ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 5, с. 459-470
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 624.131.4:552.3
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ВУЛКАНИТОВ КОШЕЛЕВСКОГО ВУЛКАНА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ (ПО ДАННЫМ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ)
© 2013 г. В. В. Шанина*, К. М. Герке**,***, А. Ю. Бычков*, Д. В. Корост*
* Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, Ленинские горы, д. 1, Москва, 119991 Россия. E-mail: viosha@mail.ru ** Институт динамики геосфер РАН, Ленинский просп., д. 38, корп.1, Москва, 119334 Россия. E-mail: cheshik@yahoo.com *** CSIRO Land and Water, Waite Laboratories, PB2 Glen Osmond SA, 5064 Australia
Поступила в редакцию 31.05.2012 г. После исправления 15.01.2013 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния состава растворов, температуры и давления на изменения состава, строения и свойств вулканитов Кошелевского вулкана при гидротермальных процессах. С применением стандартных методик изучения физических и физико-механических свойств скальных грунтов, компьютерной рентгеновской микротомографии (р.СТ) и pore-scale моделирования показано влияние первичных особенностей пород на изменение их фильтрационных, деформационных и прочностных характеристик.
Ключевые слова: свойства грунтов, компьютерная рентгеновская микротомография, гидротермальные процессы, андезиты, базальты, Камчатка, Нижне-Кошелевское термальное поле, моделирование условий.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время приоритетное значение имеет развитие возобновляемых источников энергии, одним из которых является тепло, содержащееся в недрах Земли. Это особенно актуально в областях развития активного вулканизма, где сложно добывать или доставлять традиционные источники энергии [32, 35, 38]. При современных методах разработки ресурсов (закачка отработанных термальных вод в резервуар) привлекательность добычи геотермального тепла обусловливают экономическая эффективность и надежность наряду с экологической безопасностью для атмосферы и естественных водоемов. В мире уже несколько десятилетий в связи со строительством геотермальных электростанций проводится изучение состава, строения и свойств гидротермально измененных вулканогенных и вулканогенно-осадочных пород [9, 18, 24-28]. Однако лишь небольшое число исследователей обращает внимание на тот факт, что эти особенности пород постоянно меняются в режиме реального времени, а это может негативно сказаться на эксплуатации геотермальных месторождений. Строительство новых и модернизация
действующих геотермальных электростанций расширяют научную базу исследований гидротермальных процессов и ставят вопрос о возможности проведения натурных экспериментов. В середине прошлого века начали появляться статьи, посвященные экспериментам, направленным на изучение преобразований минералов [41, 43] и пород [7, 11, 12, 16, 23, 30, 34, 36] под действием гидротермальных процессов. Но лишь единичные исследователи оценивали при этом изменение их физических и физико-механических свойств. Развитие науки и технологий приводит к созданию и использованию все более совершенных методов исследования состава, строения и свойств пород, например, рентгеновской компьютерной микротомографии (цСТ) и pore-scale моделирования [4, 5, 13, 15, 45]. Особая привлекательность компьютерной микротомографии связана с тем, что это метод неразрушающего анализа, который позволяет изучить один и тот же образец до (исходный) и после автоклавного моделирования гидротермальных процессов (измененный). Цель нашей работы - выявить закономерности изменения вулканогенных пород под воздействием вод
различного состава при высоких температурах и давлениях в ходе лабораторных экспериментов (смоделировать условия гидротермальных преобразований) с параллельным использованием стандартных методик изучения физических и физико-механических свойств скальных грунтов и компьютерной микротомографии на примере вулканитов Кошелевского вулкана (Южная Камчатка).
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Эксперименты выполнены на кафедре инженерной и экологической геологии и кафедре геохимии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с использованием автоклавов, состоящих из титанового сплава ВТ-8 объемом 67-119 мл, в каждый из которых помещалось от 2 до 6 подготовленных образцов пород изученного состава и свойств. Закрытые автоклавы выдерживались при 300 °С в печи. Температура регулировалась с помощью ОВЕН ТРМ-10, с точностью +1 °С, и контролировалась термопарами. Давление определялось коэффициентом заполнения автоклава. После проведения экспериментов автоклавы охлаждались проточной водой и раскрывались. В закалочных растворах измерялись значения водородного показателя кислотности рН с помощью стеклянного электрода и иономера "Эксперт-001".
Минеральный состав исследуемых вулканогенных пород определялся в шлифах при помощи поляризационного микроскопа Olympus BX 41 и в лаборатории локальных методов исследования вещества с использованием микроскопа "Jeol JSM-6480LV". В ходе изучения происходивших изменений были сделаны фотографии исходных и измененных пород, а также наиболее характерные микрофотографии шлифов.
