Влияние высоких температур и давлений на микроструктуру, фильтрационные и упругие свойства кристаллических пород

Жариков, Андрей Виленович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Влияние высоких температур и давлений на микроструктуру, фильтрационные и упругие свойства кристаллических пород
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Влияние высоких температур и давлений на микроструктуру, фильтрационные и упругие свойства кристаллических пород"

003480201

На правах рукописи

Жариков Андрей Виленовнч

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР И ДАВЛЕНИЙ НА МИКРОСТРУКТУРУ, ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И УПРУГИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД (ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ)

2 2 ОПТ 9

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 2009

003480201

Работа выполнена в Лаборатории радиогеологии и радигеоэкологии Учреждения Российской академии наук Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии н геохимии РАН (ИГЕМ РАИ)

Официальные шшонеи ил:

доктор технических наук, профессор Перстни Владислав Дмитриевич

доктор геолого-минералогических наук, профессор Старостин Виктор Иванович

Геологический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова

Защита сосшигся «20» ноября 2009 I. и 14.00 часов н аудиюрии 1-300 на заседании диссертационного совета Д 800.017.01 при Международном университете природы, общества и человека «Дубна» по адресу: 141980. Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МО Между народного университета природы, общества и человека «Дубна».

Отзывы в двух экземплярах, 'заверенные печатью учреждения, просим направля ть Ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.

Автореферат разослан « » октября 2009 г

ГОУ МО Международный унпверси природы, общества и человека «Дуб:

доктор физико-математических паук

Рок Владимир Ефимович ФГУ11 ГНЦ РФ ВНПИГеосистем

Подущая органи танин:

Учреждение Российской академии наук Институт физики Земли им.О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН)

Ученый секретарь диссер тационного совета кандидат биологических наук

И.З. Каманина

ВВЕДЕНИЕ

/ikmyiLihiwciiih uccjiedtmaHuü

Данные глубинных геофизических исследований континентальной коры и результаты изучения сверхглубоких скважин свидетельствуют о возможном присутствии мобильных флюидов на больших глубинах: вплоть до нижней части континентальной коры. С этим явлением связывают появление сейсмических границ и зон пониженных скоростей.

Проблема состоит в том, что в настоящее время не существует дистанционных методов для прямого определения фильтрационных свойств глубинных пород в естественном залегании. Основной источник получения информации из глубинных зон земной коры - сейсмические исследования. Однако традиционные методы определения фильтрационных свойств пород по сейсмическим данным, разработанные для коллекторов - пород с высокой пористостью и основанные на наличии простых корреляционных связей между скоростями упругих волн, пористостью и проницаемостью, в таких условиях не эффективны. Соотношения между упругими и фильтрационными свойствами плотных, низкопорнстых кристаллических пород, слагающих глубинные зоны континентальной коры, не вполне ясны.

Проницаемость горных пород является основным параметром, определяющим динамику флюидного тепломассопереноса в геологической среде. Поэтому в связи с решением проблем генезиса крупнейших урановых и золоторудных месторождений не менее важно оценить проницаемость кристаллических пород при ЯГ-параметрах, характерных для метаморфизма и рудообразования. Наконец, для решения важнейшей задачи радиогеоэкологии: подземного захоронения высокорадиоактивных отходов (BAO) необходимы данные о проницаемости вмещающих пород и долгосрочный прогноз изменения параметра. Цель и шдачи исаидо/шний

Основной целью настоящей работы являлось установление влияния изменений микроструктуры, вызванных воздействием высоких температур и давлений, на фильтрационные и упругие свойства кристаллических пород.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи.

1. Провести экспериментальные исследования проницаемости, скоростей упругих волн и анизотропии этих свойств при высоких температурах и давлениях, соответствующих условиям in situ глубинных зон континентальной коры и ближней зоны подземных могильников или хранилищ BAO. Для экспериментов использовать образцы основных ли-тологических типов пород континентальной коры, включая наиболее древние: архейские амфиболиты и гнейсы из Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) и с поверхности.

2. Провести микроструктурные исследования: изучить влияние состава и преимущественной ориентировки породообразующих минералов, а также изменений пористости и

распределений пор по размерам, характера микротрещиноватостн, произошедших под влиянием высоких температур и давлений, и в результате геохимических преобразований, инициированных присутствием водных флюидов. Установить, как эти изменения влияют на фильтрационные и транспортные свойства пород и анизотропию этих свойств. 3. Используя полученные экспериментальные результаты, получить оценки скоростей упругих волн и проницаемости пород разреза Кольской сверхглубокой скважины in situ, а также их палеопроннцаемости при метаморфизме. На примере СГ-3 выявить структуры и текстуры пород, благоприятные для аккумулирования и миграции мобильных флюидов в верхней части континентальной коры. Обобщив результаты экспериментальных исследований проницаемости образцов из разрезов сверхглубоких скважин и других кристаллических пород различных типов, построить тренд проницаемости пород континентальной коры. Провести корреляцию между полученными данными о структуре, текстуре пород, их петрофизических свойствами и результатами геофизических измерений. 4. Определить проницаемость образцов основных типов пород из участков вероятного подземного захоронения ВАО в районе ПО Маяк (Южный Урал) и Красноярского ГХК (Нижнеканский массив). Сделать прогноз возможного изменения проницаемости в результате разогрева и сейсмического воздействия. С использованием полученных данных оценить безопасную глубину скважинного могильника ВАО. Фактический материал

В диссертации использованы результаты экспериментов, которые, начиная с 1984 г., проводились автором настоящей работы лично либо с его непосредственным участием. Экспериментальные материалы насчитывают несколько тысяч определений проницаемости, сотни определений скоростей упругих волн, полученных при высоких температурах и давлениях, результаты микроструктурных исследований, численного моделирования. Исследования проводились в ИГЕМ РАН в Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии, а также в тесном контакте с тематической Группой глубинного строения и геодинамики рудных районов (совместно с В.И. Казанским, К.В. Лобановым), в ИЭМ РАН (совместно с В.М. Шмоновым, В.М. Витовтовой), в ГЕОХИ РАН (совместно с Е.Б. Лебедевым, Б.Н. Рыженко), в Петрофи-зическон лаборатории Кильского университета (Германия) (совместно с X. Керном). Совместные исследования проводились также с Лабораторией нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований г. Дубна (Т.Н. Иванкина, А.Н. Никитин). Автор выражает благодарность всем коллегам, принимавшим участие в этих работах, а также Н.Е. Галдину, К.В. Лобанову, Е.Б. Лебедеву, В.А. Петрову и В.М. Шмонову, предоставившим для экспериментов образцы и их описания.

Основные защищаемые положения

I. Разработаны методика, аппаратура и программные средства для измерений проницаемости и анизотропии проницаемости образцов горных пород с учетом изменения термодинамических свойств фильтрующегося флюида, которые позволяют с высокой точностью (до 3-5 %) проводить определения параметра в диапазоне значений от 10"22 до 10"15 м2 при эффективных давлениях до 200 МТТа и температурах до 600 "С.

II. Увеличение эффективного давления при постоянной температуре приводит к уменьшению проницаемости.

Увеличение температуры при постоянном эффективном давлении приводит либо к монотонному увеличению или уменьшению проницаемости во всем диапазоне температур, либо к появлению инверсий на температурных трендах: проницаемость уменьшается, достигает минимального .значения, .затем увеличивается.

Такой характер /Т-трендов проницаемости кристаллических пород определяется разнонаправленными изменениями микротрепвшоватости. При увеличении эффективного давления раскрытие, длина и связанность микротрещин уменьшаются. При увеличении температуры количество, раскрытие и связанность у микротрещин с высоким коэффициентом формы увеличиваются, у микротрещин с низким коэффициентом формы - уменьшаются. В условиях одновременного воздействия высоких температур и давлений эти процессы происходят параллельно. Если нагревание приводит к смене результата взаимодействия их эффектов, на температурных трендах проницаемости возникают инверсии.

III.Скорости упругих волн в амфиболитах и гнейсах Кольской сверхглубокой скважины зависят как от минерального состава, так и от микротрешиноватости пород. Величины скоростей поперечных волн, определенные в лабораторных экспериментах на сухих образцах при Р'1 -параметрах, отвечающих условиям естественного залегания архейских пород СГ-3, хорошо согласуются с геофизическими данными, а величины скоростей продольных волн оказываются систематически выше, что свидетельствует о возможном присутствии разуплотненных флюидонасыщенных пород в нижней части разреза скважины.

Анизотропия скоростей упругих волн пород кольской серии в УГ-условиях архейского разреза СГ-3 определяется аддитивным эффектом преимущественной ориентировки породообразующих минералов (роговой обманки в амфиболитах, биотита и плагиоклаза в гнейсах) и ориентированных вдоль сланцеватости пород микротрещин, локализованных на границах минеральных зерен.

давлением, образование новых минеральных фаз, частичное плавление). Результат взаимодействия этих процессов меняется с температурой, приводя к изменениям пористости и, как следствие, скоростей упругих волн. Таким образом, возможно появление сейсмических границ в однородных по составу породах.

V. В РГ-условпях разреза СГ-3 проницаемость амфиболитов и гнейсов кольской серии уменьшается, а анизотропия параметра, напротив, увеличивается с глубиной. Как следствие дифференциация значений проницаемости достигает нескольких десятичных порядков. При температурах и давлениях, соответствующих глубинам 8 - 10 км, анизотропия проницаемости определяется наличием устойчивых микротрещин с высоким коэффициентом формы на границах минеральных зерен, ориентированных вдоль сланцеватости пород. Таким образом, на фоне общего снижения проницаемости с глубиной, амфиболиты и гнейсы кольской серии, микроструктура которых благоприятна для аккумулирования и миграции мобильных флюидов, могут формировать в нижней части разреза Кольской сверхглубокой скважины локальные водопасыщенные горизонты.

VI. В ЯГ-условиях континентальной коры уменьшение проницаемости пород с глубиной является генеральной тенденцией. В результате статистической обработки экспериментальных данных (50 образцов, около 2000 определений при высоких РТ) получена степенная аппроксимирующая зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

Научная новиша

Разработаны новые оригинальные методы измерения проницаемости образцов горных пород.

Выявлены механизмы, определяющие основные закономерности изменения проницаемости кристаллических пород при высоких РУ'-параметрах.

Получены новые данные о проницаемости, скоростях упругих волн и анизотропии этих свойств на образцах архейских амфиболитов и гнейсов, отобранных в Кольской сверхглубокой скважине, и их аналогов с поверхности в РТ-условиях архейской части разреза СГ-3. Выявлено влияние микроструктуры на упругие и фильтрационные свойства пород и анизотропию этих свойств. Установлено, что в РГ-условнях архейского разреза СГ-3 анизотропия скоростей упругих волн и анизотропия проницаемости амфиболитов и гнейсов кольской серии имеет общую природу: определяется преимущественной ориентировкой породообразующих минералов и ориентированной мнкротрещиноватостью. Установлено также, что в РГ-условиях архейского разреза СГ-3 сланцеватая текстура амфиболитов и гнейсов благоприятна для аккумулирования и фильтрации флювдов, что дало возможность сделать предположение об одной из причин появления локальных зон флюидонасыщенных пород в скважине на глубине 8-10 км.

Предложена обобщенная зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

С применением оригинальных высокоточных методов, разработанных автором, получены новые данные о проницаемости образцов метавулканитов и гранитоидов с территорий предполагаемого подземного захоронения BAO и выявлены особенности текстуры и микроструктуры пород, определяющие их фильтрационные свойства. С учетом результатов экспериментальных определений проницаемости этих пород при нагревании и осциллирующем давлении, которые также получены впервые, сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения BAO и сейсмического воздействия. Определены безопасные глубины скважинного могильника.

Практическое значение

Разработаны методика, аппаратура и программные средства для измерения петрофизиче-ских свойств, которые внедрены и успешно используется для решения экологических задач: исследований вмешающих пород могильников BAO. Диапазон измеряемых значений проницаемости составляет 6 десятичных порядков, поэтому данная техника может использоваться и для решения других задач: исследований коллекторских свойств пород, в инженерной геологии, строительстве и в других областях.

Получены данные о физических свойствах горных пород при РГ-параметрах глубинных зон континентальной коры, причинах и закономерностях их изменений, которые могут быть использованы для интерпретации глубинных геофизических методов. Подходы, предложенные в работе, могут быть применены и для поисков новых, нетрадиционных коллекторов углеводородов.

Для решения задач рздиогеоэколопги с использованием высокоточных методов определена проницаемость образцов основных типов пород из участков вероятного размещения подземных могильников BAO: метавулканитов, отобранных на территории ПО Маяк, и гранитоидов из района Железногорского ГХК. Сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения BAO и сейсмического воздействия. Определены безопасные глубины скважинного могильника BAO.

Апробации результатов исследований

минералогии (Миас,1991 г.), Научная школа «Щелочной магматизм Земли» (Москва, 2001 г.), V международная конференция «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (Александров, 2001 г.), XIV Российское совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2001 г.), XX Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2004 г.), Ежегодные семинары по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (2004 - 2008 гг.) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 80 работ, включая 1 монографию и 35 статей в сборниках, отечественных и зарубежных научных журналах.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Объем работы составляет 285 страниц, включая 90 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 327 наименований.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность и признательность за доброжелательное отношение, а также за помощь в проведении исследований и подготовке диссертации В.А. Жарикову, В.М. Шмонову, В.М. Витовтовой, Е.Б. Лебедеву, В.И. Мапьковскому, A.A. Пэку, К В. Лобанову, В.И. Величкину, Ю Г. Сафонову, Ю.С. Геншафту, В.И. Казанскому, Б.Н. Рыжен-ко, X. Керну, A.A. Бурмистрову, И.В. Закирову, Ф.Ф. Горбацевнчу, Т.Д. Белевич, И.А. Чижовой и многим коллегам из ИГЕМ, ИЭМ, ГЕОХИ, ИФЗ РАН, МГУ и других организаций.

На разных этапах работа была поддержана фантами РФФИ, ОНЗ и Президиума РАН.

I ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Исследования сверхглубоких скважин привели к существенным изменениям представлений о строении и составе континентальной коры и в первую очередь - о природе сейсмических границ. Причем некоторые неожиданные результаты не нашли исчерпывающего объяснения до сих пор. Проект Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) был разработан на основе результатов исследований ГСЗ и MOB - ГСЗ, которые были проведены в конце 60х - в начале 70х годов [Литвиненко, 1971; Лизинский и Ланев, 1991]. При интерпретации полученных данных исходили из общепринятой тогда модели, согласно которой континентальная кора состоит из двух мощных слоев, резко отличающихся по составу и упругим свойствам: верхнего «гранитного», сложенного кислыми породами, и нижнего «базальтового», сложенного основными. Согласно проекту, СГ-3 должна была пройти вулканогенно-осадочный протерозойский печенгский комплекс, на глубине около 4.7 км вскрыть контакт с архейскими метаморфическими породами кольской серии (I на рис. 1.1 а), пройти через них, на глубине 7.5 - 8.5 км пересечь границу Конрада (II на рис. 1.1 а) и углубится в «базальтовый» слой [Литвиненко и Ленина, 1968]. Однако контакт между протерозойскими и архейским порода-

ми был вскрыт на большей глубине, чем предполагалось: 6840 м (II на рис. 1.1 б). Затем скважина прошла архейский фундамент до глубины 12260 м [Кольская сверхглубокая, 1984]. Таким образом, граница Конрада скважиной не обнаружена.

10 км CZ3i[H3=CZl3G3« rascnsEE^czis

Рнс. 1.1. Глубинное строение ГТсчскгской структуры, а • по сейсмическим ,<цнным до бурения СГ-3 (по Литлипегтко и Ленина, 1968). 1 - печепгекий вудкалолглш-осадочпий комплекс (РЯ), 2 - колнекая серия (АЯ), 3 - 1рану лито-бачт-о вый комплекс, 4 - сейсмические 1ра-¡шцы, К - 1ранида Конрада.

6 - по комплексу геофизических данных и результатов исследования СГ-3 (но Лобанов и др., 1999). 1 - мета-вулканты пиль п ярв и НС кой серии (РЯ), 2 - мспаосадочкыс I юроды (PR), 3 - рудоносные инчрузии, 4 - мега-вулканшы колосйокской, кутсярвинской и алмаалахтинской серий (РЯ), 5 - архейский комплекс, 6 - разломы,

7 - зоны рас сланцевания, 8 - сейсмические храницы.

Уэ, Ур (км/с) 3 4 5 6 7

Ур(км/с) 2 3 4 5 6 7 8 1

/ /

}

)

ч.

-/ чГ

}

V${KM/C)

образцы с поверхности образцы керна

• литостат*ч«сков давление in tilu ф п«тостэтическое дав

Рис. 1.2. Скорости у upy 1 их hojh (Vp и Гз) и пористость (Я">>) пород разреза С1 '-3. Скорости упругих волн но данным ВСП, АК (Г> и \'р) и лабораторных измерений в стандартных условиях, а также при высоких РТ (на образцах керпа и аналогов с поверхности). Пористость: усредненные ,Ц1нные но керну и результаты измерений на специально отобранных образцах керна и их аналогов с попсрхности. ГТа Кольская сверхглу бокая, 1984; Кольская..., 1998; Kern и др., 2001; Жариков, Лобанов и Керн, 2007.

В ходе исследований скважины и района ее заложения были выявлены особенности геологического строения Печенгской структуры, которые осложняли проведение и интерпретацию результатов сейсмических методов: горизонтальные неоднородности, большие углы па-

дения пластов, экранирующее влияние высокоскоростных пород верхней протерозойской части разреза, купольно-блоковое, осложненное круто падающими разломами, строение нижней архейской части [Епинатьева, 1989]. С учетом этих факторов проводились дальнейшие комплексные наземные и скважинные исследования, а полученные ранее результаты были пересмотрены. По результатам МОВЗ было уточнено положение наклонных границ, выделены глубинные разломы, впервые было установлено наличие наложенных субгоризонтальных границ на глубинах 10 - 15 км [Галдин и др., 1985]. Эти результаты были подтверждены и детализированы в ходе комплексных исследований MOB и ВСП [Лизннский и Ла-нев, 1991]. Весь разрез скважины был исследован методом акустического каротажа с использованием наиболее совершенной для того времени аппаратуры, разработанной во ВНИИЯТТе, ВНИИГИСе, ВНИИГИКе и др. [Кольская сверхглубокая, 1984]. Эти результаты затем подвергались неоднократной повторной обработке и корректировке [Рабинович и др., 2000; Гаддин, Лизинский и Горбацевич, 1997 и др.]. В рамках международного проекта КОЛА-ОГТ 92 были проведены исследования ОГТ и ВС.П [Ganchin и др., 1998]. В результате комплексных работ на суше и на море построена сейсмотомографическая модель земной коры данного района [Шаров, Исанина и Крупнова, 2007].

Совместная интерпретация результатов геофизических и геологических исследований скважины и района ее заложения позволила скорректировать разрез Печенгской структуры. Сопоставление рис. 1.1а, где показан предварительный разрез, полученный до бурения СГ-3, и рис. 1.1 б, где представлен разрез района СГ-3, построенный согласно современным представлениям, показывает, что положение сейсмических границ было предсказано весьма точно. Однако предположения об их геологической природе и величинах скоростей упругих волн, сделанные ранее на основе двухслойной модели континентальной коры, где границы раздела связывали с мощными слоями однородных пород, не подтвердились. Разрез скважины представляет собой чередование относительно тонких слоев, дифференцированных по скоростям. Можно также констатировать, что природа наклонных сейсмических границ в районе СГ-3 установлена. Это - литологические границы чередования пород с различным составом и физическими свойствами, а также структурная граница, отвечающая зоне Луч-ломпольского разлома, в протерозойском комплексе, контакт архейских и протерозойских пород, и, наконец, отражающие границы, вызванные ритмичным чередованием пород архейского комплекса. Вместе с тем, многими методами в архейском разрезе скважины на глубине 7 - 7.7 и 10 - 11.5 км, а также ниже забоя, до глубин около 15 км, выделяются субгоризон-гальные отражающие границы и мощные зоны пониженных скоростей, природа которых не ясна. Некоторые исследователи считают их локальными и прерывистыми [Лизинский и Ла-нев, 1991; Кальнин, Лизинский и Платоненкова, 1997], некоторые - распространяют на весь

Печенгский район [ОапсЫп и др., 19981. Согласно результатам интерпретации сейсмотомо-графической модели [Казанский и др. 2002; Шаров, Исанина и Крупнова, 2007] зона волновода протягивается на расстояние около 100 км под акваторию Баренцева моря. Наконец, многие исследователи считают эти зоны частью слоя пониженных скоростей, который на глубинах 10 - 20 км распространен во всей континентальной коре. Трехслойная модель континентальной коры, где появление среднего слоя, характеризующегося пониженными скоростями упругих волн, была предложена Н.И. Павленковой, В.И. Шаровым и В.Н. Николаевским и другими исследователями [Павленкова, 1973, 1981; Сейсмические модели ..., 1980; Шаров и Гречишников, 1982; Николаевский и Шаров, 1985; Шаров, 1987 и др.]. Появление волновода объяснялось сменой реологических свойств горных пород в условиях высоких температур и давлений, а результаты, полученные на Кольской сверхглубокой скважине, считали наиболее убедительным подтверждением его существования как физического объекта [Николаевский и Шаров, 1985; Павленкова, 1989, 1996]. Однако сопоставительный анализ новых данных о тепловом потоке, реологии Балтийского щита а также результатов сейсмических и магнитнотеллурическнх исследований привел Л.Л. Ваньяна и Н.И. Павленкову к выводу, что в этой части земной коры переход от хрупких деформаций к пластичным происходит глубже: на глубине около 20 км, а на глубинах около 10 км предполагаются «холодный» тип потери прочности пород [Ваньян и Павленкова, 2002].

Таким образом, природа субгоризонтальных границ и зон пониженных скоростей в нижней части скважины до конца не выяснена. Однако большинство исследователей едины во мнении, что эти зоны являются наложенными и сформированы разуплотненными, флгоидо-насыщенными породами [Павленкова, 1989, 1996; ОапсЫп и др., 1998; БткИзоп и др., 2000; Ваньян и Павленкова, 2002; Казанский и др. 2002; Шаров, Исанина и Крупнова, 2007 и др.].

Действительно, обнаружение мобильных флюидов на глубинах, которые ранее считались для них недоступными, явилось одним из самых важных и неожиданных результатов исследований сверхглубоких скважин. Режимные наблюдения в скважинах СГ-3 и КТБ-Оберпфальц (Германия) зафиксировали притоки вод и газов на глубинах до 10 км [Кольская сверхглубокая, 1984; Ниеп§е5 и др., 1997]. Более того, в скважине КТБ была обнаружена система флюидопроводящих трещин, которая простирается по вертикали на расстояние не менее 5 км. В ходе режимных наблюдении удалось определить, что ее проницаемость составляет около 10"15 м2 [Егг^ег и др., 2005]. Данные глубинных геофизических зондирований свидетельствуют о возможном присутствии флюидов на больших глубинах: вплоть до основания континентальной коры [Ваньян, 1997; Уапуап и ОМко, 1999; Киссин 2001, 2002 и др.].

Проницаемость горных пород — важнейший параметр, определяющий динамику движения природных и техногенных флюидов в земной коре. Проблема состоит в том, что в на-

стоящее время не существует дистанционных методов для прямого определения фильтрационных свойств глубинных пород в естественном залегании. Основной источник получения информации из глубинных зон земной коры - сейсмические исследования. Однако традиционные методы определения фильтрационных свойств пород по сейсмическим данным, разработанные для коллекторов - пород с высокой пористостью и основанные на наличии простых корреляционных связей между скоростями упругих волн, пористостью и проницаемостью [\VyIlie и др., 1958, 1961], в таких условиях не эффективны. Как показано в [Ваньян и Павленкова, 2002], для грубой оценки пористости кристаллических пород можно применить уравнение среднего времени. Однако аналогичное универсальное соотношение между пористостью и проницаемостью отсутствует. В плотных, низкопористых породах, как правило, развиты микротрещины, а изометричные поры имеют меньшее распространение. Численное моделирование [Жариков, 1995; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002] показало, что пористость так1гх пород определяется размерами каналов фильтрации, а проницаемость - степенью их связанности. Поэтому при линейном изменении доли проводящих каналов пористость изменяется также линейно в то время, как тренды проницаемости осложнены пороговыми переходами. Результаты теоретических исследований выявили весьма сложные зависимости между характером микротрешиноватости, свойствами насыщающих флюидов и скоростями упругих волн [Баюк и Калинин, 1995 а, Ь; Баюк и Чесноков, 1999; Курьянов и Рок, 2001 и др.]. Таким образом, соотношения между фильтрационными и упругими свойствами малопористых кристаллических пород, слагающих глубинные зоны земной коры не ясны.

