Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

21,0 кг/м3. Газовый состав водных растворов азотно-углеводородный, газонасыщенность изменяется в пределах от 0,02 до 0,538 м3/м3 [128, с. 32].

Водные растворы межсолевых отложений характеризуются минера­ лизацией от 116,3 до 392,0 кг/м3. По составу растворы — хлоридные на­ триевые и кальциевые. Содержание катиона калия составляет 0,5 кг/м3 Газовый состав водных растворов азотно-углеводородный, газонасыщенность изменяется в широких пределах — от 0,01 до 3,0 м3/м3. Водные растворы, связанные с межсолевыми отложениями, являются высокона­ порными. Пластовые давления изменяются от 7,8 до 44,1 МПа в зависи­ мости от глубины залегания водоносного комплекса [128, с. 60].

В целом представленные данные свидетельствуют о том, что в под­ стилающей III калийный горизонт толще пород имелись водные раство­ ры, в том числе и газонасыщенные, восходящая миграция которых по зо­ нам транзита могла приводить к выщелачиванию и замещению сильвинитовых, карналлитовых и галитовых слоев, а также образованию очагов газодинамических явлений. Наиболее вероятно, что тип флюидодинами­ ческой системы был элизионно-термогидродинамическим [127, с. 14, 132, 133]. Количество водных растворов, которое могло проникнуть в породы III калийного горизонта из межсолевых, подсолевых, верхне­ протерозойских отложений и кристаллического фундамента на стадии катагенеза, расчету не поддается. Здесь только можно отметить, что объ­ ем глинистых осадков после полного уплотнения (конец катагенеза) со­ ставляет 20-45 % его первоначального объема [134]. Считается, что объ­ ем песчаных отложений в процессе литификации сокращается примерно на 15-20 %, а полностью уплотненный песчаник дает в среднем 0,7 м3 воды на 1 м3 твердого осадка [135]. Сланцы в среднем дают 3,5 м3 воды на 1 м3 твердого осадка. Важным источником водных растворов служи­ ли сульфатные отложения особенно тогда, когда в них происходили ре­ акции перехода гипса в ангидрит. Образование 1 м3 ангидрита из гипса сопровождается выделением 0,86 м3 воды.

Агрессивность водных растворов, которые проникали снизу в поро­ ды III калийного горизонта, оценивается химическим фактором. Это наиболее мощный фактор эпигенетических преобразований соляных по­ род, поскольку они обладают очень высокой растворимостью в воде. Так, например, в 1 м3 воды при нормальных условиях может растворить­ ся 347 кг сильвина, 360 кг галита и 645 кг карналлита. Миграция водных растворов, даже химически инертных, внутри соляных толщ ведет к ин-

перекристаллизацией минералов. Выполним количественную оценку аг­ рессивности водных растворов, воздействующих на породы III калийно­ го горизонта. При движении водного раствора, насыщенного по NaCl, через проводник (трещину) обязательно происходит растворение КС1 и MgCl2 с одновременным выделением из раствора в твердую фазу (вы­ саливанием) NaCl. Для количественной оценки этого процесса примем следующие исходные данные. Водные растворы воздействуют на поро­ ды нижней промышленной сильвинитовой и глинисто-карналлитовой пачек, которые имеют следующий химический состав: КС1 — 18,41 %, NaCl — 56,78 %, MgCl2 — 4,18 %, н. о.— 20,63 %. Водный раствор, на­ сыщенный по NaCl, имеет концентрацию 370 кг/1000 кг Н20 при темпе­ ратуре 62 °С. Химический состав 1000 кг твердой породы будет следую­ щим: КС1 = 184,1 кг; NaCl = 567,8 кг; MgCl2 = 41,8 кг; н. о. = 206,3 кг. При воздействии водных растворов из этой породы полностью выщелачива­ ется КС1 и MgCl2, a NaCl не растворяется, более того, по мере растворе­ ния КС1 и MgCl2 хлористый натрий будет высаливаться, т. е. выделяться из водного раствора в твердую фазу. При полном растворении концен­ трация КС1 доходит до насыщения. Отношение концентрации КС1 (Ск) к концентрации MgCl2 (CMg) в рассоле после выщелачивания будет таким же, как и в твердой породе, т. е. Ск х (СМк)-1 = 184,1 х (41,8)-1 = 4,404. В дальнейших расчетах воспользуемся диаграммой растворимостей в системе КС1 — NaCl — MgCl2 — Н20. При температуре 62 °С на одной из политерм находим точку, в которой отношение концентраций КС1 и MgCl2 равно 4,404. Этому отношению соответствует точка, в которой водный раствор характеризуется следующим составом: КС1 — 176,16 кг/1000 кг Н20; NaCl — 248,0/1000 кг Н20; MgCl2 — 40,0 кг/1000 кг Н20 . Следовательно, на 1000 кг Н20 в исходном водном растворе, насыщенном по NaCl, в раствор перейдет 176,16 кг КС1 и 40,0 кг MgCl2. Одновременно на 1000 кг Н20 из водного раствора выса­ ливается 122 кг NaCl. Выщелачивание и высаливание соляных минера­ лов под воздействием водных растворов являются типичными массооб­ менными процессами, которые сопровождаются фазовыми переходами и уменьшением объема твердой породы. Количественно оценим величи­ ну, на которую уменьшится объем твердой породы при воздействии 1370 кг водного раствора, содержащего 1000 кг Н20. Для каждого мине­

