Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Проницаемость горных пород при высоких температурах и давлениях

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Проницаемость горных пород при высоких температурах и давлениях"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ, ПЕТРОГРАФИИ, МИНЕРАЛОГИИ И ГЕОХИМИИ (ИГЕМ)

На правах рукописи ВИТОВТОВА Валентина Михайловна

УДК 552.1:539.127:553.22

ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ высоких ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ

(по экспериментальным данным)

Специальность 04.00.08 — петрография, вулканология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Черноголовка 1989

Работа выполнена в лаборатории гидротермальных процессов Института "экспериментальной минералогии АН СССР.

Научный руководитель:

академик'АН СССР, доктор геолого-мииералогических наук, профессор В. А. Жариков

Официальные оппоненты:

\

доктор геолого-минералогических наук А. А. Пэк, кандидат геолого-минералогических наук М. Ю. Коротаев

Ведущая организация:

Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР

Защита состоится 1989 г. в час.

на заседании Специализированного ученого совета К-002.88.01 по петрографии, вулканологии при ордена Трудового Красного Знамени Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и гатшии (ИГЕМ) АН СССР по адресу. 109017, Москва, Старомоиетпый пер., 35.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе геологической литературы Библиотеки по естественным наукам АН СССР.

Автореферат разослан М 1989 Г-

Ученый секретарь Специализированного сове 1а кандидат

геолого-мпнералогичеекпх паук К. В. Подлесский

О Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ)

общая характеристика работь.

Актуальность т чн. Экспериментальные данные, геологические и reo-* физические наблюдения, а также уникальная информация, полученная при проходке Кольской с: 'рхглубокой скважины, свидетельствуют о том, что в земной коре существуют крупные зоны деформированных пород, благоприятных ил фильтрации р. ¿творсв. С фильтрацией раствора связано образование гидротермальных рудных месторождений; роль растворов отчетливо проявляется в метасоматичео-ких процессах, приуроченных к тектонически ослабленным зонам, зонам контактов с интрузиями и т.д.

Наиболее важной характеристикой' геологической среда, определяющей возможности фильтрации растворов, является проницаемость. Изучение проницаемости горных пород проводилось в связи. с потребностями нефтяной и газовой промышленности, геотермальной энергетики, а такие в связи с проблемами захоронения радиоактивных отходов. При этом основное внимание уделялось изучению зависимости проницаемости от температуры и давления в условиях малых и умеренных глубин- ~ри температуре до 200°С'и давлении до 100—150 ИГг.

Для того чтобы проггозировать условия фильтрации растворов на 'больших глубинах необходимы данные о проницаемости горных пород при более высоких качениях темпер' тры и давления. Особенно важно изучение проницаемости в высокотемпературной области, пгч температурах контактовых iреолов магматических тел. Получение таких данных позволит установить пути миграции Гидротермальных растворов, определить возможные масштабы руднйметасоматичес- . ких процессов в контактовых зонах интрузий, определить роль глубинна флюидов в различных геологических процессах, протекающих в областях тектоно-магматической активизации континентальной коры и т.д. Отсутствие экспериментальных данных и'теоретически* основ для пяпчртя проницаемости при высоких температурах и давлениях делает актуальным проведение исследований в этой " области. В связи с. этим оыли поставлены следующие задачи.

1. Разработать методику определения проницаемости горных пород при высоких температурах и давлениях. ; '

2. Экспериментально определить проницаемость различных'пород при давлениях на породу от 15 до 200 Жа t температурах

от 20 до 600°С.

3.. Установить зависимость проницаемости от температуры и давления.

4. Показать возможность использования полученных экспериментальных данных да.; оценки фиьтрационных свойств пород глубоких горизонтов земной коры при различных геотермических градиен-,тах.

.5. На материале конкретного скарнового месторождения, формирование которого связано с интрузией гранитои^ной магмы, показать возможность использования экспериментальных данных дая определения гидродинамич-оких условий скарнообразования в контактовом ореоле интрузивов. Научная новизна. Для решения поставленной задачи была разработана методика определения проницаемости торных пород в интервале температур 20-600°С и давлениях на породу 15-200МПа. Впервые экспериментально изучена проницаемость различных типов горных пород (грантов и гранодиоритов, мраморов и известняков, доломитов, туфоалевролитов, скарнов) в интервале температур '20-600°С и давлениях на поро-у 15-200 МПа. На осг-гае полученных эксперим;нтальных данных установлены закономерности изменения проницаемости различных типов пород от температуры и давления. Практическая ценность работы заключается в возможности использования полученных данных дая оценки фильтрационных свойств глубоких горизонтов земноъ коры; на конкретном примере Саякских месторождений (Сев.Прибалхашье) показано, что динамике изменения проницаемости вмещающих пород в контактовом ореоле интрузива оказывала существенное влияние на локализацию скарновых тел. Апробация работы. Основные положения работы докладывались на . Международрчм симпозиуме МАГРМ (Тбилиси,1982), на II Всесоюзном совещании по страть<ормннм свинцово-цинковым месторождениям (Путцино,1982), на Всесоюзном совещании экспериментаторов (Москва-,1983), на УП Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород.при высоких давлениях и температурах (Ереван, ' 1985), на У11 Всесоюзном совещании Термобарометрия и геохимия рудообразухдих флюидов" (Львов,1985), на II Всесоюзном совещании "Современные методы морских .еологических исследований" (Калининград, 1987), на "Совещании по обмену опытом по обработке керна и геалого-геофизическим исследованиям в скважине и околоскважинного

пространства сверхглубоких скважин (Ярославль,1987), на совещании "Проблемы "к^рнсы и их оруденения" (Черноголовка,988).

