием мощных термоаномалий. При этом каждый раз выяснялось, что в обширных массивах донных пород, прилегающих к этим зонам, выщелочено большинство металлов таких, как медь, железо, цинк, олово и т.п. Это позволило предположить, что основной причиной сульфидного оруденения в океане является высокотемпературное взаимодействие морской водь: с породами, слагающими океаническое дно, з:а счет циркуляции этой воды над магматическими очагами без непосредственного контакта с магмой. О существовании такой циркуляции свидетельствуют и непосредственные наблюдения в скважинах глубоководного бурения.

Дадим гидродинамическую постановку соответствующей задачи. Рассмотрим полубесконечный массив вмещающих пород, находящихся ниже океанического дна; дно совпадает с плоскостью ХОУ прямоугольной системы координат, ось ОЪ которой направлена вертикально вверх. Параллельно плоскости дна, на расстоянии Н под ним расположен водоупор, а еще ниже, на оси ОХ находится мощный тепловой очаг, температура которого равна Т». Поскольку эта температура составляет многие сотни градусов, температуру самого дна можно считать равной нулю.

На рис. 2 представлены картины линии тока фильтрационной конвекции, изотермы температурного поля и линии равной концентрации б-й компоненты вещества в породе. Расчеты показали, что тепловой очаг, 16

расположенный ниже поверхности океанического дна, подобен гигантскому насосу, всасывающему морскую воду на одной части донной поверхности, правее нейтральной точки N. прокачивающему ее через породу рассматриваемого слоя, и выбрасывающему в виде минерализованного раствора в океан на другой части донной поверхности, непосредственно над собой в области радиуса (Ж, что подтверждает второе защищаемое положение. Ж2

о N

{

Картина линий тока фильтрационной термоконвекции в океанических донных породах

Г"

. Изотермы теплового поля фильтрационной терм о ко я я с х и и и в океанических донных порода;

ячейке океанических донных пород

Рис. 2 Результаты расчета модельной задачи об оруденении океанического дна

Если рассматривать ячейку со следующими параметрами , число Рэлея

лея 11а=1000, число Прандтля Рг=0.1, то за год такой тепловой очаг по расчетам прокачивает через породу дна около Юмлн.м3 морской воды, через круговую область .радиусом I км.

Возникающее оруденение локализуется при этом вблизи оси симметрии ниже поверхности океанического дна. Однако при определенных термодинамических условиях оруденение донных пород может и не происходить, а гидротермы, несущие мобилизованные в породах вещества, выносить их непосредственно в океаническую воду.

В рамках разрабатываемого подхода естественно решается вопрос о природе таких известных явления, как возникновение и функционирование "черных курильщиков".

При изучении сульфидного оруденения в океане было установлено, что оно встречается почти всегда в одних и тех же условиях, а именно, вблизи рифтовых зон и областей, характеризуемых высокой скоростью спрединга.

Можно предположить, что особую роль в возникновении черных курильщиков играют магистральные трещины, простирающиеся в вертикальном направлении. Они способны изменить структуру фильтрационных потоков и взять на себя значительную часть расхода гидротермальных растворов, циркулирующих в придонных породах. Благодаря этому в трещинах реализуется повышенная скорость течения, так что они наподобие дымовых труб с силой выбрасывают гидротермальный раствор в океаническую воду. Смешиваясь с этой водой, раствор охлаждается, и содержащиеся в нем вещества оседают на океаническое дно. Осадок формирует на океаническом дне мощный слой сульфидных отложений, а вблизи устья трещины и тело самого "черного курильщика".

Представляет интерес количественный расчет параметров рассматриваемого явления. Этот расчет может быть сделан на основе теории фильтрационной термоконвекции гидротермальных растворов, возникающей в массивах вмещающих пород под действием тепла глубинных источников.

На рис. 3. пред ставлены результаты решения сформулированной задачи: на рис. За - изотермы температурного поля, на рис. З.б-циркуляционная картина течения.