Очевидно, подходы к решению этой проблемы следует искать, пользуясь методологией нелинейной геофизики, которая предлагает исследовать эффекты необратимого изменения геологической материи под действием физических полей, рассматривая твердую матрицу горной породы, поровое пространство и насыщающие флюиды как единую систему [Кузнецов, 1993]. И фильтрационные, и упругие свойства также как микроструктуру горных пород можно изучать в лаборатории, на образцах. Сверхглубокие скважины предоставили уникальную возможность сопоставить результаты петрофизических и геофизических исследований в рекордных по мощности разрезах кристаллических пород. Физические свойства образцов керна СГ-3 детально изучены многими методами. Как правило, исследования проводились в стандартных условиях (при комнатной температуре и атмосферном давлении) [Кольская сверхглубокая, 1984, Кольская..., 1998]. Было установлено, что с увеличением глубины отбора скорости упругих волн в образцах закономерного уменьшаются [Горбацевич и др., 1991], что приводит к увеличению расхождения между данными лабораторных исследований, АК и ВСП (рис. 1.2). Пористость, напротив, увеличивается (рис. 1.2). Не вполне ясно, в какой мере эти результаты действительно отражают изменение петрофизических свойств по-

род разреза скважины, а в какой - влияние техногенной трещиноватости. возникающей при выбуривании кернов сверхглубоких скважин из массива породы, его охлаждении и декомпрессии при подъеме на поверхность. В ходе исследований керна скважины КТБ [Wolter и Berckhemer. 1989] установлено, что в течение нескольких суток после подъема на поверхность образцы самопроизвольно расширялись. Зафиксированные при этом сигналы акустической эмиссии свидетельствуют, что происходило образование микротрещин.

СГ-3. 8.9 км

Рис. 1.3. а - дискование керна С1 -3; б - пористость и проницаемость и образцах ич С1 -3 и КТБ и зависимости от расстояния от оси керна; и - образец ич CI -3, дня которош иредсчавлены данные измерений пористости и проницаемости - глубина 8933 м, отобран ич интерната, пройденного шшачнмм иясфуменшм.

Керн СГ-3 испытывал дискование (рис. 1.3 а), интенсивность которого увеличивалась с глубиной. Показательно, что наиболее сильное дискование и минимальный выход керна характерен для интервалов, где скважина пересекает зоны пониженных скоростей [Лобанов, Казанский и Шаров, 2007]. Результаты теоретического и экспериментального моделирования показывают, что на дискование керна влияют многие факторы: напряжения в массиве на забое скважины, физико-механические своГ/ства и анизотропия пород и др. [Obert и Stefenson. 1966; Забигайло и Белый, 1981: Петухов и Запрягаев. 1972; Грабчак и Макаров. 1978; Bark-ovskii и Isaev, 1979; Lehnhoff, Stefansson и Wintczak, 1982; Горбацевич и Медведев. ¡986; Dyke, 1989; Haimson и Lee, 1994; 1995; Li и Schmitt, 1998 и др.]. В нижней части ствола СГ-3 процесс деструкции керна активизируется также в результате воздействия бурового раствора, приводящего к адсорбционному понижению прочности межзерновых контактов (эффект Ребиндера) [Абдрахимов и др., 1992]. В ряду факторов, приводящих к дискованию, и технологические: диаметр керна, тип и размер инструмента, скорость бурения, нагрузка на буро-

вой инструмент и др. Часть ствола скважины пройдена шарошечным долотом, а часть - алмазным инструментом. Поэтому одну или несколько основных причин дискования керна СГ-3 выделить весьма трудно.

Однако и монолитные столбики керна (рис. 1.3 в) не свободны от наложенной трещино-ватости, плотность которой возрастает от его оси к боковой поверхности, приводя к увеличению пористости в несколько раз, а проницаемости - на порядок (рис. 1.3 б). В настоящее время получили распространение методики, которые, чтобы улучшить репрезентативность образцов, предусматривают использование для петрофизических исследований кернов целиком. Следует отметить, что в этом случае при исследовании керна из глубоких скважин в стандартных условиях возможно возникновение существенных ошибок. С тем, чтобы избежать этих ошибок, образцы для петрофизических исследований необходимо изготавливать из осевой части керна, наименьшим образом подверженной влиянию наложенных микротрещин. Другой путь минимизации техногенных возмущений - проведение измерений при высоких температурах и давлениях.

Такой подход дает возможность изучать физические свойства образцов как в РГ-условиях сверхглубоких скважин, так и в РГ-условиях более глубоких зон земной коры in situ. Начало систематическому изучению физических свойств горных пород, в первую очередь скоростей упругих волн при высоких температурах и давлениях, было положено в 50-е годы прошлого века организацией в Геофизическом институте АН СССР Лаборатории высоких давлений. М.П. Воларовичем и сотрудниками лаборатории: Е.И. Баюк, Г.А. Ефимовой, А.И. Левыки-ным, В.А. Калининым, СМ. Киреенковой, И.С. Томашевской и др. получены уникальные данные о скоростях упругих волн как в отдельных минералах, так в и горных породах при высоких ^'/'-параметрах [Воларович и Балашов; 1957; Воларович и Стаховская, 1958; Физические свойства..., 1962, 1971, 1978; Тектонофизика..., 1971; Воларович и Левьгкин, 1965; Воларович и др., 1974; Воларович, Баюк и Ефимова, 1975; Баюк и Тедеев, 1978; Воларович, Томашевская и Будников, 1979; Баюк, Воларович и Левитова, 1982; Процессы..., 1981; Калинин и Баюк, 1987; Физика..., 1990 и др.]. Эксперименты по определению упругих свойств горных пород при высоких ГТ проводились также в Институте геофизики АН УССР Т.С. Лебедевым и его коллегами [Лебедев Т.С., 1975,1985; Исследования..., 1977; Справочник..., 1978; Лебедев Т.С.. и др., 1986; Физические..., 1987 и др.] и в ГЕОХИ группой Е.Б. Лебедева [Лебедев Е.Б. и др., 1989, 1995, 1999; Lebedev Е.В., Dorfman и Zebrin, 1991 и др.]. За пределами нашей страны исследования упругих свойств при высоких РТ были начаты Берчем в 60-е годы прошлого века [Birch, 1960, 1961]. Позднее эти работы проводились многими исследователями [Green, 1970; Christensen и Ramamanantoandro, 1971; Christensen, 1965, 1974, 1989; Burkhardt, Keller и Somtner, 1982; Kern, 1982, 1983; Ito и Tatsumi, 1995; Lebedev E.B. и

др., 1996; Kern, Liu, и Popp, 1997; Lebedev и Kern, 1999; Aizawa, Ito, и Tatsumi, 2001; Pros и др., 2003; Reuschle и др., 2003; Wang и др., 2005; Scheu и др., 2006 и др.].

Изучением проницаемости кристаллических пород занимался не столь широкий круг экспериментаторов. Обзор основных работ приведен в III главе. Это вызвано тем, что измерения малых величин проницаемости, которые характерны для таких пород, сложны даже при комнатной температуре и атмосферном давлении. Однако, как уже упоминалось выше, важно получить оценки современной проницаемости пород при Р'/'-парамстрах глубинных зон in situ, а в связи с решением проблем формирования континентальной коры, генезиса крупнейших урановых и золоторудных месторождений, необходимо оценить и палеопроницаемость при РГ-парамезрах, характерных для метаморфизма и рудообразования. Дм решения важнейшей задачи радиогеоэкологии: подземного захоронения высокорадиоактивных отходов необходимы данные о проницаемости вмещающих пород и долгосрочный прогноз изменения параметра.

Целью данной работы являлось установить закономерности изменения проницаемости, скоростей упругих волн и анизотропии этих параметров при высоких температурах и давлениях, выявить общие причины и механизмы изменений этих физических свойств, связанные с изменениями микроструктуры, и таким образом выявить связи между фильтрационными и упругими свойствами кристаллических пород.

Такая постановка задачи определила специфику экспериментальных исследований, которые выполнялись в комплексе с микроструктурными.

С тем, чтобы выявить влияние микротрещиноватости и преимущественных ориентировок породообразующих минералов на упругие свойства пород Кольской сверхглубокой скважины при высоких РТ, были проведены измерения Vp, Vs, анизотропии скоростей продольных волн, а также расщепления поперечных. Эксперименты проводились на текстурно-ориентированных образцах при высоких эффективных давлениях, характерных для условий верхней части континентальной коры. Для интерпретации полученных результатов использовались результаты оптических и микрозондовых исследований. При корреляции данных лабораторных и геофизических методов были использованы также результаты модельных расчетов, для которых функции распределения ориентировок минералов (ФРО) были определены оптическим и нейтронно-диффракционным методами.

Условиям более глубоких горизонтов континентальной коры отвечают высокие температуры и низкие эффективные давления. С тем, чтобы установить, как присутствие флюидов влияет на упругие свойства пород в таких условиях, были проведены экспериментальные исследования скоростей продольных волн при высоких РТ в сухих и водонасыщенных образцах амфиболитов и сланцев при низких эффективных давлениях. В исходных и специально

изготовленных закалочных образцах были проведены химический, минералогический и мик-розондовый анализы, исследования под оптическим и электронным микроскопом, измерения пористости, проницаемости и распределений пор по размерам.

Как упоминалось выше, данные о проницаемости кристаллических пород не столь многочисленны. Поэтому одной из задач исследований являлось установление основных закономерностей изменений параметра при высоких РТ, а для экспериментов были использованы образцы основных типов пород континентальной коры, включая наиболее древние из сверхглубоких скважин СГ-3 и КТБ. С тем, чтобы получить данные о проницаемости пород глубинных зон земной коры in situ, их палеопроницаемости при метаморфизме и рудообразова-нии, а также прогнозировать изменение свойств пород ближней зоны могильника BAO, экспериментальные исследования проводили в широком диапазоне РГ-параметроп

С целью установить, как изменения микроструктуры и характера микротрещиноватости при высоких температурах и давлениях влияют на проницаемость пород, были предприняты исследования под сканирующим электронным микроскопом в специально разработанной экспериментальной ячейке, которая позволяет проводить наблюдения поверхности образца при нагревании до 600 "С и нагружении до 100 МПа. Параметры микротрещиноватости, полученные под сканирующим электронным микроскопом, использовались в качестве входных данных для численного моделирования.

Полученные результаты были использованы для оценки фильтрационных и упругих свойств пород глубинных зон континентальной коры in situ и корреляции данных петрофи-зических и геофизических исследований.

Для решения задач радиогеоэколопги были проведены исследования фильтрационных свойств образцов основных типов пород из участков предполагаемого подземного захоронения BAO в районе ПО Маяк и Красноярского ГХК.

II МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ, УПРУГИХ СВОЙСТВ И МИКРОСТРУКТУРЫ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ Методика и аппаратура на основе стационарном метода измерения проницаемости Для лабораторных исследований проницаемости, как правило, используются образцы цилиндрической формы. Боковые стенки образца герметизируются, а к входному сечению поступает флюид (газ или жидкость) с постоянным (стационарный метод) или переменным давлением (нестационарный метод и метод осциллирующего порового давления). За счет возникающего градиента давления происходит фильтрация через образец, и флюид поступает в выходной резервуар. При проведении измерений стационарным методом давления флюида у входного и выходного сечений (/w) поддерживают постоянными и отличны-

ми друг от друга (р,„>рот)- В предположении, что скорость фильтрации во всем образце постоянна, значение проницаемости определяется по закону Дарси. С тем, чтобы избежать нежелательных изменений образцов вследствие взаимодействия вода-порода, особенно интенсивных при высоких температурах, и ускорить процесс измерений, в качестве фильтрующегося флюида используют инертный газ, как правило, аргон. В этом случае необходимо учитывать, что, если диаметр пор становится сравнимым или меньшим средней длины свободного пробега молекул газа, происходит его проскальзывание вдоль стенки порового канала [КПпкепЬе^, 1941]. Поэтому проницаемость по газу (к) меняется в зависимости от давления газа. Однако, зная величину к, молено определить проницаемость образца по воде {к„). Для этого необходимо произвести серию измерений к при различных средних давлениях газа и, экстраполировав полученную зависимость к = /(1/р) до /(1/р) = 0, найти искомую величину к„ [Пэк, 1968; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002 и др.]. Большая часть результатов измерений при высоких РТ, приведенных в данной работе, а также в [Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002], получено с применением такой методики. Исследования проводились в ИЭМ РАН, на экспериментальной установке, разработанной В.М. Шмоновым [Шмонов и Чернышев, 1982], позволяющей производить измерения при температуре до 600 °С и гидростатическом давлении до 200 МПа. Опыты проводились по единой схеме [Жариков н др., 1990]. Сначала определялась проницаемость породы при комнатной температуре и давлении 30 МПа, затем делался ряд замеров при той же температуре и постоянном повышении давления с шагом 20 - 30 МПа вплоть до 150 МПа. После завершения цикла давление снижалось до первоначального значения, устанавливалась более высокая температура и проводилась новая серия измерений с тем же шагом по давлению. Шаг по температуре составлял 100 "С. Таким образом, экспериментальный цикл для каждого образца включал до 42 определений при различных РТ, что позволило впервые получить большой объем данных о проницаемости различных типов пород в широком диапазоне температур и давлений. Однако опыт применения стационарного метода показал его недостаточную эффективность. Для того, чтобы получить каждое значение проницаемости образца по воде с учетом эффекта Клинкенберга, приходилось проводить целую серию измерений газовой проницаемости, каждое из которых весьма длительно, трудоемко и может содержать ошибку за счет неточного измерения объема профильтровавшегося газа.

Новые методы и аппаратура для измерений проницаемости и ее анизотропии Совместно с В.И. Мальковским разработана модификация нестационарного метода определения проницаемости образцов, которая позволяет проводить высокоточные измерения в диапазоне 10"22 - 10"15 м2 при нормальных и высоких Р7'-параметрах. [Жариков и др., 2004; Мальковский, Жариков и Шмонов, 2009]. Теоретические основы методики получены при

рассмотрении одномерной нестационарной модели фильтрации аргона через образец цилиндрической формы. Эксперимент проводится следующим образом. Входное сечение образца соединяется с газовой камерой малого объема. В отличие от традиционной реализации нестационарного метода [Brace и др., 1968.]. выходное сечение образца открыто в атмосферу (рис. 2.1 а). В начальный момент времени при скачкообразном повышении давления во входную камеру подается некоторое количество газа. Затем в результате фильтрации через образец давление газа в камере уменьшается, причем скорость уменьшения давления зависит от проницаемости образца. Величина проницаемости определяется путем сопоставления экспериментальных данных о давлении во входном резервуаре (Pm(t)) с данными, полученными при помощи аналитического и численного решений уравнения фильтрации с учетом пористости породы и изменения свойств фильтрующегося флюида в зависимости от температуры и давления (рис. 2.1 б). Преимущества нового метода заключаются в том, что он дает возможность по данным единственного опыта определять и значение проницаемости образца, и константы Клинкенберга, характеризующей поровое пространство породы, увеличена точность измерений, уменьшена их трудоемкость, упрощена регистрация параметров.

входной резервуар

образец атмосфера

А экспериментальные данные результаты численного решения

V.pjt)

Рис. 2.1. Схема измерений (и) И резу.шгаты определения проницаемости (6) модифицированным нестацио парным методом.

Разработан новый метод для определения проницаемости анизотропных пород со слоистой текстурой - метод итенешш формы потока [Мальковский, Жариков и Шмонов, 2009]. фильтрация через цилиндрический образец, ось которого перпендикулярна слоистости, а основания служат входным и выходным сечениями производится в двух режимах. В первом режиме (рис. 2.2) флюид вводится в образец лишь через круглое отверстие малого радиуса Гц на его оси (остальная часть входного сечения является непроницаемой для флюида). Во втором режиме (рис. 2.2) флюид вводится не только через то же отверстие, но и через тонкую кольцевую область на периферии входного сечения. Влияние анизотропии проницаемости на поток флюида в этих случаях будет различным. Поэтому, сопоставляя характеристики течения, измеренные в двух режимах, в ходе единственного опыта можно определить две главные компоненты тензора проницаемости:

соответствующую и перпендикулярную плоскости слоистости или сланцеватости (рис. 2.3). Результаты рассмотрения модели фильтрации через слоистый образец позволили разработать теоретические основы метода. Проведен расчет соотношения размеров образца, обеспечивающего необходимую точность измерения проницаемости вдоль и поперек слоистости. Выполнен расчет методических ошибок, связанных с условиями втекания и вытекания газа из образца.

Разработаны конкретные рекомендации для подготовки образцов к экспериментальным исследованиям. Выполнены расчеты необходимой температуры и длительности сушки образцов с учетом реальных свойств водяного пара и эффектов Пойнтинга и Клинкенберга.

Совместно с В.М. Шмоновым в ИЭМ РАН были разработаны аппаратура и программное обеспечение, необходимые для реализации новых методик. Было проведено тестирование на образцах различных типов пород, с различными фильтрационно-емкостными свойствами. Проведена также верификация методов путем сопоставления значений проницаемости и параметра анизотропии с величинами, полученными на тех же образцах при помощи традиционных методик, которая показала удовлетворительное соответствие. Разработанный комплекс методик, аппаратных и программных средств внедрен и успешно используется для решения экологических задач: исследований вмещающих пород могильников В АО.

Для исследования влияния воздействия колебании сейсмических частот на проницаемость горных пород была использована установка, разработанная В.М. Шмоновым в ИЭМ РАН, которая позволяет моделировать сейсмическое воздействие путем циклического изменения осевого или обжимающего давлений с заданными амплитудами и частотами ¡^Нпюпоу, УНоу1оуа и 211апкоу, 1999; Шмонов, Витовтова и Жариков 2002, 2004].

Сложность интерпретации результатов экспериментальных определений проницаемости при высоких температурах и давлениях стимулировала развитие работ по наблюдению за поведением образцов т вИи. Для исследований были использованы разработанные В.М. Шмоновым

О 20000 40000 Б0000 80000

Г. С

Рис. 2.3. Результаты измерения анизо-грошш проницаемости образца дацита, 1- режим 1.2- режим 2.

режим 1 режим 2

Рис. 2.2. Схема измерений методом изменения формы потока

в ИЭМ РАН экспериментальные ячейки для исследования структуры по)юд под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) при высоких температурах и давлениях [Shmonov и др., 1990; Жариков, Витовтова и Шмонов, 1990; Vitovtova и др., 2003].

Методика и аппаратура для измерений скоростей упругих коли сухих образное, при высоком эффективном давлении Основной задачей экспериментов являлось исследование скоростей упругих волн и анизотропии скоростей при высоких температурах и давлениях, отвечающих условиям глубинных зон земной коры in situ. Эта задача определила конструкцию экспериментальной установки, созданной в Петрофизической лаборатории Университета г. Киль [Кет, 1982]. Три пары датчиков продольных и поперечных волн двух поляризаций позволяют получить данные о скоростях Р и 5-волн и упругой анизотропии в кубическом образце размером 43 мм при высоких РТ. Квазигидростатическое давление до 800 МПа создается тремя парами взаимно ортогональных пуансонов, которые одновременно являются звукопроводами. В поршнях находятся устройства, которые позволяют нагревать образец до 800 "С. Для измерений Vp и V, используется импульсный метод. Продольные и поперечные волны частотой 2.0 и 1.0 МГц, соответственно, генерируются датчиками из цирконат-титаната свинца, которые выведены из зоны высоких температур. Точность измерения скоростей составляет 1 %.

Скорости продольных и двух поперечных волн измерялись одновременно в трех взаимно ортогональных направлениях [Kern и др., 2001]. Сначала измерения скоростей проводились при комнатной температуре в условиях, когда давление последовательно увеличивалось с шагом 50 МПа до 600 МПа. Затем при постоянном давлении увеличивалась температура до 600 "С с шагом ~ 80"С. С тем, чтобы гарантировать, что достигнуто равновесное состояние образца, при каждых заданных РТ снимались повторные отсчеты.

Методика и аппа/штура для измерения скоростей упругих воли в условиях насьпцения водными флюидешн и низкого эффективного даюенин Целью экспериментов являлось исследование влияния изменений микроструктуры, инициированных присутствием водных флюидов, в условиях высокой температуры и низких эффективных давлений на упругие и фильтрационные свойства пород. Поэтому эксперименты состояли из двух частей: измерений скоростей упругих волн при высоких РТ и сравнительных исследования состава, микроструктуры и физических свойств исходных и закалочных образцов. Эксперименты были выполнены в ГЕОХИ РАН в газовом аппарате с внутренним нагревом, создающем гидростатическое давление до 500 МПа и температуру до 1200 "С, разработанном Е.Б. Лебедевым и Н.И. Хитаровым [Лебедев и Хитаров, 1979]. Образец вместе со звукопроводами помещается в платиновый цилиндрический реактор, внутреннее пространство которого заполняется водой или водным флюидом заданного

состава. При помощи ртутного затвора в опытах с водными флюидами внутренняя полость реакционной камеры отделяется от передающего давление газа (нота), а внешнее и внутреннее давления уравниваются. В "сухих" опытах это устройство остается открытым для свободного прохода газа. Таким образом, в обоих случаях опыты проводятся в условиях равенства обжимающего и порового давлений (300 МПа). При каждой температуре измерениям предшествовала выдержка от 15 мин. до 1 ч. Измерения Vp осуществлялись импульсным или эхо-импульсным методом при помощи датчиков из цирконат-титаната свинца с частотой 2.5 МГц, выведенных из горячей зоны. Точность измерения температуры составляла ±5 "С, давления — 1 % и скоростей упругих волн - 5%.

Температуры закалки соответствовали температурам характерных точек трендов скоростей продольных волн. Образец, сухой или насыщенный флюидом заданного состава, нагревался до заданной температуры, при которой выдержтался 3 или 24 ч. Затем в течение 2-3 мин. происходило быстрое охлаждение - «закалка».

Ш ПРОНИЦАЕМОСТЬ И МИКРОСТРУКТУРА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ

Данные о влиянии обжимающего давления на проницаемость кристаллических пород достаточно многочисленны: [Fatt и Davis, 1952; Brace, Orange, и Madden, 1965; Brace, Walsh и Frangos 1968; Николаенко и Индутный, 1978; Белевцев, 1979; Витовтова и Шмонов, 1982, Bernabe, 1986, 1987; David и др., 1994; Huenges и Will, 1989; Nover и др., 1993, Heikamp и Nover, 2003; Morrow, Lockner и Rockel, 1993; Christensen и Ramantoandro, 1988 и др.]. Изотропное нагружение приводит к уменьшению проницаемости. Отмечаются как плавные тренды, так и осложненные резкими, пороговыми переходами. Результаты исследований в условиях трехосного сжатия представлены в [Zoback и Byerlee, 1975 а, б; Stormont и Daemen, 1992; Evans, Forster и Goddard, 1997; Keaney, Meredith и Murrel, 1998; Heiland и Raab, 2001; Popp и Kern, 2000; Schulze, Popp и Kern, 2001; Heiland, 2003; Oda, Takemura и Aoki, 2002; Uehara и Shimamoto 2004 и др.]. При малых величинах дифференциальных напряжений также происходит уменьшение проницаемости. При дальнейшем увеличении осевой нагрузки происходит увеличение проницаемости выше первоначальных величин вследствие образования дилатансионных микротрещин.

Измерение проницаемости при одновременном воздействии высоких температур и давлений технически много сложнее, поэтому таких данных значительно меньше. В ходе исследований проницаемости с фильтрацией воды при температурах 100 - 400 "С, и давлениях 0.1 - 50 МПа [Summers, Winkler и Byerlee, 1978; Trimmer, Bonner и Duba, 1980; Moore, Morrow и Byerlee, 1983; Morrow и др., 1981, 1984; Kranz, Boon и Bird, 1984] получены сложные тренды.

При нагревании проницаемость сначала возрастала, а затем вследствие кольматации пор, происходившей в результате минеральных реакций, снижалась.

