УДК 550.8.013
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ФЛЮИДОВ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА ПОРОД (ПЕСЧАНИКА, КВАРЦИТА) ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ (В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОБЛЕМЕ КОРОВЫХ ВОЛНОВОДОВ)
© 2014 г. Е. Б. Лебедев1, Б. Н. Рыженко1, Г. Буркхардт2, А. В. Жариков3, И. А. Рощина1, Н. Н. Кононкова1, С. Р. Зебрин1
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, г. Москва
E-mail: leb@geokhi.ru
2Институт прикладной геофизики, Берлинский технический Университет, г. Берлин
E-mail: burkhardt@TU-Berlin.de 3Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, г. Москва
E-mail: vil@igem.ru Поступила в редакцию 20.05.2013 г.
Геофизические исследования последних лет обнаружили существование в средней части земной коры зоны с аномально низкими сейсмическими скоростями и повышенной электропроводностью. Имеются предположения, что они могут быть связаны с изменениями пористости и проницаемости пород, а также с присутствием флюидов и могут объяснять существование коровых волноводов. Для проверки этой модели было проведено экспериментальное исследование. Среди изучаемых метаморфических процессов кислый метасоматизм наиболее полно объясняет процесс окварцевания пород. В работе рассмотрены физико-химические причины переотложения кварца из растворов, влияние рН растворов на массоперенос и отложение кварца при окварцевании и изменение физических свойств породы. С процессом окварцевания связано цементация породы, изменение микроструктуры и увеличение плотности. С окварцеванием пород также связано изменение сейсмических скоростей в земной коре.
DOI: 10.7868/S0002333714030041
ВВЕДЕНИЕ
Исследования особенностей изменения скоростей продольных Ур- и поперечных К8-волн глубинных пород в присутствии воды представляется исключительно важным для геохимической интерпретации природы сейсмической расслоен-ности литосферы, ее аномальных зон [Павленко-ва, 2006; Николаевский 1985; 1987; Киссин, 2006] особенно в областях активной тектонической и гидротермальной деятельности. Геофизические исследования последних лет обнаружили существование в средней части земной коры зон с аномально низкими сейсмическими скоростями и повышенной электропроводностью. Природа этих зон все еще окончательно не установлена. Имеются предположения, что они могут быть связаны с изменениями пористости и проницаемости пород, а также с присутствием флюидов. Глубинные флюиды как наиболее подвижная часть геологической среды играют важную роль в развитии геодинамических процессов. На основании глубинных сейсмических и электромагнитных исследований в земной коре и верхней мантии континентов выделена серия слоев с пониженны-
ми сейсмическими скоростями (волноводов) и повышенной электропроводности. Результаты исследований геофизических неоднородностей консолидированной коры континентов (волноводов, электропроводящих зон, участков повышенного поглощения сейсмических волн и интенсивной расслоенности), дают основу для суждения о глубинных флюидах [Киссин, 2009]. Геофизические данные дают основание предполагать, что они связаны с флюидонасыщенными зонами [Павленко-ва, 2006]. Природа таких волноводов, соответствует механической модели земной коры, развиваемой в работах [Николаевский, Шаров, 1985; Каракин и др., 2003].
На основании лабораторных исследований условий преобразования горных пород при высоких давлениях и температурах установлено, что в верхней коре должны формироваться трещины.
В соответствии с геохимическими данными ко-ровые флюиды имеют, как правило, Са—С1-характер [Рыженко, 1981]. Общее содержание солей близко к 100 г/л. Результаты исследований Кольской сверхглубокой скважины [Кольская..., 1984] показали, что на глубине 7 км флюиды могут
5
65
иметь чистыи хлоридныи состав, а также их состав может быть усложнен присутствием гидро-карбонатно-хлоридных составляющих. Данные немецкой глубокой скважины показывают [Fritz et al., 1990], что происходит увеличение Са/Ыа-отношения от 1.08 на глубине 3447 м до 2.24 на глубине 3995 м.
Экспериментальные данные должны также представлять интерес при интерпретации результатов, полученных при глубинном бурении оса-дочно-метаморфических толщ.
Литературные данные показывают, что при высоких давлениях и температурах получено большое количество лабораторных измерений упругих свойств, определенных, главным образом, в сухих условиях [Воларович и др., 1974; Christensen, 1989; Kern, 1982; Burkhardt et al., 1982; Spencer, Nur, 1976; и др.]. Представляют значительный интерес работы, связанные и анализом влияния флюидов на упругие свойства. Работы Керна [Lebedev, Kern, 1999; Kern et al., 2009] посвящены исследованию большого числа пород и минералов под давлением до 6 кбар и температурах до 700°C. Работы [Wulff, Burkhardt, 1996; 1997] посвящены изучению пород в присутствии флюидов при стандартных условиях и высоких температурах. В этих работах значительная часть исследований посвящена изучению упругих свойств пород из глубоких скважин. Процессы осаждения и образование уплотняющего осадка при диагенезе рассматриваются в работах [Aharonov et al., 1998; Tenthory et al., 1998].
