ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 4, с. 88-93
УДК 552.323+552.5+552.08
ПЛОТНОСТИ ГИДРОТЕРМАЛЬНО-ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОД ВУЛКАНА БАРАНСКОГО (о. ИТУРУП) ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКИХ Р-Т
© 2004 г. А. Я. Салтыковский1, Н. И. Дьяур1, Р. М. Насимов1, Ю. В. Фролова2, В. М. Ладыгин2, Ю. С. Геншафт1, А. В. Матвеев1
Объединенный институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Поступила в редакцию 26.12.2002 г.
С целью изучения плотностных характеристик гидротермально-измененных пород был использован керновый материал (преимущественно туфы) из глубоких скважин, пробуренных на склонах вулкана Баранского (о. Итуруп). Эксперименты проводились в открытой флюидной системе с использованием аппарата высокого давления типа "чечевица". Образцы туфов, упакованные в ячейку из №0, нагружались до давлений 1.5-1.7 ГПа и выдерживались 1-2 часа при температуре 400°С. Изменение плотности туфов после воздействия высоких Р и Т объясняется главным образом необратимыми деформациями порового пространства пород. Разность между минералогической плотностью и плотностью туфов после эксперимента показала, что часть пористости восстанавливается в результате разгрузки напряжения. Действие высокотемпературных процессов в природных условиях снизило эффект уплотнения туфов при высоких Р-Т-условиях эксперимента. Полученные данные имеют важное значение при интерпретации сейсмических данных в областях перехода от океана к континенту.
ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть разреза верхней земной коры сложена вулканогенными и осадочными породами, мощность которых меняется в широких пределах - от сотен метров на древних щитах до 10 и более километров - в осадочных прогибах и бассейнах. Поэтому знание физических свойств вулканогенно-осадочных пород в изменяющихся Р-Т-условиях чрезвычайно важно при интерпретации геофизических (особенно сейсмических и гравиметрических) данных и при различных тектонических и геодинамических реконструкциях. Среди глубинных пород кристаллического фундамента выделяют первично-магматические (ор-топороды) и первично-осадочные породы (пара-породы), метаморфизм которых зачастую затушевывает их исходную природу. Под действием высоких Р-Т-параметров в глубинных условиях земной коры, особенно в ее нижней части, происходит значительное изменение петрофизических характеристик пород осадочного чехла в ходе их погружения (особенно в зонах перехода континент-океан, в областях островных дуг); чаще всего наблюдается уплотнение вулканогенно-осадочных пород и возрастание скоростей упругих сейсмических волн. Обратный процесс, связанный с поднятием и последующей эрозией, выводит на дневную поверхность или в близповерхностные горизонты земной коры глубоко метаморфизо-ванные породы, которые могут испытывать ди-
латансионное разуплотнение при снятии напряжений и понижение упругих характеристик. Экспериментальные лабораторные исследования являются простейшим путем получения информации об изменении петрофизических свойств горных пород в изменяющихся Р-Т-условиях.
КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА
В предлагаемой работе приводятся результаты изучения плотности (р) туфогенных пород, отобранных из хорошо изученного кернового материала скважны № 54 и частично скв. 50 (в 20 км от скв. 54) вулкана Баранского на острове Итуруп. Детальное описание этого вулкана и гидротермальной системы, которая там широко проявлена, дано в работах [Рычагов, 1993; Рычагов и др., 1993; 1994]. Это молодой андезитовый вулкан, расположенный в центре среднепозднеплей-стоценовой (?) кальдеры Кипящей, причем сама кальдера наложена на вулканосводовое поднятие хр. Грозного, протягивающегося в Курило-Кам-чатском направлении.
Основание разреза примерно до 1200 м от дневной поверхности сложено псефопсаммито-выми и агромератовыми туфами андезитового состава, лавами андезитов и андезитобазальтов неогена. Интрузивные магматические тела представлены дайками и силлами андезитобазальтов
ПЛОТНОСТИ ГИДРОТЕРМАЛЬНО-ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОД Плотностные характеристики исходных и испытанных туфов*
Номер обр.
Возраст
Н, м Кп, % Рисх, г/см3 Рм, г/см3 РРТ, г/см3 Арехр, % Р м -РPT, г/см
32 38.4 1.57 2.55 2.17 38.1 0.38
39.5 19.9 2.09 2.61 2.53 21.0 0.08
62.5 36.4 1.68 2.64 2.09 24.4 0.55
87.5 22.6 2.19 2.83 2.33 6.3 0.50
175 16.7 2.25 2.7 2.35 4.4 0.35
341 38.3 1.74 2.82 2.46 41.1 0.36
344 30.9 1.97 2.85 2.30 16.9 0.55
509 19.3 2.22 2.75 2.48 11.8 0.27
566 13.4 2.46 2.84 2.60 5.9 0.24
670 17.5 2.31 2.8 2.43 5.4 0.37
1041 21.4 2.24 2.85 2.48 10.8 0.37
1133 12.1 2.46 2.8 2.46 0.0 0.34
979 47.8 1.51 2.89 2.79 85.1 0.10
1245 23.0 2.24 2.91 2.30 2.7 0.61
1513 21.0 2.14 2.71 2.67 24.6 0.04
02-04
N2 -Ох
^рг
Примечание: Н, м - глубина отбора; Кп, % - пористость исходных образцов; рис1 ■ ральная плотность; ррТ - плотность после воздействия Р и Т; реХр - приращение минеральной плотностью и плотностью после воздействия высоких Р-Т-условий. * обр. 5-152 и 54-19 - туфо-алевролиты.
