Lure_M.V._Gidrotermalnaya_cirkulyaciya_kak_osnovnoy_mehanizm_perenosa_veshchestva_v_zemnoy_kore
.pdfАкадемические чтения
Academic lecturing
FEDERAL AGENCY ON EDUCATION
ТНЕ GLШКIN RUSSIAN STATE UNIVERSIТY
OF OIL AND GAS
M.V. LURIE
HYDROTHERMAL CIRCULATION AS А BASIC MECHANISM OF ТНЕ MATTER TRANSFERRING IN ТНЕ
EARTH CRUST AND IN DEPOSITS
FORМATION
PuЫishers <<Uil and (jas»
Gu Ьkin Rl!Ssian State University of Oil апd Gas Moscow 2006
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКИЙ ГОСУААРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГVБКИНА
М.В. АУРЬЕ
ГИДРОТЕРМАЛЬНАЯ IJИPKYЛЯIJИЯ
I<AJ< ОСНОВНОЙ МЕХАНИЗМ ПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВА В ЗЕМНОЙ
КОРЕ И ФОРМИРОВАНИЯ
МЕСТОРО)КДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ
ИСI<ОПАЕМЫХ
Издательство «Нефть и газ>>
РГV нефти и газа им. И.М. Губкина
Москва 2006
УАК 353 981:551.25
Л86
Лурье М.В. Гидротермальная чиркулячия как основной ме-
Л 86 ханизм персноса вещества в земной коре и формирования место
рождений полезных ископаемых. (Сер. <<Академические чтению>. Вьш.46)- М.:ФГУП <<Изд-rю<<Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина>>, 2006.- 40 с.
Аокл<1д состоялся 21 сентября 2006 roд<l. Докладчикпро фессор М.В.Лурьс.
В докладе излаr::tется КОНIJСШJИЯ, согл::tс1ю которой основным
мех<tнизмом персноса вещества в массиrшх вменjающих пород яв
ляется гидротермальная чиркулячия водных растворов как неорга
ничсских, так и орrани•rеских компонент. Р<1ссматриваются вопро
сы м<1тематическоrо моделирования гидротермальных проуессов,
приводятся решения множеств<1 задач, приюjипиальных для пони
мания прочессов, и анализируются возникающие эффекты. Особое
место уделяется переносу углеводородных веществ, а таюке вопро
сам формирования их залежей. Г1риводится сопоставление мест ло кализачии 1rефтсгазовых месторождений с палеоморями, существо вавшими на Земле n р;вличные геологические периоды.
Редакционная коллегия
А. И. В.лади.мироб
В.А. Винокуроб
Г.М. Сороюm И.Г. Фукс
Редактор серии- М.Л. Мед6еде6а
©Лурье М.В., 2006
©Российский государственныйуниверситет
нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006
Принято считать, •rто основные тайны нашего бытия сnяза ны с Космосом и Вселенной, с ядерной фи:iикой и микромирами, с
молекулярной биологией и генетикой. Но это не саnсем так. Наш:1
Земля тюоке хранит в себе множество тайн и загадок. В •r:ктно
сти, мы не зн<~ем, какие скрытые от глаз механизмы собрали n
одних местах Земной коры те богатства, которые мы н:выв:н~м
«полезными искошtемыми>), а другие места лишили их воnсе. В
какой природной мастерской и по каким технологиям илотаnле ны нрекрасные кристаллы аметистов, сапфиров, аквамариноn, рубинов, откуда и как появились россыпи золота, серебра и IIла тины, кто наполнил природные кладовые нефтью и газом, к:1ким
скрытым закономерностям rюдчиняется их распределе11ие !1 зем
ной коре? И можем ли мы, _;.кивущие лишь краткий в геологичес
ких масштабах миг, познать эти закономерности и Н<1У'rип,ся их
использовать во благо человечества?
Водавсему голова.
Познание законов механики подземных проусесов - это, в сущности, клюq к открытию сокровенных тайн природы, к пони манию закономерностей происхож.дения, формирnвания и р:в мещения месторождений полезных ископаемых. И что интерес но: основную роЛJ, в этих проуессах играет вода. Просто удиви телr,но, как велика ее роль во всем, '!ТО нас окруж:кт. Во-первых, мы сами в большой степени состоим из воды, поэтому и nce про
уессы, происходящие в нашем организме, так или иначе связ;:tны с
водой. Во-вторых, nода играет главенствующую роль в большин
стве явлений в окружающей нас природе. Наконеу, произnодство, превращение и накопление органических nеществ на Зе.\1Ле т:~к
_;.ке связано с водой. Поразительно, например, что 80% всех орга
ниqеских веществ создается в водной среде и лишь 20% на суше.
