Объекты использования глубинного тепла Земли

Как известно, процесс окисления сульфидов и углеводородов сопровождается воспроизводством свободного водорода (Giggenbach,1976), который, находясь даже в подчиненном количестве в составе газовых смесей, соединяясь с кислородом, создает взрывоспособную смесь. Гельфандом Б.Е. и другими (1997) показано, что существует две основные разновидности развития взрывных процессов при воспламенении: мягкий и жесткий режим. Мягкий режим воспламенения характеризуется плавным повышением давления в процессе развития очагов горения, спонтанно возникающих в свежей смеси. Жесткий режим характеризуется появлением ударных и взрывных волн. Взрывной процесс при этом режиме внешне выглядит как фронт горения, мгновенно охватывающий всё поперечное сечение. Этот фронт на коротком расстоянии преобразуется в детонационную волну. В случае генерации газовых смесей при горении сульфидов и углеводородов реален жесткий режим воспламенения, который сопровождается взрывом и детонацией.

Предполагается, что взрывной характер эруптивной деятельности при образовании игнимбритов, характерных, как для завершающего периода островодужного этапа, так и для начальной стадии переходного этапа от островной дуги к континенту (как, например, в системе Северный остров Новой Зеландии к островодужной системе Тонго-Кермадек или переход от островодужной системы Курил к южной оконечности Восточно-Камчатского вулканического пояса), не вызывает сомнений. Результатом этого процесса, на наш взгляд, объясняется дробление значительных объёмов окружающих пород, относительно низкие средние температуры игнимбритообразующей смеси, умеренные или даже незначительные теплопотери, что приводит не только к спеканию выброшенного материала, но и к свариванию и даже вторичному плавлению, так как химические реакции, генерирующие тепло, могут продолжаться в отложенном материале. Ударные волны, вызванные газовзрывными процессами, разрушают кровлю над очагами генерации игнимбритообразующего материала с образованием открытых трещин отрыва на значительной площади. По этим разрывам происходит просадка блоков пород и подсос воздуха в зону генерации взрывов, где давление на несколько порядков ниже атмосферного. Приток атмосферного кислорода усиливает процессы окисления, как сульфидов, так и генерируемых газов, и с этим периодом связаны наиболее мощные взрывы и выбросы игнимбритообразующих колонн, механизм влияния которых на образование обширных пирокластических потоков описан Спарксом и соавторами (Sparks et al., 1978).

Как известно, в очаге взрыва создается вакуум. Вакуумирование места образования игнимбритовой смеси способствует усиленному притоку нижележащих (возможно глубинных) магматических расплавов, которые должны подвергаться интенсивной дегазации, в результате чего в подводящих магматических дренах за счёт газлифтного эффекта происходит высокоскоростное впрыскивание газово-магматической смеси. Приток высокотемпературного двухфазного теплоносителя в полости, образованные взрывами, ускоряет процесс перемешивания этих расплавов с материалами корового плавления и с раздробленными породами, нагревает их, вызывая выделение из них летучих, и стимулирует процесс усиленной эрупции по ранее проложенным каналам. Кроме того, следует предполагать, что очаги дробления и зоны обрушения являются очагами стока подземных и возможно поверхностных вод метеорного происхождения. Смыкание описанных сред порождает специфические условия резкого охлаждения магматических расплавов и окружающих нагретых пород и образование контракционной трещиноватости штокверкового типа. Образованные гидротермальные растворы перегреваются и могут находиться в состоянии продолжительного кипения, в результате которого возможно концентрирование рудных элементов (Hedenquist, Hougthon,1987). Учитывая, что в результате газовых реакций образуется большое количество сернистого газа, а при притоке избыточных количеств атмосферного кислорода и сернистого ангидрита, то создаются условия для образования сернокислых гидротермальных растворов. Последние, взаимодействуя с первичными сульфидными рудами, приводят к вторичному сульфидному обогащению, которое характерно для медно-порфировых месторождений (Павлова,1978; Туговик, 1984).

Таким образом, предлагаемая нами модель возникновения и функционирования корового источника тепла в гидротермально-магматических конвективных системах, на наш взгляд, вполне логично объясняет возникновение специфических гидротермальных систем порфирового типа и, сопряженных с ними гидротермальных систем хай сульфидейшн (Corbett, Leach, 1998), образование мощных расслоенных магматических резервуаров и механизм возникновения игнимбритовых гетерогенных смесей и брекчированных интрузивных образований во флюидно-эксплозивных структурах (Туговик, 1984).

4. Поверхностные термопроявления современных геотермальных систем. Тепловая мощность. Аккумуляция геотермальной энергии в субповерхностных условиях. Тепловые экраны

Определение гидротермальных систем, приведенное во введении, акцентирует внимание на динамике гидротерм. Гидротермальные системы -- это «высокотемпературные водонапорные системы, возникающие в земной коре при внедрении в водоносные слои глубинного теплоносителя, надкритического водного флюида или расплава» (Белоусов, Сугробов, 1976). Не каждая высоконапорная система, расположенная вблизи высокотемпературных аномалий, какими являются вулканы и долгоживущие вулканические центры, может привести к образованию гидротермальной системы. Последние возникают на геологических структурах определенного типа. Геологическое строение влияет не только на динамику воды (создание высоконапорных гидрогеологических систем требует особого строения геологического разреза и особых условий залегания водовмещающих горизонтов), но и оказывает активное воздействие возникновению условий аккумуляции тепла в недрах гидротермальных, систем. Таким образом, создаются условия для образования высокотемпературного режима, и фильтрующаяся холодная вода превращается в теплоноситель.