Наиболее обширные экспериментальные данные о проницаемости кристаллических пород при высоких /Т-параметрах получены тематической группой В.М. Шмонова в ИЭМ РАН. В исследованиях этой группы активно участвовал автор. [Витовтова и Шмонов 1982; Жариков и др., 1987; Витовтова, Фомичев и Шмонов, 1988; Шебеста, Витовтова и Шмонов, 1988; Аксюк, Витовтова и Шмонов, 1991; Shmonov и Vitovtova, 1992; Zharikov и др., 1993; Shmonov, Vitovtova и Zarubina 1995; Shmonov, Vitovtova и Zharikov, 1995; Zharikov, Vitovtova и Shmonov, 1995 a,6; Shmonov, Vitovtova и Zharikov, 1999; Шмонов, 2000; Шмонов и др., 2000; Жариков, Витовтова и Шмонов, 2000; Zharikov и др., 2000; Zharikov и др., 2001; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002; Zharikov,Vitovtova и Shmonov, 2002; Жариков и др., 2003; Zharikov и др., 2003; Zharikov, Shmonov и Vitovtova, 2005; Жариков, Шмонов и Витовтова, 2005; Zharikov и др. 2005; Жариков, Шмонов и Керн, 2007 и др.]. Подробное описание экспериментальной аппаратуры и методики приведено во 11 главе и в [Жариков и др., 1990; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002]. С тем, чтобы исключить химическое взаимодействие флюид-порода, для фильтрации использовался аргон. Значения проницаемости определялись стационарным методом с учетом поправки Клинкенберга. Опыты проводились при температурах 20 - 600 "С и эффективных давлениях 30 - 150 МПа. Этот интервал температур и давлений отвечает как условиям глубинных зон земной коры in situ, так и fT-параметрам метаморфизма и гидротермальных процессов, а также условиям ближней зоны могильников BAO. Для экспериментов были использованы образцы плотных, низкопористых (0.05 - 10 %) пород: гранитов, гранодиоритов, диоритов, базальтов, амфиболитов, гнейсов, серпентинитов, мраморов, скарнов, известняков, алевролитов, доломитов, песчаников (всего ~ 50 образцов).

Таким образом, впервые был получен объем экспериментальных данных о проницаемости кристаллических пород различных литологиче-ских типов, достаточный, чтобы выявить основные закономерности изменений параметра при высоких РТ.

Увеличение эффективного давления при постоянной температуре приводит к уменьшению проницаемости (рис. 3.1), что согласуется с Р^МПа) данными других исследователем.

Рпс. 3.1. Зависимости проницаемости от явления.

T=const.

k(M') 1E-01S -я

1Е-017

1E-01S-;

1E-019-Í

1Е-020 -

1Е-021

1Е-022-

1Е-023-

Диорит Обр. C-Z625

200 300 400 500

—I— 100

—I 150

Увеличение температуры при постоянном эффективном давлении приводит либо к монотонному увеличению или уменьшению проницаемости, либо к появлению инверсий на температурных трендах: проницаемость уменьшается, достигает минимального значения, затем увеличивается (рис. 3.2). Следует отметить, что тренды проницаемости часто осложнены резкими, пороговыми переходами.

к(м2)

1Е-016-,

1Е-017-,

1Е-018 -|

1Е-019

1 Е-020

1Е-021

1Е-022-.

1Е-023

Мрамор Обр.1

50 МРа 100 МРа 150 МРа

I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 100 200 300 400 500 600

Т(оС)

к(м2)

1Е-016 1Е-017 1Е-018 1Е-019 1Е-020 1Е-021 1Е-022 -. 1Е-023

к(м2)

1Е-016-,

1Е-017 -i 1Е-018 1Е-019 1 Е-020 1Е-021 1Е-022 1Е-023

Гранит Обр.2

I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 100 200 300 400 500 600

Т(ОС)

к(м2)

1 Е-016 ■

1Е-017 ■ 1Е-018 ■ 1Е-019 ■ 1 Е-020-1Е-021 "i 1Е-022 -i 1Е-023

—1—г—1—Г-1—I 1 I 1—I 100 200 300 400 60 0 600

Т(0С)

Амфиболит Обр.43639

30 - 80 МПа 100- 150 МПа

I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 100 200 300 400 SOO 600

Т(ОС)

Рпс. 3.2. Температурные зависимоети проницаемости.

Монотонное увеличение проницаемости отмечалось, как правило, при низких эффективных давлениях, в то время как монотонное уменьшение проницаемости и инверсии на температурных трендах наблюдались во всем диапазоне давлений. Причем, часто отмечалась следующая закономерность: при низких и средних величинах эффективных давлений на температурных трендах проницаемости наблюдались инверсии, а при высоких - монотонное уменьшение. Следовательно, температура и эффективное давление оказывают конкурирующее воздействие на проницаемость пород. Такие закономерности изменения проницаемости

отмечалось у образцов кристаллических пород различного литологического типа, следовательно, они не связаны с составом пород.

В ходе микроскопических исследований установлено, что в рассматриваемых породах первичная пористость мало развита, не претерпевает существенных изменений в результате /Т-воздействий и, очевидно, не оказывает существенного влияния на фильтрационные свойства. Пористость представлена микротрещинной компонентой, причем характер микротрещиноватости, интенсивно изменяется под действием высоких температур и давлений. По данным численного моделирования эти изменения коррелируют с изменениями проницаемости образцов при высоких РТ. Как правило, в образцах выделяется одна или несколько систем микротрещин, раскрытия и коэффициенты формы которых распределены по нормальному или логнормальному законам. Причем, поведение микротрещин различной геометрии при нагревании отличается. Микротрещины, с низким коэффициентом формы оказываются неустойчивыми и закрываются, несмотря на нагревание (рис. 3.3 а). Эти результаты подтверждаются теоретическими оценками [Добрынин, 1970]. Наблюдения под СЭМ показывают, что микротрещины не смыкаются полностью, а оказываются разбитыми на фрагменты меньшей длины. Этого достаточно, чтобы микротрешины перестали быть флюидопроводящими. Аналогичным образом выключение всего нескольких микротрещин из единого проводящего кластера может приводить к резкому, пороговому уменьшению проницаемости пород.

В то же время, микротрещины с высоким коэффициентом формы, локализованные, как правило, на границах минеральных зерен открываются при нагревании (рис. 3.3 б). Этот процесс, вызванный неравномерным термическим расширением различных минералов, слагающих горную породу, - терморазуплотнение открыт и детально изучен Г.П. Зарайским и его коллегами [Зарайский и Балашов, 1978, 1981; Балашов и Зарайский, 1984; гагауз1су и Ва1а5ИоУ, 1995, Зарайский, 2007 и др.]. Когда такие микротрещины объединяются в единый флюидопроводя-щий кластер, происходит резкое увеличение проницаемости пород рЬагйсоу и др., 2003].

Результаты анализа сеточной модели [Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002] показывают, что изменение проницаемости в зависимости от доли высокопроводящих элементов носит более или менее ярко выраженный пороговый характер. Таким образом, даже незначительное изменение плотности микротрещин, их раскрытий или длины может привести к резкому возрастанию или уменьшению проницаемости породы. Этим объясняется пороговый характер полученных экспериментальных зависимостей проницаемости. Таким образом, поведение проницаемости плотных, низкопористых кристаллических пород при высоких РТ определяется изменениями их микроструктуры:

характера микротрещиноватости вследствие конкурирующих воздействий температуры и давлеши.

Микротрещины с низким коэффициентом формы закрываются при нагревании, что приводит к снижению проницаемости. Микротрещины с высоким коэффициентом формы, напротив, открываются, вызывая увеличение проницаемости. Эти процессы могут происходить одновременно, и тогда на температурных трендах проницаемости появляются инверсии (рис.

3.3,3.4).

500 (im

P=const

Plie. 3.3. Данные СУ).VI Амфжхщш 43639, Кольская сверхглубокая скважина, i - микротрещшш с ни.чким коэффициентом формы закрываются при на!ревании: Т= IÛ0 C, средняя апертура - 2.5 мкм. Г=300''С. средняя апертура - 1.3 мкм. Р=const=B0 МПа. - микро'1 решяйы с высоким коэффициентом формы открываются, /'-con.st-80 МТТа

Высокий коэфф. форр/ы

а - . _ р. _ с]

Низкий коэфф. формы О 200 400 600 800 1000

Т(°С)

Рис. 3.4. Результаты численного моделирования микротрещиной проницаемости.

IV ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА ПОРОД РАЗРЕЗА КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИН

Кольская сверхглубокая скважина пробурена в ядре синформной структуры (рис. 1.1). Архейские породы кольской серии, которые обнажаются на поверхности, свободны от техногенной трещиноватости и поэтому являются наиболее представительным материалом для исследования петрофизических свойств. В отличие от моноклинально залегающих протерозойских пород, архейский фундамент имеет складчато-блоковое строение, поэтому корреляция пород кольской серии в разрезе СГ-3 и на поверхности представляла собой сложную задачу, которая решена тематической группой ИГЕМ РАН во главе с В.И. Казанским [Лобанов и др., 2002]. Критериями выбора аналогов типичных пород архейского разреза СГ-3: (гнейсов, амфиболитов и мигматитов) являлись: одинаковый минеральный состав и состав главных породообразующих минералов, принадлежность к амфиболитовой фации метаморфизма и отсутствие регрессивных изменений. Образцы керна СГ-3 были отобраны с глубин 9-11 км из участков ствола, пройденных с помощью алмазного инструмента. Из осевых частей этих кернов были изготовлены образцы для петрофизических исследований. Образцы пород аналогов с поверхности были отобраны в 45 км к северо-востоку от скважины, на склоне хребта Мустатунтури. Таким образом, была подготовлена коллекция представительных образцов архейских пород из Кольской сверхглубокой скважины и их аналогов с поверхности. Эти образцы были использованы для исследований упругих и фильтрационных свойств, результаты которых представлены ниже, а также в VI главе.

Для образцов из скважины и с поверхности характерны близкие средние значения минеральной плотности, что также свидетельствует о близости минерального состава пород. В то же время другие физические свойства существенно отличаются. Пористость образцов керна в несколько раз выше (рис. 1.2), проницаемость - на порядок выше. Коэффициент объемной анизотропии продольных волн в образцах керна выше, а скорости продольных волн, напротив, ниже. Эти расхождения, вызванные влиянием наложенных микротрещин, показывают, что физические свойства образцов керна сверхглубоких скважин, определенные в стандартных условиях, могут быть весьма далеки от их величин т 5/7и. Следовательно, петрофизиче-ские исследования необходимо проводить при высоких РТ, соответствующих условиям глубоких горизонтов скважины. Зависимости скоростей продольных волн от давления и упругую анизотропию образцов керна СГ-3 систематически изучали Н.Е. Гаддин, Ф.Ф. Горбаце-вич, а также сотрудники Лаборатории высоких давлений ИФЗ [Кольская сверхглубокая, 1984; Галдин и др., 1985; Воларович и др., 1991; Горбацевич и др., 1991; Калинин, Ефимова и Наумова, 1995; Галдин, Лизинский и Горбацевич, 1997; Кольская..., 1998]. В [Буртный и др.,

1991] приведены результаты измерений Vp и Vs при одновременном воздействии высоких давлений и температур.

Наиболее полный набор упругих характеристик пород при высоких РГ-параметрах впервые был получен в Петрофизическон лаборатории Университета г. Киль (Германия). На образцах керна и аналогов с поверхности, критерии и методы отбора которых изложены выше, измерены скорости и анизотропия скоростей продольных, а также скорости и расщепление поперечных волн [Kern и др., 2001; Жариков, Шмонов и Керн, 2007; Жариков, Лобанов и Керн, 2007; Zharikov, Kern и Shmonov, 2008]. Эксперименты проводились на cyxirx кубических образцах. Система координат при измерениях привязана к текстуре пород: ось [Z] перпендикулярна сланцеватости, [У] перпендикулярна линейности в плоскости сланцеватости, [Х\ - параллельна линейности. Экспериментальная установка позволяет одновременно измерять продольные и ортогонально поляризованные поперечные волны (57, S2) вдоль трех взаимно перпендикулярных осей X, Y, и Z. Датчики поперечных волн были ориентированы тагам образом, чтобы движение частиц S1 и S2 волн было параллельно и перпендикулярно сланцеватости и линейности. Подробное описание экспериментальной аппаратуры и методики приведено во 11 главе настоящей работы и в [Kern и др., 2001]. Эксперименты проводились при увеличении давления до 600 МПа при комнатной температуре и при увеличении температуры до 600 "С при постоянном давлении 600 МПа. Каждая серия измерений включала в себя 3 определения Vp, 6 - V„ а также определение объемной деформации.

Установлено, что скорости упругих волн зависят от минерального состава пород: Ур и Vsb амфиболитах выше, чем в гнейсах.

Vp(km/c) Vq(km/c) 7.0 -i ____7.0 -i

I 1 I 100 200

300

-г-

400

^ 1—I 500 600 Р (МПа)

-Г"

300

600 Т(°С)

Рис. 4.1. Зависимость скоростей продольных во.ш образцов ьтрна и с шшср\ш»с I и от ;ц1нления (а) ичсмперапры (о). Другим фактором, влияющим на величины скоростей упругих волн, является микротре-

щиноватость. Увеличение давления приводит к увеличению скоростей упругих волн рис. 4.1 а. Эти результаты согласуются с данными других исследований, упомянутых выше. Гене-

ральная тенденция поведения Vp и V5y кернов и поверхностных образцов обшая: скорости сначала возрастают нелинейно, по достижении давления около 200 МПа их рост замедляется, и зависимость становиться линейной. Однако начальные значения скоростей упругих волн у образцов керна значительно ниже, а градиент увеличения скоростей при давлениях <200 МПа, напротив, выше. При дальнейшем увеличении давления тренды скоростей упругих волн образцов из скважины и с поверхности сближаются.

Четкая корреляция между наклоном трендов скоростей упругих волн и объемной деформации от давления свидетельствует, что нелинейное возрастание Vp и (' вызвано закрытием микротрещин. За счет наложенных мнкротрещин плотность микротрещиноватости в исходных образцах керна значительно выше, чем в образцах с поверхности, поэтому скорости упругих волн в них увеличиваются быстрее.

Зависимости Ур от температуры представлены на рис. 4.1. б. Увеличение температуры приводит к медленному линейному уменьшению Vp и Vs. Очевидно, что принятая величина обжимающего давления (600 МПа) достаточно велика, чтобы избежать терморазуплотнения пород. Линейные участки зависимостей от давления (300 - 600 МПа) и температуры (20 -500°С) были использованы для экстраполяции полученных данных до РГ-условий нижней части разреза СГ-3 in situ.

Одновременное измерение Vp в трех взаимно перпендикулярных направлениях позволило определить коэффициенты анизотропии скоростей продольных волн AVP [Birch, 1961]. Зависимости коэффициента анизотропии от давления для образцов керна и с поверхности (рис. 4.2) имеют одинаковый вид и находится в обратной корреляции с зависимостями Vp: AVP снижается во всем диапазоне давлений. Сначала уменьшение параметра происходит нелинейно. Причем, как и в случае с зависимостями Vp, более резкое изменение наблюдается у образцов керна. При давлениях более 200 МПа коэффициент анизотропии уменьшается очень слабо, практически достигая асимптотических значений.

Сопоставление результатов экспериментальных, микроструктурных исследований н модельных расчетов показывает, что анизотропия продольных волн определяется влиянием микротрещин и ориентировки породообразующих минералов. При низких давлениях превалирует влияние микротрещин, которое сильнее сказывается на свойствах образцов керна (рис. 4.1 а, 4.2). При увеличении давления до 200 МПа эти микротрещины закрываются. При максимальных давлениях величина AVp, в основном, определяется преимущественной ориентировкой породообразующих минералов. В этих условиях величины AVp, которые отмечаются в биотитовых гнейсах и амфиболитах, обусловлены упорядоченным расположением минералов-силикатов (биотита, мусковита, хлорита) и роговой обманки (рис. 4.5). Эти результаты согласуются с приведенными в [Баюк, Воларович и Левитова, 1982].

Ыр(%)

О 10 20 30 40 50 60

1.2-,

100

0.8-

200

(км/с)

300

0.4-

400

500

600

Т- ■ Т « I . Т - I ■ т1

Р(МПа)3

П-5 ПП-353 . .31115 Г.

О 100 200 300 400 500 600 Р(МПа)

Рис. 4.2. Зависимости анизотропии скоростей продольных но.1н в образцах керна и с поверхности от давления.

Рис. 4.3. Зависимости расщепления скоростей поперечных нолн в образцах керна и с поверхности от давления.

Упругая анизотропия исследованных пород проявляется также в расщеплении поперечных волн. Одиночная поперечная волна, распространяясь в анизотропной среде, расщепляется на две ортогонально поляризованные поперечные волны, которые движутся с разной скоростью Уз1 и У&2 (Уя1 > Уз2). Наиболее сильно это явление проявляется параллельно осям X и У в плоскости сланцеватости (АТ) в случае быстрой волны (5/), поляризованной параллельно сланцеватости. Перпендикулярно сланцеватости (параллельно двупреломленне практически не наблюдается, т.е. образец ведет себя как квазиизотропный. Увеличение давления приводит к нелинейному изменению значений данного параметра (рис. 4.3). Наибольшие значения расщепления поперечных волн у амфиболитов и гнейсов с большой глубины, обладающих остро выраженной сланцеватой текстурой, наблюдаются при низких давлениях. Это подтверждает факт совместного влияния текстуры породы (ФРО) и текстуры формы (микротрещин) при низких давлениях. Причем, в этом случае микротрещины в исходных образах керна также ориентированы параллельно сланцеватости пород. При максимальных давлениях наибольшие значения расщепления поперечных волн (ЛУ^, так же как и анизотропии продольных, в основном, определяются преимущественной ориентировкой породообразующих минералов. У образцов керна с меньших глубин наблюдается иная зависимость АУ1 от давления: сначала величина параметра, напротив, быстро уменьшается, затем выходит на асимптотическое значение. Очевидно, форма начального участка трендов также определяется влиянием наложенных мгасрогрещин, распространенных в образцах керна. Но в данном случае их ориентировки не совпадают со сланцеватостью пород. Аналогичный эффект отмечен в [Баюк, Воларович и Левитова, 1982]. Наконец, у образцов керна и пород аналогов пе-ченгской серии с поверхности, обладающих более изотропной, массивной текстурой, во всем

диапазоне давлений наблюдаются меньшие значения А Г„ которые практически не изменя-

ются с увеличением давления.

Vp Vs1-Vs2

поляризация Vs1

с[001]

4.03 км/с

поляризация Vs1

Ь ¡010] 781 км/с

а [100] 7.81 км/с с[001] . 7.85 км/с

fît

■ I Ь [010] ^¿jJ 7.16 км/с

а [100] 6.10 км/с

акц 4%

Ш 65л

. Трехмерные распределения упругих свойств амфиболит 36058 (данные численною моделировании). I продольных во.1н, (слева), двулучепреломление (посередине) и ориентировки плоскости поляризации, в которой поперечная волна при расщеплении имеет наибольшую скорость (справа). Биотит (а), роювая обманка (6), состав модельного амфиболита (и). Данные представлены и равноплощадной проекции и текстурно-ориентированной сис теме координат X, У, 7. Сланцеватость (сплошная линия) и линейность направлены справа налево.

Z Z Z

Рис. 4.5. Микроструктура амфиболита 36058, а также ФРО роговой обманки и биотита. Направление сланцеватости и линейности покачано сплошной линией.

Тесная взаимосвязь между скоростями и анизотропией сейсмических волн и текстурой пород (сланцеватостью и линейностью), установленная в ходе экспериментальных и микроструктурных исследований, подтвердилась результатами вычислений скоростей упругих волн по данным о преимущественной ориентировке породообразующих минералов (рис. 4.4, 4.5). Трехмерное распределение скоростей упругих волн вычислялось с использованием уравнения Кристоффеля, учетом упругих модулей монокристаллов, объемной доли каждого минерала, а также функций распределения ориентировок минералов (ФРО) [Kern и др., 2001]. Данные о минеральном составе получены при помощи оптических и микрозондовых исследований, о ФРО - при помощи микроструктурных исследований. На рис. 4.5 приведены результаты расчетов Vp для образца амфиболита. Вычисленные значения хорошо согласуются с полученными в эксперименте при максимальном давлении (600 МПа). Наибольшие значения Vp отмечаются в направлениях, параллельных плоскости сланцеватости (XY), а максимальные в этой плоскости - параллельно линейности (X). Минимальные значения Vp отмечаются перпендикулярно сланцеватости.

Из рис. 4.5 вцдно, что положения максимумов и минимумов Vp на суммарных диаграммах амфиболита и на диаграммах роговой обманки совпадают. Это позволяет сделать вывод, что главный породообразующий минерал в породе определяет и ее упругую анизотропию. Направление максимума \'р плагиоклаза совпадает с направлением минимума \'р роговой обманки, что приводит к понижению суммарной анизотропии продольных волн. Кварц, доля которого невелика, не оказывает существенного влияния на общую картину Vp. Содержание биотита в амфиболитах также невелико. Однако направления максимумов Vp в биотите и роговой обманке совпадают. Поэтому биотит усиливает общую анизотропию породы.

Содержание биотита не является преобладающим и в гнейсах. Однако этот минерал обладает сильной анизотропией упругих свойств и оказывает доминирующее влияние на свойства породы в целом, определяя ее упругую анизотропию. Преобладающие в процентном отношении плагиоклаз и кварц характеризуются низкими коэффициентами анизотропии Vp, что и определяет низкий суммарный коэффициент анизотропии. Направление максимума Vp в гнейсе также совпадает со сланцеватостью и линейностью породы. Направление минимума - перпендикулярно сланцеватости. Эти выводы подтверждены результатами количественного текстурного анализа и моделирования упругих свойств на тех же образцах, выполненными в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ (Дубна) [Лобанов и др., 2002; Никитин и др., 2001; Иванкина и др., 2004].

Важно отметить, что и результаты численного моделирования, и экспериментальные результаты, полученные при максимальных давлениях, отражают свойства породы, лишенной трещин. Расчетные величины скоростей упругих волн и, определенные в эксперименте при

давлении 600 МПа, совпадают практически во всех направлениях. Однако в условиях архейской части разреза СГ-3 in situ давление меньше (~ 200 МПа). При таких давлениях остаются устойчивыми микротрещины с высоким коэффициентом формы: кливаж и границы минеральных зерен [Christensen, 1965; Zharikov и др., 2003]. В данном случае эти микротрещины ориентированы в основном в плоскости сланцеватости и связаны с удлинением кристаллов мусковита и призм роговой обманки. Из рис. 4.5 водно, что полюса микротрещин обоих типов расположены на поясе вокруг оси X (линейности) с максимальной концентрацией перпендикулярно или субперпендикулярно сланцеватости. Параллельно листочкам биотита часто также развиты трещины. Сопоставление расчетных, экспериментальных данных и теоретических оценок [Баюк и Калинин, 1995] показывает, что эти микротрещины также влияют на упругую анизотропию пород. Таким образом, в РГ-условиях архейской части разреза СГ-3 анизотропия скоростей упругих волн определяется аддитивным эффектом преимущественной ориентировки породообразующих минералов: роговой обманки в амфиболитах, биотита в гнейсах и ориентированных микротрещин на границах минеральных зерен.

Скорости упругих волн, полученные в эксперименте при РГ-параметрах архейского разреза скважины, значительно лучше согласуются с геофизическими данными, чем результаты, полученные в стандартных условиях (рис. 1.2). Причем величины Vs - практически совпадают, a Vp, полученные при давлениях in situ, незначительно выше, а при давлении 600 МПа и в численном эксперименте еще несколько выше, чем по данным ВСП (рис. 1.2). Учет угла падения пород кольской серии (~ 35") приводит к снижению Vp на - 0.3 км/с, что уменьшает, но не ликвидирует расхождение. Такие соотношения ¥р и l's характерны для сухих и водонасы-щенных пород [Nur и Simmons, 1969]. Следовательно, либо в породах в естественном залегании более интенсивно развиты флюидонасышенные микротрещины, чем в образцах, исследованных в лаборатории при Р7-параметрах архейского разреза СГ-3, либо таким образом проявляется влияние трещин, которые в силу своего масштаба не могли быть исследованы в образцах. Однако в обоих случаях можно сделать вывод, что гипотеза, согласно которой зоны пониженных скоростей в архейской части разреза СГ-3 связаны с разуплотненными флюидонасыщенными породами, предложенная на основании анализа геофизических данных, подтверждается результатами петрофизических исследований.

