ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2008, том 50, № 2, с. 99-126
УДК 621.039:754.716
ТЕКТОНОДИНАМИКА ФЛЮИДОПРОВОДЯЩИХ СТРУКТУР И МИГРАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В МАССИВАХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД
© 2008 г. В. А. Петров*, М. Леспинас**, Й. Хаммер***
*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 35 **Университет Нанси-1, UMR 7566 G2R 54506, BP 239, Вандувр-ле-Нанси, Франция ***Федералъное ведомство по геонаукам и природным ресурсам (БГР) 30655, Стиллвег, 2, Ганновер, Германия Поступила в редакцию 28.06.2007 г.
Рассмотрены основные подходы к реконструкции условий и путей миграции флюидных растворов в массивах кристаллических пород. Обсуждается пространственно-временная взаимосвязь между полями напряжений, хрупкими деформациями пород и процессами миграции радионуклидов. Основное внимание уделено определению стадийности тектонических событий, условий циркуляции флюидов и последовательности уранового минералообразования с использованием комбинации полевых и лабораторных структурно-геологических, тектонофизических, петрофизических, петрографических, минералого-геохимических, микроструктурных, микротермометрических и радиографических методов исследований. На примере урановорудных объектов в массивах пород кислого состава показано, что комплексный анализ тектонодинамики флюидопроводящих структур и процессов миграции радионуклидов необходим для определения процессов локализации и перераспределения уранорудных концентраций, РГ-условий уранового рудообразования и прогноза долговременной безопасности изоляции радиоактивных отходов в кристаллических породах.
ВВЕДЕНИЕ
Оценка динамики изменения трещинной проницаемости пород - один из наиболее важных аспектов в решении вопросов уранового рудообразования и изоляции радиоактивных отходов. Геологические формации характеризуются различным типом пористости: вакуоли, поры, межзерновые границы, микротрещины, макротрещины, разломы. Все эти микро- и макронеоднородности присутствуют в породах одновременно, но их роль в переносе вещества в потоке газонасыщенных флюидов существенно отличается.
Трещинная проницаемость кристаллических пород во много раз превышает проницаемость их твердой матрицы. Поэтому основные усилия направляются на изучение и моделирование процессов миграции и накопления радионуклидов в дискретных трещинных системах (Nordqvist et al., 1996; Park et al., 1997). В концептуальной постановке и расчетной части этих моделей процессам перемещения вещества в матрице пород, прилегающей к флюидопроводящей трещине, и во вмещающей малопористой среде отводится, как правило, второстепенная роль. Тем не менее многочисленные данные полевых и лабораторных исследова-
1 Адрес для переписки: В.А. Петров. E-mail: vlad@igem.ru
ний свидетельствуют, что диффузия вещества и физико-химические преобразования в тектонически нарушенном притрещинном объеме эффективно воздействуют на скорость течения флюидов и мобильность радионуклидов (Neretnieks, 1980; Odling, Roden, 1997). В системе "трещина -околотрещинное пространство", состоящей из центральной части (ядра), зоны его динамического влияния (разрушения) и ненарушенной породы (протолита), очень часто наблюдаются ситуации, когда наибольшей способностью к фильтрации флюидов обладает зона разрушения (Evans et al., 1997; Seront et al, 1998).
Изучение физико-химических процессов в системе "трещина - околотрещинное пространство" показало, что для реконструкции фильтрационно-транспортных условий в массивах пород, наряду с морфогенетическими особенностями и пространственным сочетанием разномасштабных флюидо-проводников (макро- и микротрещины, поровые каналы, межзерновые границы и т.д.), принципиальное значение имеет продолжительность взаимодействия между твердой, жидкой и газообразной фазами. Необходимость учета фактора времени привела к развитию "реакционного транспортного моделирования в природных системах". Применительно к трещинно-пористым геологическим
формациям используется модель аппроксимированного квазистационарного состояния (Lichtner, 1988). Аппроксимация основана на допущении, что гидротермальные растворы или метеорные воды, проникающие в трещинно-поровое пространство, взаимодействуют с ним в течение такого периода времени, который необходим для достижения равновесия в системе "вода-порода" с формированием соответствующего минерального парагенезиса. Для этого колонна пород разбивается на элементарные объемы (блок i, i + 1..., i + n), через которые постепенно поднимаются нагретые газонасыщенные флюиды или фильтруются кислородсодержащие метеорные воды. Расчеты скоростей химических реакций, минералообразо-вания и термодинамического состояния системы в каждом блоке осуществляется с помощью специализированных баз данных и пакетов программ.
