Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

В соответствии с функциональной системой галогенного метасома­ тоза, включающего забойную, обменную и конденсационную зоны, ис­ следуем механизм образования очагов ГДЯ в породах III калийного го­ ризонта. Образование выбросоопасных геологических нарушений — мульд, вероятнее всего, происходило при концентрическом или радиаль­ но-концентрическом развитии процесса метасоматоза (рис. 4.19, I, II). В этом случае забойная зона в породах формировалась вокруг проводни­ ка водного раствора, представленного трубообразным каналом (концен­ трическое развитие метасоматоза) или областью пересечения (сопряже­ ния) трещин. На первом этапе забойная зона формировалась вокруг крупного проводника, обладающего наиболее реакционными в данных условиях стенками. Вокруг такого проводника развивался первый слой забойной зоны, а сам проводник становился обменной зоной и местом формирования первого слоя конденсационной зоны. Затем обменная зо­ на смещалась из центра вслед за забойной зоной. По мере функциониро­ вания трехзонной системы метасоматоза в зоне конденсации происходи­ ла закупорка исходного проводника и она становилась замкнутой и зату­ хающей. При радиально-концентрическом развитии система могла еще некоторое время функционировать при связи обменной зоны проточ­ но-отточным массообменом с внешним омывающим потоком раствора по поперечным «проходам» через кольцо забойной зоны. Однако в ко­ нечном счете и радиально-концентрическая система становилась замк­ нутой и затухающей. При образовании мульд вблизи питающих провод­ ников вследствие высокой разницы концентраций основных компонен­ тов в водных растворах и породах преобладала работа забойной зоны.

Здесь преобразования протекали наиболее интенсивно, с полным изме­ нением химического и минералогического состава пород и их структур­ но-текстурных признаков. Вблизи питающих проводников породы III го­ ризонта подвергались максимальной деструкции. На этих участках мульд наблюдаются брекчированные зоны, представленные преимуще­ ственно глинистыми породами без видимой слоистости и обломками со­ ляных пород различных размеров. В отдельных случаях прослеживались питающие каналы, выполненные рыхлым, брекчированным глинистым материалом. Повышенная пустотность центральной части мульды, обра­ зовавшаяся при выщелачивании соляных пород, позволяла обрушаться сюда части пород глинисто-карналлитовой пачки, обломки и остатки ко­ торых формировали зону брекчированных, перемятых и перемешанных пород. К центральным частям мульд приурочены собственно и очаги

внезапных выбросов соли и газа. В процессе образования пустот вблизи питающего проводника происходила и дегазация газонасыщенных вод­ ных растворов. Механизм выделения газов из водных растворов включал две стадии. На первой стадии происходило выделение газов за счет сни­ жения пластового давления растворов, так как они мигрировали из под­ стилающей толщи по областям транзита в области с меньшим пластовым давлением. Пластовое давление снижалось и при образовании пустот выщелачивания в породах III горизонта. Возникающая разность давле­ ний между областью питания и областью поглощения приводила к нару­ шению равновесия в системе газ — водный раствор и частичной дегаза­ ции раствора. Количественная оценка этой стадии дегазации водных рас­ творов показала, что суммарный объем выделившейся из водного раствора газовой смеси азот — метан при разности пластового давления в областях питания и поглощения 25,0 МПа и температуре 62 °С может достигать величины 1 м3 газа на 1 м3 водного раствора. Такая величина разности пластовых давлений вполне могла иметь место в геологиче­ ском прошлом при восходящей миграции водных растворов и импульс­ ных тектонических движениях. На второй стадии дегазации водных рас­ творов происходило «высаливание» газов из водного раствора за счет роста его минерализации. Преобладание на первом этапе образования мульд в функциональной системе метасоматоза работы забойной зоны приводило к выщелачиванию пород III горизонта и росту минерализации раствора. При выщелачивании минерализация водного раствора непре­ рывно возрастала, что приводило к вытеснению газов из раствора. Расче­ ты показали, что суммарный объем выделившейся газовой смеси азот — метан при росте минерализации до предела насыщения составляет 80 % от содержащихся в водном растворе газов. В общем случае суммарный объем газов, выделившихся из водного раствора за счет падения пласто­ вого давления и «высаливания», может достигать величины 1,7 м3 газа на 1 м3 водного раствора. Здесь весьма уместно будет напомнить, что, по данным ряда исследований, газоносность пород в мульдах составляет 1,3 м3 газа на 1 м3 породы. Процесс расслоения газонасыщенного водно­ го раствора на газообразную и жидкую фазы имел ряд последствий. Газ, выделившийся в свободную фазу, заполнял различного рода полости и пустоты выщелачивания и занимал верхнее положение в центральной части мульды. Это приводило к тому, что в рабочей системе метасомато­ за газ оказывал блокирующее действие, как бы «предохраняя» породы кровли от выщелачивания и замещения на участках, где он их пропиты­

