Lure_M.V._Gidrotermalnaya_cirkulyaciya_kak_osnovnoy_mehanizm_perenosa_veshchestva_v_zemnoy_kore

УАК 353 981:551.25

Л86

Лурье М.В. Гидротермальная чиркулячия как основной ме-

Л 86 ханизм персноса вещества в земной коре и формирования место­

рождений полезных ископаемых. (Сер. <<Академические чтению>. Вьш.46)- М.:ФГУП <<Изд-rю<<Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина>>, 2006.- 40 с.

Аокл<1д состоялся 21 сентября 2006 roд<l. Докладчикпро­ фессор М.В.Лурьс.

В докладе излаr::tется КОНIJСШJИЯ, согл::tс1ю которой основным

мех<tнизмом персноса вещества в массиrшх вменjающих пород яв­

ляется гидротермальная чиркулячия водных растворов как неорга­

ничсских, так и орrани•rеских компонент. Р<1ссматриваются вопро­

сы м<1тематическоrо моделирования гидротермальных проуессов,

приводятся решения множеств<1 задач, приюjипиальных для пони­

мания прочессов, и анализируются возникающие эффекты. Особое

место уделяется переносу углеводородных веществ, а таюке вопро­

сам формирования их залежей. Г1риводится сопоставление мест ло­ кализачии 1rефтсгазовых месторождений с палеоморями, существо­ вавшими на Земле n р;вличные геологические периоды.

Редакционная коллегия

А. И. В.лади.мироб

В.А. Винокуроб

Г.М. Сороюm И.Г. Фукс

Редактор серии- М.Л. Мед6еде6а

©Лурье М.В., 2006

©Российский государственныйуниверситет

нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006

Принято считать, •rто основные тайны нашего бытия сnяза­ ны с Космосом и Вселенной, с ядерной фи:iикой и микромирами, с

молекулярной биологией и генетикой. Но это не саnсем так. Наш:1

Земля тюоке хранит в себе множество тайн и загадок. В •r:ктно­

сти, мы не зн<~ем, какие скрытые от глаз механизмы собрали n

одних местах Земной коры те богатства, которые мы н:выв:н~м

«полезными искошtемыми>), а другие места лишили их воnсе. В

какой природной мастерской и по каким технологиям илотаnле­ ны нрекрасные кристаллы аметистов, сапфиров, аквамариноn, рубинов, откуда и как появились россыпи золота, серебра и IIла­ тины, кто наполнил природные кладовые нефтью и газом, к:1ким

скрытым закономерностям rюдчиняется их распределе11ие !1 зем­

ной коре? И можем ли мы, _;.кивущие лишь краткий в геологичес­

ких масштабах миг, познать эти закономерности и Н<1У'rип,ся их

использовать во благо человечества?

Водавсему голова.

Познание законов механики подземных проусесов - это, в сущности, клюq к открытию сокровенных тайн природы, к пони­ манию закономерностей происхож.дения, формирnвания и р:в­ мещения месторождений полезных ископаемых. И что интерес­ но: основную роЛJ, в этих проуессах играет вода. Просто удиви­ телr,но, как велика ее роль во всем, '!ТО нас окруж:кт. Во-первых, мы сами в большой степени состоим из воды, поэтому и nce про­

уессы, происходящие в нашем организме, так или иначе связ;:tны с

водой. Во-вторых, nода играет главенствующую роль в большин­

стве явлений в окружающей нас природе. Наконеу, произnодство, превращение и накопление органических nеществ на Зе.\1Ле т:~к­

_;.ке связано с водой. Поразительно, например, что 80% всех орга­

ниqеских веществ создается в водной среде и лишь 20% на суше.

Вода, насыщающая земную кору на глубину до 10-15 км,

представляет собой, в сущности, не простую воду, а многокомпо­

нентный водный раствор, содержащий в себе все те вещества,

которые имеются во вмещающих породах. При температурах 100-

5

300 н nышс гр;tдусоn ЦслJ,сия, при даnлениях нссколыю сот ат­ мосфер вод;1, особенно содеря:::1щан углекислый газ и сероводо­

