книги из ГПНТБ / Борисов, О. Г. Экструзии и связанные с ними газо-гидротермальные процессы

вания с силикатной составляющей пород при определенных Р — Т

условиях. Состав газов со временем не может оставаться постояв ным. Он должен отражать новые термодинамические условия среды, т. е. какая-то часть компонентов газовой фазы должна войти во вновь образующиеся минералы. Явления так называемого автоме­ таморфизма в условиях земной поверхности можно наблюдать на современных экструзивных куполах, породы которых изменяются не под воздействием газо-гидротерм извне, а за счет остаточных про­ дуктов водно-газовой фазы, оставшейся в них после их становления.

В принципе такая постановка вопроса не вызывает сомнения, дискуссионным остается вопрос о форме вхождения газов в поро­ ды, ибо от этого зависит сама методика извлечения газов из пород для их анализа. Если полагать, что газы, заключенные в поры или адсорбированные в межкристалловых полостях, не изменяют своего состава с момента становления породы, то необходимо применить холодный метод — дробление породы в вакууме и извлечения из нее газов. Этот метод нашел широкое применение при изучении углево­ дородных газов в породах Кольского полуострова (Петерсилье, I960). Если же считать, что газы в значительной мере претерпели метаморфизм, то прежде чем извлечь газы, нужно создать условия, при которых они находились в момент становления магмы, как гео­ логического тела. Этот метод основан на нагревании образца гор­ ной породы до температуры плавления (порядка 1100—1200° С) в условиях вакуума. Возможен и другой вариант этого метода. Пред­ варительно дегазированная проба при нормальных условиях поме­ щается в атмосферу инертного газа и нагревается до 1200° С. Про­ веденные сравнения показали хорошую сходимость результатов последних двух методов.

Немногочисленные, но весьма ценные по научной значимости и выполнению эксперимента работы по газам пород, полученным при нагревании до 1200° С в условиях вакуума, были выполнены Р. Т. Чемберленом (Chemberlin, 1908), Е. С. Шепардом (Shepherd, 1938), X. С. Никогосьяном, М. Шеньо (Chaigneau, 1962), И. Иваса-

ки (Iwasaki et al., 1966) и др. Как следует из перечисленных экспе­ риментальных работ, а также теоретических работ А. Д. Эллиса

(Ellis, 1957), С. Мацуа (Matsuo, 1960), И. Шимацу (Shimazu, 1960),

основным источником газов предполагаются химические реакции, происходящие в породе при ее нагревании. Адсорбированным и микропоровым газам отводится подчиненная роль. Газовая фаза, выделяющаяся из породы, по своему качественному и количествен­ ному составу отражает равновесные условия между конденсирован­ ной (силикатной) и газовой фазами, т. е. химизм магмы и Р — Т

условия ее становления. Следовательно, вопрос о форме нахождения компонентов в холодной породе не принципиален, ибо сама форма отражает те или иные термодинамические условия среды. Если это действительно так, то положительное решение вопроса о возможно­ сти использования экспериментальных данных по газам пород для геологической интерпретации природных процессов дает в руки ис­ следователя, наряду с данными по фумарольным газам, дополни-

12L

тельный материал по составу магматических газов. И что особенно важно, это возможность многократного повторения анализа во вре­ мени и различными исследователями на одном и том же образце или объекте, что невозможно при изучении фумарольных газов. Такой материал позволяет дать и статистическую оценку, средним значе­ ниям газовой составляющей и, самое главное, оценить результаты, полученные в различных лабораториях, с количественной стороны.

Проверка точности метода

Метод исследования был апробирован на тщательно отобран­ ном геологическом материале — свежих неизмененных базальтовых лавах современных вулканов. Образец породы весом в 4—5 г дро­ бился до величины зерна 0,05 мм и дегазировался в вакууме при температуре 60—80° С. Затем температура медленно (в течение 3—4 ч) поднималась до 1200° С. Газ эвакуировался и анализиро­ вался общепринятыми методами химического анализа газа (Блаже­ нова и др., 1954; Еремина, 1955). Результаты анализа приведены в табл. 32.

Т а б л и ц а 32 Расчет величины ошибки определения газовой фазы базальта

При относительной величине ошибки rj=20% (при /г=0,05) для воспроизводимости анализа достаточно одного определения. Ве­ личина ошибки вполне приемлема и, следовательно, метод исследо­ вания, который, кстати, почти в течение 100 лет не претерпел суще­ ственных изменений, не вызывает сомнения и может быть .использо­ ван для дальнейших работ.