Изучение условий теплового питания гидротермальных систем привело многих исследователей к выводу, что плотность тепловых потоков значительна, но недостаточна для того, чтобы в любой геологической структуре, склонной к формированию водонапорной системы, они могли образоваться. Гидротермальная система возникает только при условии замедленного водообмена и при чрезвычайно малых тепловых потерях на путях миграции водного потока. Геологическое строение участков, где формируются гидротермы, должно обладать элементами, которые регулируют поступление холодных вод метеорного происхождения в недра гидродинамической системы и обеспечивают их замедленную циркуляцию. Такие геологические структуры, по нашему мнению, играют роль активного посредника в период образования гидротермальной системы. Гидротермы, имея высокую температуру и фильтруясь по породам, постепенно насыщаются растворенными элементами и газами. Гидростатическое давление, находящееся в условиях пластового давления и высокой температуры, при приближении к пониженным участкам рельефа изменяется вблизи очагов разгрузки. Это приводит к изменению параметров термальных вод в недрах системы. В результате происходит нарушение химических равновесий, что приводит к усилению реакций раствор--порода. Эти процессы оказывают существенное влияние на изменение геологического строения участков развития гидротермальных систем.

Первые исследования на гидротермальных системах были сосредоточены на изучении парогидротерм, их термодинамических параметров, химической специализации, особенностях динамики. В дальнейшем, в связи с необходимостью получения больших дебитов парогидротерм высоких параметров, началось изучение геолого-структурных условий их формирования и динамики. Над этой проблемой работали итальянские геологи Р. Бургасси, Г. Факка, Ф. Тонани (Burgassi,1961; Facca, Tonani, 1961, 1963, 1967), новозеландские исследователи Л. Гранж, Г. Гриндли, Дж. Хили (Grange, 1955; Grindly, 1961; Неа1у, 1964, американские-Дж. Макнитт (МсNitt, 1961).

На Камчатке геологическим строением гидротермальных систем занимались В.В. Аверьев (1961, 1966), Аверьев и др. (1965), Е.А. Вакин, И.Т. Кирсанов, Т.П. Кирсанова (1976), А.И. Сережников, В.М.Зимин (1976) ,Э.Н. Эрлих (1973), В.И. Белоусов (1967а, б, 1971; Белоусов, Сугробов, 1976; Белоусов и др., 1976; Beloussov, 1967; Vakin et. al., 1971).

Объем работы не позволяет автору привести описание всех гидротермальных систем, изученных к настоящему времени. Однако нами была предпринята попытка систематизировать многие из них и сгруппировать по особенностям геологического строения. Были выделены Вайракейский тип геологических структур, Паратунский и два подтипа: Лардерелло и Больше-Банный (Белоусов, 1967а, 1976; Beloussov, 1967). Особенности геологического строения каждой группы гидротермальных систем отражались в своеобразии их гидрогеотермических характеристик.

В настоящем разделе представлены наиболее характерные гидротермальные системы.

Гидрогеотермическая характеристика гидротермальных систем.

Водоносные системы, к которым приурочена гидротермальная деятельность, имеют относительно небольшие размеры, что обусловлено достаточно четким ограничением геологических структур, с которыми они связаны (кальдеры, наложенные и унаследованные грабены и т.п.), или локальным распространением водовмещающих литологических комплексов. Наличие в верхних пластах этих геологических структур относительно непроницаемых отложений придает им гидрогеологически закрытый характер. Особенно это характерно для районов вулканотектонических депрессий. Приуроченные к ним водоносные системы в гидродинамическом отношении соответствуют малым артезианским бассейнам и артезианским склонам, формирующимся при инфильтрации атмосферных осадков. По характеру циркуляции воды этой системы относятся к трещинному и пластово-трещинному типам напорных (артезианских) вод, так как обводненные породы обладают трещинной и поровой проницаемостью, а перекрывающие и подстилающие породы являются слабопроницаемыми и играют роль водоупоров.

Мощность обводненных комплексов пород, по данным разведочного бурения на Паужетском и Больше-Банном месторождениях, достигает 200 - 500 м, а мощность перекрывающих их водоупоров составляет 50-150 м. Проницаемость водовмещающего туфогенного комплекса пород, слагающих гидрогеологические структуры закрытого типа, невелика и составляет, по данным лабораторных исследований и опытных выпусков, из одиночных скважин 1- 10² -- 5,6-10⁴ дарси. Эффективная проницаемость водоносных пластов, определенная на основании длительных опытных выпусков, как правило, превышает величину, измеренную в лаборатории, отражая, видимо, как поровую, так и микро- и макротрещинную проницаемость в сумме. На Паужетском месторождении, например, проницаемость водовмещающих псефитовых туфов, рассчитанная по данным опытной эксплуатации, изменялась от 0,26 до 0,44 дарси.

