Изменение состава, строения и свойств вулканогенных пород Паужетского геотермального месторождения, вулканов Кошелевский и Крафла под воздействием гидротермальных процессов : по данным натурных исследований и лабораторных экспериментов

• Автор: Шанина, Виолетта Валерьевна
• Шифр специальности: 25.00.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 242 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Современные представления о закономерностях изменения состава, строения и свойств пород под воздействием гидротермальных процессов и подходы к их изучению
1.1 Особенности гидротермального преобразования пород
1.2 Эксплуатация геотермальных месторождений и ее влияние на гидротермальную систему
1.3 Экспериментальные работы, посвященные изучению изменений минералов и пород под воздействием растворов, температуры и давления для моделирования гидротермальных процессов
Глава 2. Характеристика объектов исследования, расположенных в областях современного развития гидротермальных процессов
2.1. Нижнє- и Верхне-Кошелевская термоаномалии
2.2. Паужетское геотермальное месторождение
2.3. Вулканическая область Крафла (Исландия)
Глава 3. Методика экспериментальных исследований
3.1. Методика лабораторного определения состава, строения и свойств исследованных грунтов
3.2. Методика натурных исследований на территории Нижнє- и Верхне-Кошелевского термальных полей и Паужетского геотермального месторождения (Ю. Камчатка)
3.3. Методика автоклавного моделирования воздействия состава растворов, температуры и давления на изменение состава, строения и свойств пород
Глава 4. Закономерности изменения состава, строения и свойств исследованных вулканогенных пород
4.1. Результаты натурных исследований на Нижнє- и Верхне-Кошелевском термальных полях и Паужетском геотермальном месторождении
4.2. Результаты лабораторных исследований с использованием автоклавного моделирования
4.3 Сравнение изменений состава, строения и свойств исследованных вулканогенных пород, происходящих под воздействием растворов, температуры и давления в экспериментальных и природных условиях
Выводы
Список литературы
Приложения