По результатам исследований опубликовано ъ открытой печати 12 работ и получена серебрятся медаль ВДНХ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, со; зржащего наименований. Содержание работы изложено на страницах машинописного текста, включая 31 рисунок и 5 таблиц, В основу работы положены результаты исследований, выполненных автором за период 1977-1988 годы ь лаборатории гидротермальных процессов ИЗМ АН СССР под руководством академика АН СССР В.А.Йарикова, которому автор выражает глу( кую признательность. Автор выражает благодарность также заведующему лабораторией гидротермальных процессов В.М.Шмояову и сотрудникам лаборатории и института Ф.П.Аржатскому, А.М.Аксюку, Г.П.Варайокому, В.Н.Бала-вову, А.К.Зарубину, А.К.Широкову, Н.И.Кузнецову, А.С.Жуковскому и др. за поддержку и помощь при выполнении работы.

ГЛАВА I. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ОПРДЦЕШИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ТРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛШИЯХ.

В главе представлен обзор экспериментальных исследований проницаемости горных пород при высоких температурах и давлениях.

В первом параграфе гл&гш анализируются основные подходы к изучению проницаемости при высоких параметрах.

Во втором параграфе рассматриваются основные-аппаратурно-методические разработки, используемые при изучении проницаемости.

Анализ литературных данных показал: I. Выше 400°С экспериментальные исследования проницаемости не проводились.

2» В связи со сложной зависимостью проницаемости от ¡температуры и давления, экстрапол. тия известных данных на более выбокие параметры может'привести к неверным выводам.

В третьем параграфе приводится описание установки В.М.йло-нова (1382) для исследования фильтрации жидкости и газов через горные породы в интервале температур 20-700°'"' и давлений на породу до 300 МПа, Конструкция позволяет проводить екопе^куен-

ты о неравным давлением на твердую фазу и на флюид, как в стати. ческом, так и в динамическое режимах, при необходимости - с . противодавлением, в безградиентной зоне нагрева (рис.1).

В четвертом тараграфе главы изложена собственные разработки автора по методике изучения проницаемости горных пород в широком РТ диапазоне. Эксперименты проводились с фильтрацией вода и газа • (аргона).

Цилиндрический образец порода диаметром 10-14 мм и длиной 10-40 мм помещаете в тонкостенную трубку из мягкого металла (золото, медь) с толщин'4 стенки 0,1^-0,20 мм, К торцам образца плотно прижимаются две шайбы о капиллярами,'ода.. из которых соединен с прессом для создания флюидного давления, другой -с расходомером или прессом противодавления. Упакованный образец помещаемся в автоклав, в котором создается необходимое Давление обжима, передающееся на образец ^ереэ тонкостенную трубку. Ватем черг - образец осуществляется фильтрация флюида. Ьосле стабилизации необходимых температуры и давления, проводится измерение объемной скорости потока профильтровавшегося газа или жидкости.

Рис,!. Схема установки Ч.М.Щлоновй (1982).I- автоклав; 2,3-об-тпрапоры; 4,5-прессн; 6-электропечь; 7-измерительные термопары; 8-регулирукище термопары; 9-регулятор температу-. рн; Ю-потенциометр КСП-4; И-емкостг дая газа; 12-в'ольго-гчгетр, ■ ДАГВ-ЙМ; 13-исследуемый образец; вентили

ечпогого давления; - «ланометры.

При фильтрации здкости проницаемость порода связана о объем-» ной скоростью, вязкостью, градиентом давления ^чльтрующейся жид-, кости и площадью поперечного сечения образца зависимостью;

где К- проницаемость, дарси; й- объемная скорость потока, см3/сек; 3 ~ площадь поперечного сечения образца, см2; ^ - вязкость жидкости, спз; I - длина образца, см; р£ и р|' - давление флшда, соответств~нно на входе и выходе из образца, атмосфер. В системе СИ единица проницаемости - м2: 1м2~ Ю12 дарси.