V ВЛИЯНИЕ ВОДНОГО ФЛЮИДА НА МИКРОСТРУКТУРУ, УПРУГИЕ И ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных об упругих свойствах отдельных минералов и горных пород при высоких температурах и давлениях (I глава). Однако подавляющее большинство этих результатов получено на сухих образцах.

Эксперименты, результаты которых представлены в данной главе, имели задачу установить, как геохимические преобразования, инициированные присутствием флюидов при высоких температурах, влияют на изменения микроструктуры пород, которые в свою очередь могут приводить к изменениям фильтрационных и упругих свойств. Поэтому опыты при высоких РГ-параметрах проводились как в сухих условиях, так и в условиях насыщения образцов водными флюидами [Лебедев и др., 1991, 1995, 1999; Zharikov и др., 1992, 1993,2000].

Измерения скоростей продольных волн в сухих и водонасыщенных образцах амфиболитов и зеленого сланца при обжимающем и флюидном давлениях 300 МПа и температурах до 850 °С проводились в ГЕОХИ РАН на установке, разработанной Е.Б. Лебедевым [Лебедев и Хитаров, 1979; Zharikov и др., 1993]. Детали методики приведены во II главе и в [Lebedev и др., 1991]. С тем, чтобы интерпретировать полученные температурные зависимости 1'р и установить, как изменения микроструктуры влияют на упругие свойства пород, на исходных и специально изготовленных закалочных образцах были проведены химический, минералогический, микрозондовый анализы, исследования под оптическим и электронным микроскопом, измерения пористости, проницаемости и распределений пор по размерам. Температуры закалки соответствовали характерным точкам температурных трендов ^ (рис. 5.1 а, б).

Зависимости скоростей продольных волн в амфиболите при температурах до 850 °С под давлением воды или азота 300 МПа в условиях равенства флюидного и обжимающих давлений приведены на рис. 5.1. Тренды Vp водонасыщенных образцов отличаются от полученных в сухих условиях наличием инверсии; значения Vp при нагревании сначала уменьшаются, достигают минимума при температуре ~ 650 °С, затем вновь увеличиваются в то время, как нагревание сухих образцов приводит к монотонному уменьшению скоростей продольных волн во всем диапазоне температур. Аналогичный эффект ранее был получен Е.Б. Лебедевым и его коллегами для гранитов [Lebedev, и др., 1991]. Исследования скоростей упругих волн, проведенные на образцах зеленого сланца с использованием той же методики и при тех же РТ-параметрах, показали аналогичные результаты.

Затем скорости продольных волн были измерены во всех образцах, прошедших закалку. Сопоставление результатов измерений в закалочных образцах (проведенных при комнатной температуре) и в эксперименте при температурах, при которых происходила затем закалка, показывает, что соответствующие значения Ур не совпадают (рис. 5.1 а, б). Однако характер зависимостей близок во всем диапазоне температур, поэтому было принято допущение, что закалочные образцы являются репрезентативными не только для изучения состава, но и микроструктуры, а также физических свойств пород при высоких температурах.

Vp(KM/c)

; i

ыг ,' иго ;

— ■ i ' i ■

800 1000 T(°C)

!ft

1A V

—К i i

О 200 400 600 800 1000

Т(°С)

б г

Рпс. 5.1. Температурные чависимости упругих и фильтрационных croííctr амфиболита r cv\n\ условиях (под дааюнис.ч ачота) и под давлением воды (/',-/',¿,^300 МПа). Скорости продольных волн в эксперименте (а), (б) - н чакалочных образцах, пориеюсть (r) и проницаемость (г) в чакалочных образцах.

Исследования исходных и закалочных образцов показали, что изменений состава пород и

главных породообразующих минералов не происходит, а отмечаются интенсивные процессы открытия и закрытия микротрещин (рис. 5.2). Температурные тренды пористости и проницаемости находятся в обратной корреляции с трендами скоростей продольных волн. Таким образом, вариации скоростей упругих волн вызваны изменениями микротрещиной пористости. При нагревании в сухих условиях микротрещины открываются, поэтому пористость и проницаемость возрастает с увеличением температуры. При нагревании образцов в присутствии воды микротрещины как открываются, так и закрываются. Поэтому при температурах < 658 "С пористость и проницаемость возрастают, а при более высоких - снижаются.

Анализ полученных результатов приводит к выводу, что при нагревании в условиях низкого эффективного давления действует ряд процессов, приводящих к изменению пористости и, как следствие, скоростей упругих волн. Часть процессов действует как в сухих условиях, так и в условиях водонасыщения. К ним относятся фазовый переход в кварце при температуре ~ 650"С и терморазуплотнение, которое происходит во всем диапазоне температур, интенсифицируясь при более высоких. Однако в присутствии воды терморазуплотнение происходит значительно более активно за счет эффекта Ребиндера. Поэтому величины пористости и

проницаемости образцов, которые нагревались в присутствии воды, выше, чем у сухих при тех же температурах, а величины пористости и проницаемости образцов, которые выдерживались под давлением воды 24 ч, выше, чем 3-часовых при тех же температурах (рис.5.1.6, в).

исходный 480°С 590°С 658°С 705°С 808°С

образец

Рис. 5.2. Фотографии аншлифов чакадочных образцов амфиболита 470. Время выдержки в воде 3 ч. (Р,=Рф=300 МПа)

Рпс. 5.3. Микротрещины (цусгые) в амфиболите 470. Рпс. 5.4. Залечивание микрочрещин в амфиболите Г 480°С, Рящ =300МПа. 470. Г 705°С,Рнм =300МПа.

Часть процессов, преобразующих микроструктуру пород, инициированы именно присутствием воды. К таким процессам, которые могут приводить как к образованию (рис. 5.3), так и к залечиванию микротрещин, относятся растворение под давлением и минеральные реакции. Наконец, при температурах более 750 "С отмечено залечивание тонких микротрещин мелкозернистым агрегатом кварца и амфибола, а также кислым вулканическим стеклом, что свидетельствует о частичном плавлении породы (рис. 5.4).

Таким образом, в сухих условиях терморазуплотненние - образование дилатансионной микротрещиноватости приводит к увеличению пористости пород и, как следствие, к уменьшению скоростей продольных волн. В присутствии водного флюида одновременно протекают процессы, ведущие как к увеличению, так и к уменьшению пористости, а результат их суперпозиции меняется с ростом температуры. При температурах < 650 °С, как и в сухих условиях, превалируют процессы терморазуплотнения. Образование микротрещин ведет к увеличению пористости и уменьшению скоростей упругих волн. При температурах > 650 °С,

напротив, преобладают процессы залечивания микротрещин, вследствие чего уменьшается пористость и растут скорости упругих волн.

Таблица 1. Механизмы изменения микроструктуры и упругих спойетп амфиболита при шпрешшии.

Процесс Проявление Эффект Температура

В сухих условиях В условиях ьодоиисыщсиим Пористость, пронишелюеть Скорости продольных волн

пфморизушютнение + + интенсивней п о при всех

:х-[3 переход в кварце + + гги пи ~ 650"С

растворение под давлением, минеральные реакции - + пп пи при всех, интенсивней с ростом температуры

частичное плавление - + п > 750РС

Полученные результаты могут указывать на возможность появления сейсмических границ в однородных по составу породах. Контрастное изменение скоростей упругих волн может происходить вследствие сочетания эффектов пространственной локализации тектонических деформаций и геохимических преобразований горных пород в присутствии водного флюида. Так как основной причиной изменения скоростей упругих волн являлось изменение трещинной пористости пород, такие сейсмические границы могут одновременно фиксировать зоны повышенной флюидопроводимости в коре.

VI ПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОРОД СВЕРХГЛУБОКИХ СКВАЖИН СГ-3 (РОССИЯ) И КТБ-ОБЕРПФАЛЬЦ (ГЕРМАНИЯ) ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ II ДАВЛЕНИЯХ. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ КОРЫ Экспериментальные исследования проницаемости образцов из сверхглубоких скважин СГ-3 и КТБ [Жариков и др., 1987; Жариков, Витовтова и Шмонов В.М, 1990, 2000, 2005; Zharikov и др., 1993, 2001, 2002, 2003, 2005] имели следующие задачи: выявив и минимизировав влияние техногенных факторов, получить оценки проницаемости пород in situ, а также палеопроницаемости при метаморфизме; выявить влияние микроструктуры пород: характера микротрешиноватости и преимущественной ориентировки породообразующих минералов на проницаемость и анизотропию этого параметра. Затем, обобщив результаты экспериментальных исследований образцов из сверхглубоких скважин и других кристаллических пород различных типов, построить тренд проницаемости пород континентальной коры. С тем, чтобы выявить влияние техногенных мнкротрещин образцы были отобраны на поверхности и с разных глубин. Для экспериментов были использованы образцы амфиболитов и гнейсов с больших глубин (8-11 км), отобранные в Кольской сверхглубокой скважине, их аналоги с

поверхности, а также амфиболит и метагаббро из скважины КТБ-Оберпфальц, отобранные на меньшей глубине - около 4 км. Причем, цилиндры для определений проницаемости и кубики для исследований упругих свойств, результаты которых изложены в IV главе, были изготовлены в основном из одних и тех же образцов. В той же главе подробно изложены принцип и методы отбора образцов пород-аналогов архейских пород в СГ-3 и на поверхности. Эксперименты проводились при эффективных давлениях до 150 МПа и температурах до 600 °С, что отвечает как современным ^'/'-условиям глубоких горизонтов сверхглубоких скважин, так и /Т-условиям стадий прогрессивного, регрессивного метаморфизма и гидротермальных изменений пород.

Увеличение давления приводит к уменьшению проницаемости. Эти результаты согласуются с полученными для других типов пород (рис. 3.1).

Температурные тренды также согласуются с полученным для других пород (рис. 3.2). В то же время помимо эффективного давления в опыте характер температурных трендов образцов сверхглубоких скважин зависит от глубины отбора: при низких Р^рф при температурах 300 - 500 °С отмечаются инверсии трендов; при более высоких Р,фф на температурных трендах образцов с больших глубин (9-11 км) также наблюдаются инверсии. Проницаемость образцов, отобранных на меньшей глубине (4 км) и на поверхности монотонно уменьшается во всем диапазоне температур.

Необходимо отметить, что как на температурных трендах, так и на зависимостях проницаемости от давления, часто отмечаются резкие, пороговые переходы. Таким образом, тренды проницаемости образцов сверхглубоких скважин испытывают те же основные закономерности, что рассмотрены в III главе: монотонное снижение или инверсии. Как было показано там же и в [Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002; Zharikov и др., 2003], результаты микроструктурных исследований и компьютерного моделирования позволили сделать вывод, что такой вид трендов проницаемости определяется изменениями характера микротрещино-ватости пород вследствие конкурирующих воздействий температуры и давления. В том случае, если в образцах имеется несколько систем микротрещин, их влияние может меняться в зависимости от РГ-условий, приводя к появлению инверсий на температурных трендах. Такой подход позволил выявить влияние техногенных микротрещин на проницаемость образцов керна. Исследования под электронным микроскопом показали, что в образцах керна сверхглубоких скважин, как правило, отмечается несколько систем микротрещин с разными коэффициентами формы. Результаты микроструктурных исследований и мгновенного водо-насыщения показывают, что в исходных образцах развиты в основном длинные микротрещины, т.е. с низким коэффициентом формы (0.002 - 0.007). Так как такие микротрещины распространены в основном в образцах керна и не выявлены в значительном количестве в

образцах с поверхности, очевидно, они имеют техногенное происхождение. Причем расчеты показывают, что именно такие микротрещины вносят основной вклад в общую проницаемость образцов. Длинные микротрещины неустойчивы и закрываются, несмотря на нагревание, даже при небольших давлениях, что приводит к уменьшению проницаемости (рис. 3.3). Эти результаты согласуются с более быстрым увеличением скоростей упругих волн при давлениях < 200 МПа в образцах керна, чем в образцах с поверхности (глава IV, рис. 4.1 а). Таким образом, увеличение давления до величин in situ уменьшает влияние техногенной мик-ротрещиноватости на фильтрационные и упругие свойства керна сверхглубоких скважин.

Микротрещины с более высоким коэффициентом формы (0.03 - 0.05) локализованы, как правило, на границах минеральных зерен, ориентированных вдоль сланцеватости. Неравномерное расширение минеральных зерен при нагревании приводит к терморазуплотнению и увеличен™ проницаемости. Этот эффект наиболее интенсивно проявляется при высоких температурах, позволяя преодолеть влияние обжимающего давления. В результате, проницаемость увеличивается, и на температурных трендах появляются инверсии (рис. 3.3, 3.4).

Как уже отмечалось выше, исследование каждого образца включало в себя определения проницаемости в широком диапазоне РГ-параметров, что позволило получить оценки проницаемости пород в условиях метаморфизма. Прогрессивные изменения пород Кольской серии происходили при температурах около 600 °С и литостатическом давлении 300 - 400 МПа [Казанский и др., 1985]. При региональном метаморфизме флюидное давление близко по величине к давлению на твердую фазу [Кременецкий и Овчинников, 1986], следовательно, эффективное давление было меньше современного. Проницаемость образцов, измеренная при температуре 600 °С и низких эффективных давлениях составляет 10'"- 1017 м . Эти значения достаточны, чтобы поток флюидов мог распространяться через трещинно-поровое пространство пород. Полученные результаты хорошо согласуются с оценками проницаемости, сделанными на основе данных о тепловых потоках и анализа метаморфических систем [Dip-pie и Ferry, 1992; Manning и Ingebritsen, 1999; Ingebritsen и Manning, 1999].

Архейские породы разреза СГ-3 претерпели регрессивные метаморфические изменения при температуре около 300 °С. При РГ-параметрах регрессивного метаморфизма, проницаемость исследованных образцов не превышает 10"19 мг, как правило, находится в пределах 10"21 - I0"2" м2. В таких условиях движение флюидов происходит в основном через крупные нарушения сплошности пород - разломы и тектонические зоны.

При одновременном увеличении температуры и давления до величин, соответствующих условиям естественного залегания глубоких горизонтов скважин СГ-3 (рис. 6.1) и КТБ проницаемость всех исследованных образцов уменьшается, но с различной скоростью. Поэтому при РР-параметрах больших глубин наблюдаются значительные вариации величин парамет-

ра. При фильтрации перпендикулярно сланцеватости проницаемость образцов уменьшается быстрее, чем параллельно сланцеватости. Поэтому анизотропия проницаемости, вычисленная аналогично тому, как вычислялась анизотропия продольных волн [Zharikov и др., 2003], сначала увеличивается с глубиной, а при РГ-параметрах глубин 8 - 10 км достигает асимптоты при максимально возможном значении. Таким образом, на фоне общего снижения проницаемости с глубиной, амфиболиты и гнейсы кольской серии, сланцеватая текстура которых благоприятна для аккумулирования и миграции мобильных флюидов через порово-трещннное пространство, могут формировать в нижней части разреза Кольской сверхглубокой скважины локальные водонасышенные горизонты. В /'/'-условиях архейского разреза СГ-3 сланцеватость определяет как анизотропию проницаемости, так и анизотропию скоростей упругих волн, поэтому такие горизонты в естественном залегании могут быть обнаружены по сейсмическим данным: по отношению скоростей продольных и поперечных волн, а также методами, основанными на измерении поляризации поперечных волн. k ("') Ak (% )

1Е-022 1Е-020 1Е-018 1Е-016 ц 40 80 120 160 200

а б

Рис. 6.1. Зависимости проницаемости (а) и анизотропии проницаемости (о) образцов кольской серии и образца ич скважины КМ Ь от одновременною увеличения температуры и явления, моделирующих ГТ-условия ш $Ии в скважине С1 -3 (II - вдоль сланцеватости, + - перпендикулярно сланценатости).

Тематическая группа ИЭМ РАН, в работе которой участвует автор, проводит систематические экспериментальные исследования проницаемости в течение 20 лет. За это время при высоких температурах и давлениях исследовано более 50 образцов плотных, низкопористых пород, представляющих основные литологических типы континентальной коры. Сделано более 2000 определений проницаемости при высоетгх РТ. Такой объем данных позволил провести статистическую обработку и построить обобщенный тренд проницаемости пород континентальной земной коры с глубиной.

Для этого были приняты следующие основные допущения. Средняя мощность континентальной коры составляет 40 км [СЬп5Сеп5еп и Моопеу, 1995]. В ее пределах выделяются области с низким средним и высоким тепловыми потоками: температурными градиентами 9, 15

и 26 "С/км, соответственно [Blackwell, 1971]. Средняя плотность пород континентальной коры составляет 2.84 г/см3 [Christensen и Моопеу, 1995], следовательно, литостатическое давление (PmJ с глубиной возрастает как Рт„ = 2.84gH. Для эффективного давления (/*„/»/,) использовано соотношение: Р,фф = Ршш - аРф-, где а = 0.85 - 0.95 [Bernabe, 1987]. До глубины 10 км флюидное давление изменятся как гидростатическое, т.е. Рф .f>,/,gH, затем в силу того, что утрачивается гидравлическая связь с вышележащими породами, Рф возрастает до лито-статического. Плотность воды постоянна и составляет 1.0 г/см3.

9°С/км 15°С/км 26°С/км

Рпс. 6.2. Зависимости проницаемости образцов 1 орных порол от одновременною увеличения температу ры и лишения, моделирующих увеличение глубины in situ в условиях континентальной коры с температурными фадиеншми, титтчными дня щитов (а), платформ (б) и opoiemibLX областей (в). 1 - диорит С-2625;; 2 - трино диорит 83056; 3 -финодиорш 82066; 4 - траиит Варзобекий; 5 - ipamn Новоук-рагаский; 6 - амфиболит 43639; 7 - амфиболит 31863, пернепдикумярио слоисюети; 8 -амфиболит 31863, параллельно сдоисюсти; 9 - амфиболит 31571; 10 - гнсйс 31421, иерпендику-Шрно слоистости; 11 - гнейс 31421,

параллельно слоистости.

Тренды проницаемости для градиентов температур 9, 15 и 26 °С/км представлены на рис. 6.2. Показательно, что, несмотря на то, что изменения значений параметра при одних и тех же РТ может достигать 4 десятичных порядков, при всех значениях геотермического градиента, включая самое высокое, проницаемость всех образцов уменьшается с глубиной. Эти результаты согласуются с полученными для скважин СГ-3 и КТБ. Следовательно, справедлив вывод, предложенный для сверхглубоких скважин: в '-условиях континентальной коры влияние давления превалирует, что приводит к уменьшению проницаемости пород при увеличении глубины in situ.

Зависимость проницаемости от глубины, полученная в результате статистической обработки экспериментальных данных, представлена на рис. 6.3. Тренд описывается соотношением Igk = -12.56 - 3.225А0 223, где к - проницаемость (м2), h - глубина (км). Ширина области, которую ограничивают границы 90 % доверительного интервала, показывает, как велики возможные вариации параметра. Поэтому, очевидно, уместней говорить не о конкретных значениях проницаемости на различных глубинах, а об обшей тенденции

уменьшения проницаемости пород континентальной коры с глубиной. Однако из рис. 6.3 видно, что кривые, полученные для различных градиентов температур, и обобщенный тренд хорошо согласуются между собой, приходя в области больших глубин к асимптотическому значению около Ю"20 м2. Такие оценки проницаемости согласуются с полученными по результатам анализа региональных потоков грунтовых вод и теплопереноса в верхней коре, а также исследований активных метаморфических систем средней и нижней коры [Manning и Ingebritsen, 1999].

1. тренд дтя температурного традиеша 9"С/км,

2. тренд для температуркою

традиента 15'С/клг.

3. тренд для температурного традиента 26Х/км,

4. обобщенный тренд,

5.1раницы довершельноти интервала 90%,

6. прошшае.моеч ь 10"|8м2

(но Д.Нортону (1979) минимальное чначение для гидротермальных процессов),

7. проницаемость по данпьпт хеофшичсских исследований.

Н(км)

Рис. 6.3. Зависимость проницаемости пород континентальной коры от глубины.

VII ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ В ЦЕЛЯХ ПОДЗЕМНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Изучение петрофизических свойств является одним из важнейших элементов комплекса исследований по выбору геологических блоков, перспективных для захоронения BAO или длительного контролируемого хранения ОЯТ [Лаверов, Петров, Величкин и др., 2002, 2003]. В этих работах, которые проводятся в нашей стране в рамках долгосрочных экологических программ, принимают участие сотрудники Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ, ИФЗ и ИЭМ РАН, Геологического факультета МГУ и многих других организаций [Лаверов, Петров, Величкин и др., 2002,2003].

Основным агентом, осуществляющим перенос радионуклидов в геологической среде, являются подземные воды. Поэтому при выборе участка для захоронения BAO первостепенное значение придается гидрогеологическим условиям. Общее требование, предъявляемое к гидрогеологической обстановке, заключается в минимизации риска, связанного с выносом ра-

дионуклидов потоком подземных вод из могильника в биосферу. Поэтому для размещения могильников и хранилищ РАО необходимо найти монолитные блоки безводных пород с минимальной проницаемостью и трещиноватостью [Лаверов. Величкин и Омельяненко, 2001]. Однако вследствие тектонических, сейсмических воздействий, влияния высоких температур и других факторов, исходные низкие значения проницаемости пород ближней зоны могильника BAO могут измениться, в том числе и увеличиться. Поэтому возникает необходимость прогнозировать подобные изменения, чтобы получить возможность предусмотреть такой «резерв безопасности», который исключил бы риск попадания BAO в биосферу.

В настоящей главе изложены результаты исследований фильтрационных свойств образцов пород из участков, где предполагается подземное захоронение BAO: ПО Маяк и Красноярского горно-химического комбината г. Железногорск, в которых принимал участие автор [Лаверов, Петров, Величкин и др., 2002, 2003; Petrov, Poluektov, Zharikov и др., 2005 a, b и др.]. Главной задачей экспериментальных исследований являлось изучение матричной проницаемости пород ближней зоны могильника BAO, определение минимальных размеров монолитных блоков этих пород, обеспечивающих безопасное захоронение BAO и прогноз возможного изменения параметра при разогреве вследствие тепловыделения BAO. Поэтому измерения проводили на образцах основных типов пород, отобранных вне зон трещиноватости. В ходе исследований применяли новый комплекс методов и аппаратуры, позволяющий проводить высокоточные измерения проницаемости [Жариков и др., 2004; Мальковский, Жариков и Шмонов, 2009], (II глава).

к (м2) Ф№

1Е-01В ЗЕ-018 0 о.г 0.4 0.S 0.8 1

а б Рис. 7.2. Зависимости проницаемости

образцов из скважин 8001 и 8002 Рис. 7.1. Проницаемость (а) и пористость (б) образцов из участки Марс-2,1 К) Маяк от

скважин 8001 и 8002 участка Марс-2,1 It) Маяк температуры,

(по Petrov. Poluektov, Zharikov и др., 2005). const = 25 МПа.

Специфика ПО Маяк заключается в том, что полигон для захоронения ВАО, а это - более 2000 т отвержденных отходов суммарной активностью около 3 108 Ки, должен располагаться

в санитарно-защитной зоне предприятия [Глаголенко и др., 1996, 1997]. В пределах этой зоны выделены два участка, размеры которых позволяют расположить там скважинные могильники BAO [Velichkin и др., 1997; Лаверов, Петров, Величкин и др., 2003]. На рис.7.1 представлены результаты измерений эффективной пористости и проницаемости наиболее представительных образцов из разрезов скважин 8001 и 8002, пробуренных на участке Марс 2. Вне зон дислокаций метавулканпты представляют собой массивные породы, с низкими значениями пористости (среднее значение - 0.26 %) и проницаемости (среднее значение -1.92 10"19 м2). Показательно, что проницаемость этих пород даже с учетом ее возрастают при нагревании (рис.7.2) ниже, чем у образца, отобранного на фланге зоны рассланцевания, и ме-тасоматически измененного андезито-базальтового порфирита.

к(м2)

1Е-020 1Е-018

кМ

1Е016

—I-

100

Н(М)

Н(м)

-1

150

TfC)

Рпс. 7.3. Проницаемость (а) и пористость (о) образцов, отбранных в скважинах 1И-500 и 1К-700, на участках Итатскпй и Каменный, Красноярский I ХК.

Рпс. 7.4. Зависимости проницаемости образцов Нижнеканского массива от температуры. const = 25 МПа.

