» » О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

13.08.2016

При решении вопросов рудогенеза, наряду с исследованием физико-химических особенностей гидротермальных систем, значительная роль отводится изучению влияния вмещающих пород — среды, в которой протекают гидротермальные процессы. Однако в большинстве случаев влияние вмещающих пород на процессы рудообразования рассматривается преимущественно с позиции их химических особенностей. Значительно меньшее внимание уделяется физическому состоянию и механическим свойствам вмещающих пород, которые (некоторое исключение, пожалуй, представляет пористость) рассматриваются в основном в свете решения вопросов развития структур месторождений. И совсем недостаточное внимание отводится энергетическим и теплофизическим особенностям пород. Практически вне внимания исследователей остается широкий круг вопросов, в той или иной степени связанных с анализом теплофизических особенностей этих пород, т. е. среды, в которой развивается эндогенный процесс, и термохимии происходящих в них метасоматических превращений. Сведения по этому вопросу ограничиваются, как правило, единичными определениями для изолированных образцов. Вместе с тем, как нам представляется, эти данные в приложении к конкретным геологическим объектам позволят получить ценные результаты по ряду вопросов рудогенеза и во многих случаях дадут возможность полнее охарактеризовать взаимодействие (взаимосвязь) вмещающей среды и гидротермальной системы.
С учетом данных экспериментальных исследований теплот растворения, теплоемкости, тепло- и температуропроводности метасоматитов и исходных пород и рассматриваются нами некоторые аспекты теплофизического анализа эндогенных рудных процессов.
Теплота растворения H определялась в платиновом массивном микрокалориметре с чувствительностью 61,8 деления прибора на 1°С (0,016°С на 1 деление прибора). Относительная точность определений теплот растворения по контрольным измерениям составляет 3,6%. В качестве растворителя использовалась 40%-ная техническая фтористо-водородная кислота. Полнота растворения оценивалась по совпадению температурного режима калориметра с порошком породы и без него в конечном периоде. Следует иметь в виду, что при очень малой величине частиц приходится принимать в расчет влияние поверхностной энергии, которое особенно заметно при диаметре частиц порядка 10в-4 см. Поэтому в каждом конкретном случае допустимая степень измельчения породы, а также пригодность растворителя должны проверяться экспериментально.
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

Остальные теплофизические параметры (теплоемкость С, теплопроводность а, температуропроводность а), практически отсутствующие в литературе по гидротермально измененным породам, определялись на тонких пластинках горных пород методом постоянного источника тепла. Все тепловые характеристики получались из одного опыта. Запись температур осуществлялась на потенциометре, в качестве источника тепла использовались мощные лампы накаливания. Нами совместно с А.Н. Дударевым получены данные о теплофизической неоднородности метасоматических образований (об их заметном отличии по теплофизическим характеристикам от исходных пород).
Влияние теплофизических особенностей окружающих пород на развитие гидротермального процесса особенно значительно в месторождениях малых глубин, в частности на месторождениях субвулканического типа, характеризующихся многоэтапным развитием эндогенного процесса при значительном (достигающем нескольких миллионов лет) временном разрыве между этапами. Подобный разрыв, наряду с относительно небольшой глубиной формирования рассматриваемых месторождений, способствует восстановлению термального равновесия среди окружающих пород перед проявлением (последующих эндогенных этапов.
Для субвулканических месторождений обычно характерно интенсивное развитие (особенно на раннем эндогенном этапе—этапе формирования рассеянной минерализации, проявляющейся на широких площадях) метасоматических процессов, захватывающих громадные объемы окружающих пород и характеризующихся обычно проявлением нескольких метасоматических фаций, что, в конечном счете, приводит к заметной дифференциации свойств отдельных участков. В этих условиях в первоначально квазиизотропной среде могли появляться отдельные участки, отличающиеся развитием значительных градиентов теплосодержаний, температур и других тепловых свойств; в случае же развития метасоматических преобразований в анизотропной среде могли создаваться условия, значительно изменяющие характер ее анизотропности как в качественном, так и в количественном отношении.
Теплофизическая неоднородность метасоматических образований и ее возможное влияние на развитие эндогенного процесса могут быть проиллюстрированы на примере Сорского и Жирекенского месторождений.
Средние величины физических параметров главных типов пород Сорского месторождения и метасоматитов, развитых по ним, приведены в табл. 148. Ряды приращений для указанных параметров в комплексе последовательно совмещенных метасоматических фаций: лейкократовый гранит — калишпатизированный (1) — альбитизированный (2) — серицитизированный (3) — окварцованный гранит (4) — для образований первого эндогенного этапа могут быть представлены в следующем виде:
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