В гидротермальных системах, приуроченных к Паратунскому геотермальному району и сходных с ним, поровая проницаемость плотных пород ничтожна, и циркуляция воды или пара происходит по системе разломов и трещин. Проницаемость пород в зоне водопритока для таких систем можно представить на примере Больше-Банного месторождения. По данным лабораторных исследований, проницаемость встреченного здесь псаммитового окварцованного туфа- (3-14)^.10^-4 дарси, андезита с волосовидными трещинами -(7-9) * 10^-5 дарси. Эффективная же проницаемость обводненных пород этого района приближается к проницаемости пород Паужетского месторождения.

Температура на глубине в гидротермальных системах Камчатки изучена на Паужетском, Больше-Банном, Паратунском и Кошелевском месторождениях. Температурными измерениями охарактеризован разрез до глубины 1200 м. Максимальная температура в этом интервале глубин зарегистрирована на Кошелевском месторождении (+231 °С). Все термограммы имеют выпуклую форму по отношению к оси глубин, показывая интенсивное нарастание температуры в верхней зоне, обычно отвечающей водонепроницаемой толще. Температурный градиент в ней достигает величины 50--70°С/100 м. В обводненных породах температурный градиент резко уменьшается. Распределение температуры по площади зависит от характера обводнённости и геологического строения конкретного участка и связано с передвижением воды под действием градиента напора (вынужденной конвекцией) и свободной конвекцией. В обводненной толще температура распределяется довольно равномерно, постепенно уменьшаясь к границе потока гидротерм. В водоупорной кровле она распределяется в соответствии с условиями кондуктивной теплопередачи, а крутизна термограммы определяется теплофизическими свойствами пород и их мощностью. Все температуры, измеренные в скважинах, меньше значений для кривой насыщения пара. Очевидно, пароотделение происходит лишь в приповерхностных условиях или трещиноватых зонах, где снижается гидростатическое давление. В толще пород, вмещающих высоконагретые воды и пар, температура с глубиной остается постоянной или постепенно увеличивается. Максимальная температура в геотермальных районах зафиксирована на глубине 1320 м мексиканского месторождения Серро-Прието (+354°С). Только на отдельных участках гидротермальных систем температура уменьшается с глубиной. Обычно такая инверсия температур характерна для гидротермальных систем, циркуляция воды, в которых происходит в трещинно-поровом коллекторе (например, в Паужетской системе), и вызвана латеральной миграцией парогидротерм. Температурная аномалия в зоне разгрузки представляет собой наведенное тепловое поле, связанное с движением гидротерм (Сугробов, 1964).

Величина температур в недрах систем Камчатки и зарубежных геотермальных месторождений варьирует в значительных пределах, что объясняется различием их геологического строения. Анализ геологического строения современных гидротермальных систем мира позволил установить геоструктурные элементы, оказывающие существенное влияние на процесс их формирования. К ним относятся коллекторские свойства водовмещающих пород, характер водоупорных горизонтов и морфология их подошвы. Особенно велика роль верхнего водоупора в становлении высокотемпературного режима в недрах гидротермальных систем (Белоусов, 1967а, б). Горизонты плотных слабопроницаемых пород в период формирования, т.е. нагревания водоносных горизонтов эндогенным теплоносителем до наступления теплового равновесия в гидротермальной системе, играют роль теплоизолятора. В период же деятельности гидротермальной системы, когда процесс теплообмена приближается к стационарному, верхний водоупорной горизонт регулирует поступление метеорных вод в недра гидротермальной системы, тем самым, создавая условия для поддержания высоких температур. В тех случаях, когда коллекторские свойства водовмещающих пород характеризуются высокими коэффициентами проницаемости, а тектонические условия способствуют интенсивному водообмену, формируются системы относительно низкотемпературных вод.

Взаимосвязь холодных и термальных вод, по крайней мере в верхних частях гидрогеологических структур, доказана результатами разведочного и эксплуатационного бурения, проводившегося в геотермальных районах. Особенно четко гидравлическая связь холодных (напорных и грунтовых) вод с высокотермальными водами выявлена в гидротермальных системах с поровой и порово-трещинной циркуляцией вод. Пластовое давление в гидротермальной системе определяется пластовым давлением, существующим в гидрогеологической структуре, в рамках которой она возникает. Пьезометрические уровни термальных вод согласуются с положением статистических уровней холодных напорных вод, изменяющихся по площади в соответствии с геоморфологической обстановкой. Абсолютные отметки пьезометрических уровней закономерно снижаются от возвышенных участков рельефа к долинам рек, озерам или морским берегам. Мощные очаги разгрузки обычных холодных вод приурочены к этим отрицательным формам рельефа. Например, разгрузка паужетских гидротерм осуществляется в долине р. Паужетки, а гидротермы Семячикской системы разгружаются вдоль берега океана. Следует отметить, что положение пьезометрической поверхности определяется не только пластовым давлением, но и температурой, сказывающейся в уменьшении объемного веса нагретой воды, благодаря чему возможна за счет увеличения разуплотненного столба воды разгрузка термальных вод на более высоких отметках. Новозеландские исследователи ввели в связи с этим понятие о термоартезианском давлении.