В Нижнеканском гранитоидном массиве, в 25 - 30 км к юго-западу от Красноярского ГХК, находятся участки Итатский и Каменный, выбранные для комплексного, детального исследования и возможного размещения подземных лабораторий, а также хранилищ или мо-гильшгков В АО [Андерсон и др., 1999]. На рис. 7.3 представлены результаты измерений эффективной пористости и проницаемости образцов основных литологических разностей пород из керна скважин 1И-500, пробуренной на участке Итатский, и 1К-700, пробуренной на участке Каменный, на рис. 7.4 - зависимости проницаемости от температуры. Средние значение пористости по обоим участкам - 0.44 %. Среднее значение проницаемости -1.30 10"18 м2. Для обеих скважин характерна тенденция увеличения проницаемости с глубиной. В разгнейсованных породах отмечаются значительная анизотропия проницаемости.

Таким образом, как для метавулканитов, так и для гранитоидов характерны низкие значения пористости. Средние значения параметра близки (0.26 % и 0.44 %), соответственно. В то

же время в гранитоидах, которые по В.И.Оаросгину (1988) принадлежат к хрупко-малопрочному петрофизическому типу, сильнее развита микротрещиноватость, чем в мета-вулканитах вязко-прочного типа. Как следствие, среднее значение проницаемости гранитои-дов (1.3010"18 м2) значительно выше, чем у метавулканитов (1.92 10"19 м2). Этим значениям проницаемости соответствуют коэффициенты фильтрации 10' и 10 м/сут., соответственно. Тем не менее, величины проницаемости и коэффициентов фильтрации и метавулканитов, и гранитоидов являются достаточно низкими, чтобы признать эти породы благоприятной средой для размещения могильников или хранилищ BAO и ОЯТ в том случае, если они будут размещены в монолитных блоках достаточной мощности.

Породы разного петрофизического типа по-разному реагируют на нагревание: у массивных вулканитов проницаемость увеличивается, у гранитоидов, где в исходных породах сильнее развиты микротрещины, проницаемость сначала уменьшается, что приводит к появлению инверсий на температурных трендах.

Следует отметить, что в обоих разрезах встречаются сильно анизотропные породы. Поэтому при подземном захоронении BAO необходимо учитывать как величину анизотропии проницаемости, так и направление ориентированной микротрещиноватости.

С тем, чтобы оценить мощность монолитных пород, необходимую для захоронения BAO, с использованием методики, изложенной в работах В.И. Мальковского и соавторов [Маль-ковский и др., 1994, Malkovsky, Рек и Tsang, 1998], было проведено численное моделирование термоконвективного выноса радионуклидов из могильника подземными водами, что позволило по концентрации наиболее опасного изотопа - ''"Sr определить безопасную глубину размещения отходов в зависимости от проницаемости вмещающих пород.

Проектирование подземных хранилищ радиоактивных отходов (РАО), должно осуществляться с учетом "резерва безопасности", т.е. включать в себя самые неблагоприятные сценарии развития событий, которые могут привести к попаданию отходов в биосферу. Среди таких событий нельзя исключить землетрясений. Сейсмичность района ПО Маяк - до 6 баллов [Кочкин, 2005], района Красноярского ГХК - 7 баллов [Андерсон и др., 2006].

С тем, чтобы изучить влияние сейсмического воздействия на проницаемость пород ближней зоны могильника BAO, были проведены эксперименты при одновременном воздействии колебаний сейсмических частот, дифференциального нагружения и нагревания образца [Shmonov, Vitovtova и Zharikov, 1999; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002, 2004]. Исследования были выполнены в ИЭМ РАН на установке, разработанной В.М. Шмоновым. Сейсмическое воздействие моделировалось путем циклического изменения осевого давления или давления обжима с частотой от 0.05 до 20 Гц.

Установлено, что циклическое натружение может вызывать образование микротрещин и необратимое изменение структуры порового пространства, которое приводит к уветпению проницаемости пород. Сейсмическое воздействие привело к повышению проницаемости известняков в 1.2 раза. При увеличении температуры этот эффект усиливается за счет ослабления межзерновых границ в результате проникновения воды: проницаемость базальтов, нагретых до 250 °С, при тех же параметрах нагружения увеличилась в 2.5 - 3.7 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработан комплекс новых методов, аппаратуры и программных средств для измерений проницаемости и анизотропии проницаемости образцов горных пород.

Выявлены закономерности изменения проницаемости основных типов пород континентальной коры при одновременном воздействии высоких давлений и температур. Установлено, что характер РГ-трендов проницаемости кристаллическтгх пород определяется разнонаправленными изменениями микротрешиноватости.

Получены значения скоростей упругих волн и упругой анизотропии на образцах пород Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) при РГ-параметрах естественного залегания. Выявлено влияние состава и текстуры пород на величины скоростей упругих волн и их анизотропию. На основании сопоставления величин скоростей упрупгх волн, определенных по данным лабораторных и геофизических исследований, сделан вывод о возможном присутствии разуплотненных флюидонасыщенных пород в архейской части разреза СГ-3.

Установлено, что присутствие водных флюидов при нагревании в условиях низкого эффективного давления может инициировать целый ряд процессов, изменяющих микроструктуру кристаллических пород, но не изменяющих их состав. Результат взаимодействия этих процессов меняется с температурой, приводя к изменениям микротрещиной пористости и как следствие скоростей упругих волн. Таким образом, возможно появление сейсмических границ в однородных по составу породах.

Установлен характер изменения проницаемости и анизотропии проницаемости амфиболитов и гнейсов кольской серии в /''/'-условиях разреза СГ-3. Выявлены факторы, определяющие анизотропию проницаемости в этих условиях. Установлено, что сланцеватая структура амфиболитов и гнейсов кольской серии благоприятна для аккумулирования и миграции мобильных флюидов. Эти породы могут формировать в нижней части разреза СГ-3 локальные водонасышенные горизонты.

В результате статистической обработки экспериментальных данных (50 образцов, около 2000 определений при высоких РТ) получена обобщенная степенная аппроксимирующая зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

Получены данные о проницаемости образцов основных типов пород с территорий предполагаемого подземного захоронения BAO и выявлены особенности текстуры и микроструктуры пород, определяющие их фильтрационные свойства. Сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения BAO, сейсмического воздействия и определены безопасные глубины скважинного могильника.

Основные публикации по теме диссертации

1. Шмонов В.М., Внтовтова В.И., Жариков A.B. Флюидная проницаемость пород земной коры М.: Научный мир. 2002. 216 с.

2. Жариков A.B., Витовтова В.М., Шмонов В.М. Экспериментальное исследование проницаемости архейских пород из Кольской сверхглубокой скважины // Геология рудных месторождений. 1990. № 6. С. 79-88.

3. Жариков A.B., Витовтова В.М., Шмонов В.М. и др. Проницаемость пород сверхглубоких КТВ-Оберпфальц (Германия) и Кольской СГ-3 (СССР) // Тезисы доклада на XII Всесоюзном Совещании по экспериментальной минералогии. Миасс. 1991.

4. Жариков A.B., Витовтова В.М., Шмонов В.М. Проницаемость образцов керна сверхглубоких скважин и их поверхностных аналогов при высоких температурах и давлениях / Результаты изучения глубинного вещества и физических процессов Кольской сверхглубокой скважины до глубины 12261 м. Под. ред. Митрофанова Ф.П., Горбацевича Ф.Ф. Апатиты: Издательство МУП «Полиграф». 2000. С. 122-126.

5. Жариков A.B., Лебедев Е.Б., Рыженко Б.Н., Шмонов В.М., Дорфман A.M. Изучение физико-химических механизмов влияния флюидов на упругие свойства осадочных и метаморфических пород при давлениях 300 МПа и температурах до 900"С / Тезисы докладов на Международной конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле". М.: ГЕОХИ РАН. 1997. С. 23-24.

6. Жариков A.B., Лобанов К.В., Керн X., Витовтова В.М. Транспортные, упругие свойства и анизотропия пород Кольской сверхглубокой скважины (по экспериментальным данным) // Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН», ISSN 1819-6586 № 1(26), 2008. М.: ИФЗРАН. URL: httn://\wvw.scgis.rii/riissian/cp1251/h dgggnis/l-2008/informbul-3 2008/cw-8.pdf

7. Жариков A.B., Мальковский В.И., Шмонов В.М., Витовтова В.М Экспериментальное исследование проницаемости образцов горных пород при высоких РТ\ применение для захоронения высокорадиоактивных отходов / Четвертое совещание "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле, Москва 13-15 октября 2003 г. Тезисы докладов. С. 15-16.

8. Жариков A.B., Мальковский В.И., Шмонов В.М., Витовтова В.М., Графчиков A.A. Метод измерения проницаемости образцов горных пород с учетом изменения термодинамических свойств флюида / Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии ЕСЭМПГ-2004, 20-21 апреля 2004 г. Тезисы докладов. С. 23-24.

9. Жариков A.B., Мальковский В.И., Шмонов В.М. Новый метод для исследования проницаемости образцов анизотропных пород при изменении температуры / Фундаментальные проблемы нефтегазовой геологии. М.: ГЕОС. 2005. С. 500-504.

10. Жариков A.B., Шмонов В.М., Витовтова В.М. Экспериментальное исследование проницаемости образцов горных пород при высоких температурах и давлениях: следствия для континентальной коры / Шестая международная конференция «Физико-химические и пет-рофизические исследования в науках о Земле», Москва, 3-5 октября 2005 г. Тезисы докладов. С.22.

11. Жариков A.B., Шмонов В.М., Витовтова В.М., Мальковский В.И. Экспериментальное определение индивидуальных скоростей фильтрации вулканических газов при высоких температурах / Экспериментальные исследования эндогенных процессов Сборник трудов. Черноголовка: 2008. С. 258-263.

12. Жариков A.B., Шмонов В.М., Керн X. Транспортные и упругие свойства кристаллических пород при высоких РТ-параметрах (по экспериментальным данным) // Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» ISSN 1819 -6586 № 1(25), 2007 URL: http://vv\TO.scgis.ra/n.\ssian/cpl251/h dgggms/l-2007/informbul-1 2007/geomaterial-l .pdf

13. Лаверов Н.П., Петров В.А., Величкин В.И., Полуэктов В В., Жариков A.B., Насимов P.M., Дьяур Н.И., Ровный С.И., Дрожко Е.Г., Иванов И.А. Петрофизические и минерально-химические аспекты выбора участков для изоляции BAO в метавулканитах района ПО «Маяк», южный Урал // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2003. № 1.С. 5-22.

14. Лаверов Н.П., Петров В.А., Величкин В.И., Полуэктов В.В., Жариков A.B., Насимов P.M., Дьяур Н.И., Бурмистров A.A., Петрунин Г.И., Попов В.Г., Сибгатулин В.Г., Линд Э.Н. Петрофизические свойства гранитоидов Нижнеканского массива: к вопросу о выборе участков для изоляции BAO и ОЯТ // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2002. № 4. С. 293-310.

15. Лебедев Е.Б., Дорфман А.М., Зебрин С Р., Жариков A.B., Пэк A.A. Влияние водного флюида на скорость продольных волн, пористость и проницаемость амфиболитов при температурах до 850"С и давлении 300 МПа // Геохимия. 1995. № 2. С. 282-294.

16. Лебедев Е.Б., Рыженко Б.Н., Дорфман A.M., Зебрин С.Р., Жариков A.B., Соколова Н.Т., Бурхардт X. Экспериментальное исследование влияния состава водных растворов на упругие свойства песчаника при высоких давлениях и температурах и компьютерное моделирование взаимодействия вода-порода// Геохимия. 1999. № 7. С. 686-695.

17. Лобанов К.В., Глаголев A.A., Жариков A.B., Кузнецов A.B., Смирнов Ю.П. Сопоставление архейских пород в разрезе Кольской сверхглубокой скважины и на поверхности // Геоинформатика. 1999. № 4. С. 38-50.

18. Лобанов К В., Казанский В.И., Кузнецов A.B., Жариков A.B., Никит™ А Н., Иванкина Т.И., Замятина Н.В. Сопоставление архейских пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины и с поверхности по результатам структурно-петрологических, петрофизических

и нейтроннографических исследований образцов-аналогов // Петрология. 2002. Т. 10. № 1. С. 1-16.

19. Иванкина Т.И., Никитин А.Н., Замятина И.В., Казанский В.И., Лобанов К В., Жариков А.В. Анизотропия архейских амфиболитов и гнейсов из разреза Кольской сверхглубокой скважины до данным нейтронографического текстурного анализа // Физика Земли. 2004. № 4. С. 74-87.

20. Керн X., Попп Т., Горбацевич Ф.Ф., Жариков А.В., Лобанов К В., Смирнов Ю.П. Сейсмические свойства пород из Кольской сверхглубокой скважины и их гомологов на поверхности в условиях, адекватных глубинным //Вестник МГТУ. 2007. Т. 10. № 2. С. 263-266.

21. Мальковский В.И., Жариков А.В., Шмонов В.М. Новые методы измерения проницаемости образцов горных пород для однофазного флюида //Физика Земли. 2009. № 2. С. 3-14.

22. Нартикоев В.Д., Семашко С.В., Жариков А.В. и др. Геофизические критерии выделения проницаемых зон в земной коре (по результатам бурения Кольской СГС) / Скважинная геоакустика при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. М.: ВНИИГеоинформсистем. 1987. С.14-21.

23. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Континентальная земная кора: проницаемость, электропроводность и 'землетрясения (экспериментальные исследования) / Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков. Т. 2. Петрология, геохимия, минералогия, геология месторождений полезных ископаемых, геоэкология. М. 2002. С. 201-202.

24. Шмонов В.М, Витовтова В.М, Жариков А.В. Влияние сейсмического воздействия на проницаемость горных пород (аналитическое и экспериментальное исследование) / Экспериментальная минералогия некоторые итоги на рубеже столетий. М.: Наука. 2004. Т.1. С. 342-363.

25. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В., Графчиков А.А. Флюидная проницаемость континентальной земной коры (экспериментальные данные) / Экспериментальные исследования эндогенных процессов Сборник трудов. Черноголовка: 2008. С. 275-286.

26. Kern Н., Рорр Т., Gorbatsevich F., Zharikov A., Lobanov K.V., Smirnov Y.P. Pressure and temperature dependence of Vp and Vs in rocks from the superdeep well and from surface analogues at Kola and the nature of velocity anisotropy //Tectonophysics. 2001.V.338. P.l 13-134.

27. Lebedev E.B., Zharikov A.V. Study of intergranular films and interstitial phases in geomaterials using high temperature centrifuge and ultrasonic method at high pressure // Physics and Chemistry of the Earth. 2000. V.25 №.2. P. 209-214.

28. Lobanov K., Kazansky V., Kuznetsov A., Zharikov A. Integrated Geodynamic Model Of The Pechenga Ore District On The Correlation Geological, Petrological And Petrophysical Data On Kola Superdeep Borehole Section And Reference Profile On Surface / 2nd International Geological Congress Florence-Italy, August 20-28,2004. Abstracts Part 1. P. 763.

29. Malkovsky V.I., Zharikov A.V., Shmonov V.M. An important point in procedure of rock sample preparation for gas permeability study // Experiment in Geosciences. 2004 a. V. 12. № 1. P. 32-35.

30. Malkovsky V.l., Zharikov A.V., Shmonov V.M. Influence of inflow and outflow conditions on the rock sample permeability measurements// Experiment in Geosciences. 2004 b. V.12. №. 1. P. 35-37.

31. Malkovsky V.l., Zharikov A.V., Shmonov V.M. New technique for measurement of rock sample permeability / Geophysical Research Abstracts. 2008. V.10. EGU-2008-A-02645, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-02645.

32. Petrov V.A., Poluektov V.V., Zharikov A.V., Nasimov R.M., Diaur N.I., Terentiev V.A., Burmistrov A.A., Petrunin G.I., Popov V.G., Sibgatulin V.G., Lind E.N., Grafchikov A.A., Shmonov V.M. Microstructure, filtration, elastic and thermal properties of granite rock samples: implication for HLW disposal / Petrophysical properties of crystalline rocks. Geological Society of London. Special publications. Ed. by Harvey P.K., Brewer T.S., Pezard P.A. & Petrov V.A. 2005 a. V. 240. P. 237-253.

33. Petrov V.A., Poluektov V.V., Zharikov A.V., Velichkin V.l., Nasimov R.M., Diaur N.I., Terentiev V.A., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Deformation of metavolcanics in the Karachay Lake area, Southern Urals: petrophysical and mineral-chemical aspects / Petrophysical properties of crystalline rocks. Geological Society of London. Special publications. Ed. by Harvey P.K., Brewer T.S., Pezard P.A. & Petrov V.A. 2005 b. V. 240. P. 307-321.

34. Shmonov V.M., Malkovsky V.l., Zharikov A.V. Theoretical basis of a technique for measurement of permeability of tight rocks at high temperature and pressure // Experiment in Geosciences. 2006. V.13.№ l.P. 134-137.

35. Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Zharikov A.V. Experimental and theoretical determination of the formation conditions for cracked fluid conducting systems under shock decompression II Experiment in Geosciences. 1995. V. 4. № 4. P. 56-57.

36. Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Zharikov A.V. Experimental study of seismic oscillation effect on rock permeability under high temperature and pressure // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1999. V. 36. P. 405-412.

37. Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Zharikov A.V., Grafchikov A.A. Fluid Permeability of the Continental Crust: Estimation from Experimental Data // Journal of Geochemical Exploration // 2003. V. 78-79. P. 697-699.

38. Trcova J., Zivor R., Lobanov K., Kazansky V., Zharikov A., Smimov Y. Comparison of elastic properties of the Kola Superdeep borehole core samples and their surface analogues obtained by static and dynamic measurements // Acta Montana. 2002. V. 125. № 21. P. 27-54.

39. Vitovtova V.M., Romanenko I.M., Shmonov V.M., Zharikov A.V. A sell for a scanning electron microscope study of the rock structure at a temperature up to 600 °C and stress up to 100 MPa// Instruments and experimental techniques. 2003. V. 46. № 5. P. 138-140.

40. Zharikov A.V., Kern H., Shmonov V.M. Transport, elastic properties and anisotropy of the rocks from the Kola superdeep drill hole (experimental data) / Geophysical Research Abstracts. 2008. V. 10. EGU-2008-A-02629, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-02629.

41. Zharikov A.V., Lebedev E.B., Dorfman A.M., Vitovtova V.M. Effect of saturating fluid composition on the rock microstructure, porosity, permeability and Vp under high pressure and

temperature // Physics and Chemistry of the Earth. 2000. V. 25. № 2. P. 215-218.

42. Zharikov A.V., Malkovsky V.l., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Permeability of rock samples from the Kola and KTB superdeep boreholes at high PT parameters as related to the problem of underground disposal of radioactive waste / Petrophysical properties of crystalline rocks. Geological Society of London. Special publications. Ed. by Harvey P.K., Brewer T.S., Pezard P.A. & Petrov V.A. 2005. V. 240. P. 153-164.

43. Zharikov A.V., Malkovsky V.l., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Rock sample permeability at high temperature and pressure: implication to high level waste disposal / Geophysical Research Abstracts. 2002. V. 4. EGS02-A-02651.

44. Zharikov A.V., Malkovsky V.l., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Technique and equipment for determination of rock sample permeability / Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 06279, 2005, SRef-lD: 1607-7962/gra/EGU05-A-06279.

45. Zharikov A.V., Pek A.A., Lebedev E.B., Dorfman A.M., Zebrin S R. The effect of water fluid at temperature up to 850 °C and pressure of 300 MPa on porosity and permeability of amphibolite // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1993. V 76. № 3/4. P 219-227.

46. Zharikov A.V., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Experimental study of rock permeability temperature and pressure: implication to continental crust / Geophysical Research Abstracts. 2005. V. 7. 04318, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-04318.

47. Zharikov A.V., Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Grafchikov A.A. Experimental study of rock permeability and its anisotropy at high temperature and pressure // Proceedings of the XXVI Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Geophysical Research Abstracts. 2001. V. 3.

48. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V. M., Grafchikov A.A. Permeability of the rocks from the Kola superdeep borehole at high temperature and pressure: implication to fluid dynamics in the continental crust //Tectonophysics. 2003. V. 370. № 1-4. P. 177-191.

49. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Pek A.A., Shmonov V.M. Permeability of amphibolite core-samples from Kola (Russia) and KTB (Germany) deep drill holes at temperature up to 600"C and pressure up to 200 MPa / Proceedings of the Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Annales Geophysicae. 1993. Supplement 1 to V. 11. Part 1. P. 17.

50. Zharikov A.V., Vitovtova, V.M., Shmonov V.M. Permeability of rocks at pressure-temperature cycling / Proceedings of the Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Annales Geophysicae. 1995. Supplement 1 to V. 13. P. 108.

51. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V.M. Permeability of rocks at high temperature and pressure: experimental and calculated data / Proceedings of the Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Annales Geophysicae. 1995. Supplement 1 to V. 13. P. 108.

52. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V.M. Permeability of amphibolite samples from the Kola (Russia) and KTB (Germany) superdeep drill holes at high temperature and pressure // Geophysical Research Abstracts. 2002. V.4. EGS02-A-03891.

Подписано к печати 01.10.2009 г. Формат 16x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 150 экз. Заказ № 3.

Издательская группа ИГЕМ РАН. 119017, Москва, Старомонетный пер., д. 35.

Содержание диссертации, доктора технических наук, Жариков, Андрей Виленович

ВВЕДЕНИЕ.

I ГЛАВА Общая постановка проблемы.

II ГЛАВА Аппаратура и методика экспериментальных исследований фильтрационных, упругих свойств и микроструктуры образцов горных пород при высоких температурах и давлениях.'

2.1 Аппаратура и методика измерений проницаемости при высоких /Т-параметрах.

2.1.1 Стационарный метод измерения проницаемости.

2.1.2 Техника измерений проницаемости стационарным методом

2.2 Новые методы измерения проницаемости образцов горных пород

2.2.1 Модификация нестационарного метода измерения проницаемости с учетомизменения термодинамических свойств фильтрующегося флюида.

2.2.2 Новый метод исследования анизотропии проницаемости.

2.2.3 Аппаратура и методика экспериментов.

2.3 Аппаратура и методика экспериментальных исследований влияния сейсмических колебаний, высоких температур и давлений на проницаемость образцов горных пород.

2.4 Аппаратура и методика микроструктурных исследований под сканирующим электронным микроскопом.

2.5 Аппаратура и методика измерений скоростей упругих волн при высоких РГ-параметрах.

2.5.1 Аппаратура и методика измерения скоростей упругих волн в условиях насыщения водными флюидами различного состава и низкого эффективного давления

2.5.2 Аппаратура и методика измерения скоростей упругих волн в сухих условиях и высоком эффективном давлении.

III ГЛАВА Проницаемость и микроструктура кристаллических пород при высоких температурах и давлениях.

Введение.

3.1 Результаты измерений проницаемости при высоких РГ-параметрах.

3.1.1 Магматические породы.

3.1.2 Метаморфические породы.

3.1.3 Осадочные породы.

3.2 Результаты микроструктурных исследований при высоких ■РГ-параметрах.;.

3.2.1 Микротрещинная проницаемость амфиболита из Кольской сверхглубокой скважины.

3.2.2 Микротрещинная проницаемость мрамора Варзобского.

3.2.3 Микротрещинная проницаемость базальта из хребта Мона Ридж.

