ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНДЕЗИТОВ НА КОШЕЛЕВСКИХ ТЕРМАЛЬНЫХ ПОЛЯХ (ЮЖНАЯ КАМЧАТКА)
, ,
Геологический факультет МГУ им.
e-mail: *****@***msu. ru
PETROPHYSICAL ALTERATIONS OF ANDESITES AT KOSHELEVSKY GEOTHERMAL FIELDS (SOUTH KAMCHATKA)
Luchko M. V., Zukhubaya D. Z., Frolova J. V.
Faculty of Geology, Lomonosov Moscow State University
Hydrothermal alterations of andesites composing two geothermal fields on the South Kamchatka are described in the paper. Studied geothermal fields are differed by thermodynamic and hydrochemical conditions that leads to different types of alterations. At the Verkhnekoshelevsky field andesites transform to opalites under the action of sulphur acid leaching. At the Nezhnekoshelevsky field andesites change to smectite clays as a result of action of hydrocarbon subneutral fluids. Hydrothermal alterations cause significant petrophysical changes of andesites – a decrease of density, sonic velocity, strength, magnetic susceptibility and an increase of porosity. Nevertheless some distinctive features of petrophysical alterations are typical for each of the studied geothermal fields.
Гидротермальные системы активно изучаются и используются в практических целях для электро - и теплофикации во многих странах мира. В России идет активное освоение геотермальных ресурсов на полуострове Камчатка. Там выделяется несколько крупных геотермальных районов, одним из которых является Паужетско-Камбально-Кошелевский район, расположенный на юге полуострова. В 2006-2009 годах сотрудниками и студентами кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. в составе экспедиционной группы института Вулканологии и сейсмологии ДВО РАН производились работы в районе Кошелевского вулканического массива. В результате собрана коллекция образов вулканогенных пород, в различной степени переработанных термальными водами.
Кошелевский вулканический массив расположен в южной части полуострова Камчатки у Охотского побережья. Это вытянутый в широтном направлении скалистый хребет, состоящий из нескольких слившихся и сильно разрушенных стратовулканов, экструзивных куполов и отпрепарированных эрозией субвулканических тел, образующих единый массив. На западном склоне и в западном эрозионном кратере находятся два очень крупных термальных поля: Нижнекошелевское и Верхнекошелевское, с общим выносом тепла 24800 и 50000 ккал/с, соответственно. Верхнекошелевское термальное поле площадью 3,3 км² расположено в крупной привершинной кальдере вулкана на высоте 1250 м. В пределах поля десятки струй перегретого пара с температурой 120–153 С вырываются на поверхность. Нижнекошелевское поле находится в эрозионной котловине на высоте 750–800 м. Здесь наблюдаются многочисленные кипящие водяные и грязевые котлы с температурой воды 80–90 С. Химический состав термальных вод и газов фумарол двух полей несколько различен. На Верхнекошелевском поле преобладают кислые сульфатные термы (рН 3-4), а в газовом составе больше сероводорода, тогда как на Нижнекошелевском поле распространены гидрокарбонатные субнейтральные термы и преобладает метан [1,2].
Цель настоящей работы – выявить закономерности изменения состава, строения и петрофизических свойств андезитов Кошелевского вулканического массива под воздействием термальных вод и сравнить преобразования пород на двух термальных полях.
Верхнекошелевское термальное поле. Основным процессом на Верхнекошелевском поле является сернокислотное выщелачивание, происходящее под действием кислых сульфатных вод и приводящее к образованию опалитов. В результате удалось выстроить последовательный ряд по степени изменения пород: от свежего андезита – серого, плотного, массивного, до полностью переработанной породы – белого, легкого, пористого опалита.
Данные валового химического анализа иллюстрируют четкую картину: по мере увеличения степени гидротермальной переработки пород происходит вынос большинства петрогенных компонентов - Al, Fe, Mg, Ca, Na, K. Наряду с выносом происходит концентрирование SiO2, содержание которого меняется от 54% в неизмененных андезитах до 90% в опалитах.
Под действием термальных вод происходит преобразование микрокристаллов и стекла основной массы андезитов в тонкозернистый кристобалит. Так же происходит выщелачивание фенокристаллов и появление на их месте тонкокристаллического агрегата, состоящего, предположительно, из кристобалита и каолинита. Характерны псевдоморфозы кристобалита по плагиоклазу. Следует отметить, что каолинит характерен для промежуточных стадий переработки, тогда как конечный продукт изменения практически целиком сложен кристобалитом.
