Введение к работе
Актуальность исследований. Газы, вода, нефть, магма и грязи как текучие геоматериалы были .известны человечеству очень давно. С появлением и развитием геологической науки оказалось, что во многих случаях перемещение масс каменной соли, глин, ангидридов, серпентинитов и многих других "твердых" пород лучше рассматривать как течение очень вязких жидкостей. Более того, результаты специальных реологических и геологических исследований показали, что все реальные тела в условиях длительного тангенциального напряжения ведут себя как жидкости. Таким образом, любое геологическое тело в определенных условиях может представлять собой подвижную среду (флюид).
В последние десятилетия неоднократно высказывались идеи единства физических и математических моделей переноса, методологии и конкретных методов исследований миграции различных подвижных сред. Однако, до сих пор отсутствует единая физико-геологическая концепция миграции всех флюидов в недрах Земли. Создавшаяся ситуация препятствует росту эффективности научных исследований и геологоразведочных работ.
Обращение автора к общим вопросам флюидогеодинамики в какой-то мере является вынужденным, поскольку разработка методик прогнозирования важнейших горно-геологических условий освоения Верхнекамского месторождения (едішственной сырьевой базы калийной промышленности России) была невозможна без решения ряда теоретических вопросов. Большинство из этих вопросов являются общими для всех калийных залежей и в совокупности представляют собой проблему роли миграции флюидов в формировании данного типа месторожденіїй. Малая пористость солей и их высокая механическая подвижность (текучесть) явились в некоторых случаях причиной предубеждения в том, что соляные толщи
- 4 -не проницаемы для окружающих флюидов, а их внутренние части не изменяют своего состава на стадиях диагенеза и катагенеза. Сложившийся стереотип тормозит развитие теории галогенеза, что. в свою очередь, мешает повышению эффективности освоения калийных месторождений. В этом отношении проведенные исследования стали особенно актуальными после затопленияв 1986 году самого крупного в мире Третьего Березниковского калийного рудника.
Цель и задачи исследований. Цель исследований -. построение единой физико-геологической.концепции современной флюидогеодинамики и раскрытие роли миграции флюидов в эпигенезе калийных залежей. Реализация поставленной цели потребовала теоретической проработки и решения ряда задач, основными из которых являются:
1.Характеристика флюидогеодинамики, как отрасли научного знания.
2.Разработка физико-геологических основ и характеристика флюи-догеодинамических процессов.
3.Анализ и уточнение общегеологической роли миграции флюидов.
4. Раскрытие роли флюидогеодинамических процессов во вторичном преобразовании калийных залежей (выявление основных факторов эпигенеза солей и форм участия флюидов в процессах их вторичного преос-разования, определение роли миграции подземных вод в формировании изменчивости минерального состава калийных залежей, установление причин и механизмов течения солей Соликамской впадины, выявление природы очагов внезапных выбросов соли и газа).
Исходные материалы и методы решения задач. Исходными материалами при решении задач общей флюидогеодинамики явились опубликованные работы, что при огромном разнообразии флюидов вполне закономерно. Остальная часть диссертации написана, главным образом, на основе материалов, полученных в ходе исследований геологии Верхнекамского месторождения, которые автор проводил в период научной деятельности в Пермском государственном университете (1972-1975 гг.), Уральском
филиале ВНИИГ (1975-1988 гг.) и Горном институте УрО РАН (1988-1993 гг.) в качестве руководителя или ответственного исполнителя бюджетных и хоздоговорных тем. Лично автором, или под его руководством, были обследованы тысячи подземных горных выработок семи калийных рудников Верхнекамского бассейна, сделано несколько сот геологических зарисовок и фотографий, отобрано более 200 образцов и проб. В обобщение включены материалы Соликамской ГРП (данные разведки Верхнекамского месторождения) и рудников АО Уралкалий и сильвинит (данные эксплуатационного опробования и геологическая документация ныне недоступных горных выработок).
Для решения общих задач флшдогеодинамикя использовались анализ и синтез, сравнение и обобщение, идеализация, мысленный эксперимент, построение гипотез, классификация и другие общенаучные методы. При получении и обработке собственного фактического материала, кроме отмеченных, использовались полевые (визуальные наблюдения, зарисовки, фотографирование, замеры и др.), лабораторные (химический, минералогический, рентгено-структурный. изотопный, люминес-центно-битуминологический анализы, петрографическое описание шлифов, микрофотография, термобарогеохимия. инфракрасная спектроскопия, газовая и тонкослойная хроматография) и математические (геометро-статистическая обработка результатов опробования, корреляционный и регрессионный анализы, моделирование химических и физических процессов) методы.