- плотность плотности
исходных образцов; рм - мине-5 %; Рм - Ррт - разность между
3
и базальтов мощностью 0.5-17.0 м, экструзиями андезитодацитового состава, межпластовыми маломощными (1-5 м) линзами диоритов-микродиоритов.
Породы, вмещающие гидротермальную систему, с различной степенью интенсивности изменены гид-ротермально-метасоматическими процессами. Основание разреза сложено средневысокотемператур-ными пропилитами кварц-хлорит-альбит-слюдистого состава с эпидотом, цеолитами, карбонатами, сульфидами. Разрез завершается опал-каолинит-алунитовыми породами зоны сернокислотного выщелачивания и смектизированными низкотемпературными пропилитами. Водоупорные свойства метасоматитов усиливают выполнение новейших пор и микротрещин тридимитом [Рычагов и др., 1994].
Образцы горных пород представлены кернами из двух скважин на склоне вулкана Баранского (о. Итуруп). Скважина 54 прошла гидротермальную систему, а скважина 50 находится примерно в 20 км от нее. По первой из них экспериментально исследовано 12 образцов с интервала глубин от 32 до 1133 м, а по скважине 50 - 3 образца, отобранных с глубин 779-1513 м. Ниже приводится краткое описание исходных образцов горных пород.
ОПИСАНИЕ ОБРАЗЦОВ
По возрасту экспериментально испытанные образцы из скважины 54 можно разделить на три группы (четвертичные и неогеновые образования). К первой группе принадлежат наиболее молодые породы, отобранные с глубин не более 200 м; это четвертичные породы (б2-б4), представленные в верхних частях (32, 39.5 и 62.5 м) туфами мелкопсефитовыми и псамитовыми дацитового состава, а в нижних (87.5 и 175 м) - псефитовыми и псаммитовыми андезито-дацитовыми туфами (таблица).
Образец 54-1 отобран из зоны опалитов, где туфы полностью выщелочены и замещены опалом (псевдоморфозы), ожелезнены и обладают высокой пористостью. В основной массе породы отмечается большое количество иголочек триди-мита. Образец 54-3 - представлен практически неизмененным туфом, который залегает под потоком андезито-базальтов. Для туфа 54-5, взятого из опал-каолинитовой зоны, характерны свежие, практически неизмененные обломки плагиоклаза и пироксена, а основная маса замещена опалом и глинистым веществом. Эти три образца располагались в зоне сернокислотного выщелачивания. В целом для этих туфов характерны низкие исходные плотности (1.64-1.77 г/см3), а также низкие пределы прочности на одноосное сжатие (28-62 МПа).
Вторая группа пород относится к верхненео-
з
геновому-нижнечетвертичному (И2 ~011Ь) возрасту. Два образца (54-152 и 54-19) представлены туфо-алевролитами из осадочной толщи и имеют плотность 1.74 и 1.97 г/см3; они имеют низкую прочность на одноосное сжатие (21 и 17 МПа) и высокую степень переработки в зоне низкотемпературных аргиллизированных пропилитов. Главные вторичные минералы представлены гидрослюдой - монтмориллонитом и кальцитом. У этих пород пористость составляет 38.3 и 30.9% соответственно. Два образца из этой группы (54-23 и 54-112) отобраны ниже по разрезу из однородных по составу туфоконгломератов. Пористость в этих образцах составляет 19.3 и 17.5%. При этом образец 54-23 отобран вблизи контакта с дайкой (лавой) андезита, из зоны средне-высокотемпературных пропилитов и интенсивно переработан, хотя первичная обломочная структура прослеживается четко. Вторичные минералы представлены ло-монтитом, вайкаритом, хлоритом, кварцем, лей-коксеном. Образец 54-112 располагался в зоне вскипания гидротерм. Помимо интенсивного брекчирования и микробрекчирования эти туфы практически полностью окварцованы. В них содержится большое количество эпидота и адуляра. У образца 54-23 прочность составляет 56 МПа, а у туфа 54-112 прочность равна 150 МПа.
Образцы третьей возрастной группы взяты с глубин 670, 1041 и 1133 м и относятся к средненео-геновым отложениям (№рт). Толща состоит из туфов андезито-базальтов с маломощными прослоями андезитов и андезито-базальтов, которые более длительное время испытывали влияние давления и высоких температур, при сравнении с перекрывающими их породами. Испытанные образцы (54-670 и 54-1041) являются массивными псефитовыми пестроцветными туфами. Их начальные плотности составляли 2.31 и 2.24 г/см3 соответственно. Образец 54-670, хотя и отобран с значительно меньшей глубины, чем 54-1041, отличается от первого тем, что он находился в прогретой толще зоны высокотемпературного про-пилита с большим количеством пренита. Из вторичных минералов в породе наблюдаются кварц, кальцит, пирит. Цемент брекчий глинизирован. Образец 54-1041 находился в зоне высокотемпературных пропилитов, и в трещинах этой породы фиксировалась ассоциация вторичных минералов, представленная кварц-эпидот-адуляр-вайка-рит-пренитом с сульфидами.
Образец 54-1133 отобран из зоны вторичных кварцитов с максимальной глубины (1133 м), где метасоматические процессы проходят в особых температурных условиях (температуры около 300-400°С, а, возможно, и более высокие). Образец находился в зоне эпидозит-кварцевых пропилитов, где из вторичных минералов отмечено по-
явление граната, в изобилии встречаются кварц и пирит.
Из скважины 50 испытаны образцы т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.