В зависимости от представленного соотношения метасоматических фаций и интенсивности их проявления ряды приращений будут изменяться, фиксируя в каждом конкретном случае общее количество совмещенных фаций и соотношение величин физических параметров между отдельными фациями. Для метасоматических образований второго и третьего эндогенных этапов ряды приращений могут значительно усложняться в случае их пространственного совмещения с метасоматитами ранних этапов.
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

В табл. 148 не учтены теплофизические особенности довольно многочисленных разновидностей пород, развитых на площади Сорского месторождения и вмещающих субвулканические интрузивные тела и постмагматические продукты (диориты, кварцевые диориты, адамеллиты, биотит-роговообманковые граниты и другие породы улень-туимского комплекса, отдельные ксенолиты основных пород бреньского комплекса), а также их метасоматически преобразованные paзности. Перечисленные породы, характеризующиеся неравномерным распределением на площади месторождения в виде разнообразных по форме и размерам «пятен», еще более усложняют теплофизическую карту месторождения, придавая ей особенно пестрый облик.
Средние величины теплофизических параметров гидротермально измененных и исходных пород Жирекенского месторождения приведены в табл. 149. Ряды приращений физических параметров на примере измененных мелкозернистых гранитов в случае совмещенного развития метасоматических фаций: калишпатизированные породы (1) — аргиллизированная порода, внешняя зона (2) — аргиллизированная порода, внутренняя зона (3) — серицитизированная порода (4) — имеют следующий вид:
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

В случае же проявления процесса аргиллизации в неизмененных мелкозернистых гранитах (без их предварительной калишпатизации) ряды приращений будут иметь другой вид:
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

Хотя в целом Жирекенское месторождение, в отличие от Сорского, характеризуется значительно меньшим разнообразием вмещающих пород, однако и здесь широкое развитие резко различных по своим теплофизическим характеристикам метасоматических образований значительно усложняет теплофизичеокую карту месторождения. Еще более она усложняется на участках проявления эксплозивных брекчий, сложенных хотя и теми же вмещающими породами в виде обломков и тонко подробленной массы в цементе, но в разных количественных соотношениях.
Общая картина теплофизической неоднородности вмещающих пород Сорского и Жирекенского месторождений, проанализированная выше, вырисовывается еще более отчетливо, если учесть изменчивость теплофизических характеристик в пределах самих метасоматических фаций, характеризующихся, как правило, разной степенью метасоматической проработки в различных участках. Этим метасоматические образования значительно отличаются от исходных магматических пород, имеющих меньший разброс значений теплофизических параметров.
При подобной теплофизической неоднородности среды, в которой развивается эндогенный процесс, вопросы энергетики последнего должны, несомненно, рассматриваться с учетом анализа теплофизической карты каждого конкретного месторождения. Существование теплофизических градиентов приводит к энергетическому обмену между разностями пород и значительно осложняет стационарную теплопередачу, характерную для эндогенного процесса. Кроме доминирующего направления теплового потока, возникают разнонаправленные локальные потоки тепла, во многом определяющие характер развития минерализации на площади месторождения.
Рассмотрим детальнее динамику тепловых полей в зонах метасоматоза Сорского месторождения на примере продуктов первого этапа минерализации, характеризующегося максимальным проявлением метасоматических процессов. Именно в этот период, когда происходило «пропаривание» окружающих пород, имели место максимальные потери тепла, что и обусловило повышенный интерес к энергетике метасоматоза первого этапа. К тому же метасоматиты данного этапа по отношению к образованиям двух последующих этапов минерализации (в том числе и основного рудного) выступают в качестве вмещающей среды, теплофизические особенности которой, несомненно, оказали влияние на характер рудного процесса. В связи с «площадным» характером метасоматитов все расчеты приводятся для идеализированных разрезов и базируются на средних данных, характеризующих определенные типы метасоматически преобразованных пород.
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