вал. Аккумуляция газа в центральных частях мульд предопределена функциональной системой метасоматоза с преобладающей работой за­ бойной зоны, которая на этом участке характеризуется барической гете­ рогенностью, связанной с процессами ее развития. Здесь возникают, меняются и исчезают внутренние градиенты давления, ведущие к ло­ кальным конвективным перераспределениям водных растворов и фор­ мированию локальных зон отжатая и всасывания, связанных с самим метасоматическим процессом. В центральных частях мульд могло быть и несколько питающих проводников, поэтому аккумуляция газов могла происходить в различных подзонах. Это приводило к формированию в пределах центральных частей мульд нескольких газонасыщенных оча­ гов. Этот факт подтверждается результатами вскрытая мульд горными выработками. Так, при пересечении лавой № 3 (верх) на 3-й южной пане­ ли рудника 2 РУ в январе-феврале 1987 г. центральной части мульды произошло шесть искусственно инициированных выбросов соли и газа интенсивностью соответственно 40, 160, 240, 6 и 300 т. В июне 1987 г. при пересечении лавой № 7 (верх) на 4-й южной панели рудника 2 РУ центральной части мульды произошло пять искусственно инициирован­ ных выбросов соли и газа интенсивностью соответственно 8,500,200,20 и 15 т. На 5-й южной панели рудника 2 РУ в июне 1995 г. при пересече­ нии лавой № 11 (верх) центральной части мульды произошло шесть ис­ кусственно инициированных выбросов соли и газа интенсивностью со­ ответственно 32,240,170,40 и 65 т. Приуроченность к центральным час­ тям мульд сразу нескольких очагов выбросов соли и газа отмечалась и на руднике 1 РУ.

Функциональная система метасоматоза распространялась от питаю­ щих проводников в стороны по латерали. Проводниками латеральной миграции водных растворов служили слои, прослойки галопелитов, про­ низывающие все породы III калийного горизонта, а также микротрещи­ ны и межзерновые границы. Наличие в породах указанных проводников изначально предопределяло принципиальную возможность взаимодей­ ствия агрессивных водных растворов с любым объемом соляных пород. Миграция водных растворов по латерали от центральной части в глубь пород определялась главным образом стремлением системы к выравни­ ванию химических потенциалов первичной объемной твердой фазы и ра­ бочей граничной фазы, т. е. к понижению поверхностной энергии смачи­ ваемых пород. Латеральная миграция водных растворов по системам проводников приводила к промачиванию относительно сухих соляных