При определении проницаемости пород по газу учитывается изменение плотности газа с температурой и давлением. В этом случае выражение для расчета проницаемости приобретает вид

где б. - пот^к газа, приведенный к нормальным условиям,см8/оек; 1/Тр - удельный объем г.-за при температуре (Кельвина) и среднем давлении газа в опыте, см3/г; Уг73;{ - удельный объем газа при стандартных условиях. -

Согласно Клинкенбергу (Катц,1965) жидкостную проницаемость образца можно определить по е:э газопроницаемости. При ламинар-. • ном течении жидкости скорость движения ее слоя на контакте с • твердой фазой равно нулю. Однако, для гаров это положение не соблюдается. Экспериментальное ивучение течений газов в тонких капиллярах показало, что происходит "проскальзывание" молекул газа вдоль стенок капилляров. Эффект "проскальзывания" количественно пропорционален длине свободного пробега молекул газа. Так как длина свободного пробега молекул обратно пропорциональн' давлению газа, проницаемость образцов по газу обратно пропорциональна среднему давлению фильтрующегося гача. Поэтому при.увеличении среднего давления газа влияние "эффекта Клинкенберга" уменьшается, а при бесконечно большом давлёнйи газа становится равным нулю - газопроницаемость образцов становится равной их жидкостной проницаемости.

Определение проницаемости образца по газу предполагает серию измерений проницаемости при различных значениях среднего

Рис.2. Нахождение жидкостной проницаемости К по зависимости газопроницаемости образца от обратного среднего давления газа. Мрамор 23 (Инге—ке.Ср.АзтаУ. Р - давление обжима. О - измеренные значения газопроницаемости; А - расчётные значения жидкостной проницаемости.

давления rasa, производимых о тем, чтобы установить наклон прямой К = 4 (I/ 5), где I/ р - обратное среднее дав.* зние газа. На рисунке 2 представлена подобная зависимость гчя одного из образцов. График показывает, что явление проскальзывания газа справедливо также и в области высоких температур и давлений. Учитывая это, при определении проницаемости образцов по газу, значения истинной или жидкостной проницаемости К0 определялись в работе о учетом поправки на "эффект Клинкенберга" во всем диапазоне температур и давлений.

Все опыты проводились по едиг1 охеме. Сначала определялась проницаемость при комнатной температуре и минимальном давлении обжима образца (15-30 МПа), аатем делали ряд эамеров при той же температуре и постепенном повышении давления обжима с шагом 20-30 МПа вплоть до 200 МПа. Пос."е этого давление обжима • сбрасывалось до первоначального значения, устанавливалась более высокая температура и повторялась серия измерений с тем же шагом по давлению. Шаг по температуре составлял 100°С. Измерения проводились при разных давлениях газа на входе в образец от I до 16 МПа о шагом 1-2 МПа. да выходе из образца давление rasa всегда было равно атмосферному.

Проверочные опыты для оценки влияния неоднократного изменения давления обжима на образец показали, что при повторных циклах '

проницавмость образцов уменьшается максимум в_4 раза, но характер зависимости сохраняется.

Погрешность определения проницаемости зависит в основном от точности измерения объемной скорости, градиента давления фильтрующегося газа и сечения образца. В проведенных экспериментах погрешность определения проницаемости находится в интервале 4,6 - 13,3 %.

ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В главе приводятся результаты экспериментального определенал ироницаемости различных типов горных пород в интервале температур от комнатрой до 600°С при давлениях обжима от 15 до 200 МПа. Измерения были проведены более, чем в 4000 РТ-точках.

Опыты проводились на 18 образцах, отобранных в основном на скарновых месторождениях Саякского рудного района (Сев.Прибалхашье). Для исследования были отобраны обрати грайодиоритов, ■мраморов и известняков, туфоалевролита, гранатового и ролласто-

Таблица!. Характеристика" исходных горных пород у

ш Горная порода,. номе р Место отбора Минеральный состав, * Зернистость Исходная

пп образца (местороадеше, регион) % ' пористость, %

I ■ 2. 3 4 5 6

I.. Гранодиорит С-2625 Саянский район, Р1-60, НЪ-12, Рвр-6, Среднезер- 0,56

тёмносернй Сев. Прибалхашье В1-2, Рх-3, й-20 нкстый

2. Граводаорит 8^066 светлосеры? Саякский район Р1-50, НЪ-10, Рар-5, В1-4, Рх-2, 0-20 Средшезер-нистый 0,82

3. Гранодиорит 83056 розоватозеркй Саякский район Р1-50, НЪ-15, Ре,.-8, В1-8,. йс-1, 0-19 Средаезер-нистый о,82

4. Изввс-зяк К-809 черный Саякский район Сс-90, углистое вещестао-8 тонкозернистый

5. Известняк 82068 тёмвооерый Саякский район Со-92, 0-1-2, углистое вещсство-6 Тонкозернистый 1,12

Известняк 83075 Саякский район Со-90, 0-6, Р1-1, '. Мелкозер- 1,12

серый»песчанистый РаР-1 • рудные-1 нистый

7. Известняк 83086 светлосерый,' пеочанистнй Саякский район Со-97, 0-1, Рар-1, рудаые-1 Тонкозернистый 1,02

8. Мрамор 83029 .белый Саякский район Сс-95, 5-1-2, Р1-2, Рэр-1-2 Среднезер-нистый 0,90

9. Туфоалевролит Саякский район 0,50

буроватосерый.