Вода, насыщающая земную кору на глубину до 10-15 км,
представляет собой, в сущности, не простую воду, а многокомпо
нентный водный раствор, содержащий в себе все те вещества,
которые имеются во вмещающих породах. При температурах 100-
5
300 н nышс гр;tдусоn ЦслJ,сия, при даnлениях нссколыю сот ат мосфер вод;1, особенно содеря:::1щан углекислый газ и сероводо
род, является силыiсйшим р:ктnоритслем, перед которым немо
;.кст устшiтJ, ни одно nещсспю. Этот раствор, н;:~греnаемый снизу
TCIIЛOM Зс.\1\ЛИ или JV\<1ГМ:1ТИ'IССКИХ чснтров и раскаленных интру
:~иi1, 11риходит n дnижение - горячие слои Iюднимаются rшсрх, а хо,\ОДIIЫС опуск:1ются вниз. R породах nо:шикаст так на3ЫВJемая m/)pomcpлttl.ЛI•JillH !_!IIJII.:yмщuя, которая персносит огромные мас
сы nсщсств;t. В олriих местах, где гидротермалы1ый р;:~спюр дnи
;.кстоi нaгpen;1JJCJ., он выщел:l•Iиn:lет, или как гоnорят, <<,чобилизу
l~Т>> и:> порол те или иные всщсств:1, n других, осущестnляет их про
сгоi1 11сренос, в треты1х, где р:клюр дnижет<.::я остыn:1я, нроисхо лнт ос:lЖДl'НИС этих всщсст13 из ржтrюра n народу. Именно n та ких ,\1\l'CT:Jx могут обр:1зоnыn:пъсн рудные тела s\ссторол.::дений.
Тепм~ Земли - JJOT тот 1кточннк энергии, которы(-i приводит n
дnи>кение этот гигант<.::кий механизм..
Конечно, нpoiJt'CC мобилиз;щии nещества 11з массива вмеща
ющих IIOJIOд, или 11роцесс его осаждения из растrюра в породу,
Iю<.::ит более слшкr·!Ы!~I хар:1ктер, нежели тот, который абуелоnлен
IIJIOCTЫM 11<1Гре11<1НИеЛ,\ И,\И OXЛ<l)I;:ДCI!!1CM; ОГрОМНОе llЛ11ЯНИС HJ ЭТИ
11рочс<.::сы оrс1эыв:1ет геохи,\1\ический со<.::таn pacтnopon, а также
,\1\НОЖt'спю промеж.уточных химических превр:1щениi1. Несом
ненно лишь одно - ОIIредt'ляющес nлияние на протекание этих
1rpoчeccon оказыnает чиркумщионное движение, или как гово
рят, lltдpomcp,1ttl.1/JIIilЯ t_(li]ЖJ'ЛЯЦUЯ многокомпонентных водных
р;ктnороn в сложных тсрмобари•Jесю1х полях, имеющая место в
:'.емной корt'.
Гидротермальная .циркулл.цил как механизм рудообразования в породах
Почему же n пород;tх возникает гидротермальная gиркуля
чия? Основная причина этого явления состоит в неравномерном
нагреnе самих пород и содержащихся в них раствороn подземны
ми источниками тепла. Поскольку плотность раствора зависит от
температуры, а последняя различна в ра3личных точках вмеr.уаю
r.уих пород, то распределение давления в пространстве отлично
6
ОТ ГИДрОСТаТИЧеСКОГО, 11, СЛСДОIЫТеЛI>НО, В IIOJIOД<I.X BOЛIИIClCT ДГ\11-
ЖеНИС (фильтр;щия) жидкости.
Фильтрация ж:идкости Г! пористой или трсщиновато-IIорис
той среде нарушает сложившесся термодинамическое раnновс сие между химическим составом твердой (11ород:-t) и жидкой (ра
створ) фаз, поэтому процессы, стремящиеся восстановить утра
ченное равновесие, дейстnуют т:1к, что в одних точках простр::ш
ства происходит выщелачивание определенных веществ и перс
ход их в раствор, а в других точках - обратный процесс, осажде ния рудогенных элементов из р:ктвор:1 в народу. Локализация и
степень интенсивности этих процессов зависят от геологического
строения вмещающих пород, их химического сост;ша, располо
жения источников тепла и картины линий тока генерируемой гид ротермальной циркуляции.
В настоящее время можно считать доказанным, что многие
компоненты вмещающих пород способны переходит,, в растnор,
транспортироваться им на значительные расстояния и осаждать
ся в виде минералов. Эксперименты показ;1ли, что рудные тела
многих месторождений возникли вследстnие неренос:1 их состав
ляющих растворами, в частности, растворами хлоридов, суЛJ.ф:l
тов, и карбонатов в виде разли'IНЫХ металлосодержащих комп
лексов. Установлена таюке связь между образованием этих мес торождений и тепловыми процессами, происходящими в земной коре, в частности, взаимодействием подземных источников тепла и воданасыщенными породами. Например, практически все про явления сульфидного оруденения в океане обнаружены в исклю
чительно однообразных обстановках, а именно, в осевых частях
срединно-океани'Iеских хребтов, характеризуемых высоким уров
нем тепловой активности. Эта закономерность объясняется воз
действием высокотемпературной морской воды на базальты, обусловленным ее конвективной циркуляцией над магматичес
кими очагами в осевых частях рифто6. О существовании такой циркуляции свидетельствуют таюке обширные зоны выщелачи
вания металлов из вмещающих пород, наблюдаемые в скважинах
глубоководного бурения.
