Флюидодинамические процессы в грязевулканических структурах и их связь с региональной сейсмичностью : на примере о-ва Сахалин

• Автор: Ершов, Валерий Валерьевич
• Шифр специальности: 25.00.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 214 с. : ил.

Оглавление
Введение

Г лава 1. Общая характеристика проявлений грязевого вулканизма на Земле

1.1. Пространственное распределение, геолого-геофизические особенности и 11 механизм деятельности грязевых вулканов

1.2. Геохимическая характеристика продуктов деятельности грязевых вулканов

1.3. Грязевой вулканизм о-ва Сахалин

1.4. Связь грязевого вулканизма с сейсмотектоническими процессами

1.5. Математическое описание грязевулканических процессов

1.6. Выводы по главе 1

Г лава 2. Методика исследований флюидодинамических процессов, протекающих

в грязевых вулканах

2.1. Мониторинговые наблюдения за грифонной деятельностью Южно- 69 Сахалинского грязевого вулкана
2.2. Статистическая обработка данных натурных исследований
2.3. Математические модели рассматриваемых флюидодинамических процессов
2.4. Алгоритм расчета свойств газовой смеси, используемых в задачах 81 математического моделирования
2.5. Выводы по главе 2
Г лава 3. Регулярные наблюдения за разгрузкой флюидов на Южно-Сахалинском
грязевом вулкане
3.1. Общие закономерности грифонной деятельности Южно-Сахалинского 88 грязевого вулкана
3.2. Статистические оценки наблюдаемых параметров грифонной деятельности 92 Южно-Сахалинского грязевого вулкана
3.3. Статистические зависимости для наблюдаемых параметров грифонной 95 деятельности Южно-Сахалинского грязевого вулкана
3.4. Выводы по главе 3
Г лава 4. Математическое моделирование неустановившихся течений геофлюидов
в грязевулканических структурах
4.1. Математическое описание процесса подготовки извержения грязевого 104 вулкана
4.2. Расчет параметров газовой смеси в канале грязевого вулкана
4.3. Решение обратной задачи по определению глубины залегания источника 112 газа и корней грязевого вулкана
4.4. Выводы по главе 4
Глава 5. Математическое моделирование температурного режима грифонов
грязевого вулкана
5.1. Математическое описание нестационарного теплопереноса в грифонных 117 каналах грязевого вулкана
5.2. Численное решение поставленной начально-краевой задачи
5.3. Верификация математической модели на основе натурных данных
5.4. Выводы по главе 5
Глава 6. Проявления региональной сейсмичности в деятельности грязевых
вулканов о-ва Сахалин
6.1. Анализ возможной связи между землетрясениями и извержениями 131 грязевых вулканов о-ва Сахалин
6.2. Проявления Невельского и Горнозаводского землетрясений 2006 и 2007 гг. 136 в динамике грифонной деятельности Южно-Сахалинского грязевого вулкана
6.3. Интерпретация аномалий в деятельности Южно-Сахалинского грязевого 143 вулкана, наблюдаемых после Невельского и Г орнозаводского землетрясений
6.4. Выводы по главе 5
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Вещественный состав продуктов деятельности грязевых вулканов
о-ва Сахалин
Приложение 2. Вариации дебита свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского
грязевого вулкана (наблюдения 2005-2009 гг.)
Приложение 3. Статистические оценки для температуры водогрязевой смеси в
грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана (наблюдения 2005-2009 гг.) Приложение 4. Статистические оценки для дебита свободных газов в грифонах
Южно-Сахалинского грязевого вулкана (наблюдения 2005-2009 гг.)
Приложение 5. Зависимость параметров газовой смеси от глубины для различных
термобарических условий и химического состава смеси
Приложение 6. Зависимость решения обратной задачи от параметров
математической модели
Приложение 7. Остатки после удаления регрессии для температуры водогрязевой
смеси в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана
Введение
Геофлюиды являются наиболее подвижной и нестабильной частью геологической среды. В связи с этим они играют важную роль в развитии геодинамических процессов и, в свою очередь, подвергаются их сильному влиянию. Флюидные системы являются неустойчивыми, на что указывает их сильная изменчивость во времени, которая выявлена при геофизических наблюдениях. Эта неустойчивость является одним из условий развития тектонических процессов и в то же время служит отражением таких процессов. Состав геофлюидов, а также их распределение во времени и пространстве, находятся в сложной зависимости от вещественного состава и особенностей геодинамических сред. Здесь одной из важных проблем является анализ особенностей реакции геофлюидов на землетрясения и их подготовку. Несмотря на огромное количество отечественных и зарубежных публикаций по рассматриваемой проблематике, современные познания и полученные данные пока еще далеки от всестороннего понимания всего комплекса проблем флюидо-динамики нашей планеты в целом и ее отдельных геологических структур в частности.
Одним из наиболее интересных видов сосредоточенной разгрузки углеводородных геофлюидов являются грязевые вулканы. Грязевые вулканы - это природные флюидодинамические системы, в которых протекают процессы интенсивного энергомассопереноса из недр Земли на ее поверхность. При изучении грязевого вулканизма традиционно рассматривается ряд важных проблем, имеющих прикладное и фундаментальное значение.
Одной из таких проблем является вопрос о связи грязевого вулканизма с нефтега-зоносностью грязевулканических провинций. Деятельность грязевых вулканов, являясь связанной с разгрузкой глубинных геофлюидов, нередко указывает на промышленные месторождения природного газа и нефти в регионе. Такая связь вполне закономерна - преобразование органического вещества на глубине продуцирует скопления углеводородов и может порождать грязевые вулканы. Соответственно, жидкие и газообразные продукты извержения грязевых вулканов можно использовать для изучения процессов образования, аккумуляции и разрушения залежей углеводородов.
Исследования баланса парниковых газов в атмосфере Земли не может быть выполнено без учета эндогенной поставки этих газов. Грязевулканические газы состоят преимущественно из метана и углекислого газа. Поэтому деятельность грязевых вулканов оказывает существенный вклад в общий бюджет парниковых газов в атмосфере, который необходимо корректно оценивать и учитывать в моделях изменения климата.
В процессе своей деятельности грязевые вулканы выносят на поверхность также обломки пород с больших глубин. В этом отношении каждый грязевой вулкан представляет собой природную буровую скважину, которая доставляет на поверхность обломки