пород. Перемещение водных растворов осуществлялось по капиллярам в виде тонких пленок, растекавшихся по внутренним поверхностям по­ род и по наиболее проницаемым слоям. Движущей силой капиллярного всасывания является, как известно, лапласовское давление, обусловлен­ ное кривизной поверхности жидкости в капиллярах. Пленочные течения связаны с градиентами поверхностной энергии и явлениями смачивания. Недонасыщенность водных растворов по основным химическим компо­ нентам сильвинитов, карналлитов и каменной соли вызывала очень вы­ сокую степень их смачиваемости. Следует отметить, что поскольку раз­ меры вторичного увлажнения пород зависят от количества поступивших растворов, а сами эти зоны не в состоянии сокращаться в силу удержания влаги намокания, то увлажненные участки — собственно мульды, отра­ жают в своих размерах стадии максимального промокания пород III го­ ризонта. По мере латерального продвижения граничной фазы концентра­ ция водного раствора по основным породообразующим компонентам — КС1, MgCl2 и NaCl — постепенно возрастала. Поэтому во внешних уча­ стках зон промачивания функциональная система метасоматоза работа­ ла в условиях, близких к равновесным. На смену процессам выщелачива­ ния приходит замещение пород. Здесь уже начинает работать модель системы, в пределах которой происходит превращение или переход «твердое в твердое». На это указывает, в частности, присутствие во внешних частях области измененных пород псевдосильвинитов, кото­ рые унаследовали все структурно-текстурные признаки сильвинитов, хотя сильвин полностью замещен красным галитом. При этом первич- но-седиментационный галит сохранился в первозданном виде [170]. Об­ разование таких псевдосильвинитов было возможно только при близких значениях потенциалов и концентраций в растворах и породах всех ком­ понентов за исключением иона калия. При реакциях обмена развивались тепловые градиенты во внутренних и внешних участках зон промачива­ ния, которые вызывали течения растворов в пристеночных слоях капил­ ляров в направлении, обратном вектору движения растворов (эффект те­ плового скольжения). Этот процесс приводил к выносу отдельных ком­ понентов из сильвинитов, каменной соли и галопелитов с последующей их фиксацией в виде относительно крупных кристаллических образова­ ний в проводниках растворов. Геохимическая эволюция растворов на пу­ ти их латерального продвижения в породах III калийного горизонта пре­ допределяла смену деструктивных процессов на конструктивные. Про­ цессы выщелачивания сменялись процессами образования новой

твердой фазы на месте старой. При этом в системе метасоматоза прева­ лирующая роль работы забойной зоны сменялась преобладанием работы конденсационной зоны. Во внешних частях мульды образующиеся мик­ рополости сразу же частично или полностью заполнялись новым твер­ дым веществом. Сложное сочетание в системе галогенного метасоматоза работы забойной, обменной и конденсационной зон привело к появле­ нию в мульдах своеобразной зональности: I — ядро структуры (брекчированные породы, глины, крупнокристаллическая каменная соль); II — участки, сложенные преимущественно псевдосильвинитами с полным отсутствием сильвина и частично растворенным галитом; III — участки, образованные псевдосильвинитами с замещением сильвина красным га­ литом и первично-седиментационным галитом; IV — породы с нормаль- но-седиментационным сильвинитом. В последующем теологическом времени область мульды подвергалась «метасоматической контракции» под действием литостатического давления и принимала видимую ворон­ кообразную форму. Процесс «метасоматической контракции» сопрово­ ждался изменением поля напряжений в области мульды, а также образо­ ванием систем концентрических и радиальных трещин вокруг и внутри мульды. Следует отметить, что образование мульд в породах III калий­ ного горизонта было возможно при выполнении условия вертикальной «экранированное™» функциональной системы метасоматоза. Эффект «экранированное™» обеспечивался «затуханием» проводника на уровне III горизонта, наличием в кровле слабопроницаемых соляных пород, преломлением и расщеплением проводников на литологических разно­ стях пород. Если же эффект «экранированное™» не соблюдался, то на уровне III горизонта мульды не образовывались, а водные растворы по зоне транзита мигрировали в вышележащую толщу пород. Участие вод­ ных растворов в образовании мульд и вертикальная «экранированность» системы метасоматоза подтверждается фактами выделения насыщенных водных растворов из мульд при их пересечении горными выработками (рис. 4.20).

Физико-геологический механизм образования очагов выбросов соли и газа позволяет дать ответ и на вопрос о выбросоопасноста мульд.

Выбросоопасными являются только те мульды, при образовании ко­ торых выполнялись следующие условия: зона разгрузки (поглощения) гидродинамической системы располагалась в породах III калийного го­ ризонта, водные растворы были газонасыщенными, функциональная система галогенного метасоматоза была «экранированной». Невыполне­

ров, происходило латеральное нагнетание газа в массив по глинистым и зонам контакта различных пород (см. рис. 4.19, V). В этом случае про­ исходило формирование своего рода тел вторжения. При этом активным началом являлся газ, выделившийся при дегазации водного раствора. Газ, воздействуя на породы, формировал в них вторичные коллекторные свойства. В очагах обрушений порода состояла из твердого минерально­ го каркаса и заполняющего различные пустоты газа. Не исключено, что первоначально от трещины происходила латеральная миграция газона­ сыщенного водного раствора по глинистым прослойкам и зонам контак­ та пород различного состава, а затем в месте их локализации происходи­ ло фазовое разделение на газ и водный раствор.