Гидротермальная циркуляция переносит и перераспределя
ет в земной коре гиг;:~нтские массы вещества, причем ее видимые
7
нроямения всегда неожиданны и разнообразны. Все многообра :ше минералаn земной коры обязано гидротермальной циркуля
ции. В зависимости от разнообразия геохимического состава ра
створа, от распюримости отдельных его компонент в присутствии
других, от д;шленил и от температуры, образуются сотни и тыся чи известных на земле минералов. Наиболее впечатляющим про
явлением гидротермальной чиркуляции являются "черные ку
рил,,щики", которые часто Iктре'Iаются на океаническом дне в
рифтоfЗых :юнах* и на граничах литосферных плит.
Математическое моделирование
Олш1Ко важно не столы<о понять скрытый механизм гидро
термалыюй циркуляции, сколы<о описать его, используя методы
матем<пического моделиров:-tния.
Великий художник, ваятель и изобретатель Леонардо да Вин '! И, чы1 идеи далеко опередили время, сказал: <•Никакой резуль
тат чело6е•tескоzо исс.ледо6ания не .может быть назван ис
тиной, ес.ли он не проше.л через математические доказа-
1nе.льст6а>~. И он был прав: талыш тщательное математическое
мелелированис изучаемого явления позволяет оценить его мас
шт;lбы, нодтвердип, или опровергнуп, те или интуитивные зак
лючения, предсказ;пr, и выявить еще не открытые проявления.
Настоящая лекция посвящена этим проблемам.
Основу математических моделей составляют уравнения гид ротер.V!альной циркуляции водных растворов в массивах вмеща
ющих пород, происходящей под действием тепла Земли или мощ ных тепловых центров. Этих уравнений несколько и все они отра
жают фундаментальные законы механики.
Первое ураrшение (нер:lЗрьшности) отражает закон сохра
нения массы фильтрующегося раствора:
* Рифтовые зоны оке~новэто глубокие ущелья, располагающиеся вдоль o..:e!J
срсдишю-оксаниче..:ких хребтов и прелставляющие собой диnсргентные (расходя щис..:л) гp;111ИLjbl АНТОсфсрных /IAHT. ПОIIЫШСННЬJЙ TCПЛOIJOI1 ПОТОК D рифтоnых
:юнах сuязап с мrюгочисленными неглубоко з~легающи.tv\И магматическими очага ми, и:~ которых происходит излияние баз~льтовой магмы, Н<lращиnаюн;ей оке;ши
'Iеское лно. (Н.Е.I<ороноrккий. Соросовский образовательный журнал,1999,N910)
8
Здесь т - пористость вмещающих пород; р - 11лотность водного
раствора, заполняющего пустоты этих пород; V{и,v,•v}-вектор
скорости фильтрации; t - время; х, у, z -пространстr1енные коор
динаты.
Второе уравнение отраж:ает основной закон фильтрации -
закон Аарси:
|
k |
др |
|
и=--·--, |
|
|
ll |
дх |
где |
p(x,y,z,t) - |
давление; k - нрониqаемостr, вмещающих пород; |
Jl - |
динамическая вязкость растrюра; g- ускорение силы тяже |
сти (ось Z направлена вертикально вверх).
Поскольку плотность раствора, помимо геохимического со
става, зависит таюке от температуры Т(x,y,z) то третr,им уравне
нием служит уравнение энергии (уравнение персноса тепла):
дТ |
дТ |
дТ |
дТ |
(3) |
т- +и-+v- |
+w-=0, |
|||
дt |
дх |
ду |
дz |
|
в котором 'V2=д2lдxz +д1/дуl +дz/дzz-операторАшласа;
а=Л;сркоэффичиент температурапроводности nодонасыщен ного массива вмещающих пород; с - их теплоемкостr•. После
днее уравнение называется таюке уравнением термоконвектив
ноrо переноса: его левая часть выражает конвективный перенос
тепла (энергия переносится движущимся раствором), а правая
часть - кон.дуктивн.ый перенос тепла (энергия переносится теп
лопроводностью).
К этим уравнениям следует добавить уравнение массопере
носа вещества
{ |
де. |
|
со- с |
|
т дt' +vk'\lkc,=~· |
|
|||
|
|
' |
(4) |
|
|
· |
() |
|
|
|
с -с |
|
||
|
Р(l-т). д8'=-Р·-'_,, |
|
||
|
n |
дt |
't, |
|
9