Одновременно с реакциями минералообразо-вания на фильтрационно-транспортные процессы в массиве влияет напряженно-деформированное состояние (НДС) пород. Оно выражается, например, в эффекте стягивания водных потоков в узкие тубулярные каналы на фоне ориентированного стресса (Dykhuizen, 1992). В этих условиях фильтрационная способность системы "трещина -околотрещинное пространство" зависит не только от морфогенетических особенностей слагающих элементов, но и от их ориентировки по отношению к действующим тектоническим напряжениям. Это связано с различным деформационным поведением массивов пород, обладающих различной трещинной структурой (Barton, 1988), и тем, что разрывы, расположенные параллельно оси максимальных сжимающих усилий (а1), наиболее раскрыты и имеют повышенную гидравлическую проводимость в плоскости а1а2. Разрывы с низкой способностью к фильтрации и переносу вещества расположены перпендикулярно оси ст1. Вариации тектонического поля напряжения (ТПН) влияют на фильтрацию растворов в области развития трещинной системы. В условиях неравномерно нагруженного трещиноватого массива поток растворов устремляется в зоны локального растяжения (декомпрессии), а в зонах локального сжатия подток вещества практически прекращается (Sibson, 1996).
Таким образом, фильтрационно-транспортные процессы в трещинно-пористой среде массивов кристаллических пород протекают на фоне неоднородного по магнитуде и меняющего ориентировку во времени стресса. Изменение тектонического режима сопровождается перестройкой каркаса разрывных нарушений, образованием и разрушением минеральных агрегатов в полостях трещин, трансформацией поровых каналов в околотрещинном пространстве, метасоматическими и/или гипергенными изменениями вмещающих
пород и т.д. Физико-химические преобразования минерального выполнения трещин и околотрещинного пространства под воздействием напряжений приводят не только к изменению фильтраци-онно-емкостных свойств среды и условий транспорта радионуклидов, но и к замене одних транспортных механизмов другими. В итоге разрывные нарушения и сопровождающие их зоны динамического влияния могут неоднократно выступать в качестве проводников или барьеров на пути миграции флюидов, а также выполнять комбинированную функцию каналов - барьеров. Такое поведение разрывных структур, называемое "клапанным эффектом", обусловлено неоднородностью распределения областей растяжения -сжатия, ориентировкой разрывов по отношению к осям сжимающих и скалывающих напряжений, температурой и литостатическим давлением в области формирования и развития разрывов, уровнем флюидного давления на этой глубине, петро-физикой пород и другими причинами.
В связи с этим основная цель статьи - систематизация данных по методам реконструкции пространственно-временных взаимосвязей между тектоническими полями напряжений, механизмами деформаций, условиями формирования разрывных структур и процессами перемещения радио-нуклидсодержащих флюидов в разномасштабных гидравлически активных неоднородностях массивов кристаллических пород. Результаты реконструкции палеодеформаций и условий миграции гидротермальных растворов рассмотрены на примерах уранового месторождения Ле Бернардан (Центральный Французский массив) и Уртуйского гранитного массива (Юго-Восточное Забайкалье). Изучение процессов фильтрации потока метеорных вод и миграции урана с использованием модели квазистационарного состояния среды проиллюстрировано на примерах зоны выветривания гранитного массива Брезуар (Вогезы) и зоны аэрации кислых вулканитов уранового месторождения Ту-лукуевское (Юго-Восточное Забайкалье).
ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ РАЗРЫВНЫЕ НАРУШЕНИЯ
В земной коре постоянно действуют тектонические силы, приводящие к образованию и преобразованию геологических структур. Принято выделять три основных типа тектонических режимов - сжатия, сдвига и растяжения, которые характеризуются различным пространственным соотношением осей главных нормальных напряжений (Стх, а2 и а3, где ах > а2 > <г3 при условии, что сжимающие напряжения положительные) (фиг. 1). В связи с этим геодинамические режимы нередко отображаются через тензор напряжений (полный тензор напряжений дополнительно включает тангенциальные напряжения т в трех ортогональ-
(а) (б) (в)
Фиг. 1. Основные типы тектонических режимов в верхней части земной коры (Яешеекег et а1., 2005). а - сброс; б - сдвиг, включая сбросовую и сдвиговую компоненты; в - взброс. 8Н и - основные и второстепенные горизонтальные напряжения, 8У - вертикальные напряжения.
ных плоскостях) или типы (взбросовый, сдвиговый и сбросовый) тектонического поля напряжений (Anderson, 1951), которые в "чистом" виде в верхней части земной коры встречаются крайне редко.
Изучение особенностей и определение параметров (Zoback, 1992; Леонов, 1995) современного НДС земной коры показало практически повсеместное присутствие девиаторной (избыточной) компоненты напряжения, свидетельствующее о действии тектонических сил дополнительно к ли-тостатической нагрузке. Девиаторное напряжение отвечает за изменение формы геологических тел, т.е. за деформацию. Величины современных горизонтальных тектонических напряжений в верхней части земной коры составляют 10-40 МПа (Fuchs, Müller, 2001).
В пределах субдукционных границ литос
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.