Высокая температура увеличивает скорость фильтрации за счет понижения вязкости, вследствие чего слабопроницаемые породы для них оказываются коллекторами, а для холодных вод -- относительными во-доупорами. Особенно ярко влияние высокой температуры на движение гидротерм выражено в очагах разгрузки систем, на что обратил внимание В.В. Аверьев (1961). Разгрузка гидротерм интенсифицируется повышением статистического уровня из-за термоартезианского напора. Там, где пьезометрические уровни располагаются ниже поверхности, разгрузка гидротерм осуществляется за счет пароотделения. Возможность вскипания воды определяется конкретной геолого-гидрогеологической обстановкой на участках термальных полей и прежде всего высокой температурой в недрах гидротермальных систем и величиной гидростатического давления. Вскипание воды при снижении гидростатического давления в области разгрузки, кроме того, приводит к самопроизвольной откачке воды паром, когда тепловая энергия гидротерм вследствие расширения пара частично преобразуется в механическую энергию поднимающейся пароводяной смеси в канале источника или вскрывшей их скважины.

Относительная высокая динамичность гидротерм, которые не изолированы от окружающих холодных вод, способствует интенсификации водообмена в единой гидрогеологической структуре. Восходящее движение или движение нагретых водных масс в субгоризонтальном потоке в приповерхностных условиях обусловливает более глубокое проникновение инфильтрационных холодных вод к основанию гидротермальных систем из-за различия в плотностях холодных и горячих вод. Таким образом, на участках гидротермальных систем циркуляция вод отвечает условиям свободной конвекции, а возникшие в их верхних частях ограниченные напорные потоки гидротерм усиливают перемещение тепла в ее недрах.

Вскипание гидротерм в приповерхностных условиях является причиной того, что разгрузка гидротерм проявляется в различных формах. В гидротермальных системах, в верхних частях которых имеется относительно проницаемый пласт, вмещающий перегретые (по отношению к атмосферному давлению) воды и перекрывающийся водоупором (закрытая система), характер термальной активности определяется в зависимости от положения пьезометрического уровня. Если пьезометрическая поверхность находится над поверхностью Земли (обычно область разгрузки водонапорной системы), то наблюдаются преимущественно горячие или кипящие источники и гейзеры, паровые струи и участки нагретой ими почвы (Паужетское термальное поле, Долина Гейзеров, Больше-Банное поле и др.). Там, где пьезометрические уровни устанавливаются ниже поверхности, отмечаются только выходы пара в виде отдельных струй или рассредоточенного парения (участки парящей земли). Выходящий пар, как правило, является «вторичным», и его температура соответствует точке насыщения при данном атмосферном давлении. Обычно участки с выходами пара приурочены к возвышенностям микрорельефа. Если пар, выделившийся с верхнего уровня подземных вод, выходит в понижение, заполненное поверхностными водами, то образуются кипящие или грязевые котлы и озерки, от которых непрерывно отделяется пар. Как правило, они характеризуются почти полным отсутствием стока.

В гидротермальных системах, в верхних частях которых развиты плотные трещиноватые породы (относительно открытые системы), поверхностные термопроявления представляют собой, главным образом, паровые струи, горячие и кипящие котлы. Последние часто имеют вид источников, хотя формируются вследствие внедрения парогазовых струй в поверхностные или грунтовые воды и подобны проявлениям гидротермальных систем закрытого типа на участках низкого положения пьезометрической поверхности.

Масштаб современной гидротермальной деятельности можно оценить по тепловой мощности гидротермальных систем в естественных условиях. Тепловая мощность гидротермальных систем или термальных полей в настоящее время определяется по суммарному выносу тепла источниками, паровыми струями или фумаролами, теплоотдачей с участков рассредоточенных выходов пара («парящая земля»), теплоотдачей с поверхности нагретых пород, кондуктивным потоком на участках термальных полей, теплоотдачей с поверхности теплых озер и кипящих котлов. Методика измерения тепловой мощности наиболее сложных по условиям теплоотдачи проявлений была разработана В.В. Аверьевым -- «Теплоотдача с поверхности парящей земли», Г. Даусоном и Р. Фишером (Dawson, 1964; Dawson, Fisher 1964). Г.Н. Ковалев описал методы определения выноса тепла специфическими термопроявлениями - термальными озерами - и теплоотдачи с поверхности нагретой почвы (Ковалев, 1966) .В табл. 1 приведены данные по тепловой мощности термальных полей и гидротермальных систем, при определении которых с той или иной степенью точности учтены все ее составляющие, включая скрытую разгрузку высокотермальных вод.

Таблица 1. Естественная тепловая мощность известных гидротермальных систем Камчатки

Наибольшую тепловую мощность на Камчатке имеют Кошелевская (75 тыс. ккал/сек) и Семячикская системы (74 тыс. ккал/сек). В этом отношении они сходны с гидротермальными системами Новой Зеландии. В.В. Аверьев (1966) обратил внимание на близость этих цифр по порядку величин к величинам, характеризующим тепловую мощность фумарольной активности отдельных вулканов и определенным пока в диапазоне 4,5 х.10⁵ ккал/сек (вулкан Мутновский) - 0,2^.10⁵ ккал/сек (вулкан Авачинский).