3.2.4 Микротрещинная проницаемость известняка из месторождения Саяк.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние высоких температур и давлений на микроструктуру, фильтрационные и упругие свойства кристаллических пород"

4.1 Критерии и методы отбора образцов архейских пород-аналогов в разрезе Кольской сверхглубокой скважины и на поверхности. 108

4.2 Скорости и анизотропия скоростей упругих волн в образцах керна Кольской сверхглубокой скважины и пород-аналогов с поверхности (по данным экспериментов при высоких

РГ-парамеграх) . 113

4.2.1 Скорости упругих волн. 114

4.2.2 Анизотропия скоростей упругих воли. 119

4.2.3 Моделирование пространственного распределения скоростей упругих волн по данным о минеральном составе пород и преимущественных ориентировках породообразующих минералов. 124

4.2.4 Сопоставление с результатами нейтронного текстурного анализа. 129

4.3 Обсуждение. Сопоставление результатов лабораторных и геофизических исследований. 139

Заключение. 142

V ГЛАВА Влияние водного флюида на микроструктуру, упругие и фильтрационные свойства пород при высоких температурах и давлениях. 145

Введение. 145

5.1 Образцы. 147

5.2 Методика экспериментов. 147

5.3 Экспериментальные результаты. 149

5.3.1 Скорости упругих волн. 149

5.3.2 Микроструктура, пористость и проницаемость.:. 150

Заключение.165

VI ГЛАВА Проницаемость пород сверхглубоких скважин СГ-3 (Россия) и

КТБ-Оберпфальц (Германия) при высоких температурах и давлениях. Применение полученных результатов для континентальной коры.167

Введение.167

6.1 Образцы.168

6.2 Методика экспериментов.173

6.3 Экспериментальные результаты.174

6.4 Применение экспериментальных результатов.181

6.5 Обобщенный тренд флюидной проницаемости пород континентальной коры.189

Заключение.195

VII ГЛАВА Экспериментальные исследования проницаемости в целях подземного захоронения радиоактивных отходов.198

Введение.198

7.1 Экспериментальное исследование проницаемости метавулканитов из района ПО Маяк, Южный Урал.201

7.2 Экспериментальное исследование проницаемости гранитоидов из района Красноярского ГХК, Нижнеканский массив.209

7.3 Оценка глубины безопасного захоронения ВАО в скважинном могильнике.224

7.4 Экспериментальное моделирование влияние сейсмического воздействия на проницаемость горных пород.230

7.4.1 Образцы, методика и результаты эксперимента.232

7.4.2 Обсуждение экспериментальных результатов.243

Заключение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.249

ЛИТЕРАТУРА.255

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований

Проблема состоит в том, что в настоящее время не существует дистанционных методов для прямого определения фильтрационных свойств глубинных пород в естественном залегании. Основной источник получения информации из глубинных зон земной коры — сейсмические исследования. Однако традиционные методы определения фильтрациоиных свойств пород по сейсмическим данным, разработанные для коллекторов — пород с высокой пористостью и основанные на наличии простых корреляционных связей между скоростями упругих волн, пористостью и проницаемостью, в таких условиях не эффективны. Соотношения между упругими и фильтрационными свойствами плотных, низкопористых кристаллических пород, слагающих глубинные зоны континентальной коры, не вполне ясны.

Проницаемость горных пород является основным параметром, определяющим динамику флюидного тепломассопереноса в геологической среде. Поэтому в связи с решением проблем генезиса крупнейших урановых и золоторудных месторождений не менее важно оценить проницаемость кристаллических пород при РТ-параметрах, характерных для метаморфизма и рудообразования. Наконец, для решения важнейшей задачи радиогеоэкологии: подземного захоронения высокорадиоактивных отходов (ВАО) необходимы данные о проницаемости вмещающих пород и долгосрочный прогноз изменения параметра.

Цель и задачи исследований

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи.

1. Провести экспериментальные исследования проницаемости, скоростей упругих волн и анизотропии этих свойств при высоких температурах и давлениях, соответствующих условиям in situ глубинных зон континентальной коры и ближней зоны подземных могильников или хранилищ ВАО. Для экспериментов использовать образцы основных литологических типов пород континентальной коры, включая наиболее древние: архейские амфиболиты и гнейсы из Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) и с поверхности.

2. Провести микроструктурные исследования: изучить влияние состава и преимущественной ориентировки породообразующих минералов, а также изменений пористости и распределений пор по размерам, характера микротрещиноватости, произошедших под влиянием высоких температур и давлений, и в результате геохимических преобразований, инициированных присутствием водных флюидов. Установить, как эти изменеиия влияют на фильтрационные и транспортные свойства пород и анизотропию этих свойств.

3. Используя полученные экспериментальные результаты, получить оценки скоростей упругих волн и проницаемости пород разреза Кольской сверхглубокой скважины in situ, а также их палеопроницаемости при метаморфизме. На примере СГ-3 выявить структуры и текстуры пород, благоприятные для аккумулирования и миграции мобильных флюидов в верхней части континентальной коры. Обобщив результаты экспериментальных исследований проницаемости образцов из разрезов сверхглубоких скважин и других кристаллических пород различных типов, построить тренд проницаемости пород континентальной коры. Провести корреляцию между полученными данными о структуре, текстуре пород, их петрофизических свойствами и результатами геофизических измерений.

4. Определить проницаемость образцов основных типов пород из участков вероятного подземного захоронения ВАО в районе ПО Маяк (Южный Урал) и Красноярского ГХК (Нижнеканский массив). Сделать прогноз возможного изменения проницаемости в результате разогрева и сейсмического воздействия. С использованием полученных данных оценить безопасную глубину екважинного могильника ВАО.

Фактический материал

В диссертации использованы результаты экспериментов, которые, начиная с 1984 г., проводились автором настоящей работы лично либо с его непосредственным участием. Экспериментальные материалы насчитывают несколько тысяч определений проницаемости, сотни определений скоростей упругих волн, полученных при высоких температурах и давлениях, результаты микроструктурных исследований, численного моделирования. Исследования проводились в ИГЕМ РАН в Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии, а также в тесном контакте с тематической Группой глубинного строения и геодинамики рудных районов (совместно с В.И. Казаиским, К.В. Лобановым), в ИЭМ РАН (совместно с В.М. Шмоновым, В.М. Витовто-вой), в ГЕОХИ РАН (совместно с Е.Б. Лебедевым, Б.Н. Рыженко), в Петрофизиче-ской лаборатории Кильского университета (Германия) (совместно с X. Керном). Совместные исследования проводились также с Лабораторией нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна (Т.Н. Иванкина, А.Н. Никитин). Автор выражает благодарность всем коллегам, принимавшим участие в этих работах, а также Н.Е. Галдину, К.В. Лобанову, Е.Б. Лебедеву, В.А. Петрову и В.М. Шмонову, предоставившим для экспериментов образцы и их описания.

Основные защищаемые положения

I. Разработаны методика, аппаратура и программные средства для измерений проницаемости и анизотропии проницаемости образцов горных пород с учетом изменения термодинамических свойств фильтрующегося флюида, которые позволяют с высокой точностью (до 3 - 5 %) проводить определения параметра в диапазоне

22 15 2 значений от 10" до 10" м при эффективных давлениях до 200 МПа и температурах до 600 °С.

II. Увеличение эффективного давления при постоянной температуре приводит к уменьшению проницаемости.

Увеличение температуры при постоянном эффективном давлении приводит либо к монотонному увеличению или уменьшению проницаемости во всем диапазоне температур, либо к появлению инверсий на температурных трендах: проницаемость уменьшается, достигает минимального значения, затем увеличивается.

Такой характер РГ-трендов проницаемости кристаллических пород определяется разнонаправленными изменениями микротрещиноватости. При увеличении эффективного давления раскрытие, длина и связанность микротрещин уменьшаются. При увеличении температуры количество, раскрытие и связанность у микротрещин с высоким коэффициентом формы увеличиваются, у микротрещин с низким коэффициентом формы - уменьшаются. В условиях одновременного воздействия высоких температур и давлений эти процессы происходят параллельно. Если нагревание приводит к смене результата взаимодействия их эффектов, на температурных трендах проницаемости возникают инверсии.

III. Скорости упругих волн в амфиболитах и гнейсах Кольской сверхглубокой скважины зависят как от минерального состава, так и от микротрещиноватости пород. Величины скоростей поперечных волн, определенные в лабораторных экспериментах на сухих образцах при РГ-параметрах, отвечающих условиям естественного залегания архейских пород СГ-3, хорошо согласуются с геофизическими данными, а величины скоростей продольных волн оказываются систематически выше, что свидетельствует о возможном присутствии разуплотненных флюидонасыщенных пород в нижней части разреза скважины.

Анизотропия скоростей упругих волн пород кольской серии в РГ-условиях архейского разреза СГ-3 определяется аддитивным эффектом преимущественной ориентировки породообразующих минералов (роговой обманки в амфиболитах, биотита и плагиоклаза в гнейсах) и ориентированных вдоль сланцеватости пород микротрещин, локализованных на границах минеральных зерен.

IV. Присутствие водных флюидов при нагревании в условиях низкого эффективного давления может инициировать целый ряд процессов, преобразующих микроструктуру кристаллических пород, но не изменяющих их состав (терморазуплотнение, растворение под давлением, образование новых минеральных фаз, частичное плавление). Результат взаимодействия этих процессов меняется с температурой, приводя к изменениям пористости и, как следствие, скоростей упругих волн. Таким образом, возможно появление сейсмических границ в однородных по составу породах.

V. В РГ-условиях разреза СГ-3 проницаемость амфиболитов и гнейсов кольской серии уменьшается, а анизотропия параметра, напротив, увеличивается с глубиной. Как следствие дифференциация значений проницаемости достигает нескольких десятичных порядков. При температурах и давлениях, соответствующих глубинам 8-10 км, анизотропия проницаемости определяется наличием устойчивых микротрещин с высоким коэффициентом формы на границах минеральных зерен, ориентированных вдоль сланцеватости пород. Таким образом, на фоне общего снижения проницаемости с глубиной, амфиболиты и гнейсы кольской серии, микроструктура которых благоприятна для аккумулирования и миграции мобильных флюидов, могут формировать в нижней части разреза Кольской сверхглубокой скважины локальные водонасыщенные горизонты.

VI. В РГ-условиях континентальной коры уменьшение проницаемости пород с глубиной является генеральной тенденцией. В результате статистической обработки экспериментальных данных (50 образцов, около 2000 определений при высоких РТ) получена степенная аппроксимирующая зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

Научная новизна

Разработаны новые оригинальные методы измерения проницаемости образцов горных пород.

Выявлены механизмы, определяющие основные закономерности изменения проницаемости кристаллических пород при высоких РГ-параметрах.

Получены новые данные о проницаемости, скоростях упругих волн и анизотропии этих свойств на образцах архейских амфиболитов и гнейсов, отобранных в Кольской сверхглубокой скважине, и их аналогов с поверхности в РГ-условиях архейской части разреза СГ-3. Выявлено влияние микроструктуры на упругие и фильтрационные свойства пород и анизотропию этих свойств. Установлено, что в РГ-условиях архейского разреза СГ-3 анизотропия скоростей упругих волн и анизотропия проницаемости амфиболитов и гнейсов кольской серии имеет общую природу: определяется преимущественной ориентировкой породообразующих минералов и ориентированной микротрещиноватостью. Установлено также, что в РГ-условиях архейского разреза СГ-3 сланцеватая текстура амфиболитов и гнейсов благоприятна для аккумулирования и филы-рации флюидов, что дало возможность сделать предположение об одной из причин появления локальных зон флюидонасыщенных пород в скважине на глубине 8-10 км.

Предложена обобщенная зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

С применением оригинальных высокоточных методов, разработанных автором, получены новые данные о проницаемости образцов метавулканитов и грани-тоидов с территорий предполагаемого подземного захоронения ВАО и выявлены особенности текстуры и микроструктуры пород, определяющие их фильтрационные свойства. С учетом результатов экспериментальных определений проницаемости этих пород при нагревании и осциллирующем давлении, которые также получены впервые, сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения ВАО и сейсмического воздействия. Определены безопасные глубины скважинного могильника.

Практическое значение

Разработаны методика, аппаратура и программные средства для измерения петрофизических свойств, которые внедрены и успешно используется для решения экологических задач: исследований вмещающих пород могильников ВАО. Диапазон измеряемых значений проницаемости составляет 6 десятичных порядков, поэтому данная техника может использоваться и для решения других задач: исследований коллекторских свойств пород, в инженерной геологии, строительстве и в других областях.

Получены данные о физических свойствах горных пород при РТ-параметрах глубинных зон континентальной коры, причинах и закономерностях их изменений, которые могут быть использованы для интерпретации глубинных геофизических методов. Подходы, предложенные в работе, могут быть применены и для поисков новых, нетрадиционных коллекторов углеводородов.

Для решения задач радиогеоэкологии с использованием высокоточных методов определена проницаемость образцов основных типов пород из участков вероятного размещения подземных могильников ВАО: метавулканитов, отобранных на территории ПО Маяк, и гранитоидов из района Железногорского ГХК. Сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения ВАО и сейсмического воздействия. Определены безопасные глубины скважинного могильника ВАО.

Апробация результатов исследований

Полученные результаты представлены в 54 докладах на Всесоюзных, Всероссийских и международных совещаниях. В их числе: XXXII Международный геологический конгресс, XV, XVII, XX, XXIV, XXVI, XXVII, XXXI, XXXIV Генеральные ассамблеи Европейского геофизического союза, пленарные сессии по проекту 408 Международной программы геологической корреляции, 1—9 международные конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле", XII Всесоюзное Совещание по экспериментальной минералогии (Миас,1991 г.), Научная школа «Щелочной магматизм Земли» (Москва, 2001 г.), V международная конференция «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (Александров, 2001 г.), XIV Российское совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2001 г.), XX Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2004 г.), Ежегодные семинары по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (2004 - 2008 гг.) и др.

Публикации

Структура работы

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Жариков, Андрей Виленович

Эти выводы подтверждаются результатами численного моделирования. Анализировалась двумерная модель размером 20 х 20 с квадратными ячейками. Детали численного эксперимента изложены в [Жариков, 1995; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002]. При постановке задачи моделирования были внесены элементы перколяции: каждому элементу сети было приписано одно из двух контрастно отличающихся значений проницаемости: фоновой (kj), имитирующей поровую или матричную проницаемость, или микротрещинной (kt). Были рассмотрены отношения kjkj состаф/фо

1.СН 0.80.60.40.24 О

20 40 60 80

Доля микротрещин,%

100

Доля микротрещин,%

100

Рис. 3.27. Зависимость пористости (а) и проницаемости (б) модели от доли высокопроводящих элементов (микротрещин).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований подтвердили тезис, что у низкопористых кристаллических пород микроструктура является основным фактором, который определяет проницаемость, ее анизотропию а также анизотропию скоростей упругих волн, оказывает существенное влияние на величины Vp и Vs. Поэтому, исследуя микроструктуру, можно установить связи между фильтрационными и упругими свойствами пород.

Проницаемость пород определяется характером микротрещиноватости. На величину параметра влияют раскрытие, длина, коэффициент формы (отношение раскрытия к длине) и, в первую очередь, связанность микротрещин. Установлено, что связанные системы часто образованы микротрещинами со сходными свойствами, например, с высоким или низким значением коэффициента формы. Причем наибольший вклад в проницаемость пород вносят ориентированные микротрещины. В породах со сланцеватой текстурой такие микротрещины локализованы на границах минеральных зерен, которые в свою очередь ориентированы вдоль сланцеватости. Это направление наиболее благоприятно для движения флюидов, поэтому величины проницаемости вдоль сланцеватости значительно (до десятичных порядков) выше, измеренных в перпендикулярном направлении.

Исследования амфиболитов и гнейсов Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) показали, что микротрещиноватость наряду с минеральным составом влияет на величины скоростей упругих волн, а анизотропия скоростей определяется аддитивным эффектом преимущественной ориентировки породообразующих минералов и микротрещин.

Воздействие высоких температур и давлений приводит к изменениям микроструктуры, которые в свою очередь вызывают изменения фильтрационных и упругих свойств пород. При увеличении давления раскрытие, длина и связанность микротрещин любой геометрии уменьшаются, что приводит к снижению проницаемости. При увеличении температуры микротрещины разной геометрии ведут себя по-разному. Микротрещины с низким коэффициентом формы закрываются при нагревании, что приводит к снижению проницаемости. Микротрещины с высоким коэффициентом формы, напротив, открываются, вызывая увеличение проницаемости. Эти процессы могут происходить одновременно, тогда на температурных трендах проницаемости появляются инверсии. Даже небольшое изменение количества микротрещин, их длины или раскрытия под влиянием высоких РТ может привести к резкому изменению связанности флюидопроводящего кластера, поэтому зависимости проницаемости от температуры и давления имеют резкий, пороговый характер.

Изменения микроструктуры пород в результате воздействий высоких температур и давлений также влияют на величины скоростей упругих волн. Увеличение давления ведет к закрытию микротрещин, увеличению Vp и Vs. Увеличение температуры, напротив, приводит к образованию микротрещин, увеличению пористости и уменьшению скоростей упругих волн. Таким образом, температура и давление оказывают конкурирующее воздействие на микротрещинную пористость и, как следствие, на скорости упругих волн.

В /Т-условиях естественного залегания архейских пород разреза Кольской сверхглубокой скважины влияние давления превалирует, поэтому микротрещины в основном закрываются. Исключение составляют микротрещины, с высоким коэффициентом формы, локализованные на границах минеральных зерен, ориентированных вдоль сланцеватости пород. В результате величины скоростей упругих волн в амфиболитах и гнейсах кольской серии увеличиваются. Значения скоростей поперечных волн, полученные в экспериментах при давлениях, соответствующих условиям нижней части разреза скважины, хорошо согласуются с данными геофизических исследований, а значения скоростей продольных волн выше, что подтверждает гипотезу о возможном присутствии в СГ-3, на глубинах 8 - 12 км разуплотненных флюидонасыщенных пород.

Закрытие микротрещин в амфиболитах и гнейсах кольской серии при одновременном увеличении температуры и давлении, имитирующем увеличение глубины in situ, приводит к уменьшению проницаемости пород. Как уже упоминалось, в РГ-условиях нижней части разреза скважины относительно устойчивыми остаются только микротрещины с высоким коэффициентом формы на границах минеральных зерен, ориентированных вдоль сланцеватости пород. Поэтому анизотропия проницаемости увеличивается с глубиной. В этих условиях величина скоростей упругих волн в породах кольской серии определяется аддитивным эффектом преимущественной ориентировки породообразующих минералов (роговой обманки в амфиболитах, биотита и плагиоклаза в гнейсах) и ориентированных микротрещин. Следовательно, в РГ-условиях архейского разреза СГ-3 анизотропия проницаемости и анизотропия скоростей упругих волн имеет общую природу: определяется сланцеватой текстурой пород.

Таким образом, установление влияния изменений микроструктуры, вызванных воздействием высоких температур и давлений на упругие и фильтрационные свойства амфиболитов и гнейсов СГ-3, позволило выявить связи между этими свойствами пород и применить полученные результаты для объяснения природы волновода в районе скважины. Сопоставление величин Vp и Vs, определенных в лабораторных экспериментах при РГ-иараметрах глубин 8 - 12 км и по данным вертикального сейсмического профилирования, позволило подтвердить гипотезу о наличии горизонтов, разуплотненных флюидонасыгценных пород в разрезе скважины на этих глубинах. Сопоставление с данными экспериментальных определений проницаемости при тех же РГ-параметрах и результатами микроструктурных исследований приводит к выводу, что на общем фоне снижения проницаемости с глубиной возможно наличие горизонтов, где ориентированные микротрещины на границах минеральных зерен, присущие сланцеватой текстуре амфиболитов и гнейсов, могут являться каналами для движения и аккумулирования мобильных флюидов. Эти горизонты в естественном залегании можно обнаружить, применяя дистанционные сейсмические методы, в первую очередь, основанные на измерении поляризации поперечных волн. Таким образом, на примере Кольской сверхглубокой скважины показано, что сейсмические методы позволяют выделять горизонты с высокой проницаемостью в естественном залегании на значительных глубинах.

В РГ-условиях континентальной коры воздействие давления превалирует над температурным, поэтому уменьшение проницаемости пород с глубиной является генеральной тенденцией. В результате статистической обработки экспериментальных данных (50 образцов, около 2000 определений при высоких РТ) получена степенная аппроксимирующая зависимость для тренда проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

Для современных метаморфических систем нижней части континентальной коры характерно сочетание высоких температур и флюидных давлений. В этих условиях одновременно протекает целый ряд различных процессов, изменяющих микроструктуру и, как следствие, фильтрационные и упругие свойства пород. При температуре ~ 650 °С происходит фазовый переход в кварце. Более широкий диапазон температур занимают процессы частичного плавления и плавления (амфиболит — t > 740 — 760 °С). Наконец, процессы релаксации термоупругих напряжений происходят в самом широком диапазоне температур. Терморазуплотнение - образование дилатансионной микротрещиноватости приводит к увеличению пористости, проницаемости пород и уменьшению скоростей продольных волн. В присутствии водного флюида одновременно с процессами образования происходят и процессы залечивания микротрещин вследствие переотложения, образования новых минеральных фаз, а также частичного плавления пород. Результат суперпозиции этих процессов меняется с ростом температуры, вызывая появление инверсий на температурных трендах скоростей упругих волн. Таким образом, сочетание эффектов пространственной локализации тектонических деформаций и геохимических преобразований в присутствии водного флюида может приводить к контрастному изменению скоростей упругих волн в разрезе, сложенном породами одного литологиче-ского типа. Так как основной причиной изменения скоростей упругих волн являлось изменение трещинной пористости пород, такие сейсмические границы могут одновременно фиксировать зоны повышенной флюидопроводимости в континентальной коре.

Исследования в интересах экологии являлись одной из главных задач экспериментов, результаты которых представлены в настоящей работе. С использованием оригинальной методики высокоточных измерений получены величины проницаемости образцов метавулканитов и гранитоидов, отобранных в участках вероятного размещения подземных могильников или хранилищ высокорадиоактивных отходов на восточном склоне Южного Урала и в южной части Енисейского кряжа. Проведено сопоставление полученных результатов и установлено, как влияние микроструктуры и анизотропии определяет сходство и различия фильтрационных свойств пород. Проницаемость и метавулканитов, и гранитоидов в основном определяется вторичной пористостью, и микротрещиноватостью, которые образовались в ходе многочисленных преобразований исходных пород. При этом интенсивность развития микротрещин в гранитоидах, принадлежащих к пластично-малопрочному петрофизическому типу сред структурообразования, значительно выше, чем в мета-вулканитах, которые принадлежат к вязко-прочному типу. Как следствие, средняя проницаемость гранитоидов на десятичный порядок выше, чем проницаемость метавулканитов. Минимальные значения проницаемости отмечаются у пород с массивными, однородными текстурами и гипидиоморфозернистыми структурами. При этом породы со сланцеватой текстурой, например, сланцы и гнейсы обладают существенной анизотропией проницаемости, которая возникает вследствие наличия устойчивых микротрещин, ориентированных вдоль сланцеватости. Различие величин проницаемости параллельно и нормально к сланцеватости может достигать десятичных порядков. Так как подземные воды движутся по направлениям наименьшего сопротивления, моделируя флюидные потоки в ближней зоне могильника или хранилища ВАО, необходимо учитывать падение сланцеватых пород или пород с другой микроструктурой, свойством которой являются ориентированные микротрещины.

Более высокие значения проницаемости отмечаются у пород с порфировой структурой или у тех, где воздействия стрессов в процессах вторичных изменений привели к образованию порфиробластической или бластокластической структур, развитию наложенной микротрещиноватости.

При проектировании подземного хранилища или могильника необходимо гарантировать, что породы его ближней зоны обеспечат долговременную изоляцию ВАО, даже в том случае если инженерные барьеры утратят свои защитные свойства. В этой связи важно прогнозировать возможное изменение их фильтрационных свойств. В настоящей работе рассмотрено два фактора, которые могут неблагоприятно влиять на проницаемость пород ближней зоны могильника (хранилища): нагревание вследствие тепловыделения ВАО и воздействие колебаний сейсмических частот, вызванных землетрясением. ,

Установлено, что характер изменения проницаемости метавулканитов и гранитоидов при увеличении температуры также определяется особенностями микроструктуры пород. В метавулканитах, где в исходных образцах микротрещиноватость развита не столь интенсивно, образование новых микротрещин на границах минеральных зерен приводит к увеличению проницаемости пород. В исходных образцах гранитоидов, напротив, распространенны микротрещины со значительными величинами раскрытия и длины. Такие микротрещины не являются устойчивыми, поэтому нагревание на начальном этапе может приводить к уменьшению проницаемости пород. Дальнейшее увеличение температуры может привести к уменьшению проницаемости во всем диапазоне температур, либо к появлению инверсий на температурных трендах: уменьшение проницаемости может смениться ее увеличением. Следует отметить, что даже в условиях, при которых значения параметра минимальны и близки к матричной проницаемости пород, в анизотропных породах со сланцеватой текстурой могут сохраняться устойчивые пути движения флюидов на микроуровне: по ориентированным микротрещинам вдоль сланцеватости.