где Mi — масса минерала, перешедшего в раствор или высолившегося из раствора, кг;

у, — плотность соответствующего минерала, кг/м3 Принимая плотность сильвина, галита и хлористого магния соответ­

ственно 1990 кг/м3, 2170 кг/м3 и 1580 кг/м3, найдем, что объем раство­ рившегося сильвина составит 0,0885 м3, растворившегося хлористого магния — 0,0253 м3 и объем высолившегося хлористого натрия — 0,0562 м3. Суммарная величина, на которую уменьшится объем твердой породы, составит

= 0,0885 + 0,0253 - 0,0562 = 0,0576 м3

Таким образом, агрессивность водного раствора, насыщенного по NaCl, при его плотности 1183 кг/м3 и температуре 62 °С составит 0,05 м3/м3 Аналогичные расчеты были выполнены для концентраций NaCl в водном растворе, соответственно равных 270 кг/1000 кг Н20, 170 кг/1000 кг Н20 и 70 кг/1000 кг Н20 . Результаты выполненных рас­ четов представлены на рис. 4.4. Как видно из рис. 4.4, значение величи­ ны агрессивных водных растворов А в зависимости от принятых нами концентраций в них NaCl изменяется в пределах от 0,05 до 0,1867 м3/м3 По отношению к породам III калийного горизонта наибольшей агрес­ сивностью, равной 0,1867 м3/м3, обладают водные растворы при кон­ центрации в них NaCl 70,0 кг/1000 кг Н20 . С увеличением концентра­ ции NaCl в водном растворе его агрессивность значительно снижается, достигая минимальной величины 0,05 м3/м3 в случае насыщения рас­ твора по NaCl. На основании количественной оценки агрессивности были выполнены расчеты необходимого количества водных растворов для выщелачивания 1 м3 пород III калийного горизонта. Результаты расчетов представлены на рис. 4.5. Как видно из рис. 4.5, для выщела­ чивания 1 м пород при концентрациях NaCl в растворе 70,0 кг/1000 кг Н20 , 270,0 кг/1000 кг Н20 и 370,0 кг/1000 кг Н20 необходимо соответ­ ственно 5,4; 7,2; 10,8 и 20,0 м3 водных растворов. Можно вполне обос­ нованно утверждать, что агрессивность водных растворов будет дости­ гать своего максимума в породах глинисто-карналлитовой пачки, так как карналлит обладает наибольшей растворимостью по сравнению с другими минералами. При миграции водных растворов в породах гли­ нисто-карналлитовой пачки в общем случае будут образовываться наи­ большие по своему объему полости выщелачивания, в которых воз­ можна аккумуляция газов.

Агрессивность водного раствора м3/м3

Рис. 4.4. График изменения агрессивности водного раствора относительно пород III калийного горизонта в зависимости от концентрации NaCl

Количество водного раствора, м3

Рис. 4.5. График изменения количества водного раствора, необходимого для выщела­ чивания 1 м3 пород III калийного горизонта, в зависимости от концентрации NaCl

Таким образом, выполненные исследования показали, что на стадии катагенеза в нижележащей толще пород существовали источники агрес­ сивных водных растворов. Источниками агрессивных водных растворов могли быть породы глинисто-карбонатных горизонтов соленосной тол­ щи, из которых на стадии катагенеза могло отжиматься до 11,5 м3 поровых водных растворов с 1 м2 площади. Кроме этого, источниками вод­ ных растворов могли быть водоносные горизонты межсолевых, подсоле­ вых девонских и верхнепротерозойских отложений, а также водоносные горизонты кристаллического фундамента. Количество водных раство­ ров, которые могли бы мигрировать из этих глубоких горизонтов, расче­ ту не поддаются. В предельном случае древние водные растворы могли быть насыщены только по NaCI, что позволяет считать их агрессивность вполне достаточной для выщелачивания и образования зон локальных эпигенетических изменений в породах 1П калийного горизонта.

4.3.Пути миграции водных растворов

впороды III калийного горизонта

Втеории физико-геологического механизма образования очагов ГДЯ вопрос о путях миграции водных растворов является весьма важ­ ным. При составлении данного раздела использованы научные результа­ ты, изложенные в работах [136-141]. Для ответа на вопрос о путях ми­ грации необходимо установить, каким образом водные растворы из под­ стилающей толщи проникали в породы III калийного горизонта, если соляные породы полностью литифицированы, а проницаемость их попе­ рек слоистости близка к нулевой. Отчасти ответ на этот вопрос был дан