Окончание таблице I

I. 2 3 4 5 6

10 Скарв гранатолыв Саде&яий район Од»94,'0-1-2, Р1-1-2, Вр-" -1, АС1-1, СЫ-1, Со-1 :/- Мелко зернясяй 1,30 ""

II Скарв водласто-шгтовый Саякокий район *о11-80. 0-2, 21-2, ?вр-2, Рх-2, Сс-1, Оа*-1 1,06

12 Гранит биоти- . товый НовоувравнсккВ массив Р1-Э6, 0-31, Рвр-26, В1-7, Мелкозернистый 0,33

13 Гранит оедай Дрянна р.Варзоб, Ср.Азия Р1-25, Рвр-20, рудаыв-6 0-25, Сс-1б, В1-8 Мелкозернистый 0,42

14 Ырамор I юаошавраяшгй Долина р.Варзоб, 40-10 Среднезернистый 0,42 1 Ф

15 Мрашр 23 белый Ингичке,4 Ср.Азия Со-98, 0-1, • углистое вещэотво-1 Тонкозернистый 0,30 1

16 Мрамор 31 серый Ингичке,. Ср.Азия Со-99, 0-1, Мелкозернистый 0,86

17 Доломит I белый Каноай, Ср.Азия »01-75, Сс-25 Цикроэернготый 0,30

18 Доломит 2 белый Каноай поХ-70 Сс-ЭО Мелкозернистый 0,54

Примечание: -авгиоклаз, нъ -роговая обмашса,В1 -биотит, Рх -пироксен, о -кварц, Сс -кальцит, Рир -калшшат, аг -гранат, Ер -эпидот, Асг -актинодит, сы-аслорит, *оп-вол-

дастошгт.

нитового скарнов. Кроме того были исследованы гранит из Ново-ураинского массива, гранит и мрамор, отобранные в долине реки Варзоб (Ср.Азия), а также мрамора и доломиты месторождений Икгичке и Кансай (Ср.Азия, табл.1).

Изменении проницаемости горных пород является результатом различных физико-механических преобразований, которые претерпевают горные породы под воздействием температуры и давления. Это . упругие, хрупкие и пластические деформации в породе, приводящие к уплотнению ее структуры за счет закрытия тор и трещин, или, наоборот, к раэ/ллотнению за счет возникновения новых и увеличе-. ния раскрытия сущесть„лщих дефектов.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что уве личение давления обжима на породу приводит, 'как правило, к умень шению проницаемости. Основное падение проницаемости происходит , при давл ниях от 15 до 80- 120 МПа при любой температуре, независимо от зернистости и минерального состава породы.

• Но зависим "5ти проницаемости от температуры при постоянном давлении обжима все исследованные породы можно разделить на три " группы.

• К первой_г|уТше относятся средне-мелкозернистые граниты и . граноди риты, для которых характерно уменьшение проницаемости на 2-3 порядка по мере увеличения температуры. Около 300°С прони цаёмость этих" пород проходит через "минимум. Дальнейшее повыше. ние температуры приводи', к увеличению проницаемости.

KojbtojjoB. группе относятся тонко-мелкозерниста порода различного состава: мрамора, доломиты, известняки, скарновые порода, туфоалевролит. Проницаемость этих пород уменьшается с ростом температуры на 4--о порядков и при 300-400°С породы становятся практически непроницаемыми (К ¿ 10~24 м2). дальнейшее увеличение. теьдературы может вызвать незначительное разуплотнение этих пород. У скарновнх пород минимальная проницаемость отмечает ся при'200°С и 400-Б00°с, поело чего вновь отмечается слабое разуплотнение. •

К третьей rpjrrmc можно отне.-ти порода типа мрамора I моно-тяшераяьного срёднезг чистого, дая которого характерно возрастание проницаемости в 2-3 раза.при повышении температуры от комнатной до' 600°0 во воем исследованном интервале давлений.

На рисунках 4-6 представлены результг'Ы Р"спериментальттч псаледований в координатах- Р-Г в виде ланий равных пронвдаемосте

о ■

изодарси. Значения проницаемости д-лы в м".

Несмотря на раз.;.гчннй минеральный состав исследо' анных пород в характере изменения их проницаемости наб-вдаются обпке закономерности.'

1) В изученном диапазоне температуры и давления почти у всех пор^д появляются области "негпонкцаемости".

2) Каждый тип породы характеризуется своими индивидуальными параметрами областей "нЕпроницаемости".

а) Для гранитоидов область "непроницаемости" отмечается при давлениях выше 80-120 МПа. Прячем у ""ранодиоритов и гранита Вар-зобского она возникает в районе 300°С (у гранодиорита 82066 -около 500°С); гранит Новоукраинский становится "непроницаемым" при давлениях выше 140 МПа во всем диапазоне температур. При дальнейшем разогреве проницаемость гранитоидов вновь увеличивается (рис.з). Следует отметить, что несмотря на отличие минерального состава гранита среднезернисгого Варзобского и граиодиоритов 'средаезернистых С-2625 и 83056, карты изолиний их очень сходны. В то же время, карты изолиний гранита Варзобского и гранита Новоукраинского мелкозернис ого значительно отличаются. Повиди-•мому размер £ лрна при тепловом разуплотнении пород играет 'большую роль, чем состав [табл.1, рисЗ ).