Введение
Актуальность работы. В настоящее время приоритетное значение имеет развитие возобновляемых источников энергии, одним из которых является тепло, содержащееся в недрах Земли. Это особенно актуально в областях развития активного вулканизма, где сложно добывать или доставлять и использовать традиционные источники энергии (Bolton, 2009; Kelly, 2011; O’Sullivan et al., 2010). В мире уже несколько десятилетий в связи со строительством геотермальных электростанций проводится изучение состава, строения и свойств гидротермально-измененных вулканогенных и вулканогенно-осадочных пород. Гидротермальные преобразования приводят к активизации геологических процессов: на термальных полях, приуроченных к склонам вулканов, наблюдаются оползни (Goff and Goff, 1997; Kristmannsdottir and Armannsson, 2003). Это ярко проявилось 3 июня 2007 года в Долине Гейзеров на Камчатке, где изменение пород под действием гидротермальной деятельности стало одним из основных факторов, способствующих формированию оползня (Леонов, 2008). Изменение физических и физико-механических свойств пород влияет на напряженно-деформированное состояние массива (Фролова, Ладыгин, Рычагов, 20116). В пределах современных гидротермальных систем наибольшую опасность для их освоения представляют процессы образования гидротермальных взрывов и вторичные склоновые процессы (Белоусов, Белоусова, 2002). Одна из прикладных задач, стоящих перед исследователями, - проблема захоронения парниковых газов в геологических формациях, особенно основных и ультраосновных пород, при этом также происходит изменение их состава, строения и свойств (Goldberg et al., 2008; Palandri et al, 2005; Ли и др., 2011, Сушенцова и др., 2012). Закачка парниковых газов в толщи трапповых базальтов уже проводится в Исландии (проект CarbFix). На кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ более 30 лет изучаются инженерногеологические особенности гидротермально измененных вулканогенных пород мира (Ладыгин и др., 1983); при этом основное внимание уделяется Курило-Камчатскому региону России (Ладыгин, Рычагов, 1995; Фролова, Ладыгин, Рычагов, 2005, 2011; Фролова, Ладыгин, 2008; Фролова и др., 2010; Frolova, Ladygin, Rychagov, 2010). За прошедшее время инженер-геологами подробно изучены породы в разной степени подвергшиеся гидротермальной переработке, выявлено резкое отличие в изменении свойств между эффузивными, экструзивными и субвулканическими породами, с одной стороны, и вулканогенно-обломочными (туфы, туффиты) - с другой (Фролова, 1992; Ладыгин и др., 1993; Фролова и др., 1998; Violay et al., 2010, 2012; Coggan et al., 2013).
В середине прошлого века начали проводиться экспериментальные исследования, направленные на изучение преобразований минералов (Steiner, 1953) и пород (Ellis, 1960, 1968; Карпов, 1969; Kirov, 1979; Robert and Goffe, 1993; Граменицкий и др., 2000) под действием гидротермальных процессов. Но лишь единичные исследователи оценивали при этом изменение их физических и физико-механических свойств. До сих пор большинство экспериментальных исследований и публикаций посвящены изменению минерального состава пород при гидротермальных процессах, и практически остается малоизученным изменение их свойств в режиме реального времени, хотя это особенно важно в районах действующих геотермальных электростанций и сказывается на преемственности скважин и безаварийной работе оборудования. Строительство новых и модернизация действующих геотермальных электростанций (ГеоЭС) требует расширения научных исследований гидротермальных процессов и ставит вопрос о необходимости проведения экспериментов, а также возможности прогнозирования изменения состава, строения и свойств горных пород при взаимодействии с термальными растворами в процессе эксплуатации ГеоЭС.
Цель и задачи работы. Цель работы - установить особенности изменения состава, строения и свойств вулканогенных пород под воздействием гидротермальных процессов посредством выполнения лабораторных экспериментов и натурных исследований на примере андезитов и базальтов Кошелевского вулкана и туфов Паужетского геотермального месторождения (Камчатка), а также базальтов и обсидиана (Исландия).
Задачи исследования
1. Проанализировать опубликованные данные об изменении состава, строения и свойств вулканогенных пород под воздействием гидротермальных процессов.
2. Разработать методику проведения лабораторных экспериментов, моделирующих природные условия гидротермальных систем, а также исследований изменений состава, строения и свойств пород в природных кипящих и грязевых котлах, сливах из скважин, массиве гидротермальных глинистых грунтов.
3. Определить характер преобразований состава, строения и свойств вулканогенных пород под воздействием гидротермальных растворов различного химического состава при разных температурах и давлениях.
4. Сопоставить результаты изменения состава, строения и свойств пород в ходе проведения натурных исследований и лабораторных экспериментов.
Объекты исследования. Вулканогенные породы Паужетского геотермального месторождения, вулканов Кошелевский (Камчатка) и Крафла (Исландия).

Таблица 3. Данные компьютерной рентгеновской микротомографии и выделенных роге-пеПюгк моделей для исходных образцов базальтов
Параметр НК-102-30 НК-100-1-32 НК-100
Пористость (по ЗП изображениям), % 37,0 8,2 5,
Объемное содержание рудных минералов, % 0,4 0,9 1,
Количество пор 184892 28790 40
Количество каналов 535303 20183 21
Количество изолированных объектов 14300 35067 59
Среднее число соединений 5,76 1,37 1,
Среднее отношение длины канала к его радиусу 18,9 14,6 13,
Абсолютная проницаемость (мД) 3,94 0,30
Радиус поры, мм максимальный 0,36 0,39 0,
средний 0,038 0,027 0,
Объем поры, мм3 максимальный 2,06 3,82 0,
средний 0,004 0,002 0,0
Длина канала, мм максимальная 3,09 4,07 1,
средняя 0,37 0,28 0,
Радиус канала, мм максимальный 0,25 0,18 0,
средний 0,016 0,016 0,
Объем канала, мм3 максимальный 0,13 0,07 0,
средний 0,0001 0,0003 0,0
Рис. 8. Соотношение магнитной восприимчивости изученных пород и содержания в них оксида титана