Для изучения физических и физико-механических свойств пород образцы до проведения экспериментов подготавливались (разрезались на камнерезном станке на прямоугольные параллелепипеды и шлифовались), после чего проводилось определение плотности грунта и его твердой компоненты, общей пористости, открытой пористости, водопоглощения, гигроскопической влажности, скоростей прохождения упругих волн (продольных и поперечных в сухом состоянии и продольных в водонасыщенном состоянии), динамического модуля упругости, коэффициента Пуассона, магнитной восприимчивости, прочности на одноосное сжатие. Все работы выполнялись в соответствии со стандартными методика-
ми изучения физических и физико-механических свойств скальных грунтов, описанными в различных учебных и методических пособиях [10, 14, 19] и нормативных документах [6].
Для максимально подробного исследования порового пространства пород был применен метод компьютерной рентгеновской микротомографии (цСТ). Исследование проводилось на сканере Skyscan1172 на кафедре геологии и геохимии горючих ископаемых геологического факультета МГУ при напряжении 100 кВ и силе тока 100 мкА. Разрешение съемки для всех образцов составляло 6.71-7.01 мкм. В процессе сканирования объект вращается вокруг своей оси, за счет чего накапливается пакет изображений из сотен теневых проекций, из которых после математической реконструкции получается стек двухмерных изображений (рис. 1а,б) [44]. При помощи специализированного программного обеспечения можно построить любое сечение образца или, объединив сечения вместе, получить его объёмную компьютерную модель. Для сегментации (бинаризация по среднему значению между пиками гистограммы интенсивности), получения объемных изображений (рис. 1в,д) и некоторых количественных оценок полученные картины рентгеновской плотности обрабатывались в программах компании SkyScan и ImageJ. С помощью специально разработанных программных комплексов [4] из отсегментированного пустотного пространства были выделены сеточные модели, где с помощью кластеризации вписанных сфер [33, 40] выделялись крупные образования - поры (pore bodies) и соединяющие их каналы (pore throats) (рис. 1г,е). Помимо общей статистики распределения пор по размерам на основе выделенной модели рассчитывались абсолютные проницаемости и электрические свойства образцов. В первом случае считая, что образец полностью насыщен флюидом, задается перепад давления. Поток рассчитывается согласно гидравлическим радиусам каналов (по которым рассчитывается гидравлическая проводимость), а проницаемость определяется согласно закону Дарси. Параметр пористости (formation factor) рассчитывается аналогично, заменяя поток на силу тока, градиент давления на градиент напряжения, а гидравлическую проводимость - на электрическую [37].
Было проведено три лабораторных эксперимента при температуре 300 °С и давлении 86 бар продолжительностью 30 сут., в ходе которых исследовано 162 образца вулканогенных пород. Температура, при которой проводились эксперименты, была выбрана с учетом знаний
Рис. 1. Изображения образцов базальтов в ортогональных сечениях (неизмененные образцы: а - НК-100-1-34, б - НК-100-1-32); в - визуализация расположения тяжелых минералов в образце шлака НК-102-30; г - сеточная модель пустотного пространства для того же образца; д - визуализация строения порового пространства образца базальта НК-100-1-32; е -сеточная модель пустотного пространства для того же образца.
о природных условиях Нижне-Кошелевского гидротермального месторождения (глубинная температура 291 °С, определена №-К-Са-геотер-мометром [23]). Давление во время опытов создавалось исходя из объемов образцов и растворов и коэффициента заполнения автоклава при данных
температурах (К = 0.65), который был подобран по литературным данным [21]. При проведении высокотемпературных опытов было невозможно напрямую измерить параметры контактирующего раствора, поэтому определяли рН после экспериментов (рН 7.6-7.7). Эксперименты про-
Таблица 1. Состав природного раствора НК-2, использованного в экспериментах
Параметры
Содержание, мкг/л
рН минерализация (ррг), г/л Li Rb Бг Ва Мм А1 Р Са V Мп Fe Zn
5.9 0.1 3 4 37 10 1900 109 174 10100 2 2 31 29 2
водились в пробах термальных вод, отобранных на Нижне-Кошелевской термоаномалии (раствор НК-2 (рН = 5.9, табл. 1)) и для изучения влияния рН растворов на изменение состава, строения и свойств пород в растворах "щелочной" и "углекислый". Состав первого искусственного гидротермального раствора (№С1 0.499 г/л, №НС03 0.142 г/л, К2Б04 0.068 г/л; рН = 8.2) был выбран3 по литературным источникам [29]. Для создания раствора "углекислый" в исходный "щелочной" добавляли щавелевую кислоту (С2Н204), которая в условиях эксперимента разлагалась с образованием углекислоты, для доведения содержания СО2 до 10 моль/% (5.5 моль/кг). При активизации вулканической деятельности отмечается увеличение кон
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.