Средние значения тепловых эффектов при растворении продуктов метасоматических процессов сведены в табл. 150, из которой видно, что значения интегральных теплот растворения изменяются ступенчато (снижаясь от калишпатизированных пород «окварцованным).
Максимальные тепловые эффекты зафиксированы для калишпатизированных пород и особенно калишпатовых тел, значительно превосходящие тепловые эффекты растворения исходных пород (особенно лейкократовых гранитов). Калишпатизация проявляется как в лейкократовых гранитах, так и в диоритах. Отмечено, что при равной проницаемости пород калишпатизация интенсивнее проявляется среди диоритов, тепловой эффект растворения которых значительно превышает тепловой эффект лейкократовых гранитов (на 280 кал/г). Очевидно, процесс калишпатизации диоритов более энергетически выгоден, чем процесс калишпатизации лейкократовых гранитов. Существенно калишпатовые тела тяготеют к участкам пород с повышенной проницаемостью, где формирование этих энергоемких продуктов могло быть энергетически обеспечено. Обособление кварца от калишпатовых тел, возможно, обусловлено существенным различием тепловых эффектов образования этих двух минералов. Кварцевые тела тяготеют к периферии калишпатовых тел, где были более благоприятные условия для отвода тепла.
Широко проявленная на месторождении альбитизация в условиях понижения температур по отношению к калишпатизации является экзотермическим превращением. Альбитизацией преимущественно захватываются участки калишпатизированных пород, за исключением калишпатовых тел, обладающих высоким потенциальным тепловым барьером. В последних в основном развивается прожилковая альбитизация. К разряду экзотермических преобразований относятся также окварцевание и, возможно, серицитизация, проявляющиеся преимущественно среди альбитизированных пород.
По результатам измерения величин С, λ, α, Н и σ (см. табл. 148) можно произвести ряд расчетов, характеризующих динамику тепловых и температурных полей в зонах метасоматоза, а также позволяющих оценить теплофизическое влияние метасоматитов на течение последующих геологических процессов.
Вероятные теплосодержания метасоматитов при 200— 700°С, рассчитанные для условно принятого объема в 1 м3, приведены в табл. 151, из которой видно, что гидротермально измененные породы по сравнению с лейкократовыми гранитами характеризуются повышенным теплосодержанием. Исключение составляет кварцевое тело, для которого при всех заданных температурах были получены минимальные теплосодержания. Максимальные теплосодержания зафиксированы для калишпатового тела (особенно при высоких температурах, когда разница между теплосодержанием лейкократовых гранитов и калишпатовых тел достигает 1,74 ккал/м3).
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

Представляет интерес оценка неоднородностей температурного поля в зависимости от характера преобразования пород, позволяющая рассмотреть не только возможные величины температур в метасоматических зонах, но и охарактеризовать температурные градиенты между зонами. Расчет произведен исходя из постоянного источника тепловой энергии, способного нагреть единичный объем (1 м3) исходных лейкократовых гранитов (σ = 2,6 г/см3; C = 0,205 кал/г*град) соответственно на 200—700°С (табл. 152). Анализ таблицы свидетельствует о том, что при постоянно действующем источнике тепла максимальный нагрев различных метасоматитов будет заметно отличаться. Наибольшая разность температур нагрева лейкократовых гранитов и их метасоматически измененных разностей может быть от 69°С (при тепловом источнике 1,07*10в5 ккал, нагревающем исходные граниты до 200°С) до 243°С (источник — 3,73*10в5; нагрев гранитов до 700°С). Если же рассматривать температурные градиенты метасоматитов относительно кварцевого тела, то они значительно возрастут и составят соответственно от 86 до 299°С. В реальных условиях необходимо учитывать время существования температурных градиентов, так как в конечном счете процесс будет направлен к выравниванию температур в зонах.
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