Настоящая работа продолжает исследования влияния флюидов (щелочных, нейтральных и кислых) на изменение физических свойств и, в частности упругих свойств, песчаника при высоких температурах и давлениях, начатые в работах [Lebedev et al., 1996; Лебедев и др., 1999], где основное внимание было уделено влиянию нейтральных и щелочных флюидов. Данная работа, посвящена влиянию кислых или кислотных флюидов на метаморфические преобразования структуры песчаника в процессе окремнения или силицификации породы и, как следствие, изменение упругих и физических свойств породы при высоких температурах и давлениях.
Экспериментальные исследования в присутствии летучих компонентов крайне редки. Они показали существование сильного влияния воды и различных растворов на физико-химические свойства пород в результате минеральных реакций и происходящих изменений структуры пород и магматических расплавов [Лебедев и др., 1989а; 1989б]. Существенное и различное влияние на физико-химические свойства пород и расплавов (сейсмические, электрические и др.) оказывают кислые, нейтральные и щелочные флюиды [Лебедев, 2006]. В песчанике при температурах от 500 -640° C в присутствии воды и кислотных флюидов
наблюдается рост скоростей продольных волн связанный с окремнением породы. В присутствии щелочного и карбонатного флюидов наблюдалось увеличение скорости продольных волн в температурном диапазоне 150—450°С, связанное с появлением слюды в межзерновом пространстве. Для изучения влияние различных компонентов коровых флюидов, для исследования были выбраны следующие растворы: №ОН, КОН, Ма2СО3, ШНСО3, СаС12, ШС1, М§8О4, Н2СО3, НС1 [Рыженко, 1981]. Концентрация растворов была равной 1М, близкой к величине, характерной для естественных природных условий (100 г/л). Варьирование кислотно-щелочной среды во флюиде производилось путем дозированного введения в систему компонентов в соответствии со следующим порядком повышения кислотности: МаОН-Ма2СО3-МаНСО3-Н2СО3-НС1.
Было проведено экспериментальное изучение влияния флюидов на упругие свойства, а также проведены исследования в ряде пород (кварците, амфиболите, обсидиане, граните, базальте, пи-роксените, серпентините) в условиях высоких температур и давлений, характерных для средней части континентальной земной коры. Исследования проводились в присутствии флюидов при давлениях до 500 МПа и температурах до 1200°С. Полученные результаты показали сильное влияние флюидов и состава растворов на упругие свойства пород [Хитаров и др., 1983; Лебедев и др., 1989а; 1989б; 2Иапкоу et а1., 1993; 2000].
Значительное влияние на величину скорости упругих волн оказывает содержание в породе флюидов. Их воздействие можно использовать для объяснения изменения скоростей и слоистость, наблюдаемых в земной коре.
В песчанике в результате минеральных реакций растворов (нейтральных, кислых и щелочных) происходят изменения микроструктуры и, как следствие, изменения упругих свойств.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Песчаник для данного исследования был выбран как модельная система, т.е. порода, имеющая относительно простой состав: содержащая главным образом кремнезем, и претерпевшая сравнительно небольшие структурные изменения при низкотемпературном метаморфизме. Кварцевый песчаник (Веалден, карьер Обернкирхен, Германия) имеет следующий химический и минералогический состав:
Главные минералы: мусковит 2.38%, сфен 1.42%, каолинит 4.99%, хлорит 0.11%, альбит 0.55%, кварц 90.56%, 2 = 100.01%.
Представленные экспериментальные исследования были выполнены в газовом аппарате высокого давления с внутренним нагревом, описан-
Рис. 1. Лабораторные приборы: (а) — газовый аппарат высокого давления (до 500 МПа) с внутренним нагревом: 1 — корпус аппарата; 2 — измерительное устройство с платиновой реакционной камерой, электрической печью, ртутным затвором и пьзоэлементами в холодной части камеры высокого давления; 3 — исследуемый образец породы; 4 — затвор аппарата; 5 — запирающая гайка. Ртутный затвор отделяет флюид или химический раствор от передающего давление газа азота от компрессора;
(б) — измерительная ячейка аппарата: 1 — пьзоэлемент, 2 — акустический звукопровод, 3 — контейнер, 4 — образец, 5 — термопара, 6 — нагреватель (трехсекционная печь), 7 — теплоизоляция, 8 — реакционная камера (платиновый цилиндр), 9 — ртутный затвор.
ном в работе [Лебедев, Хитаров, 1979], создающем гидростатическое давление. Исследования проводились на образцах породы при температурах до 850°С под давлением азота (сухие условия) или водно-солевых флюидов различного состава 300 МПа, рис. 1.
Методика экспериментов была следующей. Из блока однородного по составу и структуре песчаника изготовлялся цилиндрический образец длиной ~0.5 см и диаметром — 0.8 см. Образец вместе с присоединенными к нему цилиндрическими стальными звукопроводами помещался в платиновую реакционную камеру, которая затем заполнялась водой или раствором заданного состава и монтировалась в сосуде высокого давления. Реакционная камера
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.