УДК 553:551.1
ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ГЛУБИНЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПО ДАННЫМ О ДАВЛЕНИИ МИНЕРАЛООБРАЗУЮЩИХ ФЛЮИДОВ © 2015 г. В. Ю. Прокофьев, А. А. Пэк
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 35 Поступила в редакцию 18.08.2014 г.
Для ориентировочной оценки глубины формирования гидротермальных месторождений в статье предлагается использовать данные об интервале изменения давления во флюидных включениях от их максимальных Ртах до минимальных Рт1п значений с учетом ограничений на физически предельные значения этого интервала, определяемые величинами литостатического и гидростатического давления флюидов. В предположении о регрессивном тренде изменения термобарических условий за всю геологическую историю формирования месторождений, по значению Ртах, используя лито-статический градиент давления флюидов (~260 бар/км), можно оценить минимальную начальную глубину минералообразования, по значению Ртп, используя гидростатический градиент (~100 бар/км) — максимальную глубину завершения процесса. Если глубина минералоотложения по значениям Ртах и градиенту литостатического давления флюидов совпадает с оценкой глубины по значениям Ртп и градиенту гидростатического давления флюидов, то полученные оценки глубины отвечают неизменной в течение всего процесса минералоотложения глубине формирования месторождения. Если отношение Ртах/Ртт > 2.6—3.0, то формирование минерального комплекса месторождения происходило в подвижных координатах глубины с восходящим перемещением уровня минералоотложения, по полученным оценкам, до >15 км. При величине отношения Ртах/Ртш < 2.6 данные об интервале изменения давления флюидов не позволяют сделать какие-либо определенные заключения о трендах изменения глубины формирования месторождений. Для месторождений с восходящим перемещением области минералоотложения тренды изменения глубины по данным о давлении флюидов качественно согласуются с данными о минимальной температуре 7"т1п, зафиксированной во флюидных включениях месторождений, в предположении о ее физическом ограничении значениями фонового геотермического поля.
Б01: 10.7868/80016777015010049
ВВЕДЕНИЕ
В поле тяготения Земли давление флюидов в общем случае систематически возрастает с глубиной. Поэтому данные о давлении минералообра-зующих флюидов, получаемые, главным образом, при изучении флюидных включений, логично интерпретировать как индикатор глубины формирования гидротермальных месторождений. Однако обоснование такой интерпретации представляет собой нередко весьма сложную проблему, для решения которой необходимо привлечение всего комплекса сведений о геологической истории рудовмещающего блока земной коры.
Исследование флюидных включений дает количественную информацию о давлении флюидов в минералообразующих системах (Ермаков, Долгов, 1979; Калюжный, 1982; Реддер, 1987; Мельников и др., 2008; и др.). Аналитические обобщения собственных исследований и обширной базы
Адрес для переписки: В.Ю. Прокофьев. E-mail: vpr@igem.ru
литературных данных по изучению флюидных включений в минералах регулярно публикуются В.Б. Наумовым с соавторами (Наумов, Наумов, 1980; Наумов, Коваленко, 1986; Наумов и др., 1997; Наумов и др., 2009; и др.). В публикации 2009 г. приведена огромная систематизированная информация, обобщающая опубликованные в мировой литературе к началу 2008 г. (более 17500 публикаций) результаты изучения основных физико-химических параметров природных минералообра-зующих флюидов (температура, давление, плотность, соленость водных растворов, газовый состав флюидов). Выборка данных, в которых получены сведения о давлении флюидов, включает более 5400 определений. Максимальные давления, превышающие 10 кбар, зафиксированы в минералах магматических и метаморфических пород во флюидных включениях плотных газов, в составе которых преобладает СО2. Эти значения давления авторы интерпретируют, исходя из представления о литостатическом давлении минерало-образующего флюида, что приводит к оценке па-
леоглубины захвата высокобарических включений ~35—40 км.
