Механизм образования очагов газодинамических явлений в соляном пород

стью в результате развития межзерновой трещиноватости и высокой газонасыщенностью [127-128]. Эти особенности строения участков, опас­ ных по ГДЯ, характерны и для пласта Б карналлитового и смешанного состава. При отработке пласта АБ газодинамические явления часто про­ исходят в зонах замещения пласта каменной солью (рис. 3.2, а) или гли­ ной (рис. 3.2, б). Нередко такие участки обнаруживаются в замковых частях антиклинальных складок, что характерно для восточного крыла шахтного поля БКПРУ-2. В пределах этой же части шахтного поля газо­ динамические явления из почвы горных выработок приурочены к участ­ кам развития эпигенетических изменений в межпластовой каменной со­ ли Кр I-A, которые представлены прослоями и отдельными блоками шпатовой каменной соли. Полостями газодинамических явлений вскры­ ваются на таких участках в пласте Кр1 мелкие зоны замещения сильвини­ та каменной солью в виде линз неправильной формы. Слоистость пород

взонах замещения нарушена. Как правило, такие зоны приурочены

кучасткам интенсивного смятия или перегиба пласта АБ.

Вусловиях шахтных полей рудников БКПРУ-2, БКПРУ-3, а также

вусловиях шахтного поля рудника СКПРУ-3 большинство газодинами­ ческих явлений на пласте АБ произошло на участках с весьма изменчи­ вым распределением в пласте Б карналлитовой породы и сильвинитов (рис. 3.2, в).

Породы пластов АБ и Кр II в опасных зонах по геохимическим осо­ бенностям существенно отличаются от основного фона шахтных полей. Они характеризуются сильной изменчивостью содержания MgCl2, Вг, CaS04, повышенным содержанием и определенным составом газов. Примерно 80 % газодинамических явлений на сильвинитовых пластах Верхнекамского месторождения произошло в местах с явными призна­ ками эпигенетических изменений как самих пластов, так и вмещающих пород [92, с. 169-181]. Особенности геологического строения мест раз­ вития ГДЯ различного вида позволяют предполагать, что их очаги при­ урочены к путям миграции в соленосной толще водных растворов.

3.2.Источники агрессивных водных растворов и оценка их реакционной способности

Формирование очагов газодинамических явлений в породах место­ рождения представляло собой весьма сложный процесс галогенного ме­ тасоматоза, сопровождавшегося эпигенетическими преобразованиями

пород и выделением растворенных газов в свободную фазу. Химическое воздействие подземных вод является наиболее мощным фактором эпиге­ неза соляных толщ. Среди подземных вод в Соликамской впадине разли­ чают надсолевые, внутрисолевые и подсолевые воды. Надсолевые воды являются инфильтрационными и в механизме образования очагов ГДЯ их участие маловероятно. Даже наоборот, проникая внутрь соляной тол­ щи, инфильтрационные воды играли деструктивную роль, разрушая оча­ ги газодинамических явлений в пределах крупных положительных структур Верхнекамского месторождения.

Количество внутрисолевых вод в современной залежи невелико, а са­ ми воды находятся в физико-химическом равновесии с составом вмещаю­ щих пород. Однако установленная отчетливая связь между интенсивно­ стью деформации солей и их вторичными преобразованиями (осветление, перекристаллизация, частичное замещение) логичнее всего объясняется влиянием внутрисолевых водных растворов. Наиболее вероятным источ­ ником водных растворов внутри соляной толщи являются пачки глини­ сто-ангидритовых пород. Нижний (подсолевой) гидрогеологический этаж Соликамской впадины включает в себя 6 водоносных комплексов: нижне- пермско-верхнекаменноугольный карбонатный; московский; башкир- ско-верхневизейский; средне-нижневизейский терригенный, турней- ско-верхнедевонский карбонатный и верхне-среднедевонский терриген­ ный [13, с. 79]. По данным ряда исследователей подсолевые воды в пределах Соликамской впадины являются газонасыщенными и при на­ личии путей восходящей миграции также могли войти в контакт с солями [129-132].

Для примера выполним количественную оценку возможного выделе­ ния водных растворов на стадии позднего диагенеза и катагенеза из под­ стилающей каменной соли и глинисто-ангидритовой толщи. В позднем диагенезе и катагенезе происходило основное отжатие поровых вод из не­ соляных осадков (глинисто-ангидритовых прослоев), уплотнение кото­ рых происходит значительно медленнее, чем солей. Общая мощность со­ леносных глин подстилающей каменной соли (ПдКС) месторождения со­ ставляет примерно 70 м [13, с. 290-291]. Современная их пористость равна 8,3 %. Предполагается, что их пористость после консолидации со­ лей составляла около 30 %. Следовательно, объем отжатой из соленосных глин ПдКС воды оценивается в 22 м3 на каждый метр площади соляной за­ лежи [13, с. 256-327]. Мощным источником агрессивных вод является