Сейсмичность районов вероятного размещения подземных могильников (хранилищ) ВАО достигает 5-7 баллов. С целью изучения влияния землетрясений на безопасность захоронения ВАО проведены экспериментальные исследования сейсмического воздействия на проницаемость образцов горных пород. Установлено, что даже относительно слабое воздействие сейсмических колебаний может привести к необратимым изменениям микроструктуры пород и ухудшению изоляционных свойств пород. Показано, что землетрясение средней магнитуды может приводить к увеличению проницаемости пород, залегающих на расстоянии нескольких сотен километров от эпицентра. Причем, что особо актуально для пород ближней зоны могильника ВАО, нагревание до относительно небольших температур (250 °С) значительно усиливает этот эффект.

Результаты проведенных исследований показали, что в монолитных метавул-капитах и гранитоидах возможно безопасное захоронение ВАО. Однако в местах вероятного размещения могильников (хранилищ): на территории санитарно-защитной зоны ПО Маяк и в районе Железногорского ГХК в естественном залегании эти породы рассечены многочисленными зонами трещиноватости. Численное моделирование свободной тепловой конвекции подземных вод в массиве, вмещающем скважин-ный могильник, где результат экспериментальных определений проницаемости послужили входными данными, позволили определить мощность блоков монолитных пород, обеспечивающих безопасное захоронение ВАО.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Жариков, Андрей Виленович, Москва

1. Авчян Г.М1, Матвеенко А.А., Стефанкович З.Б. Петрофизика осадочных пород в глубинных условиях. М.: Недра. 1979. 224 с.

2. Аксельрод С.М., Неретин В.Д. Ядерный магнитный резонанс в нефтегазовой геологии и геофизике. М.: Недра. 1990. 192 с.

3. Андерсон Е. Б., Даценко В. М., Кирко В. И., Копылов И. С., Крыжановский В.

4. B.Г. Хлопина. 2006. Т. XI. С. 8-64.

5. Аксюк A.M., Витовтова В.М., Шмонов В.М. Проницаемость серпентинитов и серпентинизированных гарцбургитов при высоких температурах и давлениях / Очерки физико-химической петрологии. М.: Наука. 1991. Вып. 17. С. 119-141.

6. Архейский комплекс в разрезе СГ-3 / Под ред. Митрофанова Ф.П. Апатиты: изд. КНЦ РАН. 1991. 185 с.

7. Ахунов В.Д., Борзунов А.И., Егоров Н.Н. Государственная техническая политика в области обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом в России // Вопросы радиационной безопасности 1998. № 4. С. 314.

8. Балашов B.II., Зарайский Г.П. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса разуплотнения горных пород при нагревании / Очерки физико-химической петрологии. М.: Наука. 1984. Вып.Х. С. 69-109.

9. Баюк Е. И., Тедеев Р. В. Скорость продольных волн в образцах горных пород при одновременном воздействии высоких давлений и температур. // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1974. № 8. С. 63-70.

10. Баюк И.О., Калинин В.А. Упругая анизотропия горных пород. 1.Ориентированная система пор произвольной концентрации // Физика Земли. 1995. - (2). - С.61-68.

11. Баюк И.О., Калинин В.А. Упругая анизотропия горных пород. 11.Ориентированная система трещин произвольной формы и концентрации // Физика Земли. 1995. - (3). - С.10-16.

12. Баюк И.О., Чесноков Е.М. Корреляция упругих и транспортных свойств порово трещиноватых сред // Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле. - М., 1997. С.10-11.

13. Безопасность при обращении с радиоактивными отходами. Общие положения НП-058-04. 2004 г.

14. Белевцев Я.Н. Метасоматическое рудообразование. М.: Наука. 1979.

15. Беликов Б.П., Александров К.С., Рыжова Т.В. Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород. М.: Наука 1970. 274 с.

16. Бенявски.З- Управление горным давлением. М.: Мир. 1990. 254 с.

17. Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования М.: Научный мир. 1997. 218 с.

18. Ваньян JI.Л., Павленкова Н.И. Слой пониженной скорости и повышенной электропроводности в основании верхней части земной коры Балтийского щита // Физика Земли. 2002. № 1. С. 37-45.

19. Ваньян Л.Л., Хайндман Р.Д. О природе электропроводности консолидированной коры // Физика Земли. 1996. №4. С. 5-11.

20. Витовтова В.М. Проницаемость горных пород при высоких температурах и давлениях. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени к.г.-м.н. Черноголовка. 1989. 25 с.

21. Витовтова В.М., Шмонов В.М. Проницаемость горных пород при давлениях до 2000 кг2/см и температурах до 600°С // Доклады Академии наук СССР. 1982. Т. 266. №5. С. 1244-1248.

22. Витовтова В.М., Фомичев В.И., Шмонов В.М. Эволюция проницаемости пород при формировании скарнов месторождений Саяк-1 и Тастау (Сев. Прибалхашье) / Очерки физико-химической петрологии. М.: Наука. 1988. Вып. 15. С. 617.

23. Воларович М.П., Балашов Д.Б. Исследование скоростей распространения упругих волн в образцах горных пород при давлениях до 5000 кг/см2 // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1957. № 3. С. 319-339.о

24. Воларович М.П., Баюк Е.И. Влияние всестороннего давления до 4000 кГ/см на упругие свойства образцов горных пород // Доклады Академии наук СССР. 1960. Т. 135. № 1.С. 65-68.

25. Воларович М. П., Баюк Е. И., Ефимова Г.А. Упругие свойства минералов при высоких давлениях. М.: Наука. 1975. 131 с.

26. Воларович Л.П., Баюк Е.И., Дьяур Н.И, Левитова Ф.М. Наумова Е.В. Скорости упругих волн горных пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины // Физика горных пород при высоких давлениях. М., 1991. - С. 17-23.

27. Баюк Е.И., Воларович М.П., Левитова Ф.М. Упругая анизотропия горных пород при высоких давлениях. М.: Наука. 1982. 170 с.

28. Воларович М.П., Баюк Е.И., Левыкин А.И., Томашевская И.С. Физико-механические свойства горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах. М.: Наука. 1974. 223 с.

29. Воларович М. П., Левыкин А. И. Измерение скоростей упругих продольных волн в образцах горных пород при давлениях до 40000 кг/см2 // Доклады Академии наук СССР. 1965. т. № б. С. 1287-1289.

30. Водарович М.П., Стаховская З.И. Исследование модуля Юнга образцов горных пород при всесторонних давлениях до 5000 кг/см2 // Изв. АН СССР. Сер. гео-физ. 1958. №5. С. 582-596.

31. Воларович М.П., Томашевская И.С., Будников В.А. Механика горных пород при высоких давлениях. М.: Наука. 1979. 153 с.

32. Галдин Н.Е. Анизотропия скоростей упругих волн в ультраосновных породах Кольского полуострова / Тектонофизика и механические свойства горных пород. М.: Наука. 1971. С. 179-188.

33. Галдин Н.Е. Физические свойства глубинных метаморфических и магматических пород при высоких давлениях и температурах. М.: Недра. 1977.

34. Ганынин Ю.В., Смитсон С., Шаров Н.В. Методика обработки и сейсмический разрез Кола ОГТ-92 / Сейсмогеологическая модель литосферы Западной Европы: Лапландско-Печенгский район. Апатиты: КНЦ РАН. 1997. С. 85-100.

35. Геологическая среда и структурные условия гидротермального рудообразова-ния. М.: Наука. 1982. 235 с.

36. Глаголенко Ю.В., Дзекун Е.Г., Дрожко Е.Г. и др. Стратегия обращения с радиоактивными отходами на производственном объединении "Маяк" // Вопросы радиационной безопасности. 1996. № 2. С. 3 -10.

37. Глаголенко Ю.В., Дзекун Е.Г., Ровный С.И. и др. Переработка отработавшего ядерного топлива на комплексе РТ-1: история, проблемы, перспективы // Вопросы радиационной безопасности. 1997. №2. С. 3 -12.

38. Горбацевич Ф.Ф., Медведев Р.В. Механизмы разуплотнения горных пород при их разгрузке от напряжений / Рудные геофизические исследования на Кольском полуострове. Апатиты: Издательство Кольского филиала АН СССР. 1986. С. 83-89.

39. Горбацевич Ф.Ф., Смирнов Ю.П., Галдин Н.Е., Шаров В.Н. Упругие свойства горных пород / Ред. Митрофанов Ф.П. Архейский комплекс в разрезе СГ-3. Апатиты: КНЦ АН СССР. 1991. С. 153-173.

40. Грабчак Л.И., Макаров А.Б. О напряженном состоянии керна глубоких скважин // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 1978. № 4. С. 125-129.

41. Добрынин В.М. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра. 1970. 239 с.

42. Епинатьева A.M. Кольская сверхглубокая скважина и ее влияние на сейсмические методы исследования // Физика Земли. 1989. № 5. С. 35-46.

43. Жариков А.В., Витовтова В.М., Шмонов В.М. Экспериментальное исследование проницаемости архейских пород Кольской сверхглубокой скважины // Геология рудных месторождений. 1990. № 6. С. 79-88.

44. Жариков А.В. Экспериментальные исследования фильтрационно-емкостных свойств пород глубинных зон земной коры. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени к.г.-м.н. М: ВНИИГсосистем. 1995. 18 с.

45. Жариков А.В., Витовтова В.М., Шмонов В.М. и др. Некоторые результаты экспериментальных исследований проницаемости пород архея Кольской СГ-3 при высоких термодинамических параметрах // Тезисы доклада на Всесоюзном совещании. Ярославль. 1987.

46. Жариков A.B., Мальковский В.И., Шмонов В.М. Новый метод для исследования проницаемости образцов анизотропных пород при изменении температуры / Фундаментальные проблемы нефтегазовой геологии. М.: ГЕОС. 2005. С. 500504.

47. Забигайло B.E., Белый И.С. Геологические факторы разрушения керна при бурении напряженных горных пород Донбасса. Киев. Наукова Думка. 1981.

48. Зарайский Г.П. Экспериментальное моделирование зарастания единичной трещины при фильтрации воды в порфирите / Очерки физико-химической петрологии. Миасс. 1994. Вып. 18. С. 139-165.

49. Зарайский Г.П. Эксперимент в решении проблем метасоматизма. М.: Геос. 2007. 136 с.

50. Зарайский Г.П., Балашов В.Н. О разуплотнении горных пород при нагревании // Доклады АН СССР 1978. Т.240. № 4. С. 926-929.

51. Зарайский Г.П., Балашов В.Н. Тепловое разуплотнение горных пород как фактор формирования гидротермальных месторождений // Геология рудных месторождений. 1981. № 6. С. 19-35.

52. Захоронение радиоактивных отходов. Принципы, критерии и основные требования безопасности НП-055-04. Ростехпадзор. 2004 г.

53. Зонов С.В., Зарайский Г.П., Балашов В.Н. Влияние теплового разуплотнения на проницаемость гранитов в условиях небольшого превышения литостатического давления над флюидным // Доклады АН СССР. 1989. Т.307. № 1. С.191-194.

54. Зотов А.В., Левин К.А., Магазина Л.О. и др. Взаимодействие алюмофосфатного стекла с водой при повышенных температурах // Геохимия. 1996. № 9. С. 1-14.

55. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. Свойства горных пород и методы их определения / Под ред. Протодьяконова М.М. М.: Недра. 1969. 392 с.

56. Исследования физических свойств минерального вещества Земли при высоких термодинамических параметрах Киев: Наукова думка. 1977. 220 с.

57. Казанский В.И., Кузнецов О.Л., Кузнецов А.В., Лобанов К.В., Черемисина Е.Н., Глубинное строение и геодинамика Печенгского рудного района: опыт изучения Кольской сверхглубокой скважины // Геология рудных месторождений. 1994. Т. 36. №6. С. 500-519.

58. Казанский В.И., Исанина Э.В., Лобанов К.В., Предовский А.А., Шаров Н.В. Геолого-геофизическая позиция сейсмогеологические границы и металлогения Печенгского района // Геология рудных месторождений. 2002. Т. 44. № 4. С. 276-286

59. Калинин В.А., Баюк Е.И. Эффективные упругие модули горных пород при высоком давлении // Геофизический журнал. 1987. Т. 9. № 2. С. 69-75.

60. Калинин В.А., Ефимова Г.А., Наумова Е.В. О методике построения петрофизи-ческих моделей земной коры на примере Кольской сверхглубокой скважины // Физика Земли. 1995. № 10. С. 20-25.

61. Кедровский О.Л., Шишиц И.Ю., Гупало Т.А. и др. Обоснование условий локализации высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива в геологических формациях // Атомная энергия. 1991. Т. 70. Вып. 5. С. 294-297.

62. Киссин И.Г. Гидродинамический режим и геологический круговорот воды в земной коре / Подземные воды и эволюция литосферы. Т. 2. М.: Наука. 2001. С. 31-35.

63. Киссин И.Г. Современный флюидный режим консолидированной земногй коры континентов и его геофизические индикаторы / Флюидные потоки в земной коре и мантии. Материалы Всероссийского симпозиума. М.: 2002. С. 57-62.

64. Кольская сверхглубокая. Под ред. Козловского Е.А. М.: Недра. 1984. 494 с.

65. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований / Под ред. Орлова В.П., ЛавероваН.П. М.: Технонефтегаз. 1998. 255 с.

66. Кочкин Б.Т. Геоэкологический подход к выбору районов захоронения радиоактивных отходов. М.: Наука. 2005. 115 с.

67. Кременецкий А.А., Овчинников Л.Н. Геохимия глубинных пород. М.: Наука. 1986. 262 с.

68. Кузнецов О.Л., Симкип Э. М. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере М.: Недра. 1990. 267 с.

69. Курьянов Ю.А., Рок В.Е. Акустика трещиноватых геологических сред. М.: Информационный центр ВНИИГеосистем. 44 с.

70. Лаверов Н.П., Величкин В.И., Омельяненко Б.И. Изоляционные свойства кристаллических пород в связи с проблемой захоронения высокорадиоактивных отходов // Геология рудных месторождений 2001. Т. 43. № 1. С. 6-23.

71. Лаверов Н.П., Величкин В.И., Омельяненко Б.И., Юдинцев С.В. Поведение актинидов в условиях долгосрочного хранения и захоронения отработанного ядерного топлива// Геология рудных месторождений. 2003. Т.45. № 1. С. 3-23.

72. Лаверов Н.П., Омельяненко Б.И. Величкин В.И. Геологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 1994. № 6. С. 3-20.

73. Лебедев Е.Б., Дорфман A.M., Зебрин С.Р., Жариков А.В., Пэк А.А. Влияние водного флюида на скорость продольных волн, пористость и проницаемость амфиболитов при температурах до 850°С и давлении 300 МПа // Геохимия. 1995. №2. С. 282-294.

74. Лебедев Е.Б., Хитаров Н.И. Физические свойства магматических расплавов. М.: Наука. 1979. 199 с.

75. Лебедев Т.С. Физические свойства пород литосферы в условиях больших глубин / Проблемы физики Земли на Украине. Киев: Наукова думка. 1975. С. 98-117.

76. Лебедев Т.С. Проблемы термобарических исследований физических свойств минерального вещества литосферы // Геофизический журнал. 1985. № 6. Т. 7. С. 62-82.

77. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Савенко Б.Я. и др. Физические свойства минерального вещества при Р,Т-условиях литосферы. Киев: Наукова Думка. 1986. 200 с.

78. Лизинский М.Д., Ланев B.C. Сейсмический разрез участка бурения Кольской сверхглубокой скважины / Проблемы комплексной интерпретации геолого-геофизических данных. Л.: Наука. 1991. С. 130-147.

79. Литвиненко И.В. Методика изучения сейсморазведкой сложных структур верхней части консолидированной коры материков // Вопросы разведочной геофизики. Л. 1971. С. 21-36. (Зап. ЛГУ. Т. 61. Вып. 2).

80. Литвиненко И.В., Ленина И.С. Некоторые результаты изучения сейсморазведкой глубинного строения Печенгской структуры / Геология и глубинное строение восточной части Балтийского щита Л.: Недра. 1968. С. 139-147.

81. Лобанов К.В., Глаголев А.А., Жариков А.В., Кузнецов А.В., Смирнов Ю.П. Сопоставление архейских пород в разрезе Кольской сверхглубокой скважины и на поверхности // Геоинформатика. 1999. № 4. С. 38-50.

82. Любцева Е. Ф., Алексеев Е. П., Булдаков М. В., Оганезов А. В., Пертель М. И., Харламов М. М., Кудинов К. Г., Сабаев Ю. И., Сигаев Б. П. Результаты работ методом аудиомагнитотеллурического зондирования на участках "Итатский" и

83. Каменный" / Исследования гранитоидов Нижнеканского массива для захоронения РАО: Материалы КНТС. С.-Пб. 1999. С. 24-33.

84. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Недра. 1965. 380 с.

85. Мальковский В.И., Жариков А.В., Шмонов В.М. Новые методы измерения проницаемости образцов горных пород для однофазного флюида // Физика Земли. 2009. №2. С. 3-14.

86. Мальковский В.И., Пэк А.А., Омельяненко Б.И., Дрожко Е.Г. Численное моделирование термоконвективного переноса подземными водами радионуклидов из скважинного хранилища высокорадиоактивных отходов. // Известия АН. Энергетика. 1994. № 3. С. 113-122.

87. Митрофанов Ф.П., Горбацевич Ф.Ф. Цели и задачи проекта № 408 МПГК / Гомологи пород в Кольской сверхглубокой скважине и на поверхности. Апатиты: Издательство КНЦ РАН. 1998. С. 3-8.

88. Никитин А.Н. Анизотропия и текстуры материалов. Курс лекций. М.: МГУ. 2000. 266 с.

89. Николаевский В.Н. Волноводы земной коры // Природа. 1987. № 7. С. 54-60.

90. Николаевский В.Н., Шаров В.И. Разломы и реологическая расслоенность земной коры// Физика Земли. 1985. № 1. С. 16-28.

91. Николаенко В.И., Индутный В.Ф. Влияние термодинамических факторов на проницаемость гранитоидов / Физические свойства горных пород при высоких термодинамических параметрах. Баку. 1978. С. 29-30.

92. Орлов Л.И., Карпов Е.Н., Топорков В.Г. Петрофизические исследования коллекторов нефти и газа. М.: Недра. 1987. 216 с.

93. Павлепкова Н. И. Волновые поля и модели земной коры. Киев: Наукова думка. 1973.

94. Павленкова Н. И. Структура литосферы и задачи сейсмических исследований // Исследование Земли невзрывными источниками. М. 1981. С. 48-63.

95. Павленкова Н.И. Кольская скважина и ее значение для глубинных сейсмических зондирований // Советская геология. 1989. № 6. С. 16-23.

96. Павленкова Н.И. Роль флюидов в формировании сейсмической расслоенности земной коры // Физика Земли. 1996. № 4. С. 51-61.

97. Павлова Н.И. Деформационные и коллекторские свойства горных пород. М.: Недра. 1975. 240 с.

98. Павлова Н.Н., Индутный В.Ф., Конышева Р.А. Деформационные и коллекторские свойства коллекторов девона Днепрово-Донецкой впадины. М.: Наука. 1978. 93 с.

99. Петрофизика: Справочник в трех книгах. Книга первая. Горные породы и полезные ископаемые / Под ред. Н.Б.Дортман. М.: Недра. 1992. 391 с.

100. Петухов И.М., Запрягаев А.П. Определение напряжений в массиве пород по делению керна на диски и выходу буровой мелочи при бурении скважин. // Труды ВНИМИ. 1975. № 95.

101. Процессы и свойства вещества Земли. М.: Наука. 1981. 173 с.

102. Пэк А.А. О динамике ювенильных растворов. М.: Наука. 1968. 147 с.

103. Рабинович Г.Я., Блохин Н.Н., Певзнер JI.C., Смирнов Ю.П. Новые представления о сейсмоакустической модели Кольской сверхглубокой скважины // Разведка и охрана недр. 2000 № 7-8. С. 28-31.

104. Ривкин C.JL, Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия. 1975. 79 с.

105. Ромм Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра. 1966. 279 с.

106. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир. 1980. 616 с.

107. Сейсмические модели литосферы основных геоструктур территории СССР / Ред. С. М. Зверев, И. П. Косминская. М.: Наука. 1980.

108. Справочник физических констант горных пород. Под ред. Кларка С., мл. М.: Мир. 1969. 543 с.

109. Старостин В.И. Палеотектонические режимы и механизмы формирования структур рудных месторождений. М.: Недра. 1988. 256 с.

110. Тектонофизика и механические свойства горных пород при высоких давлениях. М.: Наука. 1971. 195 с.144.145.146.147.148.149.150.151.152.153.154.155.156.157,

111. Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях: Справочник / Зубарев В.Н., Козлов А.Д., Кузнецов В.М. и др. М.: Энергоатомиздат. 1989. 232 с.

112. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. В 2 ч. М.: Мир. 1985.

113. Файф У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. М.: Мир. 1981. 438 с. ' Физика горных пород при высоких давлениях. М.: Наука. 1991. 213 с. Физические свойства горных пород при высоких давлениях. М.: Изд-во АН СССР. 1962. 190 с.

114. Физические свойства горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах. М.: Наука. 1978. 224 с.

115. Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах. Справочник. Под ред. Воларовича М.П. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра. 1988. 255 с.

116. Ходоревская Л.И., Жариков В.А. Экспериментальные исследования частичного плавления, амфиболита при различном составе флюидной фазы // Доклады РАН. 1998. Т. 359. № 4. С. 536-539.

117. Шаров Н.В. О новой трехслойной сейсмической модели континентальной коры // Геотектоника. 1987. № 4. С. 19 30.

118. Шаров Н.В. Литосфера Балтийского щита по сейсмическим данным. Апатиты: КНЦ РАН. 1993. 145 с.

119. Шаров Н.В., Гречишников Г.А. О поведении тектонических разломов на различных уровнях земной коры по данным метода отраженных волн (MOB) // Доклады АН СССР. 1982. Т. 863. № 2. С. 412-416.

120. Шаров Н.В., Исанина Э.В., Крупнова Н.А. Глубинное строение района бурения Кольской сверхглубокой скважины (по сейсмическим данным) // Вестник МГГУ. 2007. Т. 10. № 2. С. 309-319.

121. Шебеста А.А., Внтовтова В.М., Шмонов В.М. Об изменении свойств порово-трещинного пространства карбонатных пород при умеренно высоких температурах / Записки ЛГИ. Пространственно-временные проблемы в геологии. Л.: 1988. Т. 115. С.38-43.

122. Шейдегтер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. М.: Гостоптехиздат. 1960. 249 е. •

123. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Графчиков А.А., Котельников А.Р., Сретенская Н.Г. Взаимосвязь электропроводности и проницаемости пород в условиях континентальной земной коры (оценка по экспериментальным данным) // Физика Земли. 2000. № 2. С. 65-70.

124. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюидная проницаемость пород земной коры. М.: Научный мир. 2002. 216 с.

125. Шмонов В.М., Чернышев В.М. Установка с неравным давлением на флюид и твердую фазу / Проблемы эксперимента в твердофазовой и гидротермальной аппаратуре высокого давления. М.: Наука. 1982. С. 124-128.

126. Aizawa Y., Ito К, Tatsumi Y. Experimental determination of compressional wave velocities of olivine aggregate up to 1000°C at 1 GPa // Tectonophysics. 2001. V. 339. №3-4. P. 473-478.

127. Azeemuddin M., Roegiers J.-C., Suir P., Zaman M., Kukreti A.R. Stress-dependent permeability measurement of rocks in a triaxial cell / Ed. by Tillerson J.R., Wawersik W.R. Proceedings of the 35th US Symposium on Rock Mechanics. 1995. P. 645-650.

128. Babeyko A. Yu., Sobolev S. V., Sinelnikov E. D.^Smirnov Yu. P., Derevschikova N. A. Calculation of elastic properties in lower part of the Kola borehole from bulk chemical compositions of core samples // Surveys in Geophysics 1994. V. 15. P. 545573.

129. Barkovskii V.M., Isaev A.V. Photoelastic investigation of certain factors influencing disking in cores during drilling // Journal of Mining Sciences 1979. V.15. № 5. P.523-526.

130. Batzle M.L., Simmons G., Siegfried R.W. Microcrack closure in rock under stress: direct observation // Journal of Geophysical Research. 1980. V.85. № B12. P.7072-7090.

131. Bear J. Dynamics of fluids in porous media. N.Y.: Am. Elsevier. 1972. 764 p.

132. Bear J., Zaslavsky D., Irmay S. Physical principles of water percolation and seepage. Paris: UNESCO. 1968. 465 p.

133. Bemabe, Y. The Effective Pressure Law for Permeability in Chelmsford Granite and Barre Granite // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1986. V. 23. P. 267-275.