Расчеты велись для значений безразмерных критериев Яа = 500 и Рг = I. Для этого случая секундный приток раствора к трещине (высота трещины составляет 30% от высоты ячейки) составляет 0.0027 м3/с. Если принять далее, что трещина представляет собой цилиндрический канал с диаметром ё =0.1 м, то вертикальная скорость раствора в трещине составляет 0.344 м/с. Таким образом, горячий гидротермальный раствор с достаточно большой скоростью выбрасывается из устья трещины в холодную

океаническую воду.

Было, в частности, установлено, что при менее глубоком залегании теплового очага под поверхностью океанического дна процесс циркуляции происходит более интенсивно и скорость раствора в трещине может достигать до 1 м/с и более. В то же время уменьшение числа Релея (например, за счет более низких значений проницаемости донных пород) ведет к снижению интенсивности циркуляционного процесса и уменьшению скорости истечения раствора из трещины. При отсутствии магистральных трещин скорость истечения гидротермальных растворов в океаническую воду весьма мала и черные курильщики могут не образовываться. При большой мощности циркуляционного слоя сульфидное оруденение может происходить не только на поверхности океанического дна, но и в самих породах непосредственно над тепловым очагом.

п=0.43 ^„=6.75 Е

Рис.З. Результаты расчета модельной задачи о "черных курильщиках" а - картины изотерм теплового поля и придонных породах б - каршпа лшшн юна филы раиношюй аермокоивекции

В рамках разработанной теории была рассмотрена модельная задача об остывании горячего тела, как без учета конвективного переноса тепла, так и при совместном действии кондуктивного и конвективного переноса тепла Интересны численные результаты расчета.

Для горячего тела Н =100 м в среде с р= 2000 кг/м3; С=2000 Дж/кгК; Х=0.1 Вт/мК, характерное время остывания без учета фильтрационной термоконвекции равно 1,54*10пс, или 0.5 млн.лег. Если учитывать фильтрационную термоконвекцию с начальным числом Релея равным, например 50000, получим, что характерное время остывания тела будет более, чем в два раза меньше -222 тыс.лет. Если же доверять результатам экстраполяции зависимости числа Нусельта от Релея на числа порядка миллиона, то время остывания тела сокращается почти в 20 раз по сравнению с тем, которое получается, «ели учитывать только процессы теплопроводности, что определяет третье защищаемое положение.

В данной главе моделируются процессы возникновения пространственной зональности в строении рудных тел гидротермальных месторождений.

Выдвинем предположение, что именно различием температурных диапазонов существенного изменения концентраций насыщенных растворов, во многих случаях объясняется зональность пространственного строения рудных компонент гидротермальных месторождений. Если температурные диапазоны совокупностей каких-нибудь компонент гидротермального раствора не перекрывают друг друга, то осаждение веществ таких совокупностей из циркулирующего раствора в породу происходит в разных местах пространства. Это приводит к формированию цепочки рудных образований, в каждом из которых преобладают минералы порожденные веществами соответствующей совокупности компонент. Если же температурные диапазоны, о которых идет речь, перекрывают друг друга, то формируется односвязное оруденение, составленное из минералов, порождаемых всем спектром компонент гидротермального раствора.

Проиллюстрируем сказанное на примере математической модели гидротермального раствора, состоящего из трех совокупностей компонент, каждая из которых характеризуется своей собственной температурой наибольшей интенсивности изменения концентрации насыщения и своим собственным диапазоном температур, в котором такое изменение происходит.

Расчет термобарическаго поля конвекции выполняется на основе модели, о циркуляции гидротермального раствора в слое пород океанического дна, имеющего конический холм с углом склонов 45°, результаты расчета представлены на рис. 4.