122

Обоснование

Значительные вариации цифр по содержанию газа в однотип­ ных по химизму и структуре породах послужили одной из причин скептического отношения ряда исследователей, к сожалению без должной количественной оценки, к возможности обобщения этого материала. Для геологической интерпретации уже недостаточна качественная характеристика, нужна оценка «истинного значения» используемых аналитических цифр, являющихся основным парамет­ ром, с точки зрения исследователя, в расшифровке газосодержания пород, так как единичное наблюдаемое значение дает лишь резуль­ тат взаимодействия основного изучаемого фактора с многочислен­ ными посторонними, учесть которые не всегда возможно. Получить такую оценку можно лишь в том случае, если будет известен закон распределения вероятностей для результатов измерения, полагая, что эти измерения подвержены ошибкам, носящим случайный харак­ тер. Зная этот закон, можно получить для измеряемой величины значение, которое, если исключить известные ошибки, можно спра­ ведливо назвать наиболее вероятным. Поэтому для оценки «истин­ ной величины» воспользуемся методом математической статистики. Обработка фактического материала по данным различных исследо­ вателей (Р. Чемберлена (1908), Е. Шепарда (1938), X. Никогосяна (1940), М. Шеньо (1962) и др.) проводилась по общепринятым ста­ тистическим методам. Результаты приведены в соответствующих таблицах.

Рассмотренные ниже статистические гипотезы преобразованы из геологических гипотез в допущении, что изменения в газосодержании пород подвержены ошибкам, носящим случайный характер, т. е. величины, отражающие истинную газонасыщенность, являются случайными переменными. В качестве нулевой статистической гипо­ тезы рассматривается предположение, что выборочные данные полу­ чены из одной (или нескольких близких по значимости) генераль­ ной совокупности. Их различия носят случайный характер. В каче­ стве альтернативной гипотезы рассматривается противоположное ей

предположение.

При вероятностной оценке выборочных параметров исходим из предположения, что распределение случайных величин подчиняется закону нормального распределения (основная гипотеза). Испыта­ нию подвергнуты суммарные данные различных исследователей по общей газонасыщенности пород и содержанию отдельных компонен­ тов газовой смеси как в целом, так и по их основным петрографи­ ческим разновидностям: базальтам, андезитам, рио-дацитам.

Оценка результатов наблюдений

П р о в е р к а о с н о в н о й г ипот е з ы. В табл. 33 приведены цифры средневыборочного значения содержания газа, их статисти­ ки, а также оценки минимума проб для воспроизводимостей оценки

123

средневыборочной с относительной ошибкой 20% (N\) и 30% (W2).

' Проверка основной гипотезы, ввиду ограниченности выборок по по­ родам различного состава, проводилась по методу непараметриче­ ской статистики (Пустыльник, 1968). По этому методу проведены все рассматриваемые совокупности. Для контроля генеральная сово­ купность, представленная андезитом (йо общей газонасыщенности), проверялась с помощью критериев асимметрии (А) и эксцесса (Э). Данные проверки вполне удовлетворительны, чтобы аппроксимиро­

В отдельных случаях, при несогласии с нормальным распреде­ лением, доверительные интервалы для оценки генеральной выбороч­ ной вычислялись на основании неравенству Чебышева, имеющего самый общий вероятностный характер (a= X ± 2,82 -S , при д=0,95).

С р а в н е н и е с р е д н и х . При сравнении выборочных сред­ них исходили из нулевой гипотезы: каждая средняя принадлежит строго определенной генеральной совокупности и различие между ними не случайное. Анализ цифр табл. 35 показывает, что для рядов диорит-габбро, базальт-габбро, базальт-диорит и диорит-андезит справедлива альтернативная гипотеза (при /7 = 0,05). В целом нуле­ вая гипотеза (даже при р=0,01) верна почти для всех сравнивае­ мых пар выборок. Это убедительно доказывает, что средневыбороч­ ные различных пород нельзя рассматривать как принадлежащие к одной и той же генеральной совокупности. Следовательно, можно полагать, что общая газонасыщенность пород отражает как химизм, так и Р — Т условия становления магмы как горной породы.

Д и с п е р с и о н н ы й анализ . Для определения влияния на газонасыщенность различных переменных факторов (петрографиче­ ский и химический состав, лаборатория или аналитик) был применен дисперсионный анализ. Данные табл. 36 и 37 отражают влияние фактора геоструктуры породы (глубинность ее становления) на со­ держание отдельных компонентов газовой фазы в ряду эффузивов и интрузивов. Данные дисперсионного анализа вполне однозначно подтверждают предположение, что на качественный состав газов главное влияние оказывает фактор глубинности становления поро­ ды (эффузивные, интрузивные), т. е. в данном случае роль химиче­ ских реакций внутри газовой фазы более значима, чем химический состав породы. Особенно четко это выявляется в ряду эффузивных пород, формирующихся в сходных геолого-структурных условиях.

