ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы комплексного изучения гидротермально-магматических систем и приуроченных к ним геотермальных месторождений как альтернативного, экологически чистого, возобновляемого источника энергии, тепла и минеральных ресурсов. Важное направление в рамках вышеуказанной научной проблемы составляет исследование процесса преобразования вмещающих пород и их физико-механических свойств на современных гидротермальных системах, характеризующихся различными термодинамическими и физико-химическими условиями. Проектом предусматривается исследование природы свойств неизмененных и гидротермально-переработанных вулканогенных пород и выявление основных геологических и петрографических факторов, влияющих на свойства; выявление последовательности и основных этапов изменения состава, морфологии порового пространства и физико-механических характеристик пород в процессе эволюции гидротермальной системы, под воздействием термальных растворов различной температуры, состава, кислотности – щелочности; оценка динамики и интенсивности гидротермального процесса по петрофизическим данным; выявление направленности гидротермального процесса с точки зрения измерения свойств пород; выяснение механизмов гидротермальной переработки пород и соответствующего изменения свойств. Отдельным направлением исследований является изучение напряженно-деформированного состояния массива гидротермальной системы с учетом различных факторов (гравитационные, тектонические, гидродинамические силы), с использованием численного моделирования и экспериментального изучения “эффектов памяти” горных пород методом акустической эмиссии. Объектами исследований являются гидротермальные системы Курило-Камчатской островной дуги, находящиеся на разных стадиях развития, характеризующиеся различными термодинамическими и физико-химическими условиями - Мутновская, Паужетская, Кошелевская, Паратунская, Ягоднинское месторождение, Эссовская, Долина Гейзеров (Камчатка), Северо-Парамуширская (о-в Парамушир), вулкана Баранского (о-в Итуруп). Преимуществом предлагаемого проекта, не имеющего аналогов в России и за рубежом, является его комплексность - обобщение и совместный анализ геологических, структурно-минералогических и петрофизических данных с одной стороны, экспериментальное изучение напряжений и математическое моделирование - с другой, что позволит создать наиболее полную картину функционирования гидротермальной системы в природных условиях и в процессе ее эксплуатации.

Выявлены закономерности преобразования вулканогенных пород и показана динамика изменения их физико-механических свойств под воздействием гидротермально-метасоматических процессов на различных гидротермальных системах Курило-Камчатского региона (около 1000 образцов) - Ягоднинского месторождения; термальных полей Паужетско-Камбально-Кошелевского района Южной Камчатки, Северо-Парамуширской гидротермальной системы, Долины Гейзеров, гидротермальной системы вулкана Баранского. Показано, что динамика изменения свойств вулканитов существенно различна в низко- (T<200 град) и высокотемпературных (T>200 град) условиях. Высокотемпературные глубинные растворы, независимо от их химического состава, производят уплотнение, упрочнение, повышение деформационных характеристик, снижение пористости, проницаемости, гигроскопической влажности. Данная тенденция наблюдается как для эффузивных пород, так и для туфов, но у последних она проявляется наиболее ярко. Это происходит вследствие заполнения межобломочного/ межкристаллического пространства вторичными минералами (кварцем, альбитом, мусковитом, хлоритом, эпидотом); перекристаллизации базиса во вторичный микроагрегат, состоящий из более плотных и прочных минералов; формирования прочных кристаллизационных контактов между новообразованными кристаллами. В наибольшей степени уплотнение и упрочнение пород обеспечивает вторичный кварц, образующий микрокристаллический агрегат, состоящий из прочно сросшихся зерен с извилистыми ксеноморфными очертаниями поверхности. При увеличении содержания кварца примерно до 50 % наблюдается закономерное повышение значений показателей свойств, а далее происходит их стабилизация, т.е. свойства достигают максимальных значений. Наличие других вторичных минералов в межзерновом пространстве существенного влияния на прочностные и упругие свойства не оказывает, до тех пор, пока они располагаются внутри кварцевого агрегата, образующего основу породы. Но прочность породы резко снижается, когда вторичные минералы (серицит, хлорит) выполняют пространство между зернами кварца или слагают целые участки. Динамика изменений свойств пород, вызванных воздействием низкотемпературных растворов более сложна и многообразна; она может быть различна для туфов и эффузивных пород. Существенное влияние на изменение свойств пород при низкотемпературных гидротермальных процессах оказывают химический состав и кислотность-щелочность термальных вод. Среди низкотемпературных преобразований наиболее детально изучены преобразования в приповерхностном горизонте термальных полей, в пределах которого вулканогенные породы превращаются в глины, и в зоне гидротермальной аргиллизации. Преобразования, происходящие с породой при гидротермальной аргиллизации рассмотрены на макро- (массив) и на микро- уровнях. Хотя каждой из гидротермальных систем присущи некоторые специфические особенности изменений пород, выявлены и общие закономерности аргиллизации, которые можно свести к следующим позициям: 1. Аргиллизация начинается с зон трещиноватости в массиве вулканитов, являющихся наиболее проницаемыми для флюидов. Стенки трещин быстро замещаются глинистыми минералами. Постепенно трещины расширяются, и в зону переработки захватываются все бóльшие участки. Возможно, что дополнительное растрескивание происходит под действием давления набухания, развиваемого формирующейся глинистой толщей. Толща гидротермальных глин неоднородна, часто содержит фрагменты первичных пород и характеризуется псевдоморфной структурой. 