Хорошо видна циркуляционная зона: морская вода у подножья холма засасывается в донные породы, совершает круговой виток и выбрасывается обратно в океан на склонах холма. Видно также зарождение очередного циркуляционного центра. В верхней части рисунка представлены изотермы теплового поля. Он имеют синусоидальный характер и глубоким 20

изгибом вписываются в контуры подводного холма. При этом геотермический градиент в теле холма должен быть значительно большим, чем у его подножья.

Рис. 4 Результаты расчета молельной задачи о циркуляции гидротермального раствора в слоях океанических пород, имеющих конически» холм, а-изотермы теплового поля; б - картина циркуляционного течения

На рис.5 представлены линии равных концентраций соответственно первой, второй й третьей компонент выпавших из раствора в породу. Фактически строились линии равных скоростей осаждения соответствующих компонент гидротермального раствора.

а)

2

6)

Рис.5. Зональность пространственного сторения рудных тел

а - при отсутствии пересечения температурных комповен! б-ври частичном пересечении ь- при значительном совпадения

На рис.5а представлен случай растворов, в которых значения центров областей наиболее интенсивного изменения концентраций насыщенного раствора и их ширина таковы, что эти области не перекрывают друг друга. В этом случае рудное образование оказывается многосвязным; оно состоит из трех отдельных тел, разнесенных в пространстве.

Напротив, на рис.56 представлен случай, в котором значения таковы, что области наиболее интенсивного изменения концентраций насыщенного раствора частично перекрываются друг с другом. В этом случае рудное образование получается односвязным, но в нем явно различимы три области, в которых сосредоточены осажденные компоненты первой, второй и третьей совокупностей компонент. Наконец, на рис.5в области наиболее интенсивного изменения концентраций существенно перекрывают друг друга. В этом случае рудное образование получается компактным и представляется зоной осаждения всех компонент раствора сразу. В этой зоне следует ожидать формирование минералов особенно богатой гаммы. 22

Развиваемая теория описания термоконвективных процессов в массивах вмещающих пород позволяет внести коррективы в вопрос об интерпретации данных геотермических измерений. В данном разделе диссертации доказывается, что интерпретация данных геотермических измерений, осуществляемая без учета циркуляционных процессов, происходящих в земной коре, может давать искаженное представление о действительных значениях тепловых потоков Земли. Поровые растворы, находясь в условиях неравномерного нагрева, образуют огромные по размерам, в идеальном случае - периодические, структуры, наличие которых необходимо принимать во внимание при оценке тепловых потоков, а также при прогнозировании месторождений. В рамках гидротермальной модели демонстрируются некоторые виды таких структур.

Одной из модельных задач, которая решена в диссертации является задача нахождения температурного поля и картины фильтрационной термоконвекции в горизонтальной полосе постоянной высоты, равномерно нагреваемой снизу: на нижней границе При этом как нижняя, так и верхняя граница полосы считаются непроницаемыми для жидкости (закрытый слой).

На рис.6 представлены результаты решения сформулированной задачи.

Хорошо видно, что возникающая конвекция имеет периодический характер с протяженностью циркуляционных структур приблизительно вдвое большей, чем высотой. Изотермы теплового поля совершают мощные изгибы, переходя от нижней границы слоя чуть ли не до ее верхней границы.

Рис. 6. Фильтрационная термокинвекция в закрытом слое

постоянной толщины, нагреваемом снизу а- изотермы теплового поля; б-линии тока термоконвекции

Это говорит о том, что тепловое поле имеет сложную структуру и вертикальный градиент температуры отнюдь непостоянен. Там, где имеются провалы изотерм теплового поля, вертикальный градиент температуры вблизи верхней границы слоя имеет небольшие значения, зато вблизи нижней границы его значения резко увеличиваются.