Удельный вынос тепла (отношение тепловой мощности гидротермальных систем к площади их формирования) позволяет сравнить интенсивность гидротермальной деятельности в различных районах. Характерно, что в гидротермальных системах удельный вынос тепла имеет одинаковый порядок и превышает среднепланетарные кондуктивные теплопотери в десятки и даже сотни раз. Некоторое расхождение в величине удельного выноса тепла между отдельными системами объясняется, по-видимому, различным отношением исследователей к ограничению площадей генерации и трудностью их точного оконтуривания. Так, например В.В. Аверьев удельный вынос тепла в гидротермальных системах называл интенсивностью теплового питания и связывал его с площадью, на которой происходят инфильтрация и нагрев атмосферных вод. Эта площадь, как правило, имеет четкие геологические границы и соответствует площади водонапорных систем. Оценив возраст гидротермальной системы, с данными об эволюции геологической структуры подобных районов величиной порядка n^.10⁴ лет, В.В. Аверьев указал, что общий вынос тепла индивидуальными системами за все время их существования должен соответствовать 10¹⁵ - 10¹⁶ ккал.

Химический состав гидротерм Камчатки типичен для вод районов активного вулканизма. Табл. 2 дает представление об их основных гидро - химических типах, встречающихся в каждой из изученных в этом отношении систем. Первый тип представляют собой воды термальных (как правило, кипящих) источников, наиболее близко отражающие глубинный состав растворов, циркулирующих в системах. Ко второму типу относятся воды теплых источников, располагающихся на периферии очагов разгрузки и возникающих вследствие восходящих перегретых вод и последующей конденсации гидротермального пара в приповерхностной частях разреза. К третьему типу относятся естественные конденсаты парогазовых струй, заполняющих бессточные котлы, и, наконец, к четвертому -- конденсаты вторичного пара.

Разнообразие химического состава поверхностных проявлений гидротермальной активности связано, во-первых, с дифференциацией химического состава гидротерм в очагах их разгрузки благодаря фазовым переходам при их вскипании (Аверьев, 1961), а во-вторых, с приповерхностными изменениями состава глубинных струй вследствие смешения с грунтовыми водами. Классическим примером поверхностной гидрохимической аномалии, связанной с разгрузкой гидротермальной системы, служит Узонское термальное поле (Пилипенко, 1971). Проявленная здесь концентрическая зональность вод позволяет проследить все стадии химической дифференциации перегретых терм в очаге их разгрузки - от слабощелочных хлоридных натриевых в центре участка разгрузки, через группу смешанных вод разнообразного химического состава к слабокислым сульфатным водам периферийных участков.

Изучение солевого и газового состава вод поверхностных источников и паровых струй позволяет реконструировать первоначальный состав гидротермальных растворов. Такой балансовый расчет был сделан В.В. Аверьевым и В.И. Кононовым (Аверьев и др., 1965) для определения глубинного состава гидротерм Узонской и Гейзерной систем. Оказалось, что на глубине в несколько сот метров, где существование гидротерм возможно лишь в жидкой фазе, резко усиливается роль соединений углерода и серы, которые в этих условиях занимают в составе растворов равноправное положение с ионом хлора или выступают на первый план. Для окончательной реконструкции глубинного состава гидротерм необходимо учитывать взаимодействие их с окружающими породами в процессе фильтрации и, в частности, выпадение минеральных новообразований.

Роль верхнего водоупорного горизонта в становлении и деятельности гидротермальных систем. Формирование гидротермальных систем в современных вулканических областях отличается рядом особенностей. Главная из них та, что они располагаются в субповерхностных условиях. Разгрузка гидротерм происходит непосредственно на поверхность в виде высоконагретых, кипящих источников и струй насыщенного или перегретого пара воды в смеси с газами. Это обусловлено особым развитием этих участков Земли, которые характеризуются тепловыми потоками, в десятки и сотни раз превышающими среднеземные значения. Однако наблюдения за количеством выпавших осадков, условиями водного питания подземных водоносных горизонтов приводят к выводу о наличии особых геологических структур, в которых происходит формирование гидротермальных систем. Главными из них являются литолого-структурные особенности водовмещающих пород и условия их залегания, создающие обстановку для медленной циркуляции в их недрах воды и обязательное наличие верхнего водоупора.

Таблица 2. Сравнительная характеристика химического состава вод гидротермальных систем Камчатки

Особая роль верхнего водоупорного горизонта в формировании и деятельности субповерхностных гидротермальных систем в современных вулканических областях признается абсолютным большинством исследователей, изучающих геологическое строение этих участков (Facca, Nonani, 1961, 1963, 1967; Неа1у, 1964, 1965; Белоусов, 1967а, 1967,б; Beloussov, 1967; Манухин, Ворожейкина, 1976; Вакин, 1968; Вакин и др., 1976). Эта проблема возникает при геолого-поисковых и геологоразведочных работах на месторождении гидротерм с целью их эксплуатации. Роль экранов в формировании гидротермальных месторождений полезных ископаемых аналогична роли водоупоров в современных субповерхностных гидротермальных системах: позволяет использовать полученные нами данные в разработке теории экранов в рудообразующем гидротермальном процессе.