2. Первичные компоненты вулканитов замещаются глинистыми минералами (их состав и сопутствующие минералы зависят от условий). Первым преобразуется вулканическое стекло. На РЭМ-изображениях видно, как изначально гладкая поверхность вулканического стекла становится чешуйчатой вследствие развития глинистых минералов. Постепенно процесс аргиллизации захватывает весь объем - плотное вулканическое стекло превращается в пористые смектиты с ячеистым микростроением. 3. Развитие глинистых минералов в кристаллах плагиоклаза обычно начинается с микротрещин и дефектов, постепенно захватывая внутреннюю часть кристалла (более основного состава), тогда как внешняя кристалла более устойчива к замещениям. 4. В процессе аргиллизации часто происходит выщелачивание вещества, сопровождающееся формированием вторичной пористости и микротрещиноватости. 5. Горизонты аргиллизированых пород, как правило, обладают высокой пористостью (до 50-60%), но при этом низкой проницаемостью, вследствие малого размера пор, заполненных связной водой, не участвующей в фильтрации. Так образом, аргиллизация создает условия для изоляции потоков гидротермальных флюидов и образования теплоизоляционных и водоупорных горизонтов. 6. Глинистые минералы, замещая первичные компоненты вулканогенных пород, существенно снижают их плотностные, прочностные и деформационные свойства, повышают пористость, водопоглощение и гигроскопическую влажность. При трансформации вулканогенных пород в глины сцепление уменьшается на два-три порядка, угол внутреннего трения в 2-3 раза. 7. На свойства новообразованных пород существенное влияние оказывает не только количество, но и форма выделения глинистых минералов. Наиболее заметное снижение прочностных и упругих свойств происходит когда глинистые минералы образуют пленки или формируются на контактах зерен. Показано, что гидротермально-метасоматические преобразования пород во многом определяют инженерно-геологические условия геотермальных районов: приводят к активизации оползней, изменяют гидрогеологические условия, влияют на напряженно-деформированное состояние массивов; под действием гидротермальных процессов нередко меняется класс грунтов. Рассмотрены вопросы идентификации момента разрушения пород с помощью акустической эмиссии (АЭ) и рентгеновской компьютерной микротомографии (µКТ). Установлено, что при одноосном нагружении туфов формирование магистральной трещины, фиксируемое по АЭ и на микротомографе (но не наблюдаемое визуально) происходит при нагрузке, составляющей около 50% от разрушающего усилия, получаемого при стандартном определении прочности. Усовершенствован программный комплекс для расчета напряженно-деформированного состояния пород в массиве, разработанный на кафедре инженерной и экологической геологии. На основе обобщения и систематизации геологических и инженерно-геологических данных построен геологический разрез Паужетского месторождения, составлены расчетные схемы и проведен анализ распределения напряжений методом численного моделирования с учетом различных факторов. В основу положены данные по 6 скважинам месторождения. Построены эпюры и схемы распределения напряжений как по всему разрезу, так и в пределах отдельных его частей. Моделирование НДС показывает сложный характер распределения напряжений в гидротермальной системе: 1) При совместном действии гравитационных и тектонических сил обнаружены зоны равнокомпонентных напряжений, сопоставимые с зонами гидротермальной переработки; 2) Водонасыщение приводит к снижению эффективных напряжений примерно в 1,5 раза; 3) Наибольшие перепады напряжений выявляются в подошве и кровле водоносных горизонтов; 4) Выходы «слабых» пород в присклоновых частях разреза создают условия для возникновения зон растяжения при совместном действии различных сил. Систематизированы полученные авторами ранее данные по оценке напряжений методом АЭ в породах геотермальных месторождений и проведены новые акустоэмиссионные испытания пород. Обнаружено тесное соответствие величин напряжений, полученных расчетным способом и экспериментальным путем с помощью акустоэмиссионных измерений на образцах керна скважин. Для образцов гидротермально измененных туфов выполнены расчеты упругих свойств с помощью асимптотического метода осреднения. Полученные упругие характеристики показали хорошее совпадение с экспериментальными данными, что подтверждает возможность использования данной методики при исследовании реальных геологических структур, в частности для предварительной оценки свойств горных пород.