б) Мелкозерииотые породы различного оостава: карбонатные, ( туфогенно-осадочныэ, скарбовые< При повыше <ии температуры эти | породы, несмотря на различный минеральный состав, ведут себя ' I ■ сводным образом: резкое уменьш зие проницаемости (до нулевых : значений)" при нагреве до 300-400°С; область "непроницаемости" появляется при температурах 300-500°С при *юбом давлении обжима} . дальнейшее увеличение температуры не приводит к разуплотнению

пород (: тс. 4 и5' А,Б,Г).

в) В ореднезернистом мраморе 83029 после!' области "непрони-цаемоотй при дальнейшем разогреве вновь наблюдается значительное увеличение проницаемости (рис. 5 ,В). Для мрамора I брёднезершюто-го мономинерального во воем РТ-полй исследований характерно постепенное и очень'слабое увеличение' проницаемости и . отсутствие "непроницаемой" зоны (рис£ ,Е).

Такое поведение горных пород при воздействии на них температуры связано, как можно предположить, о неоднородным тепловым расширением зерен различных минералов,о анизотропией упругих свойств минералов и поликристаллов, что приводит к значительным внутренним тердаупругим напряжениям, приводящим к разуплотнению

PI 4-VO ОЭ О CO "Í- VO ОЭ о

пород (Балашов, Зарайский,1982). Увеличение размера зерен минералов привода» к более интенсивному высокотемпературному разуплотнению» которому в мелкозернистых породах, очевидно, препятствует прочность межзерновых контактов.

Поскольку для каждого типа пород конфигурация горового пространства, минеральный состав, ожимаешсть и плотность как отдельных минералов, так и породы в целом различны, то и воздействие температуры и давления на них так же различно. Если давление на породу окажется меньше, чем термоупругие напряжения, приводящие к разуплотнению, проницаемость породы будет увеличиваться о повышением температуры (мрамор I, рис. 3,Е).

РисЛ. Проницаемость горных пород в зависимости от температуры и давления.

А - гранодиорит С-2625, Б - гранодиорит 83056, В - гранодиорит 82066, Г - гранит Новоукраинский, м - граяит Варзобский, Е - мрамор I.

РиоА'. .Продолжение. Дроницаемэоть горных пород в зависимости от температуры и давления. А - извеотняк К-809, Б - доломят 2, В - доломит I, Г - известняк 82068, Д - мрамор 23, Е - мрамор 31.

Рпо£. Продолжение. Проницаеюоть горных пород в эавиои-* мости от температуры и давления. . А - извеотняк 83086, Б - известняк 83075, В - мрадар 83029, Г - туфоалевролит, Д - гранатовый скарн, Е - воллаотонитовый скарн

у ТГУ—18..2.

ХХм ~ ±О а и. • ди м (

0 - Геотермические градиенты} I - М°С/км} 2 - 20°С/км}.

3_г ЗОРс/км; 4 50°С/км; 5 - 100°С/км. р3 - литостатическое давление, МПа. Пунктир - тренд температур и литостатических давлений в породах месторождения Тастау: а - через 50000 лет при внедрении интрузива на глубине 8. юг

5 - через 50000 лет при внедрении интрузива на глубине 4 км;

6 - через 250000 лет при внедрении интрузива на глубине 4 км.

. ШВАЗ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ аССШШМЕНТАЛЫШ ДАННЫХ ш ТЕаЮБАБГШСКОЙ зшшюсти шшщшюсш ДЛЯ ШИШ РВОЛОШЧВСКШС ЗАДАЧ.

ОЦЕНКА «ШЕЬТРАЩЮННШС СВОЙСТВ ПОРОД ГЛУБОКИХ Г0Ш30НТ0В

В природных условиях при отсутствии локальных температурных аномалий, обусловленных внедрением интрузивных тел, влияние температуры и давления яа проницаемооть пород определяется вов-действяем геотермической температуры и (пренебрегая оншлаемэоты) твердого минерального скелета пород) эффективны!! напряжением. Последнее равно разности давления, под которым находится мине-рал!г'иХ каркас пород, в давления флюидов. Цри давлении ва минеральный каркас, равном литоотатичеокоцу р , я давлении флюидов, равном гидростатическому Р^, пгченение о глубиной э^ктев-ного давленая Р^ может бнть рассчитано по выражению: Р^^ (рп - Рф) ^ •и, где 5>п и Рф - соответственно, плотность т-нерального каркаса пород в порового флюида, д - ускорение силы ивеот*. . При ~ 2,5 г/см3 и ~ 1»° г/см8,

Р0фф ~ 1,5 ^Н. В приведенных экспериментах аффективное давление вследствие относительной малости среднего давления газа при фильтрации, было близко к давлению обжима Р£ . Поэтому значениям Рх можно поставить в соответствие глубину Н по условно Н ~ Р4 Д, бд. Рассчитанные таким образом эначеняя глубины приведены о правой стороны карт проницаемости на рио.8-5. Для принятой шкалы глубин проведены линии изменения температуры при различных значениях геотер лческого градиента - от 10 до 100°С/км. Полученная таким образом $штерпретацая экспериментальных дянннх Яовволяет составить представление о характере изменения о глубиной щюницаеыости изученных типов пород (рио.б-в).