Условия образования очагов отжимов призабойной части пород

иобрушений пород кровли были такими же, как и очагов выбросов соли

игаза в мульдах: зона поглощения гидродинамической системы распо­ лагалась в породах III горизонта, водные растворы были газонасыщен­ ными, функциональная система метасоматоза была «экранированной».

Гидродинамические системы в условиях Старобинского месторож­ дения, как и всякие природные тела, претерпевали эволюционные изме­ нения. Они возникали, развивались и исчезали. Основными условиями их возникновения являлись: наличие водных растворов, миграционного напряжения и путей миграции. Гидродинамическая система могла ис­ чезнуть по следующим причинам: прекращение генерации или исчерпа­ ние источника водных растворов, утрата раствором подвижности, сни­ жение миграционного напряжения, закрытие областей транзита к поро­ дам III калийного горизонта, превращение в иную систему, уничтожение раствора [90, с. 139]. Не останавливаясь на механизмах процессов исчез­ новения гидродинамических систем в условиях месторождения, следует отметить, что очаги ГДЯ в породах III калийного горизонта могли сохра­ няться весьма длительное геологическое время только при определен­ ных условиях. В общем случае по прекращении миграции водных рас­ творов гидродинамическая система распадалась на локальные, более мелкие системы пустот, заполненные свободным газом. Если градиент давления газа в системе пустот, хотя бы в одной ее части, превышал на­ чальный градиент фильтрации для данного массива пород, то происхо­ дила фильтрация газа в породы и он безвозвратно рассеивался и массив со временем стремился восстановить свою однородность. В противном случае, когда начальный градиент фильтрации превышал градиент дав­

ления газа в системе пустот, то формировалась квазиизолированная сис­ тема, в которой давление газа препятствовало уплотнению и упрочне­ нию пород. В мульдах это были очаги выбросов соли и газа, в трещи­ нах — очаги отжимов призабойной части пород, вблизи трещин (в глинистых прослойках и на контактах различных пород) — очаги об­ рушений пород кровли. Обобщая изложенный материал, можно сказать, что очаги газодинамических явлений — это следы существовавших в геологическом прошлом гидродинамических систем, содержащих газ. Геологическое время образования очагов газодинамических явлений ус­ тановить весьма сложно. Однако можно предполагать, что в связи с зату­ ханием интенсивных тектонических движений к концу девонского пе­ риода образование очагов ГДЯ также было завершено. Следовательно, возраст очагов газодинамических явлений в условиях Старобинского ме­ сторождения можно оценить предположительно в 300-350 млн лет.

4.6.Выводы

Входе выполнения исследований по разработке теории физико-гео­ логического механизма образования очагов газодинамических явлений сформулированы новые научные положения, среди которых необходи­ мо отметить следующие:

1.Очаги газодинамических явлений в условиях Старобинского ме­ сторождения образовались на стадии катагенеза в результате функцио­ нирования гидродинамических систем, водные растворы которых содер­ жали растворенные газы. Областями питания гидродинамических сис­ тем служили водоносные горизонты глинисто-карбонатных отложений, расположенные в соленосной толще ниже III калийного горизонта, а так­ же водоносные горизонты межсолевых, подсолевых, верхнепротерозой­ ских отложений и кристаллического фундамента. Областями транзита гидродинамических систем служили разрывные тектонические наруше­ ния, образовавшиеся над стыками блоков кристаллического фундамента

врезультате активизации тектонических движений. Области поглоще­ ния гидродинамических систем при образовании очагов ГДЯ располага­ лись в породах III калийного горизонта.

2.Источниками свободного газа при образовании очагов ГДЯ служи­ ли водные растворы, содержащие газ. Дегазация водных растворов проис­ ходила в две стадии. На первой стадии происходило выделение газов