Из приведенных данных видно, что температурное (тепловое) поле благодаря значительным изменениям теплофизических свойств пород в пределах метасоматических зон становится весьма неоднородным. Уже только за счет этого возникают значительные температурные градиенты между метасоматическими зонами, обусловливающие миграцию тепловой энергии. Если учесть возникновение здесь локальных источников или стоков при химических превращениях, то тепловая дифференциация пород и миграция энергии еще более усложняются. Температурные градиенты, несомненно, оказывают влияние и на рудоотложение. В табл. 153 приведены расчетные значения тепловых потоков (кондуктивных) через условно взятые сечения (10 000 см2) при разных ΔT с учетом равного нагрева различных пород до некоторых реальных температур. При этом реальные температуры достигаются на нижней границе элементарного объема; на верхней границе рассчитываемого объема для всех пород принята постоянная температура, равная реальной температуре вмещающих пород (200—700°). Этот тепловой поток обусловлен неоднородностью прогрева и характеризует перераспределение тепла в зонах метасоматически преобразованных пород.
Время прогрева (табл. 154) единичного объема пород при учете только теплопроводности оценивается исходя из средних значений коэффициента теплопроводности и количеств тепла, необходимых для прогрева 1 м3 породы до температур 200—700°С (принимается, что прогрев на границах элементарного объема равен 100°С).
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

Все расчеты и приближенные оценки динамики тепловых, энергетических и гидродинамических особенностей метасоматических процессов Сорского месторождения учитывают два основных механизма переноса тепла (кондукцию, конвекцию) и их совместное действие. Перенос вещества осуществляется фильтрацией флюидов.
Расчет велся для условного объема пород в 1 м3. Были приняты следующие температуры становления метасоматитов: для калишпатового тела 700°, для калишпатизированных гранитов — 600°, для кварцевого тела и альбитизированных гранитов — 500°, для серицитизированных и окварцованных гранитов — 400°. Давление во всех случаях составляло 1000 кг/см2. Проницаемость всех пород были принята равной 2 мД. Предполагалось при этом, что за 1 с через площадь в 100 см2 может пройти 0,1 м3 флюида.
При составлении теплового баланса важное значение имеет принятый механизм замещения объемов исходных пород. Нами рассмотрены четыре возможных варианта (табл. 155):
1. Каждый последующий метасоматит занимает весь объем предыдущего. Конечный объем равен единице.
2. В конечном итоге все метасоматиты занимают единичные объемы. Объем исходной породы равен количеству единиц объема, равному числу метасоматических фаций.
3. Последующие стадии метасоматоза проявляются в определенной части исходного объема. Конечный объем равен единице, но здесь присутствуют все типы метасоматически преобразованных пород.
4. Реальный случай с учетом соотношения метасоматитов на Соре. Объем исходных лейкократовых гранитов принят за единицу.
Соотношения метасоматитов отражены в табл. 155 поправочными коэффициентами. Расчеты проводились исходя из следующей схемы замещения:
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

При учете тепловых эффектов превращений оказалось, что в первом варианте суммарный баланс положительного (экзотермического) тепла составляет около 70% от оправдательного (эндотермического). В других вариантах количество экзотермического тепла значительно снижается и для 4-го варианта составляет приблизительно 1/7 часть эндотермического. Однако расчет тепла, необходимого для нагрева метасоматита до температуры процесса, производился во всех случаях от 0°, т. е. без учета общего прогрева пород. С учетом же этого прогрева суммарный баланс эндотепла должен значительно сократиться.
Исходя из результатов теплового баланса, можно попытаться оценить время доставки необходимого тепла с учетом кондукции и конвекции при средних теплофизических характеристиках пород. Для расчета принимаем, что экзотепло не выносится флюидом, а все идет на преобразование; флюид во всех случаях перегрет на 300° (разность максимальных и минимальных температур превращений в зонах метасоматоза). Удельный объем водяного пара при 700*С равен 0,003623 м3/кг, а теплосодержание при 700°С — 795,2 ккал/кг и при 400°—429,2 ккал/кг. Таким образом, 1 кг флюида при охлаждении от 700 до 400° отдает 366 ккал тепла. По этим данным оценено количество флюида, необходимого для переноса рассчитанных количеств тепла, и подсчитано время, требуемое для подачи этих объемов флюида в зону реакции через площадь в 100 см2 при проницаемости 1 мД:
О теплофизической и энергетической неоднородности метасоматических образований и ее возможном влиянии на гидротермальный процесс