Высокие значения давления, нередко превышающие 2 кбар, устанавливаются также для мине-ралообразующего флюида многих гидротермальных месторождений. При этом авторы пишут, что "...во многих случаях, когда по геологическим данным были оценены глубины в период рудооб-разования, а по включениям в минералах удавалось определить давления, то оказывалось, что реальные значения давления значительно превосходят величину не только гидростатической, но даже литостатической нагрузки" (Наумов и др., 2009, с. 837). Однако предположение о сверхлито-статическом давлении гидротермальных флюидов должно быть согласовано с представлениями о физических ограничениях на возможные вариации флюидного давления в земной коре. В то же время проблема интерпретации данных о давлении минералообразующих флюидов, определяемых по флюидным включениям в минералах гидротермальных месторождений, более широка и заключается в возможности их использования как показателя палеоглубины минералообразования.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ НА МАКСИМАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ ФЛЮИДОВ
Основной динамической предпосылкой формирования гидротермальных месторождений является конвективный массоперенос рудных компонентов рудотранспортирующими растворами. Движение флюидов в подземном пространстве происходит по системам взаимосвязанных поро-вых и трещинных каналов, поэтому его принято обозначать термином фильтрация. Понятие фильтрации представляет процесс конвекции как поток флюида, отнесенный ко всей площади его поперечного сечения, включая порово-трещин-ные каналы и минеральный скелет породы. Согласно основному линейному закону фильтрации, известному как закон Дарси, скорость движения флюидов в трещинно-пористой среде определяется соотношением во флюидной системе градиентов давления, которые вызывают движение флюидов, и сил сопротивления движению, определяющими параметрами которых являются флюидопроницаемость среды и вязкость флюида. С учетом влияния силы тяжести выражение для закона Дарси может быть записано в виде (Marsi-ly, 1986; Manning, Ingebritsen, 1999):
v = - - grad(Pf - Pf gz), И
(1)
плотность флюида; g — ускорение силы тяжести; г — глубина.
Поскольку гидротермальные месторождения образуются, как правило, восходящими потоками гидротерм, давление Рг рудообразующих флюидов должно превышать гидростатическое давление Рн = ргgz на глубине формирования месторождения. Соответственно, в качестве оценки минимального значения давления флюидов в гидротермальной рудообразующей системе может быть принята величина гидростатического давления:
Pf (min) _ р fgz
(2)
где V — скорость фильтрации; Р{ — давление флюида; к — проницаемость, мера флюидопроводящей способности среды; ц — вязкость флюида; рг —
Превышение давления флюидов над гидростатическим давлением в восходящем потоке гидротерм (Р{ - р{gz), однако, не может быть произвольно большим. Когда давление флюидов достигает некоторого критического значения, в породном массиве образуются микро- и/или макротрещины гидроразрыва. Обусловленное их появлением увеличение проницаемости препятствует дальнейшему повышению флюидного давления в системе флюид—порода и тем самым "лимитирует максимальное давление флюидов, которое может развиться в гидротермальных системах" (Сох, 2005, с. 52).
Основными параметрами, определяющими значение давления флюидов, при котором происходит образование трещин гидроразрыва, являются напряженное состояние и прочность флюи-донасыщенного породного массива. В механике сплошной среды напряженное состояние материала описывается тензором напряжений с тремя взаимно перпендикулярными осями главных нормальных напряжений. В геодинамике в качестве "стандартной" (Шейдеггер, 1987) модели напряженного состояния в земной коре принимается прямоугольная система координат, в которой одно из главных напряжений, отвечающее вектору силы тяжести, является вертикальным, а два другие — горизонтальными. Считая напряжения сжатия положительными величинами, главные нормальные напряжения в последовательности уменьшения их величины принято обозначать символами: ст1 > ст2 > ст3, где ст1 — максимальное, ст2 — промежуточное и ст3 — минимальное сжимающие напряжения.
Образование в породном массиве трещин гидроразрыва происходит, когда давление флюидов достигает значения, отвечающего суммарной величине минимального сжимающего напряжения ст3, воздействующего на минеральный каркас породы, плюс прочность породы Т на растяжение. Таким образом, значение максимального давления ру-
дообразующих флюидов ограничено соотношением (Secor, 1965; Phillips, 1972; Файф и др., 1981):
(3)
Pf (max) — ст3 + T
Для количественной оценки предельных значений давления флюидов следует задаться значениями параметров в уравнениях (2) и (3). При осредненной по интервалу 0—z плотности флюидов р f = 1.0 г/см3 минимальное значение давления по условию (2) равно
Pf (min) = Р f gz = 100z, (2a)
где Pf (min) выражено в барах, z — в км.
Для оценки максимального давления по условию (3) нужно задаться значениями ст3 и T. При этом для сравнительной оценки ст3 удобно использовать вертикальное главное напряжение av, которое в общем случае в земной коре практически равно весу вышележащих пород, т.е. литоста-тическому давлению av ~ PL = pr gz, где рг — осред-ненная по глубинному интервалу 0—z плотность флюидонасыщенных пород (Файф и др., 1981; Киссин, 2009). Соотношение значений av и ст3 зависит от вида напряженного состояния породного массива. В структурной геологии в качестве основных типов разрывных структур традиционно выделяются сбросы, сдвиги и взбросы (Ситтер, 1960). В геодинамике (Тёркот, Шуберт, 1985) их образованию отвечают три главных типа напряженного состояния геологической среды, соотношение которых с вертикальным главным напряжением av определяется условиями: при образовании сброса ст1 = 0v > g2 > g3, сдвига — ст1 > av = = g2 > а3, взброса — ст1 > а2 > av = а3. Таким образом, значение минимального сжимающего напряжения ст3 при образовании тектонических разрывных
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.