процесс дегидратации гипса, который сопровождается образованием ан­ гидрита. Установлено, что при погружении осадков на глубины 200-400 м гипс переходит в ангидрит, при образовании 1 м3 которого выделяется 0,783 м3 воды. В разрезе глинисто-ангидритовой толщи (ГАТ) Верхнекам­ ского месторождения мощность ангидрита составляет примерно 120 м. Отсюда следует, что при его образовании выделилось около 95 м3 практи­ чески пресной воды на каждый квадратный метр соляной залежи. Сум­ марная мощность глинистых пород в разрезе ГАТ составляет 110 м. При­ нимая те же оценки пористости, что и для соленосных глин (8,3 % — со­ временная пористость, 30 % — пористость после консолидации солей), находим, что после диагенеза солей из глин ГАТ было отжато примерно 35 м3 иловых вод на каждый квадратный метр соляной залежи.

Таким образом, в период катагенеза соляных пород Верхнекамского месторождения на каждый квадратный метр площади соляной залежи из глинисто-ангидритовых прослоев ПдКС, глин и сульфатных пород ГАТ выделилось 152 м3 воды. При этом подавляющая часть этой воды — 85 %, была практически пресной.

Воздействие агрессивных растворов на соляные породы должно со­ провождаться процессами выщелачивания и образования пустот. Рас­ смотрим взаимодействие водного раствора, насыщенного только по NaCl, с породами калийной залежи месторождения (раствор I). При про­ никновении раствора в сильвинитовый пласт образуется система: га­ лит + сильвин + раствор I, в которой подвижным компонентом является КС1, а инертным — NaCl. Система стремится к равновесию, в результате чего растворяется сильвин и одновременно кристаллизуется галит. Рас­ творение сильвина будет происходить до тех пор, пока фигуративная точка вновь образующегося раствора II в системе NaCl — КС1 — MgCl2 — н 20 не достигнет линии насыщения по NaCl и КС1. Раствор II остается равновесным твердой фазе, пока он не достигнет карналлита. Здесь образуется новая система: галит + сильвин + раствор II. В этой сис­ теме подвижным компонентом является MgCl2, что служит причиной инкогруэнтного растворения карналлита. Растворение карналлита будет происходить до тех пор, пока раствор не станет равновесным твердой фа­ зе (галит + сильвин + карналлит). Образующийся раствор III, двигаясь по карналлитовой породе, остается равновесным к ней, поскольку все мине­ ралообразующие компоненты являются инертными.

Количественная оценка степени агрессивности растворов, мигрирую­ щих внутрь калийной залежи, может быть дана в виде объема замещенно-

го минерала, приходящегося на единицу объема агрессивного раствора. Для получения этой величины необходимо знать состав агрессивных рас­ творов. В составе поровых вод глинисто-ангидритовой толщи содержание NaCl значительно преобладало над содержанием КС1 и MgCl2, так как до­ ломит и гипс выпадают в осадок при весьма малой солености. Поэтому при оценке степени агрессивности растворов в расчетах можно прини­ мать, что поровые воды глинисто-ангидритовой толщи к моменту взаимо­ действия с калийными солями были насыщены только по NaCl.

Количественная характеристика метасоматических процессов дает­ ся на основе материального баланса в системе NaCl — КС1 — MgCl2 — Н20 для двух типов реакции: взаимодействие агрессивных растворов с сильвинитами и взаимодействие агрессивного раствора с карналлитом. Расчет материального баланса проведен по общему уравнению, которое имеет вид [91, с. 131]

Решение системы уравнений для каждой реакции при объеме заме­ щаемого минерала, равного 1, позволит найти объемы твердых фаз, по­ лученные при замещении (табл. 3.2). Как и следовало ожидать, наиболее агрессивными являются растворы, в которых отсутствуют компоненты,

входящие в состав калийсодержащих минералов. Наибольшей величины достигает агрессивность мигрирующих растворов по отношению к карналлитовым породам.

показали возможность локальных вторичных изменений в соляных породах Верхнекамского месторожде­ ния под их воздействием. При этом максимальную агрессивность вод­ ные растворы проявляли к карналлитовым породам.