Таким образом, для того чтобы при проницаемости вмещающих пород в 1 мД флюид доставил все необходимое количество тепла, в рассмотренных нами случаях максимально необходимо около 20 лет. Если учесть, что одновременно может происходить кондуктивная передача тепла со скоростью не менее (при λср = 5-10в-3 кал/см*с*град) 0,5 кал/с, то полученные временные интервалы несколько уменьшатся (~ на 5%).
Приведенные расчеты свидетельствуют о том, что в процессе метасоматоза в первоначально квазиизотропной среде появляются зоны, отличающиеся развитием значительных градиентов теплосодержаний, температур и других тепловых свойств. Колебания температур нагревания различных метасоматитов за счет неоднородного характера функций C=f(T) могут достигать величин, достаточных для индивидуализации поведения их в последующие этапы минерализации. Теплофизическая неоднородность метасоматических образований может обусловить термическую (и тепловую) неоднородность гидротермальной системы.
Многоэтапные метасоматические процессы характеризуются своеобразными энергетическими спектрами конечных продуктов, выражающимися в чередовании эндо- и экзотермических образований. Значительный (а иногда, по-видимому, и определяющий) вклад в энергетику эндогенных процессов при формировании рудных месторождений вносят экзотермические метасоматические превращения. Роль экзотермических реакций в энергетическом обеспечении эндогенных процессов особенно велика для субвулканических месторождений, характеризующихся широким и интенсивным развитием метасоматизма с образованием громадных объемов метасоматически преобразованных пород.
Распределение поступающего в зону рудообразования тепла и тепла, генерируемого здесь в результате экзотермических превращений, определяется соотношением конвективной и кондуктивной составляющих теплопередачи. Первая составляющая регулируется характером глубинного флюида и существующими в период рудообразования гидродинамическими условиями, вторая — теплофизическими особенностями окружающих (и вмещающих) пород. В целом конвективный перенос тепла, особенно глубинного и тепла внедрившихся магматических масс (в последнем случае переносчиком тепла, наряду с отделяющимися от магмы флюидами, часто является газопароводяная смесь, возникшая вблизи магматического тела, внедрившегося в водоносную систему), преобладает. Однако и роль кондуктивного теплопереноса, в частности, в зонах замедленной фильтрации растворов при наличии разнородных по теплопроводности пород, в том числе и пород с высокой теплопроводностью, не может не учитываться. Теплофизические особенности пород не только определяют кондуктивную составляющую теплопередачи, но и в значительной степени влияют на конвективный теплоперенос.
В связи с изменением пористости и проницаемости (чаще в сторону увеличения) пород при метасоматозе заметно изменяется в зонах рудообразования и характер конвективного теплопереноса. Возникают дополнительные локальные потоки тепла. В зонах метасоматитов с повышенной проницаемостью активная циркуляция растворов приводит к уменьшению геотермического градиента. И наоборот, в участках, где имеется сочетание хорошо проницаемых пород и пород с пониженной проницаемостью, градиент температур значительно повышается, и здесь создаются благоприятные условия для рудоотложения. Особенно велик градиент температур под породами, обычно выделяемыми из-за их малой водопроницаемости в качестве «экранов».
Различная роль конвективного теплопереноса в неизмененных породах и в зонах метасоматически преобразованных пород с разной проницаемостью, а также различия в теплопроводности пород обусловливают пестроту общего теплопотока, что в значительной мере отражается на особенностях тепло-, массообмена и на характере распределения рудной минерализации.
В зонах проявления метасоматических процессов образуются своеобразные теплофизические элементы, главными среди которых являются тепловые проводники и тепловые аккумуляторы. Сочетание этих двух элементов дает различные типы природных теплофизических систем (термостаты, тепловые экраны, тепловые изоляторы и т. д.), характеризующиеся определенными условиями теплообмена.
Зоны метасоматически измененных пород, которым по сравнению с исходными породами присущи повышенные значения коэффициентов тепло- и температуропроводности и повышенная проницаемость, выступают в качестве тепловых флюидопроводников. Неизмененные породы, вмещающие метасоматиты, в этом случае могут являться тепловыми изоляторами.
Возникающая неоднородность в теплофизических свойствах вмещающих (окружающих) пород заметно влияет на тепловые превращения в эндогенной системе, обусловливая, с одной стороны, тепловой обмен между отдельными участками термоактивной зоны на интервале рудообразования, с другой, — влияя на характер и интенсивность глубинных тепловых потоков всей зоны в целом.