«глинистая фракция-вода». Поэтому предполагается, что воды и глинистые фракции находятся в химическом равновесии именно в канале вулкана (при транспортировке грязевулканической пульпы к поверхности), а не в грязевулканическом резервуаре.
Для оценки температуры формирования грязевулкапических вод В.Ю. Лаврушин и соавторы использовали гидрохимические геотермометры - зависимости, связывающие температуру и концентрации некоторых компонентов воды. На их основе с помощью региональных геотермических градиентов сделаны оценки глубины формирования вод, которые варьируют от 1 до 5 км на Таманском п-ове и от 2 до 4.5 км в Грузии.
В.Ю. Лаврушин и соавторы изучали также изотопный состав грязевулканических вод. Значения SD и б|80 в водах вулканов Таманского п-ова и Грузии лежат в стороне от линии метеорных вод Крейга (Craig, 1961). При этом они прямо коррелируют с температурами флюидогенерации, рассчитанными по гидрохимическим геотермометрам. Для объяснения наблюдаемых значений 5180 и 8D используется два варианта. Первый основывается на допущении, что воды вулканов образуются и мигрируют в двухфазной системе «газ-вода», а изотопный состав вод определяется процессами испарения-конденсации рэлеевского типа. Во втором варианте предполагается изменение опресненной морской воды в замкнутом объеме пород под воздействием процессов литогенеза без привлечения вод постороннего происхождения. Изотопный обмен с глинистыми минералами приводит к обогащению вод 18О, обмен с СН4 - к обогащению вод D. Скорее всего, в природе протекают процессы сразу по двум вариантам, накладываясь друг на друга.
По данным В.Ю. Лаврушина и соавторов величина б13С-СН4 в газах вулканов варьирует в диапазоне от -63 до -23 %о (преобладают значения от -50 до -35 %о). Величина 613С-С02 характеризуется разбросом значений от -36.9 до +23.4 %о. Как и в работах (Якубов, Алиев, 1978; Якубов и др., 1980) считается, что появление ультратяжелого С02 (с величиной 513С-С02 более +10 %о) не следует связывать с магматическими (мантийными) эманациями. Его происхождение может быть результатом изотопного фракционирования в результате многоактного процесса дегазации-растворения при миграции двухфазного флюида к поверхности.
Известно, что низкие значения 513С-СН4 присущи биогенному СН4, высокие -термогенному СН4. Для оценки глубины залегания резервуаров, питающих грязевые вулканы, использовалась зависимость 513 С - СН4 от температуры газообразования (Прасолов, Лобков, 1977; Прасолов, 1990). На Таманском п-ове изотопно легкий СН4 (от -63 до - 49 %о) отмечен в вулканах с чисто метановым составом газовой фазы. Это соответству-