род, является силыiсйшим р:ктnоритслем, перед которым немо­

;.кст устшiтJ, ни одно nещсспю. Этот раствор, н;:~греnаемый снизу

TCIIЛOM Зс.\1\ЛИ или JV\<1ГМ:1ТИ'IССКИХ чснтров и раскаленных интру­

:~иi1, 11риходит n дnижение - горячие слои Iюднимаются rшсрх, а хо,\ОДIIЫС опуск:1ются вниз. R породах nо:шикаст так на3ЫВJемая m/)pomcpлttl.ЛI•JillH !_!IIJII.:yмщuя, которая персносит огромные мас­

сы nсщсств;t. В олriих местах, где гидротермалы1ый р;:~спюр дnи­

;.кстоi нaгpen;1JJCJ., он выщел:l•Iиn:lет, или как гоnорят, <<,чобилизу­

l~Т>> и:> порол те или иные всщсств:1, n других, осущестnляет их про­

сгоi1 11сренос, в треты1х, где р:клюр дnижет<.::я остыn:1я, нроисхо­ лнт ос:lЖДl'НИС этих всщсст13 из ржтrюра n народу. Именно n та­ ких ,\1\l'CT:Jx могут обр:1зоnыn:пъсн рудные тела s\ссторол.::дений.

Тепм~ Земли - JJOT тот 1кточннк энергии, которы(-i приводит n

дnи>кение этот гигант<.::кий механизм..

Конечно, нpoiJt'CC мобилиз;щии nещества 11з массива вмеща­

ющих IIOJIOд, или 11роцесс его осаждения из растrюра в породу,

Iю<.::ит более слшкr·!Ы!~I хар:1ктер, нежели тот, который абуелоnлен

IIJIOCTЫM 11<1Гре11<1НИеЛ,\ И,\И OXЛ<l)I;:ДCI!!1CM; ОГрОМНОе llЛ11ЯНИС HJ ЭТИ

11рочс<.::сы оrс1эыв:1ет геохи,\1\ический со<.::таn pacтnopon, а также

,\1\НОЖt'спю промеж.уточных химических превр:1щениi1. Несом­

ненно лишь одно - ОIIредt'ляющес nлияние на протекание этих

1rpoчeccon оказыnает чиркумщионное движение, или как гово­

рят, lltдpomcp,1ttl.1/JIIilЯ t_(li]ЖJ'ЛЯЦUЯ многокомпонентных водных

р;ктnороn в сложных тсрмобари•Jесю1х полях, имеющая место в

:'.емной корt'.

Гидротермальная .циркулл.цил как механизм рудообразования в породах

Почему же n пород;tх возникает гидротермальная gиркуля­

чия? Основная причина этого явления состоит в неравномерном

нагреnе самих пород и содержащихся в них раствороn подземны­

ми источниками тепла. Поскольку плотность раствора зависит от

температуры, а последняя различна в ра3личных точках вмеr.уаю­

r.уих пород, то распределение давления в пространстве отлично

6

ОТ ГИДрОСТаТИЧеСКОГО, 11, СЛСДОIЫТеЛI>НО, В IIOJIOД<I.X BOЛIИIClCT ДГ\11-

ЖеНИС (фильтр;щия) жидкости.

Фильтрация ж:идкости Г! пористой или трсщиновато-IIорис­

той среде нарушает сложившесся термодинамическое раnновс­ сие между химическим составом твердой (11ород:-t) и жидкой (ра­

створ) фаз, поэтому процессы, стремящиеся восстановить утра­

ченное равновесие, дейстnуют т:1к, что в одних точках простр::ш­

ства происходит выщелачивание определенных веществ и перс­

ход их в раствор, а в других точках - обратный процесс, осажде­ ния рудогенных элементов из р:ктвор:1 в народу. Локализация и

степень интенсивности этих процессов зависят от геологического

строения вмещающих пород, их химического сост;ша, располо­

жения источников тепла и картины линий тока генерируемой гид­ ротермальной циркуляции.

В настоящее время можно считать доказанным, что многие

компоненты вмещающих пород способны переходит,, в растnор,

транспортироваться им на значительные расстояния и осаждать­

ся в виде минералов. Эксперименты показ;1ли, что рудные тела

многих месторождений возникли вследстnие неренос:1 их состав­

ляющих растворами, в частности, растворами хлоридов, суЛJ.ф:l­

тов, и карбонатов в виде разли'IНЫХ металлосодержащих комп­

лексов. Установлена таюке связь между образованием этих мес­ торождений и тепловыми процессами, происходящими в земной коре, в частности, взаимодействием подземных источников тепла и воданасыщенными породами. Например, практически все про­ явления сульфидного оруденения в океане обнаружены в исклю­

чительно однообразных обстановках, а именно, в осевых частях

срединно-океани'Iеских хребтов, характеризуемых высоким уров­

нем тепловой активности. Эта закономерность объясняется воз­

действием высокотемпературной морской воды на базальты, обусловленным ее конвективной циркуляцией над магматичес­

кими очагами в осевых частях рифто6. О существовании такой циркуляции свидетельствуют таюке обширные зоны выщелачи­

вания металлов из вмещающих пород, наблюдаемые в скважинах

глубоководного бурения.