134. Bemabe, Y. A Wide Range Permeameter for Use in Rock Physics // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1987. V. 24. P. 309-315.

135. Bernabe Y. The effective pressure law for permeability during pore pressure and confining pressure cycline of several crystalline rocks // Journal of Geophysical Research 1987. V.92. № Bl. P.649-657.

136. Bernabe Y., Мок U., Evans B. A note on the oscillating flow method for measuring rock permeability // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2006. V.43. P. 311-316.

137. Birch F. The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars, part 1 // Journal of Geophysical Research. 1960. V.65. P. 1083-1102.

138. Birch F. The velocity of compressional waves in rocks to 10 kilobars, part 2 // Journal of Geophysical Research. 1961. V.66. P. 2199-2224.

139. Blackwell D.D. The thermal structure of the continental crust / The Structure and Physical Properties of the Earth's Crust, Geophys.Monogr.Ser.AGU. Ed. by Heacock J.G. Washington, D.C. 1971. V.14. P. 169-184.

140. Boinott G.N., Scholz C.H. Direct measurement of the effective pressure low: deformation of joints subject to pore and confining pressures // Journal of Geophysical Research. 1990. V.95. № B12. P. 19279-19298.

141. Brace W.F. Permeability of crystalline and argillaceous rocks // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1980. V.17. № 5. P. 241-251.

142. Brace W. F., Orange A. S., Madden T. R. The Effect of Pressure on the Electrical Resistivity of Water Saturated Crystalline Rocks // Journal of Geophysical Research. 1965. V. 70. P. 5669-5678. '

143. Brace W.F., Walsh J.B., Frangos W.T. Permeability of granite under high pressure. // Journal of Geophysical Research. 1968. V.73. № 6. P.2225 2236.

144. Brown E T (ed). Rock Characterization, Testing and Monitoring. ISRM Suggested Methods. Oxford: Pergamon Press. 1981. 211 p.

145. Carr B.J., Smithson S.B., Kareav N., Ronin A., GaripovV., Kristofferson Y. , Di-granes P., Smythe D., Gillen C. Vertical seismic profile results from the Kola Super-deep Borehole, Russia // Tectonophysics. 1996. V. 264. P. 295-307.

146. Chida Т., Tanaka S. Analysis of relation between pore structure and permeability using a network model // Journal of the Japanese Association for Petroleum Technology. 1983. V. 48. № 6. P. 439-444.

147. Christensen N.I. Compressional wave velocities in metamorphic rocks at pressures to 10 kilobars // Journal of Geophysical Research. 1965. V. 70. P. 6147-6164.

148. Christensen N.I. Compressional wave velocities in possible mantle rocks to pressure of 30 kilobars // Journal of Geophysical Research. 1974. V. 79. № 2. P. 407-412.

149. Christensen N.I. Pore pressure, seismic velocities and crustal structure // Geolog. Soc. Amer. Memoir. 1989. V. 172. P. 783-798.

150. Christensen N.I., Mooney W.D. Seismic velocity structure and composition of the continental crust: A global view // Journal of Geophysical Research. 1995. V.100. № B7. P. 9761-9788.

151. Christensen N.I., Ramananantoandro R. Permeability of the oceanic crust based on experimental studies of basalt permeability at elevated pressures // Tectonophysics. 1988. V. 149. P.181-186.

152. Crosson R.S., Lin J.W. Voight and Reuss prediction of anisotropy elasticity of dunite //Journal of Geophysical Research. 1971. V. 76. P. 570-578.

153. Darot M., Gueguen Y., Baratin M.L. Permeability of thermally cracked granite // Geophys. Res. Lett. 1992. V.19. P. 869-872.

154. Darot M., Reuschle Т. Acoustic wave velocity and permeability evolution during pressure cycles on a thermally cracked granite // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 2000. V.37. P. 1019-1026.

155. David C., Darot M., Jeannette D. Pore structures and transport properties of sandstone // Transport in Porous Media. 1993. V 11. P. 161-177

156. David C., Wong T-F, Zhu W, Zhang J Laboratory measurements of compaction-induced permeability change in porous rock: implications for the generation and maintenance of pore pressure excess in the crust. PAGEOPH. 1994. V.143. № 1/2/3 P. 425-456.

157. Digranes P., Kristoffersen Y., Karajev N. An analysis of shear waves observed in VSP data from the superdeep well at Kola, Russia // Geophys. J. Int. 1996. V.126. P.545-554.

158. Dipple G.M., Ferry J.M. Metasomatism and fluid flow in ductile fault zones // Contrib. Mineral. Petrol. 1992. № 112. P.149-164.

159. Dyke C. G. Core disking: its potential as an indicator of principal in situ stress directions / Rock at Great Depth. Ed. by Maury V., Fourmaintraux D. P. Rotterdam: Balkema. 1989. P. 1057-1064.

160. Emmerman R., Lauterjung R. The German Continental Deep Drilling Program KTB: Overview and major results // Journal of Geophysical Research. 1997. V. 102. P. 18179-18201.

161. Etheridge M.A., Cox V.J., Wall V.J., Vernon R.H. High fluid pressures during regional metamorphism and deformation: implication for mass transport and deformation mechanisms. Journal of Geophysical Research. 1984. V. 89. P. 4344-4358.

162. Fatt J., Davis D.H. Reduction in permeability with overburden pressure // Trans. AIME. 1952. №195. P. 329.

163. Faulkner D.R., Rutter E.H. Comparisons of water and argon permeability in natural clay-bearing fault gouge under high pressure at 20°C // Journal of Geophysical Research. 2000. V.105. № B7. P. 16415-16426.

164. Fischer G.J., Paterson M.S. Permeability and storage capacity during deformation at elevated temperatures / Fault Mechanics and Transport Properties of Rocks. St. Diego, CA.: Academic. 1992. P. 187-211.

165. Ganchin Y.V., Smithson S.B., Morozov I.B., Smythe D.K., Garipov V.Z., Karaev N.A., Kristofferson Y. Seismic studies around the Kola Superdeep Borehole, Russia //Tectonophysics. 1998. V. 288. P. 1-16.

166. Green, Т.Н. High pressure experimental studies on the mineralogical constitution of the lower crust // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1970. V. 3. P. 441-450.

167. Greenberg R.J., Brace W.F. Archie's law for rocks modeled by simple networks // Journal of Geophysical Research. 1969. V.74. P.2099-2102.

168. Haimson B.C., Lee M.Y. Borehole breakouts and core disking and their complementary roles as in situ stress indicators; an initial laboratory study // EOS Trans. Am. Geophys. Union. 1994. V.75. P. 677.

169. Heikamp S., Nover G. An Integrated Study on Physical Properties of a KTB Gneiss Sample and Marble from Portugal: Pressure Dependence of the Permeability and Frequency Dependence of the Complex Electrical Impedance // PAGEOPH. 2003. V. 160. P. 929-936.

170. Heiland J. Laboratory testing of coupled hydro-mechanical processes during rock deformation // Hydrogeology Journal. 2003. V.l 1. P.122-141.

171. Hench L.L., Clark D.E., Harker A.B. Nuclear waste solids // Journal of Material Science. 1986. V.21, № 5. P. 1457-1478.

172. Holt R.M. Permeability reduction induced by a non-hydrostatic stress field / SPE Formation Evaluation. 1990. P. 444-448.

173. Howard J.N., Nolen-Heeksema R.C. Description of natural fracture systems for quantitative use in petroleum geology // Am.Ass.Petr.Geol.Bull. 1990. V. 74. № 2. P. 151-162.

174. Huenges E. Profile of permeability and formation pressure down to 7,2 km / KTB report 93-2, Contributions to the 6. annual KTB-colloquium geoseientifie results. Ed. by Emmermann R., Lauteijung, J., Umsonst T. Giessen. 1993. P. 279-285.

175. Huenges E., Erzinger J., Kuck J., Engeser В., Kessels W. The permeable crust: Geo-hydraulic properties down to 9101 m depth// Journal of Geophysical Research. 1997. V. 102. P. 18255-18265.

176. Huenges E, Will G. Permeability and complex resistivity of crystalline rocks / Fluid Movements Element transport and the composition of the deep crust. Ed. by Bridgwater D. Kluwer Academic Publishers. 1989. P.361-375.

177. Ingebritsen S.E., Manning C.E. Geological implications of permeability-depth curve for the continental crust// Geology. 1999. V.27. № 12. P. 1107-1110.

178. Jermy C.A., Venter B.J. A simple apparatus for measuring the permeability of borehole core // Bulletin of the International Association of Engineering Geology. 1995. № 52. P.79-83.

179. Ji, S., Salisbury M.H. Shear wave velocities, anisotropy and splitting in high-grade mylonites // Tectonophysics. 1993. V. 221. P. 453-473.

180. John C.M.S. Repository design. // Underground Space. 1982. V. 6. January/April. P. 247-258.

181. Ito K., Tatsumi Y. Measurement of elastic wave velocities in granulite and amphibo- 4 lite having identical НгО-free bulk compositions up to 850°C at 1 GPa // Earth and

182. Planetary Science Letters. 1995. V. 133. № 3-4. P. 255-264.

183. Keaney G.M.J., Meredith P.G., Murrel S.A.P. Laboratory study of permeability evolution in a "tight" sandstone under non-hydrostatic stress conditions / Paper presented at the Eurock 96 in Trondheim, SPE/ISRM paper 47265. 1998. P. 329-335.

184. Kern H. Effect of high-low quartz transition on compressional and shear wave velocities under high pressure // Phys. Chem. Miner. 1982. V. 4. P. 161-167.

185. Kern, H. P- and S-wave anisotropy and shear-wave splitting at pressure and temperature in possible mantle rocks and their relation to the rock fabric // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1993. V. 78. № 3. P. 245-256.

186. Kern H., Liu В., Рорр Т. Relationship between anisotropy of P and S wave velocities and anisotropy of attenuation in serpentinite and amphibolite // Journal of Geophysical Research. 1997. V. 102. № B2. P. 3051-3065.

187. Kern H., Wenk H. R. Fabric-related velocity anisotropy and shear wave splitting in rocks from Santa Rosa mylonite zone, California // Journal of Geophysical Research.1990. V. 95. P. 11213-11223.

188. Klinkenberg L.J. The permeability of porous media to liquids and gases / Drilling and Production Practice. New York: American Petroleum Institute. 1941. P. 200 213.

189. Kranz R.L., Boon J., Bird G. Permeability changes during time- dependent deformation of silicate rock. // Geoph. Res. Lett. 1984. V. 11. № 10. P. 975 978.

190. Krauskopf K.B. Geology of high-level nuclear waste disposal // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 1988. V.16. P.173-200.

191. Lebedev, E.B., Kern, H. The effect of hydration and dehydration reactions on wave velocities in basalts // Tectonophysics. 1999. V. 308. № 3. P. 331-340.

192. Lebedev E.B., Ryzhenko B.N., Dorfman AM. et al. Influence of fluids on the elastic properties of sandstone at high pressure and temperature // Geophysical Research Letters. 1996. V. 23. № 22. P. 3115-3118.

193. Lebedev E.B., Zharikov A.V. Study of intergranular films and interstitial phases in geomaterials using high temperature centrifuge and ultrasonic method at high pressure // Physics and Chemistry of the Earth. 2000. V.25 №.2. P. 209-214.

194. Lehnhoff, T.F., Т.К. Stefansson and T.M. Wintczak, The core disking phenomenon and its relation to in-situ stress at Hanford, SD-BET-T1-885, Rockwell Hanford Operations. Washington. 1982.

195. Li Y., Schmitt D.R. Drilling-induced core fractures and in situ stress // Journal of Geophysical Research 1998. V.103. № B3. P. 5225-5239.

196. Lin C., Cohen M. H. Quantative methods for microgeometric modeling// J. Appl. Phys. 1982. V. 56. P. 4152-4165.

197. Lin W. Parametric analyses of the transient method of measuring permeability // Journal of Geophysical Research. 1982. V.87. № B2. P.1055-1060.

198. Malkovsky V.L, Zharikov A.V., Shmonov V.M. An important point in procedure of rock sample preparation for gas permeability study // Experiment in Geosciences. 2004 a. V.12. № 1. P. 32-35.

199. Malkovsky V.I., Zharikov A.V., Shmonov V.M. Influence of inflow and outflow conditions on the rock sample permeability measurements // Experiment in Geosciences. 2004 b. V. 12. №. 1. P. 35-37.

200. Manning C.E., Ingebritsen S.E. Permeability of the continental crust: implications of geothermal data and metamorphic systems // Rev. Geophysics. 1999. V.37. № l. p.127-150.

201. Matsushima, S. Partial melting of rocks observed by the sound velocity method and the possibility of a quasi-dry low velocity zone in the upper mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1989. V. 55. P. 306-312.

202. Mavko G.M. Velocity and attenuation in partially molten rocks // Journal of Geophysical Research. 1980. V. 85 P. 5173-5189.

203. Moore D.E., Morrow C.A., Byerlee J.D. Chemical reactions accompanying fluid flow through granite held in a temperature gradient. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1983. V. 47. P. 445 -453.

204. Moore D.E., Morrow C.A., Byerlee J.D. High-temperature permeability and groundwater chemistry of some Nevada test site tuffs // Journal of Geophysical Research. 1986. V.91, №-B2. P. 2163-2171.

205. Morita N., Gray K.E., Fariz A.A. Srouji, Jogi P.N. Rock-property changes during reservoir compaction // SPE Formation Evaluation. 1992. P. 197-205.

206. Morrow C.A., Lockner D. Permeability difference between surface-derived and deep drill hole core samples // Journal of Geophysical Research. 1994. V.21. P. 21512154.

207. Morrow C.A., Lockner D. Hickman S., Rusanov M., Rockel T. Effects of lithology and depth on permeability of core samples from the Kola and KTB drill holes // Journal of Geophysical Research. 1994. V. 99. P. 7263-7274.

208. Morrow C.A., Lockner D., Moore D.E., Byerlee J.D. Permeability of granite in a temperature gradient // Journal of Geophysical Research. 1981. V.86. № B4. P. 3002 3008.

209. Morrow C.A., Shi L.Q., Byerlee J.D. Permeability of fault gouge- under confining pressure and shear stress. // Journal of Geophysical Research. 1984. V. 89. № B5. P. 3193 -3200.

210. Morrow C.A., Zhang Bo-Chong, Byerlee J.D. Effective pressure law for permeability of Westerlee granite under cycling loading // Journal of Geophysical Research. 1986. V.91. № B3. P.3870-3876.

211. Nicolas A., Poirier J.-P. Crystallyne Plasticity and Solide State Flow in Metamorphic Rock. N.Y.: Willey. 1976. 444 p.

212. Norton D. Transport phenomena in hydrothermal system: the redistribution of chemical components around cooling magmas // Bull.Mineral. 1979. V.102. № 5/6. P.689-716.

213. Nur A., Simmons, G. The effect of saturation on velocity in low porosity rocks // Earth Planet. Sci. Lett. 1969. V.7. P. 183-193.

214. Obert L., Stephenson D. Stress conditions under which one disking occurs // Trans. Soc. Mining Eng. AIME. 1966. V.232. № 3. P. 227-233.

215. Oda M., Takemura Т., Aoki T. Damage growth and permeability change in triaxial compression tests of Inada granite // Mechanics of Materials. 2002. V. 34. № 6. P. 313-331.

216. Ohle L. The influence of permeability on ore distribution in limestone and dolomite // Economic Geology. 1951. V. 46. P. 667-706.

217. Paterson, M.S. Nonhydrostatic thermodynamics and its geological applications // Rev. Geophys. Space Phys. 1973. V. 11. P. 355-390.

218. Pros Z., Lokajicek Т., Prikryl R., Klima K. Direct measurement of 3D elastic anisot-ropy on rocks from the Ivrea zone (Southern Alps, NW Italy) // Tectonophysics. 2003. V. 370. №1. P. 31-47.

219. Reuschle Т., Gbaguidi Haore S., Darot M. Microstructural control on the elastic properties of thermally cracked granite // Tectonophysics. 2003. V. 370. № 1. P. 95104.

220. Rink M. Schopper J. R. Computation of network models of porous media //Geophys. Prospect. 1968. V. 16. P. 277-294.

221. Rojstaczen S., Wolf S. Permeability changes associated with large earthquakes: An example from Loma Prieta, California // Geology. 1992. V.20. № 3. P. 211-214.

222. Rootare H.M. Advanced Experimental Techniques in Powder Metallurgy // Ed. by Hirshom J.S., Roll K.H. New York: Plenum Press. 1970. 225 p.

223. Scheu, В., Kern, H., Spieler, O., Dingwell D.B. Temperature dependence of elastic P-and S-wave velocities in porous Mt. Unzen dacite // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2006. V. 153. № 1. P. 136-147.

224. Schulze О., Рорр Т., Kern H. Development of damage and permeability in deforming rock salt // Engineering Geology. 2001 .V. 61. № 2-3. P. 163-180.

225. Schutjens P., de Ruig H. The influence of stress path on compressibility and permeability of an overpressurised reservoir sandstone: some experimental data // Physics and Chemistry of the Earth. 1997. V. 22. № 1-2. P. 97-103.

226. Seeburger D. A., Nur A. A pore space model for rock permeability and bulk modulus // Journal of Geophysical Research. 1984. V. 89. № Bl. P. 527—536.

227. Shankland T.J., Waff H.S. Conductivity of fluid-bearing rocks. // Journal of Geophysical Research. 1974. V.79. P.4863-4868.

228. Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Rock permeability for the solution of the fluid transport problems // Experiment in Geosciences. 1992. V.l. № 1. P. 1-49.

229. Shmonov V.M., Vitivtova V.M., Zharikov A.V. Experimental and theoretical determination of the formation conditions for cracked fluid conducting systems under shock decompression // Experiment in Geosciences. 1995. V. 4. № 4. P. 56-57.

230. Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Zharikov A.V. Experimental study of seismic oscillation effect on rock permeability under high temperature and pressure // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1999. V.36. P. 405412.

231. Smithson S.B., Wenzel F., Ganchin Y.V., Morozov I.B. Seismic results at Kola and KTB deep scientific boreholes: velocities, reflections, fluids, and crustal composition // Tectonophysics. 2000. V. 329. P. 301-317.

232. Spencer J.W.Jr., Nur A. The effect of pressure, temperature and pore water on Westerly granite // Journal of Geophysical Research. 1976. V. 69. P. 1123.

233. Stormont J.C., Daemen J.K. Laboratory study of gas permeability changes in rock salt during deformation // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1992. V. 29. № 4. P. 325-342.

234. Summers R., Winkler K., Byerlee J. Permeability changes during the flow of water through Westerly granite at temperatures of 100-400°C. // Journal of Geophysical Research. 1978. V.83. № Bl. P.339 344.

235. Trimmer D.B., Bonner H.C., Duba A. Effect of pressure and stress on water transport in intact and fractured gabbro 'and granite // Journal of Geophysical Research. 1980. V.85.P. 7059-7071.

236. Uehara S., Shimamoto T. Gas permeability evolution of cataclastic fault gouge in tri-axial compession and implications for changes in fault-zone permeability structure through the earthquake sycle // Tectonophysics. 2004. V.378. P .183-195.

237. Vernik L., Hickman S., Lockner D., Rusanov M. Ultrasonic velocities in cores from the Kola superdeep well and the nature of subhorizontal seismic reflections // Journal of Geophysical Research. 1994. V. 99. P. 24209-24219.

238. Van Groos, A.F.K., Heege, J.R.T. The high-low quartz transition up to 10 kilobars pressure // J. Geol. 1973. V. 81. P. 717-724.

239. Walsh J.B. Effect of pore and confining pressure on fracture permeability // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1981. V. 18. P.429-435.

240. Wang J.S.Y., Mangold D.C., Tsang C.F. Thermal Impact of Waste Emplacement and Surface Cooling Associated with Geologic Disposal of High-Level Nuclear Waste // Environmental Geology and Water Sciences. 1989. V.l 1. № 2. P. 183-239.

241. Wang H.F., Bonner B.P., Carlson S.R., Kowallis B.J., Heard H.C. Thermal stress cracking in granite. Journal of Geophysical Research. 1989. V.94. № B2. P. 1745 1758.

242. Wang Q., Ji S., Salisbury M.H., Xia В., Pan M., Xu Z. Pressure dependence and anisotropy of P-wave velocities in ultrahigh-pressure metamorphic rocks from the Dabie-Sulu//Tectonophysics. 2005. V. 398. № 1. P. 67-99.

243. Wong, T.-F., Brace, W.F., 1979. Thermal expansion of rocks: some measurements at high pressures. Tectonophysics, 57: 95-117.

244. Wiberley C.A.J., Shimamoto T. Internal structure and permeability of major strike-slip fault zones: the Median Tectonic Line in Mie Prefecture, Southwest Japan // Journal of Structural Geology. 2003. V.25. P.59-78.

245. Wolter K.E., Berckhemer H. Time dependent strain recovery of cores from KTB -deep bore hole // Rock Mech. and Rock Eng. 1989. V. 22. P. 273-287.

246. Wood В.J., Walther J.V. Fluid flow during metamorphism and its implications for fluid-rock ratios. / Fluid Rock Interactions During Metamorphism / Ed. by Walther J.V., Wood B.J. New York: Shpringer-Verlag. 1986. P. 89-108.

247. Wyllye M.R.J., Gardner J.H.F., Gregory A.R. Some phenomena pertinent to velocities logging. // J.P.T. 1961. July. P. 629 636.

248. Wyllie M.R.J., Gregory A.R., Gardner L.W., Gardner G.H.F. An experimental investigation of factor effecting elastic wave velocities in porous media. // Geophysics. 1958. V.27. P.459-493.

249. Zaraisky G.P., Balashov V.N. Thermal decompaction of rock / Fluids in the Crust. Equilibrium and transport properties. Ed. by Shmulovich K.I., Yardley B.W.D., Gon-char G.G. London: Chapman & Hall. 1995. P. 253-284.

250. Zang M., Lienert J., Zinke , Berckhemer H. Residual strain, wave speed and crack analysis of crystalline cores from the KTB-VB well // Tectonophysics 1996. V. 263. P. 219-234.

251. Zhang S., Paterson M.S., Cox S.F. Porosity and permeability evolution during hot isostatic pressing of calcite aggregates // Journal of Geophysical Research. 1994. V.99. P. 15741-15760.

252. Zharikov A.V., Malkovsky V.I., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Rock sample permeability at high temperature and pressure: implication to high level waste disposal / Geophysical Research Abstracts. 2002. V. 4. EGS02-A-02651.

253. Ed. by Harvey P.K., Brewer T.S., Pezard P.A. & Petrov V.A. 2005. V. 240. P. 153164.

254. Zharikov A.V., Malkovsky V.I., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Technique and equipment for determination of rock sample permeability / Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 06279,2005, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-06279.

255. Zharikov A.V., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Experimental study of rock permeability temperature and pressure: implication to continental crust // Geophysical Research Abstracts. 2005. V. 7. 04318, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-04318

256. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V.M. Permeability of rocks at pressure-temperature cycling / Proceedings of the Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Annales Geophysicae. 1995. Supplement 1 to V. 13. P. C108.

257. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V.M. Permeability of amphibolite samples from the Kola (Russia) and KTB (Germany) superdeep drill holes at high temperature and pressure // Geophysical Research Abstracts. 2002. V.4. EGS02-A-03891.

258. Zienkiewicz O.C., Morgan K. Finite elements and approximation. N.Y.: John Wiley & Sons. 1983.

259. Zoback M.D., Byerlee J.D. Permeability and effective stress // Am. Assoc. Petrol. Geol. Bull. 1975 a. V. 59. P. 154-158.

260. Zoback M.D., Byerlee J.D. The effect of microcrack dilatancy on the permeability of Westerley Granite // Journal of Geophysical Research. 1975 b. V. 80. № 5. P. 752755.

261. Zoth G. Temperature measurements in the 6000 m logging campaign in the KTB-Oberpfalz HB / Ed. by Emmermann R., Lauteijung J., Umsonst T. KTB Report 93-2. Contributions to the 6 annual KTB -colloquium. Geoscientific results. Giessen. 1993. P. 215-218.

Информация о работе

Жариков, Андрей Виленович
доктора технических наук
Москва, 2009
ВАК 25.00.10

Диссертация

Влияние высоких температур и давлений на микроструктуру, фильтрационные и упругие свойства кристаллических пород - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы