Lure_M.V._Gidrotermalnaya_cirkulyaciya_kak_osnovnoy_mehanizm_perenosa_veshchestva_v_zemnoy_kore

Здесь '1'(r, z:)- т;1.к называемая фунrщия тока(линии \j1 =const.

являются линиями тока фильтрационного течения); Т(r,z)=const. -изотермы теплового поля; Н- мощность придонного слоя; Т*­

температура на поверхности теплового O'Iara; v = J1/p.

Численные рас•1еты в зада'iе о притоке гидротермального ра­

створ<~ к длинной вертикальной трещине в слое придонных пород

выполнялиСI, итер;щионным методом Аипмана-Зейделя, причем в нроцессе рас•1етоn варьироnались значения чисел Релея и Пран­ дтля [8]. Типичный результат расчета предстаnлен на рис.lО.

В нижней 'Iасти рисунка предстаnлена картина линий тока

(\jf = coпst) гидротермальной циркуляции в придонном слое вме­

щающих пород с мощностью Н, генерируемой источником тепла

с температурой Т. расположенным на глубине Н под слоем. Отре­

зок ВС моделиру~т трещину n этом слое (распределение давле­

ния но глубине трещины полагается гидростатическим). На ли­

нии СЕ - поверхности морского дна - давление постоянно

(д'!'1д z=O) ; нижняя гранича придонного слоя, а таюке отрезок

АВ оси симметрии ниже конца В трещины считаются непронича­

емым для раствора ( \jf =0 ).

Как и следовало ожидать, тепловой очаг действует подобно

мощному насосувне I<руга радиуса CD морская вода засасьша­

ется в придонный слой пород; внутри этого круга, нагретый гид­ ротермальный раствор выбрасьшается в морскую воду из пород.

Часть линий тока заканчиваются на трещине СЕ, что означает

приток к ней гидротермального раствора.

По разности 1:::.\jf = \jf (В)- 'I'(C)значений функчии токамож­

но вычислить величину притока раствора, т.е. дебит самого <<чер­

ного курильщика>>, а по разности 1:::.\jf = \ji(C) -'I'(D)- расход

20

рассредоточенного выброса гидротермалi,ноrо раствор;t ч~рсз по­

роды дна. В данном примере отношение первого ко второму со­

ставляет примерно 0,064. Иными словами в рассмотренном при­

мере дебит собственно <<курильщика>> составляет всеrо 6.4% от общего расхода морской воды, прокачиnаемой через породы. Область, через которую эта nода засасывается n придонный слой

пород, во мноrо раз превышает область, через которую гидротер­

мальный раствор выбрасьшается обратно. Вот по•Iему, глубоко­ водное бурение указывает на огромные пространства вмещаю­

щих пород, из которых выщелочены практически полностью все

металлы.

Рассчитьшалась также скорость истечеJ;Iин горячего раство­

ра через трещину. Если принять, что средний диаметр трещины составляет 100 .VI.М, ее глубина- 500 м, а прониiJаемость пород-

0,1 мкм2, то скорость истечения гидротерм:-~льного раствор:1 ко­ леблется от 0,5 до 1,5 м/с.

ПpoiJecc оруденения пород океанического дна над тепловы­

ми IJентрами n рифтоnых зонах происходит настолько интенсив­

но, что за короткий в геологическом отношении промеж:уток пре­

мени возникают мощные рудные залежи.

Уместно высказать гипотезу о moAt, •tmo /"uюгис из извест­ ных рудных месторождений ябляются следами <<курильщикоб>>, сущест6о8а8щих 8 рифто6ых долинах Земли много АtUллионоб

лет тому назад. Косвенным подтверждением этой гипотезы слу­

жит тот факт, что n древних месторождениях, например, n Си­ байском месторождении медноколчеданных руд на Урале, а так­

же в других месторождениях, ныне располо)кенных на суше,

геологи находили окаменелые остатки бестиментифер (морских

растений n форме длинных, 1,5-2,0 м трубок разнообразного цве­

та), калитпоzено8 (особых двухстворчатых моллюсков) и других

организмов, характерных для обитания в постройках <<курильщи­

ков>>. Сначала это было непонятно, и только после обнаружения

саnременных <<черных курильщиков>> стало проясняться, в каких

условиях формироnались эти месторождения.

21

выше каждый кубометр nоды может содержать в себе до 4-х и более кубических метров метана, табл. 1.

Таблица 1 Растворимость метана CH4 n nоде (м3 /м3 ) [А.Намиот]

Температура, 0С

Давление

Исходя из этого, некоторые американские исследователи

считают, что на больших глубинах количество газообразных угле­

водородов, растворенных в nоде, может достигать огромных зна­

чений - около 5о/о по массе. Это предполагает наличие огромного газового потен1Jиала. Подсчитано, сообщает известный геолог

А.Перрадон, что <<глубоко расположенные водоносные горизон­

ты, находящиеся под высоким давлением в поверхностных зонах

Луизианы и Техаса, могут содержать более 6700 · 101z м~1 г<tза,

количество, которое стоит сравнить с 72 · 1012 м3 газа в месторож­

дениях, открытых во всем мире>>.