3.3. Пути миграции водных растворов в соленосную толщу

Для миграции водных растворов из подсолевых отложений в соля­ ную залежь существовали следующие условия. Первое — в соленосной толще месторождения геологически длительное время существовали сублатеральные тектонические движения в направлении восток — запад. Об этом свидетельствует западное опрокидывание складок всех поряд­ ков. Второе — кристаллический фундамент и отложения, залегающие непосредственно под соляной толщей, разбиты крутопадающими и суб­ вертикальными разломами, по которым в послепермское время происхо­ дило перемещение блоков относительно друг друга. Это вполне установ­ ленный факт, выявленный в ходе региональных и детальных геофизиче­ ских исследований в пределах отдельных частей месторождения [13, с. 53-71; 14, с. 13-79; 94, с. 60; 95, с. 103; 134-140]. Схема предполагае­ мых разрывных нарушений в пределах центральной и южной частей Верхнекамского месторождения калийных солей по данным Р. И. Валее­ ва, Н. И. Денисова, Г. Г. Кассина, А. Д. Нояксовой, И. А. Санфирова и других ученых представлена на рис. 3.4.

Инвентаризация и анализ разрывных нарушений были выполнены коллективом автором под руководством А. И. Кудряшова [138]. В этой работе авторами приведен новый фактический материал, свидетельст­ вующий о наличии разрывных нарушений в разрезе Верхнекамского ме­ сторождения калийных солей, и предложена новая общая схема разло­ мов его центральной и южной частей (рис. 3.5). Особенностью этой схе­ мы является то, что при ее составлении авторами были учтены результаты всех предыдущих геолого-геофизических исследований, проведенных в данном районе [138, с. 156]. За все время исследования территории Верхнекамского месторождения геологическими, геофизи­ ческими, дистанционными и морфометрическими методами было выде­ лено около 180 разрывных нарушений длиной 10 км и более. Анализ проявления этих разрывных нарушений в комплексе геофизических и геологических полей показал, что большая часть из них не находит своего подтверждения. Остальные разрывные нарушения разделены ав­ торами этой работы на пять уровней. Первый уровень представлен глу­ бинным Красноуфимским разломом, разделяющим Предуральский про­ гиб от Восточно-Европейской платформы. Второй уровень включает две мощные субширотные структуры — Боровицкую и Дуринскую зоны глубинных разломов. Третий уровень представлен серией локальных зон

Рис. 3.4. Схема предполагаемых разрывных нарушений в пределах центральной и южной частей Верхнекамского месторождения калий­ ных солей [13]:/ — зоны Красноуфимского (I), Дуринского (IV) и Бо­ ровицкого (V) региональных разломов; 2 — оси зон локальных разры­ вов чехла и фундамента по данным гравиметрической и магнитомет­ рической съемок; 3 — по данным гравиметрической съемки; 4 — по данным комплекса геофизических и геоморфологических исследова­ ний; 5 — по данным сейсморазведки; 6 — по данным геологической

съемки; 7 — зоны наиболее вероятных разрывных нарушений

разломов. Севернее Дуринской зоны расположены Рубцовская и Володинская локальные зоны, а к югу от нее — Зыряновская, Балахонцевская, Сибирская и Палашерская. Четвертый уровень представлен 19 одиноч­ ными разломами, определенными как достоверные (достоверно выде­ ляемые). Пятый уровень включает 33 одиночных разлома, определенных как предполагаемые. Авторы новой схемы разрывных нарушений указы­ вают, что в соляной толще разломы могут проявляться в форме линей­ ных зон открытых и скрытых трещин скола. Эти зоны хорошо фиксиру­ ются малоглубинной сейсморазведкой и совпадают с зонами больших градиентов прочностных свойств соляных пород.

Для миграции водных растворов из подсолевых отложений в соля­ ную залежь существовало и третье условие — подсолевые отложения насыщены подземными водами, давление которых могло приближать­ ся к литостатическому. Водные растворы вполне могли быть газонасы­ щенными, так как с подсолевыми отложениями связаны нефтегазонос­ ные структуры.

Д. г.-м. н. А. И. Кудряшов считает, что в катагенетическую стадию формирования месторождения гидродинамический режим характеризо­ вался блочно-тектоническим типом разгрузки седиментационных вод подсолевых отложений и галопелитов самой соляной толщи. Движущей силой этой миграции явилось повышенное давление подсолевых водных растворов. Миграция агрессивных водных растворов в соляной толще на стадии катагенеза происходила над стыками блоков подсолевого ком­ плекса пород. В периоды тектонической активизации в низах соляной толщи над стыками блоков подсолевого ложа, вследствие меньшей жест­ кости солей (перемещение блоков происходило относительно быстро, но не мгновенно), формировались портьерные складки с многочисленными трещинами, часто образующими структуру типа конского хвоста, или флексурные складки, также образующие системы трещин (рис. 3.6). Вгобщем случае можно предполагать, что на участке входа разлома в со­ ляную толщу образовывался веер разнонаправленных трещин, которые заполнялись водными растворами. Далее трещины в солях развивались под совместным действием давления водных растворов и напряжений, обусловленных субгоризонтальными тектоническими движениями [13. с. 292-293]. Процессы миграции агрессивных водных растворов и свя­ занного с этой миграцией галогенного метасоматоза имели пульсационный характер, так как образование проводников в сильной степени зави-