Научная новизна и защищаемые результаты. Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем: на основе расширения содержания понятия флюид, предложены новые определения флюидогеодина-мики и ее базовых понятий; впервые разработана полная иерархическая классификация флюидодинамических систем и дана характеристика ее таксонов; выведена формула для расчета горизонтального смещения потока элизионных вод при уплотнении наклонно залегающих квазиоднородных толщ осадков; установлено, что пространственная ассоциация
- 6 -флюидов и следов их миграции в большинстве случаев обусловлены единством'путей миграции; а'не общностью их источников; проведено обобщение и систематизация обширного материала по геологической роли миграции флюидов и. в частности, выявлены основные механизмы образования инъективных дислокаций (импрегнация, инъекция, пенетра-ция); показано, что основными факторами эпигенеза калийных залежей являются механические силы и химическая активность вод, которые проявляются в периоды действия литодинамических. гидродинамических и магмодинамических систем; выявлен ряд принципиально новых элементов и закономерностей геологического строения Верхнекамского месторождения (пять уровней изменчивости минерального состава продуктивных пластов, резкое различие в строении геохимических полей карнал-литовой и сильвинитовой зон залежи и в их соотношении с морфострук-турными полями, новые типы пород и систем флшдопроводников. органическое вещество солей, кроме сингенетического, содержит и эпигенетический битум - нефть, будинаж пластов и прослоев несоляных пород в пределах крупных отрицательных (лрлггур месторождения) и дано их генетическое толкование; реконструирован ряд важнейших условий и механизмов формирования современного облика калийной залежи Верхнекамского месторождения, в отношении которых дискуссия приобрела наиболее острый характер (Соликамский солеродный бассейн был глубоководным и характеризовался выдержанностью гидрохимических условий, латеральная изменчивость минерального состава продуктивных пластов - результат разномасштабного проявления метасоматоза, основным фактором которого явилась миграция подсолевых вод, в том числе и гидротерм, причинами соляной тектоники являются галокинез и региональные тектонические силы, основной механизм течения солей - ползучесть Кобле, а при избытке водных растворов имеет место динамическая перекристаллизация по принципу Кюри); очага внезапных выбросов соли и газа являются реліктами ранее существовавших флюидоди-намических систем, содержащих газ.
,:^ защиту выносится: 1- концепция современной флюидогеодинамики, в основу которой положены новое содеркаяі'е понятия флюид и результаты обобщения огромного фактического материала по геологической роли миграции всех природных подеижных сред; 2 - выявленные закономерности эпигенеза калийных залежей, отражающие роль миграции подземных вод и других флюидов во вторичном преобразовании состава и структуры соляных толщ на стадиях диагенеза и катагенеза; 3 - теоретическая основа для разработки методов прогнозирования горно-геологических условий освоения Верхнекамского месторождения калийных солей, как совокупность выявленных причин и механизмов формирования состава его продуктивных пластов, складчатых структур и очагов внезапных выбросов соли и газа.
Практическое значенім работы. Результаты работы могут быть использованы при прогнозировании месторождений полезных ископаемых и инженерно-геологических условий освоения недр. Для Верхнекамского месторождения полученные результаты являются теоретической основой для разработки методик прогнозирования горно-геологических условий отработки его запасов (зоны замещения, интенсивность внутрисоляной складчатости, строение и состав водозащитной толщи и др.). Полученные результаты лежат в основе разработанного способа прогнозирования очагов внезапных выбросов соли и газа (АС СССР N 994767) и более 15 заключений о степени опасности отработки участков шахтных полей с аномальным строением соляной толщи на рудниках АО Уралкалий и Сильвинит.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались на: ежегодных научных конференциях геологического факультета Пермского государственного университета (1973-1975), Всесоюзных солевых совещаниях (Новосибирск,1974,1979,1988, Лиманчик,1983), конференции молодых галургов (Ленинград, 1976), совещании "Зоны замещения и разубоживакия залежей калийных солей и возможные пути их прогноза на всех стадиях геологоразведочного процесса" ( Ленинград,
- 8 -1985), 1-й Всесоюзной конференции "Геодинамические основы прогнозирования нефтегазоносностй недр" (Москва, 1988), Всесоюзной конференции "Геология и минерально-сырьевые ресурсы Европейского Северо-востока СССР" (Сыктывкар,1988), региональных совещаниях по проблеме водозащитной толщи калийных месторождений (Березники, 1988, 1989, 1993; Пермь, 1991;-Соликамск. 1992). 6-м международном симпозиуме "Взаимодействие вода-порода" (Великобритания. Мальверн, 1989), Международном конгрессе "Пермская система земного шара" (Пермь, 1991), региональном совещании "Проблемы техногенного изменения геологической среды и охраны недр в горнодобывающих регионах (Пермь, 1991). научно-технической конференции "Геологические исследования и охрана окружающей среды на Западном Урале" (Пермь, 1991), научной конференции "Геология и минеральные ресурсы Западного Урала" (Пермь, 1993).
По теме диссертации опубликовано более 40 работ, в том числе монография и две энциклопедические статьи. Основные результаты исследований опубликованы в центральных и региональных издательствах ("Советская энциклопедия", "Наука", изд-во УрО РАН и др.). Общий объем публикаций - 23 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, включающего 547 наименований. Первые четыре главы составляют общетеоретическую часть флюидогеодинамики, две последующие посвящены ключевым вопросам эпигенеза калийных залежей, которые рассматриваются, в основном, на примере Верхнекамского месторождения. Диссертация содержит 360 страниц машинописного текста, который иллюстрирован 30 таблицами- и 116 рисунками (в том числе 26 фотографий, из них 17 - цветные). Рисунки оформлены в виде отдельного приложения к диссертации.
Пользуясь случаем, выражаю искреннюю признательность моим учителям профессорам В.Ф.Мягкову и А.Е.Ходькову, инициировавшим интерес автора к рассматриваемым здесь вопросам. Я благодарен Андрейко
- 9 -С. С. БаряхуА. А.. Бойченко А. П., Галкину В. И., Голубеву Б. М.. Джи-норидзе Н.М.. Зильбершмидту В. В., Ковалевичу В.М., Корочкиной О.Ф.. Кузнецову Н.В., Молоштановой Н. Е.. Николаеву А. С, Одинцовой Т. А.. Платыгину В.И., Поповой В.И., Протопопову А.Л., Раевскому В.И.. Са-пегину Б. И.. Сапфировой С. С. Скрябиной Н.Е.. Суетиной Л. А., Фоти-ной Л. А., Ходьковой С. В., Чеснокову Б. В. и Шурубору Ю. В. за помощь в работе и конструктивные замечания.
