Контроль проницаемости в гидротермальных системах (стр. 2 из 3)
Относительная важность первичной и вторичной проницаемостей для течения гидротерм и рудной минерализации.
Вторичная проницаемость, обычно, важнее первичной при образовании эпигенетических месторождений, но иногда бывает и наоборот. Например, рассматриваемые здесь рудоносные туфы хай сульфидейшн в Нансатсу, Япония (рис.4) и, возможно, часть минерализации лоу сульфидейшн в Тока Тиндунг (Wakeetal., 1996). Но в большинстве случаев вторичная проницаемость более важна. Имеется несколько причин этому феномену:
Поток гидротерм находится в главных структурах вторичного происхождения. Эти структуры сформировались в результате вторичных процессов, которые мощнее и продолжительнее структур, образованных первичными процессами. Способность структуры к проводимости гидротерм изменяется, примерно, в четвертой степени по отношению к ширине структуры (в зависимости от формы). Таким образом, для проводимости гидротерм несколько больших разломов важнее, чем множество мелких трещин.
Со временем, отложение гидротермальных минералов блокирует первичные каналы проницаемости. Вторичные дрены обновляются, тогда как первичные каналы не испытывают такой регенерации.
Промышленные рудные месторождения ограничены по площади и здесь отмечаются концентрации рудных минералов до промышленных содержаний. Особенно это требование применимо к ценным минералам, таким, например, как золото. Следовательно, вторичные рудоподводящие каналы важны при локализации периодических событий брекчирования, что предполагает сосредоточение в этих каналах промышленных руд (в противовес "фоновому" рудообразованию).
Процессы вторичного брекчирования происходят внезапно. Поэтому они могут приводить к резким изменениям давлений в гидротермальном потоке. Это является лучшим средством провоцирования процесса отложения золота.
Вторичные процессы, формирующие проницаемость, наиболее вероятно, могут приводить к образованию проницаемых проводящих каналов с большими углами падения, тогда как многие зоны первичной проницаемости, относительно, полого лежащие (т.е. стратиграфически контролируемые) (рис.2). Полого падающие зоны проницаемости встречаются в этих местах нечасто, за исключением, по-видимому, мест, где в результате эрозии кровли над плутонами снята литостатическая нагрузка. Почти вертикальные рудоподводящие каналы чаще встречаются в зонах, подвергающихся дифференцированным гидравлическим давлениям и, следовательно, формирующими поток гидротерм.
1.2.1 Локализация и ориентация зон вторичной проницаемости
Первичные зоны проницаемости, как уже упоминалось, могут иметь любую ориентацию, но чаще почти горизонтальную. Каналы же вторичной проницаемости чаще бывают почти вертикальными. Это обусловлено полем напряжений в типичном вулканическом поясе.
В условиях тыловых дуг напряжения характеризуются растяжением и здесь формируются простые гравитационные разломы с углами падения 60-75°, в зависимости от свойств пород. Вулканические пояса у плитовых границ будут чаще подвергаться сильным латеральным напряжениям и находятся обычно в состоянии сжатия. Это означает, что, как наименьшие, так и главные наибольшие напряжения будут иметь горизонтальное направление. Таким образом, гидротермальное дробление приводит к образованию субвертикальных обычных (нормальных) разломов. Образовавшиеся структуры выполняют роль каналов для протока гидротерм, приводя к формированию типичных субвертикальных гидротермальных жильных месторождений (рис.5в и 5с).
Таким образом, в этих условиях полого падающие разломы редки, по-видимому, за исключением случаев, когда проявляется реакция, связанная со снятием эрозией литостатической нагрузки кровли над плутонами.
Случаи, когда оба горизонтальных направления поля напряжений превосходят вертикально направленные напряжения (рис.5а), которые характерны для глубоких метаморфических зон, редки на малых глубинах у границ тектонических плит. Они характерны для мест локализации эпитермальных и порфировых месторождений.
Ответная реакция на тектоническое напряжение проявляется в виде серии сопряженных сдвигов с большими углами падения, или проявляется в виде эшелонированных структур рубцов растяжения (короткая трещина растяжения, вдоль которой стенки раздвинуты). Такие трещины могут быть открытыми или заполненными и обычно имеют эшелонированное расположение. Они могут быть диагональными в зонах разломов или протягиваться перпендикулярно кливажу в зонах будинажа (Англо-русский геологический словарь), а не вне плоского единого разлома. Это относится к широкому интервалу масштабов. Идея о характере процессов растяжения или выпуклостей в разломах растяжения и их последствиях успешно применена к процессу локализации эпитермальных месторождений. Образованное пространство в открытом разломе обусловливает фокусирование среды с пониженным давлением в потоке гидротерм, в связи с чем, происходит ускорение его движения и интенсификация процесса отложения руд (Рис.6).