вразделе 4.1, где указывалось на приуроченность очагов ГДЯ к локаль­ ным геологическим нарушениям — мульдам и тектоническим трещи­ нам. Этот факт требует дальнейшего рассмотрения и объяснения. Из­ вестно, что если система пустот способна обеспечить сквозное движение водных растворов, то она будет служить их проводником, а каждая от­ дельная пустота такой системы будет представлять собой элементарный проводник. По морфологическим признакам пустоты в горных породах обычно разделяются на три типа: изометрические, вытянутые в одном направлении и вытянутые в двух направлениях. К изометрическим пус­ тотам относятся поры (до 1 мм), каверны (1-100 мм) и пещеры (более 100 мм). Пустоты, вытянутые в одном направлении, представлены кана­

лами различных размеров. К третьему типу относятся разрывы. Среди разрывов в земной коре выделяют трещины и разломы, которые имеют по сравнению с другими пустотами, огромное значение для миграции водных растворов [144-147]. Трещины — это преимущественно мелкие разрывные нарушения от микроскопически малых до первых сотен мет­ ров по простиранию, смещения вдоль которых незначительны или отсут­ ствуют. Разломы представляют собой разрывы сплошности породы с за­ метным смещением стенок относительно друг друга. Границу между крупными трещинами и мелкими разломами провести трудно, в связи с чем разделение разрывных нарушений на трещины и разломы носит довольно условный характер. Стереотип мышления, существовавший во взглядах ученых на возможные пути миграции водных растворов, пред­ полагал, что в соляных породах в силу их малой пористости и высокой механической подвижности (текучести) проводники в виде разрывов встречаются крайне редко. Однако в условиях Старобинского месторож­ дения вопрос о путях миграции водных растворов в породы III калийного горизонта имеет прямой и ясный ответ, поскольку в соляных породах

имеется развитая сеть тектонических трещин, горными выработками вскрыты малоамплитудные разрывные нарушения с амплитудами сбро­ са до 20,0 м, а также имеются зоны региональных тектонических нару­ шений — Восточного Краснослободского, Западного, Северо-Западно­ го, Северного и Центрального, вскрытые с поверхности многими буро­ выми скважинами и подземными горными выработками [148-152]. Зоны региональных тектонических нарушений для теории физико-геологиче­ ского механизма образования очагов ГДЯ особого интереса не представ­ ляют. Это объясняется тем, что по зонам региональных тектонических нарушений происходила разгрузка водных растворов и газов в породы надсолевой толщи. Анализ распределения очагов ГДЯ по площади ме­ сторождения показывает, что минимальное расстояние от очагов ГДЯ до предвестников региональных тектонических нарушений изменяется от 300 до 2500 м и более. Этот факт позволяет считать зоны региональных тектонических нарушений областями дегазированными и неопасными по ГДЯ. Тектонические трещины и малоамплитудные разрывные нару­ шения как проводники водных растворов представляют наибольший ин­ терес.

Разработка теории физико-геологического механизма образования очагов газодинамических явлений потребовала изучения трещиноватости

пород Ш калийного горизонта Старобинского месторождения. Задача изу­ чения характеристик трещиноватости состояла в выявлении систем тре­ щиноватости массива, их пространственной ориентировки, густоты (плот­ ности) и раскрытое™. Изучение трещиноватое™, под которой в дальней­ шем будем понимать явление расчленения массива горных пород трещинами различной протяженности и пространственной ориентаровки на блоки разной величины и формы, проводилось в горных выработках на Ш калийном горизонте рудников РУ 1, РУ 2 и РУ 3 ПО «Беларуськалий» путем прямых массовых измерений характеристик трещиноватости. В процессе проведения массовых замеров было обследовано более 50,0 км горных выработок и выполнено более 5000 замеров. Измерения производились с помощью горного компаса, приемы измерения были та­ кими же, как и при измерении элементов залегания пластов. Каждое изме­ рение сопровождалось определением магнитного азимута линии падения, угла падения и раскрытое™ трещины. Координаты точек замеров пара­ метров трещиноватое™ принимались в соответствии с действующей на горизонте шахтаой маркшейдерской сетью. Массовые измерения прово­ дились в пределах отдельных представительных участков — панелей, по трем параллельным подготовительным выработкам — конвейерному, транспортному и вентиляционному штрекам. Расстояние между штрека­ ми изменялось от 80,0 до 110,0 м, длина панели изменялась от 1400,0 до 3000 м. В выработках производились измерения элементов залегания всех без исключения трещин, фиксировались расстояния между трещинами одноименных систем, устанавливались характер трещин (открытые или закрытые), величина раскрытия, характер поверхностей трещин. Ориентаровка трещин определялась следующими угловыми величинами: ази­ мутом простирания, азимутом падения и углом падения. Азимут прости­ рания определялся как правый векториальный угол, заключенный между одним из направлений линии простарания и северным направлением истанного меридиана. Линия простирания имеет два протавоположных на­ правления, поэтому у простирания могут быть два азимута, различающие­ ся между собой на 180°. Азимут падения определялся как правый вектори­ альный угол между проекцией линии падения на горизонтальную плоскость и северным направлением истанного меридиана. Линия паде­ ния имеет одно направление, и для нее определялся только один азимут, отличающийся на 90° от азимута линии простирания. Угол падения тре­ щины — это угол между линией падения и ее проекцией на горизонталь­ ную плоскость. В общем случае величина угла падения трещин изменяет­