Поскольку дисперсионный анализ представляет собой сравне­ ние нескольких средних в целом, целесообразно провести попарное

125

Т а б л и ц а 35

Оценка значимости различия средневыборочных по общей газонасыщенности nopoj

сравнение средних (табл. 37). Наиболее значимые различия отмена-1 ются в рядах интрузивных пород и парных рядов интрузив — эффузив. Двуфакторный анализ (табл. 38) показывает, что на суммар­ ную газонасыщенность эффузивов фактор породы (при сравнении нескольких средних в целом) очень не влияет. Частичное влияние оказывает фактор состава газов. Влияние фактора взаимодействия (порода и состав газов) незначительно. Из сравнения таблиц 36, 37 и 38, видно, что на общую газонасыщенность пород и состав га-| зовой фазы в первую очередь влияют геоструктурные признаки. Отсюда, как суммарный объем газов пород, так и их состав равно­ значно могут служить индикаторами Р — Т условий становления

магмы (лавы). Чтобы доказать или отвергнуть аналогичное влия-| ние химического состава пород на их газонасыщенность, нужны до­ полнительные исследования.

Двухфакторный анализ, в котором рассматривается влияние не­ зависимых факторов (состав пород, аналитик или лаборатория) на общую газонасыщенность пород показывает, что фактор исследова­ телей и взаимодействия факторов незначительны (табл. 39). Влия­ ние фактора породы, значимость для эффузивов и незначимость для интрузивов, подтверждает вывод о влиянии состава пород и условий

126

Т а б л и ц а 36

Влияние фактора породы на качественный состав газов

их становления на суммарную газонасьпценность. В подтверждение сказанному в табл. 40 приведены результаты двухфакторного анали­ за для С02 эффузивных пород, которые показывают, что фактор породы и фактор лабораторий незначимы, т. е. данные различных исследователей по различным породам вполне сопоставимы.

К о р р е л я ц и о н н ы й а н а л и з . Выше шла речь о наблюде­ ниях над одной случайной величиной. Для выяснения тех или иных причинно-следственных связей необходимо одновременное наблюде­ ние над целым рядом случайных величин. При каждом испытании основные факторы одинаковы для наблюдаемых величин. Однако случайные факторы для каждой величины могут быть свои. Как от­ мечалось выше, выборочные значения газонасыщенности пород рассматриваются как случайные величины, следовательно между ними может существовать стохастическая связь. Одним из важней­ ших показателей этой связи является коэффициент корреляции. Рас­ смотрим оценку зависимости случайных величин по выборочному коэффициенту корреляции (г) для Н2 — С02 в различных породах

(в процентах от общей суммы газов).

Во всех без исключения породах между наблюдаемыми вели­ чинами существует четко выраженная обратная корреляционная связь (табл. 41). Для интрузивных пород коэффициент корреляции равен почти единице, для эффузивных — близок к единице. В прин­ ципе такую связь можно рассматривать как функциональную, т. е. допустимому значению одной переменной У(Н2) соответствует одно Х(С02), и только одно, значение другой переменной, что особенно характерно для глубинных разновидностей пород (габбро, диорит и, частично, гранит).

127

Т а б л и ц а 37

Оценка значимости различия средне-выборочных по отдельным газам в различных породах

В табл. 42 приводятся значения парных коэффициентов корре­ ляции по газам всех пород (в сумме) без СН4. В качестве результа­ тивного признака (У) рассматривается общее газосодержание, а факториальных (Х{) содержание С 02, Н2, СО и N2. Как и в приве­

денном выше примере, корреляционная связь, хотя и менее четко выраженная, отмечается между С 02 и Н2, N2 и Н2 (ri_p=0,173 и 0,230, при р=0,05 и 0,01 соответственно). В остальных случаях кор­ реляционная связь четко не выражена, хотя коэффициент корреля­ ции во всех случаях отличается от нуля. Последнее вполне объясни­ мо в связи со случайностью выборки.

Фактический корреляционный анализ служит той же цели, что и дисперсионный, но он одновременно позволяет оценить и степень не­ случайности наблюдаемых явлений. Например, четкую связь между

128

Т а б л и ц а 38

Оценка значимости влияния петрографического состава пород (Л)

ихимического состава газов (В) на суммарное содержание газов

вэффузивных породах

содержанием компонентов газовой фазы и общей газонасьпценностью породы. Увеличение содержания С02 приводит не только к уменьшению содержания Н2, но и целиком всей газовой фазы, т. е., в данном случае изменение содержания СОг и Н2 отражает опреде­ ленные химические реакция, происходящие в газовой фазе.

Р е г р е с с и я . Для выяснения точных количественных характе­ ристик изменения случайной величины воспользуемся зависимостью9

Т а б л и ц а 40

Оценка значимости влияния фактора породы (Л) и лаборатории (В) на качественный состав газов (для эффузивов, газ: С02)