Исследование этой структурной ситуации также объясняет, почему некоторые жильные месторождения "прерываются" разломами, а не образуются расширения жил (рис.7).
Важно отличать образование разломов, одновременно происходящее с рудоотложением, от процесса образования разломов, образованных после отложения руд. На больших глубинах размещение магмы, формирующее порфировые месторождения, может происходить в структурах "расплющивания".
2. Изменение проницаемости на глубине
Вертикальные зоны, в которых может образоваться промышленная эпитермальная минерализация, контролируются в значительной мере химическим составом гидротерм и кривой кипения воды, в то время как порфировые месторождения, которые располагаются вблизи породивших их интрузий, зависят от температурного режима гидротерм. Но есть некоторые общие механизмы, которые также имеют значение в образовании этих месторождений. Предполагается, что эти механизмы обусловлены изменением поведения гидротерм в зонах проницаемости, протягивающихся на большие глубины. Для чего необходимо проанализировать гидродинамику типичной гидротермальной системы снизу вверх от её корневых уровней (рис.8).
Большая часть информации получена по результатам бурения геотермальных скважин на активных гидротермальных системах. По мере прогресса технологии бурения, геотермальные скважины проникали всё глубже и глубже во все более высокотемпературные среды. Таким образом, энергетическая производительность скважин возрастала. Однако этот процесс привёл, с некоторых пор, к обратному результату. Опытное геотермальное бурение в современных гидротермальных системах в регионах развития андезитового вулканизма (андезитовые террейны) глубже 2 500 м показало, что проницаемость здесь не такая хорошая, как на меньших глубинах. Это привело к разочарованию в использовании геотермальной энергии.
Наблюдения показали, что геотермальные скважины часто вскрывали лучшие зоны проницаемости в интервале температур 260-300оС, чем на более высокотемпературных глубинах. Оказалось, что ответ на эту загадку находится в природе деформации пород при этих температурах. При температуре выше 320оС обычные вмещающие породы будут деформироваться значительно быстрее, чем происходит образование разломов, или "залечивание" разломов происходит в более короткое время по сравнению со скоростью накопления напряжений вследствие подвижки тектонических плит. В связи с этим наибольшая проницаемость существует непродолжительный период.
Такой же процесс хорошо известен структурным геологам, работающим на метаморфических террейнах. Они отмечают так называемые "кварц-полевошпато-хрупкопластический переход" и температурную границу, расположенную примерно на той же глубине (уровне-320-340оС). Однако в метаморфических зонах, для которых характерен значительно меньший геотермический градиент, чем в гидротермальных системах, этот переход находится на больших глубинах, где давление также значительно больше. В гидротермальных системах переходная зона располагается существенно ближе к дневной поверхности. Здесь отмечается предельная глубина слабых землетрясений. Хорошо известно, что количество микро землетрясений уменьшается глубже зоны перехода (10-15 км в условиях континентальной коры). Современные гидротермальные системы часто полностью асейсмичны по сравнению с окружающими регионами.
Другой фактор, приводящий к уменьшению проницаемости на глубине, - это процесс образования зон окремнения (отложение кремнезёма). Магматические летучие поздних стадий магматизма и гидротермы обычно близки к состоянию насыщения кремнезёмом, потому что они находятся в равновесии с породами, содержащими кремний. Однако растворимость кремнезёма зависит, как от температуры, так и от состояния гидротерм. Надкритические летучие могут содержать значительно больше кремнезёма в растворённом состоянии, чем вода при критических температурах (рис.3.9). Таким образом, летучие (флюид), остывая от почти магматических надкритических температур до близ критических, становятся пересыщенными по отношению к кремнезёму и из них отлагается кварц. Нельзя назвать точную температуру этого процесса, поскольку критическая температура водного раствора зависит от его минерализации. Но в некоторых условиях вблизи остывающего плутона будет располагаться зона, в которой отлагается кремнезём, тем самым, снижая проницаемость. Этому, вероятно, способствует процесс отделения магматических летучих около плутона и выше расположенных конвекционных гидротерм, которые, в основном, имеют метеорное происхождение.