Наоборот, в сечениях слоя, где изотермы теплового поля выпуклы вверх, большие значения вертикального градиента наблюдаются вблизи верхней границы слоя; при приближении к его нижней границе они уменьшаются. Наконец, в сечениях слоя, где изотермы резко поднимаются вверх, наблюдаются малые значения градиентов температуры. Очевидно, таким образом, что характер фильтрационной термоконвекции должен существенно сказываться на значениях геотермических градиентов, а следовательно, и на оценке тепловых потоков, идущих из земных глубин.

В приложении к геологическим проблемам полученное решение может означать то, что районы земной коры с повышенными значениями геотермического градиента характеризуются наличием восходящих потоков флюида со всеми вытекающими отсюда следствиями для проблем поиска месторождений полезных ископаемых, что определяет четвертое защищаемое положение. В этой связи представляют исключительный интерес работы некоторых геологов, устанавливающих корреляцию таких районов с размещением месторождений полезных ископаемых. Так, например, отмечено, что в Волго-Уральской нефтегазовой провинции в тех зонах, где геотермические градиенты имеют более высокие значения (5-7°С на 100 м), залежи газа отличаются более значительными размерами, в то время как районы с более низкими градиентами (1-3°С на 100 м) оказываются более бедными.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Математическое моделирование фильтрационных процессов в массивах вмещающих пород, возникающих под действием подземных очагов тепла, подтверждает, что в них возникает циркуляция флюидов (растворов со сложным геохимическим составом). Циркулирующие растворы способны переносить огромные массы вещества, мобилизуя его в одних местах пространства (как правило, ремобилизуя), осуществляя в других - его простой перенос и, наконец, отлагая (осаждая) в третьих.

2. Циркуляция флюидов определяется тремя безразмерными параметрами, наиболее существенными из которых являются числа Релея и Прандтля. Первое из них характеризует интенсивность циркуляционных процессов, а второе соотношение конвективного и кондуктивного переноса тепла. Если число Прандтля мало, то в переносе тепла преобладает простая теплопроводность вмещающих пород; если же число Прандтля срав-24

нимо с единицей, то необходимо учитывать оба потока.

3. Установлено, что изолированные тепловые очаги, окруженные во-донасыщенными породами, заставляют циркулировать содержащийся в породах флюид, причем картина циркуляции определяется системой очагов, водоупоров и свободных поверхностей флюида.

4. Показано, что свободная поверхность подземных флюидов может играть роль матриц, на которых происходит оруденение. Восходящие под действием тепла подземных очагов флюиды растекаются по свободной поверхности (образуя на ней бугор) и, остывая, могут формировать на ней рудное тело.

5. Экраны (различные типы неоднородности в массивах вмещающих пород), меняющие направления движения гидротермальных растворов, играют важную роль в процессе формирования рудных тел. Однако интенсивность формирования этих тел зависит не только от ориентации этих экранов (как ранее считали некоторые исследователи), а от того как они меняют направление движения; чем ближе становится направление движения гидротермальных растворов к направлению термического градиента, тем интенсивней идет процесс оруденения.

6. Изменение вязкости гидротермальных растворов, хотя и сказывается на интенсивности процесса оруденения, но не слишком существенно.

7 Учет конвективного переноса тепла во многих случаях существенно меняет циркуляционную картину движения гидротермальных растворов. При заданных числах Прандтля интенсивность термоконвекции определяется безразмерным числом Релея Чем больше число Релея, тем интенсивней происходит конвекция

8 Доказано, что подземный источник тепла (изолированная интрузия или магматический центр и т п.), находящийся в массиве водонасыщен-ных вмещающих пород, действует подобно гигантскому гидравлическому насосу, в одних секторах пород он затягивает к себе жидкость, а в других - выталкивает ее вверх над собой, обеспечивая непрерывный процесс циркуляции.

9. Предложен и обоснован механизм возникновения и функционирования "черных курильщиков", являющихся наиболее концентрированным проявлением сульфидного орудения, наблюдаемого во многих местах океанического дна (на границе контакта литосферных плит, в рифтовых зонах, характеризуемых высокой скоростью спрединга) Показано, что черные курильщики возникают за счет интенсивного притока гидротермального раствора к длинным трещинам в океаническом дне.