Петрографические изменения отражаются на свойствах пород. Величина пористости при сернокислотном выщелачивании увеличивается с 8 до 37%, что связано с формированием вторичной пористости вследствие выщелачивания и выноса первичных компонентов. В результате замещения первичных минералов кристобалитом и опалом происходит уменьшение плотности твердой фазы (минеральной плотности) от 2,85 до 2,31 г/см3. Снижаются значения упруго-плотностных свойств: плотность от 2,62 до 1,46 г/см3, Vp – от 4,7 до 2,0 км/с, динамический модуль упругости от 42 до 9 ГПа. Снижение значения коэффициента Пуассона от 0,31 до 0,14 свидетельствуют о том, что более измененные образцы имеют более хрупкий характер разрушения. Прочность на одноосное сжатие уменьшается в четыре раза - от 124 до 37 МПа по мере увеличения степени гидротермальных преобразований. Наблюдающееся разупрочнение пород обусловлено снижением плотности и повышением пористости. Так же существенный вклад вносит изменение минерального состава.
Магнитная восприимчивость, аналогично упруго-плотностным и прочностным характеристикам так же уменьшается с увеличением степени гидротермальной переработки (от 61·10-3 до 0,06·10-3 СИ), что вызвано разрушением рудных и темноцветных минералов, содержащих в своем составе Fe и обладающих ферромагнитными и парамагнитными свойствами. Таким образом, под действием сернокислотного выщелачивания, по мере увеличения гидротермального изменения пород происходит значительное снижение значений плотностных, акустических, упругих, прочностных и магнитных свойств (рис.1).
Рис.1 Изменение упруго-плотностных свойств андезитов Верхнекошелевского термального поля под действием сернокислотного выщелачивания. а – пористость, б - скорость распространения продольных волн
Нижнекошелевское термальное поле. Андезиты, слагающие поле и подвергающиеся переработке имеют порфировую структуру и преимущественно массивную текстуру. Структура основной массы интерсертальная. Микролиты представлены в основном плагиоклазом, содержание темноцветных незначительно. Вкрапленники представлены плагиоклазом и пироксеном, причем плагиоклаза значительно больше. Границы кристаллов четкие. Так же наблюдается довольно равномерное распределение по породе зерен рудных минералов. Свойства андезитов приведены в таблице 1. Под действием субнейтральных вод (рН 6-8, Т~95 0C) гидрокарбонатного состава андезиты постепенно преобразуются в глины. Толща глин неоднородная, содержит включения непереработанного андезита. Глины монтмориллонитового состава с псевдоморфной структурой, унаследованной от андезита. Анализ гранулометрического состава показал, что преобладают частицы размером менее 0,005 мм. При перерождении андезитов в глины происходит резкое снижение плотности и увеличение пористости от первых % до 60% (табл.2). Толща пород приобретает пластические свойства, становится гигроскопичной, склонна набухать при увлажнении.
Таблица 1.
Петрофизические свойства андезитов Нижнекошелевского поля
ρ, г/см3 | ρs, г/см3 | n, % | Vp, км/с | Eдин, ГПа | Rc, МПа | χ·10-3 СИ |
2,45-2,62 | 2,58-2,69 | 1-7 | 4,6-5,04 | 40-54 | 71-161 | 19-23 |
Таблица 2.
Петрофизические свойства гидротермальных глин
Глубина отбора, см | ρ, г/см3 | ρs, г/см3 | We, % | n, % | Число пластич-ности |
35-55 | 1,6 | 2,82 | 58 | 63 | 30 |
80-100 | 1,68 | 2,86 | 51 | 61 | 29 |
120-140 | 1,66 | 2,68 | 60 | 61 | 29 |
Таким образом, термальные воды, воздействуя на андезиты, вызывают их существенные преобразования и приводят к формированию новых пород (опалитов, глин), обладающих совершенно иными петрофизическими свойствами. В целом наблюдается тенденция снижения значений упруго-плотностных и прочностных показателей, магнитных свойств и формирование вторичной пористости, характеризующейся крайне высокими величинами. При формировании глин также существенным является появление таких специфических свойств как гигроскопическая влажность, пластичность и набухаемость.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 07-05-00118-а).
ЛИТЕРАТУРА
1. Cтруктурные условия локализации высоко-температурных гидротерм. М: Наука, 1989.
2. Сугробов Кошелевского вулканического массива. Владивосток: ДНЦ АН СССР. В кн.: Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки, 1976.