Пр* градиенте 10 и 20°С/км проницаемость гранитоидов умень-рретея в глубиной» Ва глубине около 10 км гранитоида отадовятся Практически »ецрощвдаемыия. При градиенте Э0°С/км ва глубине около 12 км возможно рецуплотненже гранитоидов. При градиентах §0-?10иэС/км проницаемость гранитоидов сначала уменьшается о глубиной, проходит через минимум ва глубине 4-8 км, после чего цаяанает возрастать (рис,§),

У мелкозернистых известняков, мраморов и доломитов огне- . чэ^тся уменьшение проницаемости о глубиной ори всех геотермичес-юце градиентах, Првдер, чем вше градиент, тем меньше глубина,

Рис.6. Изменение проницаемости мрамора I среднезерниото-ю мономинерального с глубиной при различных геотермических градиентах. I- 10°С/км,

18

:ерми; (РС/1

2- 20°С/км, 3- 30°С/кМ,

19

4- 50°С/км, 5- 100°С/км.

2

6 10 км

на которой порода становится практически непроницаемой. При градиенте 20°С/км - эта глубина около 8-12 км, при 30°С/км - около 5-6 км, при 1(хРс/км • около 3-4 км (рис.?). Мрамор среднезернио-тый мономинеральный постепенно разуплотняется по мере увеличения глубинн и геотермического градиента (рисД).

Принятая при интерпретации полученных экспериментальных данных шкала глубин соответствует максимальным (при отсутствии тектонических напряжений) значениям аффективного давления. ТЬкие значения характерны для термоконвективных гидротермальных систем. Поэтому мело отметить, что полученные данные согласуются с современными представлениями о возможной глубине тепловой конвекции метеорных вод (5-10 км). При увеличении давления флюидов, эффективное напряжение уменьшается. Повышенные по сражению о -• гидростатическим (вплоть до литостатлческого) давления флюидов характерны для процеосов метаморфизма. При давлении флюидов близком к литостатическому породы могут сохранять проницаемость практически на любой глубине. Поэтому полученные данные согласуются также и о наблюдениями об активной роли процессов флшд-ного тепломаосопереноса при метаморфизме.

построение гидродашлявской модели фильтрации растворов в районе контактового ореола интрузий

Широкий диапазон изменени проницаемости в зависимости от изменения температуры и давления позволяет предположить сложный режим-"фильтрации растворов на различных стадиях формирования гидротермальных месторождений в контактовых ореолах интрузий. В качестве объектоз исследования'были выбраны Си-Мо скарно- . вые месторождения Саяк-1 и Тастау (Сев.Прабалхшиье), для которых В.М.Шмоновым (1988) были рассчитаны изменения температурных полей и напряженного состояния пород внутри и в окрестности

i 20 -

интрузивного тела.

Месторовдения Саякского рудного »района приурочена к Саякской мульде, представляющей собой структуру тина наложенного прогиба в выполненной ниже- среднекаменноугольными отложениями саякской серии. В верхней части разреза развиты прослои и горизонты известняков, сгруппированные в мощную (до 160 м) карбонатную пачку. Порода прорваны гранитоидшш интрузиями и многочисленными дайками умеренно кислого, среднего и основного составов. В контактовом ореоле интрузий известняки интенсивно скарнированы о образованием пластовых залежей гранатовых скарнов, актинолитовых и кварц-кальцит-хлоритовых метасоматитов.

Месторождение Саяк-1 приурочено к северной части гранодиори-товой интрузии Лебай, которая в расчетах была задана как сферическое тело радиусом 1,15 км. Месторождение Тастау связано с гранодаоритово** интрузией Умит, представленной в расчетах сферой радиусом 6,5 км. В расчетах была использована модель, приведенная в работе BaieminH (1985,1987). Модель предгсг,.лгривает, что на первом - магматическом этапе процесса внедрившийся расплав остывает в окружении непроницаемых пород. При этом в приконтак-товой области интрузии образуется температурный ореол, в котором температура изменяется от температуры расплава до температуры вмещапцих пород. Вторая - гидротермальная стадия начинается после полной кристаллизации расплава. С этого момента интрузив и вмещающие породы проницаемы.

Расчет распределения те: лератур и напряжений внутри и в окрестности интрузий проведен для глубин внедрения 4 и 8 км для разных интервалов времени.