Кроме того, изучение условий теплопередачи в верхних частях гидротермальных систем, где обязательно присутствует верхний водоупор, позволяет определить общие закономерности тепломассопереноса в условиях земной коры не только в гидротермальном, но и в вулканическом процессе.

Представляется целесообразным рассмотреть этот вопрос в двух аспектах: 1) роль верхнего водоупорного горизонта в образовании гидро-термальной системы и 2) роль верхнего водоупорного горизонта в деятельности гидротермальной системы.

Роль верхнего водоупорного горизонта в образовании гидротермальной системы удобнее рассматривать на идеальных моделях. Геологический разрез такой модели представим двумя горизонтами: нижним водовмещающим, сложенным породами с хорошими фильтрационными свойствами, и верхним -- сложенным плотными породами с низким коэффициентом проницаемости. В водоносном горизонте находится вода, в которой отсутствует вынужденная конвекция. Эта система подогревается снизу контактным способом или путем привноса высоконагретого водяного пара в нижние части водоносного горизонта. За счет источника тепла создается разность температур между нижней частью модели и верхней. В связи с этим создаются условия для теплопереноса. Теплоперенос в нашем случае осуществляется двумя путями: кондуктивной (молекулярной) теплопроводностью и конвекцией. Так как в условии модели предусмотрен застойный режим воды в водовмещающем горизонте, конвекция будет осуществляться лишь под действием разности плотностей воды при разных температурах: за счёт архимедовой силы более нагретые порции воды в нижней части водоносного горизонта будут подниматься вверх до тех пор, пока их температура и соответственно плотность не выровняются с вышележащими частями водоносного горизонта. Теплопередача в этом случае будет происходить результате свободной конвекции (рис. 11).

Свободная конвекция и связанный с ней тепломассоперенос осуществляются при малых температурных градиентах, значительно меньших, чем при молекулярной теплопроводности. Это означает, что при тепломассопереносе эквивалентное количество тепла переносится при значительно меньшей разности температур, чем при молекулярной (кондуктивной) теплопроводности. В нашем примере процесс тепломассопереноса, идущий за счет свободной конвекции будет стремиться к выравниванию температур в вертикальном разрезе, в связи с чем, доля теплопереноса за счет молекулярной теплопроводности будет сводиться к минимуму (рис. 11, 6). Однако в верхнем водоупоре соотношение долей этих способов теплопередачи будет обратное. Из условий модели следует, что породы водоупорного горизонта отличаются крайне низкой пористостью и малыми коэффициентами проницаемости. Все это позволяет считать, что свободная конвекция, возникающая за счет градиента температур на границах слоя, невозможна и превалирует молекулярная теплопроводность. В связи с этим в нашей модели создается ситуация, когда при малых температурах поступает достаточно большое количество нагретой воды и все тепло, переданное нижней кромке водоупорного горизонта, не может быть передано дальше вверх по разрезу, так как в дальнейшем это количество должно двигаться при большом перепаде температур. В модели можно предусмотреть дополнительное условие, при котором температура над верхней границей водоупорного горизонта постоянна. В реальных случаях она может соответствовать среднесуточным или среднегодовым значениям температуры воздуха в данном районе.

Рис. 11. Схема распределения температур и тепловых потоков в водовмещающем водоупорном горизонте при образовании высокотемпературной гидротермальной системы. Составил В.И. Белоусов. Стадии теплового равновесия: а - неустановившегося; б - установившегося 1 - верхний водоупор, 2 - водовмещающий горизонт; 3 - направление циркуляции гидротерм; 4 - аномальный тепловой поток; 5 - изотермы; 6 - грани фазового перехода (параобразование). t₂ -температура гидротерм в глубоких недрах гидротермальной системы; t₁ - температура у нижней границы водоупора; t-температура у верхней границы водоупора; q - глубинный тепловой поток; q₁ тепловой поток в водоносном горизонте; q₂ - тепловой поток а водоупорном горизонте

Для того чтобы обеспечить передачу всего тепла, поступающего из глубин через водоупорный горизонт, необходимо поднять температуру у нижней кромки водоупорного горизонта до значений, когда количество тепла, идущего снизу, будет эквивалентно теплопотерям от верхней границы водоупорного горизонта. В реальных гидротермальных системах это равновесие наступает значительно раньше в связи с тем, что мощность верхнего водоупора имеет ограниченные размеры и может изменяться по простиранию.

В тех местах, где мощность водоупорного горизонта наименьшая и он не разбит системой трещин, создаются условия наибольшей концентрации тепла, так как наиболее нагретые порции воды стремятся занять наиболее верхнее положение в водоносном горизонте (см. рис. 12). В этих случаях давление столба породы (литостатическое давление) над водовмещающим горизонтом в какой-то момент будет недостаточным, т.е. будет меньше давления насыщения воды при данной температуре. В этих случаях должно произойти вскипание гидротерм. Часть гидротерм в этом месте перейдет в пар, который стремится подняться вверх через водоупорный горизонт по трещинам, унося с собой избыточное тепло к поверхности Земли, где проявится или в виде паровых струй, или термопроявлений конденсатного типа.