Гидротермальная циркуляция переносит и перераспределя­

ет в земной коре гиг;:~нтские массы вещества, причем ее видимые

7

нроямения всегда неожиданны и разнообразны. Все многообра­ :ше минералаn земной коры обязано гидротермальной циркуля­

ции. В зависимости от разнообразия геохимического состава ра­

створа, от распюримости отдельных его компонент в присутствии

других, от д;шленил и от температуры, образуются сотни и тыся­ чи известных на земле минералов. Наиболее впечатляющим про­

явлением гидротермальной чиркуляции являются "черные ку­

рил,,щики", которые часто Iктре'Iаются на океаническом дне в

рифтоfЗых :юнах* и на граничах литосферных плит.

Математическое моделирование

Олш1Ко важно не столы<о понять скрытый механизм гидро­

термалыюй циркуляции, сколы<о описать его, используя методы

матем<пического моделиров:-tния.

Великий художник, ваятель и изобретатель Леонардо да Вин­ '! И, чы1 идеи далеко опередили время, сказал: <•Никакой резуль­

тат чело6е•tескоzо исс.ледо6ания не .может быть назван ис­

тиной, ес.ли он не проше.л через математические доказа-

1nе.льст6а>~. И он был прав: талыш тщательное математическое

мелелированис изучаемого явления позволяет оценить его мас­

шт;lбы, нодтвердип, или опровергнуп, те или интуитивные зак­

лючения, предсказ;пr, и выявить еще не открытые проявления.

Настоящая лекция посвящена этим проблемам.

Основу математических моделей составляют уравнения гид­ ротер.V!альной циркуляции водных растворов в массивах вмеща­

ющих пород, происходящей под действием тепла Земли или мощ­ ных тепловых центров. Этих уравнений несколько и все они отра­

жают фундаментальные законы механики.

Первое ураrшение (нер:lЗрьшности) отражает закон сохра­

нения массы фильтрующегося раствора:

* Рифтовые зоны оке~новэто глубокие ущелья, располагающиеся вдоль o..:e!J

срсдишю-оксаниче..:ких хребтов и прелставляющие собой диnсргентные (расходя­ щис..:л) гp;111ИLjbl АНТОсфсрных /IAHT. ПОIIЫШСННЬJЙ TCПЛOIJOI1 ПОТОК D рифтоnых

:юнах сuязап с мrюгочисленными неглубоко з~легающи.tv\И магматическими очага­ ми, и:~ которых происходит излияние баз~льтовой магмы, Н<lращиnаюн;ей оке;ши­

'Iеское лно. (Н.Е.I<ороноrккий. Соросовский образовательный журнал,1999,N910)

8

Здесь т - пористость вмещающих пород; р - 11лотность водного

раствора, заполняющего пустоты этих пород; V{и,v,•v}-вектор

скорости фильтрации; t - время; х, у, z -пространстr1енные коор­

динаты.

Второе уравнение отраж:ает основной закон фильтрации -

закон Аарси:

сти (ось Z направлена вертикально вверх).

Поскольку плотность раствора, помимо геохимического со­

става, зависит таюке от температуры Т(x,y,z) то третr,им уравне­

нием служит уравнение энергии (уравнение персноса тепла):

в котором 'V2=д2lдxz +д1/дуl +дz/дzz-операторАшласа;

а=Л;сркоэффичиент температурапроводности nодонасыщен­ ного массива вмещающих пород; с - их теплоемкостr•. После­

днее уравнение называется таюке уравнением термоконвектив­

ноrо переноса: его левая часть выражает конвективный перенос

тепла (энергия переносится движущимся раствором), а правая

часть - кон.дуктивн.ый перенос тепла (энергия переносится теп­

лопроводностью).

К этим уравнениям следует добавить уравнение массопере­

носа вещества

9