10. Изучение времени остывания изолированного горячего тела (источника тепла) в массиве водонасыщенных вмещающих пород показало, что время его "жизни" может в несколько раз превосходить то, которое пред-

сказывается обычной теорией теплопроводности пород. В примерах оно колебалось от миллиона лет до нескольких десятков тысячелетий.

11. Показано, что зональность строения рудных тел, наблюдаемая во многих гидротермальных месторождениях, может быть обусловлена в процессе гидротермальной циркуляции растворов различием температурных диапазонов, в которых происходит осаждение различных компонентов из раствора в породу. Приведенные в работе примеры демонстрируют различные случаи такой зональности (образование односвязных и многосвязных рудных тел).

12. Доказано, что образование газовых залежей может осуществляться путем выноса газа биохимического происхождения в растворенном в воде виде за счет термоконвективной циркуляции. Миграция газа в растворенном виде может происходить от места его созревания к газовым ловушкам, находящимся в более высоких горизонтах, чем те, в которых газ созревал.

13. Исследования структуры циркуляционных потоков, вызываемых подземными очагами тепла показали, что неучет переноса тепла в результате конвекции способно сильно изменить картины геотермальных градиентов и давать ошибки при их интерпретации. Кроме того, неучет этой конвекции может привести к нежелательным последствиям при планировании процессов техногенного воздействия на породы, в частности, на процессы подземного захоронения отходов производства.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Савилкин С.Б. Влияние неоднородности вмещающих пород на формирование рудных тел в гидротермальных месторождениях. Тезисы докладов 1 международной конференции "Новые идеи в науках о земле". Москва 1995.

2. Савилкин С.Б. Формирование пространственной зональности рудных тел при термоконвективной фильтрации гидротермальных растворов. Тезисы докладов 11 международной конференции "Новые идеи в науках о земле". Москва 1996.

3 Савилкин С.Б. Геотермические измерения и флюидопроявление. Тезисы докладов III международной конференции "Новые идеи в науках о земле". Москва 1997

4 Савилкин С.Б в соавторстве (Брюховецкий О.С,Лурье М.В.). О возможности рудных тел вследствие спрединга пластового флюида вблизи его свободной поверхности. //Изв.вузов. Геол. и разв. 1995, N4.

5. Савилкин С.Б. в соавторстве (Брюховецкий О.С.,Лурье М.В.). О механике оруденения пород океанического дна. //Изв.вузов. Геол. и

разв. 1995, N6.

6. Савилкин С.Б. в соавторстве (Брюховецкий О.С..Лурье М.В.). Гидромеханический анализ процессов гидротермального оруденения в океане. //Межвузовский сборник научных трудов. Геологические исследования океана. 1996, N 3.

7. Савилкин С Б. в соавторстве (Брюховецкий О.С.,Лурье М.В.). Возникновение черных курильщиков как проявление гидротермальных процессов сульфидного оруденения в океане. //Межвузовский сборник научных трудов. Геологические исследования океана. 1996, N3.

8. Савилкин С.Б. в соавторстве (Брюховецкий О.С.,Лурье М.В.). Остывание горячей интрузии в массиве водонасыщенных пород. // Изв.вузов. Геол. и разв. 1996 N5.

9. Брюховецкий О.С., Лурье М.В, Савилкин С.Б. Математическое моделирование гидродинамических процессов при формировании гидротермальных месторождений. Тезисы докладов международной конференции "Математическое моделирование в геологии". Прага 1997.

10. Brukhovetskiy OS., Lourie M.V., Savilkin S.B. Thermoconvective filtration in the oceanic rocks under effect of the subterranean heat source as the mechanism of ore-formations processes and mass exchange between the Earth's cork and the ocean. 5th International Zonenshain's Conference, Moscow, Nov., 1995.