Рис. 12 Схематический геолого-гидрогеологический разрез гидротермальной системы Паужетско- Вайракейского типа. Составил В.В. Аверьев 1 - водоупорные горизонты; 2 - водовмещающий горизонт; 3 -экструзия риодацитов; 4 - аномальный тепловой поток; 5 - инфильтрация метеорных вод; 6- циркуляция гидротерм; 7 - выходы гидротерм в очаге разгрузки; 8 - выходы паровых струй; 9 - разрывные нарушения

Таким образом, можно сделать вывод, что верхний водоупорный горизонт в субповерхностных гидротермальных системах, обладая водоупорными свойствами, играет роль теплоизолятора, который создает условия для аккумуляции тепла в водовмещающем горизонте. На количество аккумулированного тепла влияют водоупорные свойства пород горизонта (пористость, трещиноватость) и его мощность. Необходимость такого горизонта в верхней части геологического разреза на участке формирования субповерхностной гидротермальной системы очевидна, иначе тепло, поступающее из недр, рассеялось бы.

Существенную роль при этом также играет состояние коллекторов. Ведущим качеством структуры водовмещающих горизонтов должно быть обеспечение замедленной циркуляции воды в их недрах. В рассмотренных примерах геологических структур гидротермальных систем эта достигается слабой пористостью и проницаемостью водоносных горизонтов. В гидротермальных системах Паужетского типа возможно формирование высокотемпературных гидротермальных систем типа артезианского склона, где господствует вынужденная конвекция, обусловленная перепадом напорных уровней в области питания и в области разгрузки (см. рис. 12).

В случаях коллекторов с хорошими фильтрационными свойствами замедленная циркуляция обеспечивается структурой типа артезианского бассейна, когда открытая разгрузка гидротерм практически отсутствует (рис. 13).

Рис. 13. Схематический геолого-гидрогеотермический разрез гидротермальных систем типа Лардерелло. Составил В.И. Белоусов: 1 - верхний водоупор; 2 - водовмещающий комплекс пород, представленный кавернозными трещиноватыми известняками; 3 - нижний водоупор, гидротермально измененные терригенные осадочные породы; 4 - аномальный тепловой поток; 5, 6 - инфильтрация метеорных вод; 7 - направление циркуляции гидротерм в недрах гидротермальной системы; 8- разрывные нарушения, формирующие поровые ловушки (очаги разгрузки); 9, 10- уровни образования пара в поровых ловушках и поверхностная разгрузка гидротерм; 11-предполагаемое распределение температур в недрах гидротермальной системы

Этап образования субповерхностной гидротермальной системы, обусловленной первичной структурой данного участка, заканчивается в период установления теплового равновесия, когда количество тепла, поступающего к корням гидротермальной системы, уравнивается с тепловыми потерями у земной поверхности. После этого наступает второй этап в жизни гидротермальных систем.

Роль верхнего водоупорного горизонта в деятельности субповерхностной гидротермальной системы. Этап образования субповерхностной гидротермальной системы, как было рассмотрено выше, характеризуется повышением температуры воды в водовмещающем горизонте. Повышение температуры воды приводит к изменению ее некоторых свойств. Так, например, с повышением температуры очень резко уменьшаются вязкость воды и плотность. Изменение этих параметров усиливает циркуляцию в водоносном горизонте, а соответственно значительно активизируются теплообменные процессы. Кроме того, при циркуляции в толще осадочных пород, седиментация которых еще не завершена и в которых существует первичная пористость, происходит мобилизация различных органических и неорганических соединений. В результате этого происходит обогащение гидротерм газами СО₂, H₂S, SO₂, СН₄ и др. Находясь в гидротермах в растворенном состоянии при высоких температурах, эти компоненты усиливают их растворяющую способность. В связи с этим высоконагретые воды приобретают минеральную нагрузку как путем привноса элементов глубинным теплоносителем, так и вследствие мобилизации их из водовмещающих горизонтов и комплексов. Химическое равновесие (раствор-порода) в субповерхностных гидротермальных системах обеспечивается термодинамическими параметрами данной системы (Эллис, 1975). Вблизи поверхности водоносного горизонта, у нижней кромки водоупора или в очагах разгрузки субповерхностных гидротермальных систем создаются условия, где происходит резкое изменение термодинамических параметров за счет активной теплоотдачи при кипении или вынужденной конвекции. Эти изменения отражаются на химических равновесиях в гидротермах и приводят к выпадению компонентов из перенасыщенных растворов с образованием минералов гидротермального происхождения, которые заполняют поры и трещины. А так как такие нарушения термодинамических условий проявляются в основном у нижней границы водоупора, то выпадение минералов происходит в нижней части водоупорного горизонта. Кальматация пор и трещин в этом горизонте ведет к улучшению его водоупорных свойств.