Соотнесение данных о ^распределении температур и давлений в породах, вмещающих интрузии,и экспериментальных РТ-зависимостей пронвдаекости этих пород позволяет установить наиболее вероятные пути миграции гидротермальных растворов. На рис.9 показана схематическая геологическая карта месторождения Еастау. На верхнем ВВДВ&а 9 А) показана ситуация на глубине 8 км через 50000 лет поме ьведрения расплава. Пунктиры - изолинии равных прояи-цаегюсДОЙ К, вфректявных напряжений d в текперг-ур Т пород» В данном случае аф^сктнвнкв напряжения, возникающие в породах, представляют собой Цааность нейду терюгаесктаи напряжениями и фшиляни давлением, дассчаташна во взохорической модели. На

рис. ЗА. 4 Г К5В,Г,Д, В пунктирной затжА а показан РТ-тренд > . •

на данное время. Согласно расчетам,на линии контакта температура к этому времени снизится до 685°С (при исходной температуре расплава 900°С) и эффективные сжимающие напряжения до - 30 МПа. . При этих условиях гранодиорит имеет проницаемость примерно IE-I7 (рис.ЗА). На расстоянии 200м от контакта напряжения в интрузии равны нулю при температуре 725°С. Проницаемость пород в этих условиях была исследована Балашовым и Зарайским (IS82) и равна от 2E-I7 до 4E-I5. Здесь принята IE-I5. Со стороны вмещающих пород: туфоалевролиты непроницаемы (рис.5Г, тренд а); карбонатные породы так же непроницаемы (рис<1 Г, тренд а). Таким образом, в целом массив Умит, полностью проницаемый для растворов на глубине 8 км, в этот юмент времени находится в окружении непроницаемых пород. Мраморизация известняков может привести к разуплотнению пород и увеличению проницаемости до IE-I7 (-ис5 В, тренд а). В этом случае фильтрация растворов возможна лишь по карбонатным прослоям вслед за фронтом мраморизации известняков. Соответственно, образование гранатовых скарнов на этой глубине ограничено изолинией 640°С и 62,5 МПа, где проницаемость скарнов около IE-24. ^Т-тренд на диаграмме волластонитового скарна пересекает область"непроницаемости"и образование его на глубине 8 км возможно лишь на отдельных участках.

На рисунке 9 Б показана ситуация через 50000 лет по'ie " внедрения расплава на глубине 4 км. В этом случае растворы могут отделяться от интрузива по всему периметру. Известняки и мрамора в этих условиях проницаемы (рис ДГ.5В, тренд б); туфоалевро-литы проницаемы на расстоянии до 400 м от контакта (рис.БГ, тренд б).

На рисунке 9.В показаны распределения температур и напряжений на глубине 4 юл через 250000 лет Сохранившиеся участки мраморов взяты с геологической карты района. Экспериментальные данные показывают, что при давлении сжатия -70,5 МПа и 405°С они проницаемы олябо (115-20). Эта изолиния одновременно является границей возможного распространения гранатовых скарнов (рис.д В,5Д, тренд в). Волластонитовые скарны способны замещать мрамора по •" всему объему и сохранить проницаемость 5Е-20 (рис.5В).

По геологическим данным скарны Саякского рудного района развивались в основном по карбонатам и лишь изредка - по приле-гавдим к ним силикатным породам (Мирошниченко,1971). Эти полевые

Йвс.9. бхематичеокая карта меоторокдения Таотау. Состояние пород при внедрении интрузива на глубине: А - 8 км черев 50000 лет; Б - 4 км черев 5000С лет; В - 4 км чегев 250000 лет. I - изолинии аффективных напряжении о (+ б - напряжение растяжения, - б" - напряжение сжатия), температур Т и проницаемоотей К пород; 2 - граноднориты, 3 - мрадара и мраморизованнне известняки, 4 — гранатовые скарны, 5 - воллаотонитовые дара, о — туфо алевролиты.

Наблюдения хорошо согласуются о моделью, цредотавденной на рио. а Развитие окарнов исключительно по мраморам и годное их отсутствие во вмещающих силикатных породах следует ожидать на' глубине 6-8 км» Частичное скарнирование силикатных пород могло происходить на глубине 4-6 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Разработана методика определения проницаемости горных пород в интервале температур от 20 до 600°С и эффективных давлений от 15 до 200 МПа.

2. Впервые экспериментально изучена проницаемость различных типов горных пород (гранитов и гра^одиоритов, мраморов, извсотня- ' коп и доломитов, туфо алевролитов и окарнов) в интервале темпераг-тур от 20 до 600°С и эффективных давлениях до 200 МПа.