23

Математическое моделирование гидротермальной циркуляции газонасыщенного

раствора воды в массиве вмещающих пород

Согласно гипотезе ;штора и его коллег, формирование газо­ вых залежей нро~1еходит за счет улаnлишшия газа из nоднога pa- cтnop:I в проуессе гидротсрм;Jльной уиркумщии последнего. Р;Jс­

четы пок:-~:~али, что вблизи мест ре:~кого утончения земной коры в

поровом пространстве вмещающих пород возникает мощная гид­

ротерл.ыльная уиркумщия, стимулирующая вынос газа в припо­

верхностные слои Земли, его высвобождение из газонасыщенно­ го раствора и, при наличии ловушек - накопление. Этот проуесс происходит особенно интенсивно там, где существуют мощные подземные источники тепла, n частности, в рифтоnых зонах. Ано­ малыю высокий прогрев вмещающих пород с рассеянной орга­

никой, с одной стороны, ускоряет проуесс "созревания" нефти и

г:-~за, с другой - растворяет жидкие и газовые углеводороды, извле­

кая их из материнских пород, с третьей - сильнейшим образом

инте:нсифиуирует конвекцию раствора и вынос углеnодородов n

приповерхностные слои.

Выска]анные положения проnерсны и подтверждены мате­

матическими р;Jсчетами. В ходе М;Jтематического моделирования гидротермальной IJИркуляiJИИ рассматривалась система диффе­

ренциальных ур:шнений, описывающих тепломассоперенос в мас­

сиве вмещающих пород в месте скачкообразного утончения зем­ ной коры.

П роуесс фильтрауии гидротермального раствора аписыnал­

ея n терминах фу:нкуии тока \jl ( x,z). Линии уровня этой фующии

представляют собой линии тока фильтраiJионного течения, а раз­ ность значений функуии тока n двух точках определяет расход

жидкости через любую кривую, проходящую через эти точки.

Фующия тока \jl ( x,z) вводится согласно уравнениям закона

Дареи:

24

Исключение давления р из этой системы д::~ет ур:шнение

для функчии тока '1'. При этом зависимосп,ю плотности жидко­

сти ОТ давления И КОНIJеНтраЦИИ раствореННОГО Г:tЗа II]JСНсбрега­

ЛОСЬ. К уравнению (6) добавлялось уравнение переноса тепла, ко­

торое в данном случ<~е имеет вид

Таким образом, возникает взаимосвязанная система двух

дифференчиальных уравнений для определения фушщий '1' ( x,z) и Т( x,z). Кроме того, эта система дополнялась уравнением, опре­

деляющим скорость выделения газа в той или иной точке про­

странства пород.

Рассматривалась гидротермальн:~я циркуляция газонасы­

щенного раствора воды в бесконечном слое вмещающих пород,

мощность которого в некотором сечении (х=О) имела ска•Iкооб­ разное изменение. Тю<ая ситуация моделировала поведение гид­ ратерм вблизи перехода суши к морю, рис.11. Грани•Iными усло­

виями для функции TOI<a принималось: условие постnянства дав­

ления на поверхности моря и суши ( р= coпst или д'l'!д z =О );

условие '1' (х,О) =О на поверхности дна, означающее, что оно яn­

ляется линией тока, а таюке уславие w=O ил~~J д'1'1д х = О на части берега моря ( х=О ), контактирующего с водой [12].

В качестве вычислительного метода использовался итера­

ционный алгоритм Липмана - Зейделя, состоящий в последова­ тельном применении рекуррентных соотношений, аппроксими­

рующих уравнение Пуассона (6) и уравнение переноса тепла (7).

На рис.11 приведсны результаты расчета полей температу­ ры (рис.11,а) и линий тока (рис.11,6) фильтрачионного течения.

Если результаты расчета температурных полей не выявили каких-либо неожиданностей (градиенты температуры в сужен­

ной части слоя, естественно, выше, чем в более широкой части),

то картина гидротермальной циркуляции оказалась весьма при­

мечательной. Линии тока начинаются на <•морском» дне, т.е. на

внешней поверхности более узкой части слоя, и заканчиваются

на <<суше>>, внешней поверхности более широкой части слоя. По­ лученное решение можно трактовать как объяснение физичес-

25

вого с~зо млн лет) и частично несгенового периода (~15-18 млн лет тому назад). Как известно, в течение этих периодов береговая

линия моря существенно отличалась от той, I<оторую мы наблю­

даем сегодня.

На палеоглобусе, рис.12, представлено расположение палео­

морей на Земном шаре в раннем (~125 млн лет) и позднем мело­ вом периоде (~95 млн лет).

На территории современного Европейского континента хо­ рошо просматривается гигантская дуга палеоморя, берущая нача­

ло от Ледовитого океана на севере Евразийской граниуы, идущая

далее на юг и затем поворачивающая на запад к Атлантическому

океану.

На рис.13 представлено сопоставление мест расположения нефтегазоnых провинчий на территории б. СССР с очертаниями

той части морской палеодуrи, которая проходила но этой терри­

тории.

В тот исторический период Северный Ледоnитый океан со­

единялся широкой полосой моря (Тургайский пролиn), проходя­

щей примерно по современному Уралу и образующей огромное палеоморе, включающее в себя Черное, Каснийское и Аральское

моря, а тюоке значительную часть суши этого региона.

Это палеоморе просуществовало на Евразийской террито­

рии более 200 млн лет, и только в последние 15-20 млн лет оно

стало сокращаться благодаря тектоническому поднятию, в ре­

зультате которого образоnались, в частности, современные Ураль­

ские горы. Хотя палеоморе с территории Урала исчезло, следы его

существования остались на месте в виде богатейших и обширных

месторождений нефти и газа по обе стороны Уральских гор (Ура­

ла-Поволжье, Западная Сибирь), а таюке Казахстана и Туркме­

нии.

Результаты сопоставления месторождений нефти и газа с очертаниями палеоморя на территории б. СССР

Эти результаты свидетельствуют о следующем:

· нефтегазовые .VI.есторождения Урало-Поnол:ж:ья - Ромаш-

27