3. Полученные данные показали, что увеличение давления на породу _ приводит к уменьшению проницаемости; повышение температуры может приводить как к увеличению, так и к уменьшению проницаемости. Количественно изменение проницаемости может составлять несколько десятичных порядков величины. : • . ■

4. При совместном воздействии температуры и давления для всех исследованных пород характерно появление областей "непроницаемости" (К < Ю""5 м ). Цараметры появления этих областей: температура около 300-400 С и давление 80-120 МПа. Дальнейшее увеличение температуры выше 300-400 С вызывает различный эффект у пород разного типа: а) граяодиориты разуплотняются при давлениях ниже 120-140 МПа, б) карбонатные и туфогенно-осадочные мелкозернистые породы не разуплотняются во всем диапазоне давлений.

Исключение составляет мрамор I ореднезернистый мономине ральянй; для которого йоотлпвяя&в" wk:

личение проницаемости во всем изученном диапазоне изменений РТ- условий.

5. Полученные данные по,термобаричеокой. зависимости проницаемости горных пород могут использоваться для решения геологических

<задач.

а).Анализ изменения фильтрационных свойств пород о глубиной показал, что при геотершга эких градиентах больше 30°С/км про-

ницаедасть гранитоидов сначала уменьшается, проходит через минимум на глубине 2-8 км, после чего может вновь увеличиться. Проницаемость мелкозернистых карбонатных и туфогенно-ооадочных пород уменьшается с глубиной при любых значениях геотермических градиентов.

б). Оценка палеоусловий, масштабов и направленности рудноме-тасоматических процессов при формировании Саянских Си-Мо скарно-шх ивстороадений, связанных с кранитоидными интрузиями, показала, что динамика изменения проницаемости вмещающих пород в контактовом ореоле интрузий оказывала существенное влияние на локализацию скарновых тел.

список работ по теме диссертации'

1. Витовтова В.М., Шмонов В.М. Проницаемость горнк.. пород ири давлениях до 2000 кг/см л температурах до 600 С. - Докл. АН СССР, 1982, 266, № 5, с.1244-1248.

2. Витовтова В.М., Шмонов В.М. Проницаемость гор«ых пород при • высоких температурах и давлениях. - В кн.: Международная

ассоциация по генеслсу рудных месторождений. TL Мевдународ-, ннй симпозиум. Тезисы докладов. - Тбилиси, 1982, с.277.

3. Фомичев В.И., Шмонов В.М., Витовтова В.М. Экспериментальное моделирование процесса рудоотлоаения на щелочном геохимичес-

. ком барьере. - Вестник АН Каз.ССР,- 1983, J& 7, с.55-60.

4. Шмонов В.М., Вострокнутова З.Н., Витовтова В.М. О возможности влияния адсорбции на концентрацию флюида в порах и газо-во-жидких включениях. - В кн.: Очерки физико-химической петрологии. -IL: Наука, ^984, вып.12, с.78-84.

5. Шшнов В.М., Витовтова В.М. Проницаемость горных пород при высоких температурах и давлениях. - В кн.: Физические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах. У11

Всесоюзно® совещание. Тезиоы докладов. - Ереван, 1985, с.125. €. Шмулович К.И», Шмонов В.М., Витовтова В.М. Фазовые равновесия ти термодинамика высокотемпературных флюидных систем. - В кн.: Тершбарометрия в геохимия рудаобразувдих флюидов. УП Всесоюзное совещание. Тезисы докладов. - Львов, 1905, с. ICE. 7. Фомичев В.И., Шмонов В.М., Витовтова В.1. Влияние эволюции физико-химических условий- яа рудоотлоъшие при формировании .

стратиформннх свинцрво-цинковых месторождений. - В кв.: Генезис редкомэтальных в свинцово-щшкошх стратиформннх месторождений. -](.: Наука, 1966, о.ИО-115.

8. Шмонов В.М. и др. Гидротермальнне раствори и окарвообразова-ние. - В кн.: Эксперимент в решении актуальных задач геологии» 11.: Наука, 1986, 0*287-306.

9. Витовтова В.М., Аксюк A.M., Шмэнов В.М. Техника и методика экспериментального изучения проницаемости горных пород при

~ выооких температурах и давлениях. - В об.: Современные метода морских геологических исследований. II Всесоюзное совещание. Тезисы докладов. - Светлогорск, 1987, O.I3I-I32.

10. Витовтова В.М., Фомичев, В.И.,Шмонов В.И. Эволюция пронвдае-мзсти пород при формировании скарнов месторождений Саяк-I я Тастау (Сев. Прибалхашье). - В кн.: Очерки физико-химической петрологии. - М.: Наука, 1988, вып.15, 0.6-17.

11. Шебеста ¿.А., Витовтгза В.М., Шмонов В.М. Об изменении овойств порво-трещинного пространства карбонатных пород при умеренно выооких температурах. - В об. ЛИ: Пространство и время в геологии. - I. : 1988.

12. Витовтова В.М. Экспериментальная проницаемость горных пород в интервале температур 20-600 С и давлений 15-200 МПа. - В кн.: Эксперимент - 88. Информационный оборвик HEM . - II.: Наука, 1969.

T-I3426 18.09.1989г.' Зак. III7 Обьём 1.5п.л. Тир. ГООэкз. Типография ОИХФ АН СССР