Таким образом, создаются условия для обратного воздействия водоупора на термодинамическое состояние гидротерм в нижележащем водовмещающем горизонте. Это позволяет сделать вывод о том, что процессе достигнутого теплового равновесия в первичной структуре не завершается и создаются условия для прогревания данной системы. Процесс прогревания, по-видимому, не повсеместный, а локализуется вблизи очагов разгрузки, где возможно нарушение химического равновесия в гидротермах и выпадение минеральных новообразований с улучшением водоупорных и соответственно теплоизолирующих свойств водоупорного горизонта. Повышение температуры в недрах гидротермальных систем носит местный характер.

На Паратунской гидротермальной системе, как это известно из описаний ее геологического строения, на участке выхода Среднепаратунских термальных источников под чехлом рыхлых и слабоуплотненных пород четвертичного возраста водовмещающая толща образует куполообразно поднятие. Основная разгрузка наиболее высокотемпературных гидротерм этой системы приурочена к этому поднятию. Замеры температур в скважинах показали, что на границе водоупора и водовмещающей толще происходит резкий перепад температур. Из описаний геологических разрезов известно, что нижняя часть рыхлых и слабоуплотненных пород четвертичного возраста, которая играет роль относительного водоупора, сцементирована гидротермальным халцедон-цеолитовым цементом. Максимальная мощность сцементированного горизонта располагается в наиболее приподнятой части куполообразного поднятия, где наблюдаете наибольшая разгрузка гидротерм.

Несколько по-иному создаются гидротермальные системы на вулканических массивах, подобных Кошелевскому. Геолого-структурные условия вулканических аппаратов, на первый взгляд, неблагоприятны для создания гидротермальных систем вообще, а для высокотемпературных - в особенности. Как было рассмотрено ранее, для начальной аккумуляции тепла в недрах гидрогеологических систем необходимо существование верхнего водоупора, выполняющего одновременно роль теплоизолятора. Сейчас мы подчеркиваем, что наличие верхнего относительного водоупора обязательно и в низкотемпературных напорных гидротермальных системах, аналогичных Паратунской. При зарождении гидротермальных систем Кошелевского вулканического массива также предполагается наличие верхнего водоупорного горизонта. Изучение литологического строения этих гидротермальных систем показало, что роль верхнего водоупорного горизонта могут играть глинистые прослои, образованные в результате постмагматической деятельности при внедрении магматических образований. Такие глинистые прослои вскрыты скважинами в разрезах Нижнекошелевского термального поля.

Рис. 14. Кратер Мутновского вулкана. Взаимодействие парогидротерм с ледником. Фото А.Л. Самойленко

В свое время, изучая химизм гидротерм Курильской островной дуги, С.С. Сидоров (1967) обратил внимание на тот факт, что внедрение некоторых экструзий сопровождается изменениями вмещающих пород под действием термальных вод, а другие экструзии таких изменений не производят. Объяснялось это, как правило, степенью газонасыщенности внедрившихся расплавов. С.С. Сидоров обратил внимание, что конденсаты газов, выделяющиеся из экструзивного расплава, производят гидротермальные изменения на ограниченной площади. Он предположил, что для формирования больших полей гидротермально измененных пород вокруг экструзии необходим большой объем кислых растворов. Это могло произойти при наличии значительных запасов воды на участке внедрения экструзии. Последние на вулканах или сложных вулканических постройках часто образуются в их вершинных частях. Здесь возможно существование кратерных озер, многолетних снежников и ледников. По нашему мнению, в этих условиях могли образовываться значительные объемы кислых растворов при таянии вод. Талые воды формируются в результате таяния ледников или многолетних снежников при их контакте с горячими экструзиями (рис. 14). В таких водах растворялись газы, выделявшиеся из экструзии с образованием кислых растворов. Они, фильтруясь по трещинам, питали поверхностный грунтовый поток, распространявшийся по экструзии и вмещающим ее породам. В результате взаимодействия кислых растворов с породой происходило образование глинистых минералов, опалов и алунитов. Глинистые частицы, как наиболее легкие и поддающиеся механическому разрушению, вымывались грунтовыми и поверхностными водами. Они переотлагались на более низких гипсометрических уровнях у экструзивного купола или на некотором удалении от него.

Образование глинистого прослоя вблизи экструзии могло служить предпосылкой для образования гидротермальной системы (см. ниже рис. 15). После образования высокотемпературного потока гидротерм при подземном кипении его возможно отделение вторичного пара, который, поднимаясь вверх, может охлаждаться и, конденсируясь, образовывать кислые растворы. На уровнях конденсации вторичного пара происходят процессы аргиллизации вмещающих пород и образуется новый верхний водоупорный горизонт.

Типизация геологического строения современных гидротермальных систем.

В основу типизации современных гидротермальных систем положены геолого-структурные факторы. Они определяют локализацию гидротерм, температурный режим и условия разгрузки. При обобщении данных по гидротермальным системам учитывались зарубежные исследования.

Паужетско-Вайракейский тип. Гидротермальные системы этого вида в настоящее время наиболее изучены и активно эксплуатируются. Водовмещающие толщи представлены псефитовыми туфами, которые состоят из крупных обломков пемз, реже андезитов и базальтов. Межобломочное пространство заполнено мелкими обломками кристаллов и вулканическим стеклом. Цементация очень слабая. Активная пористость этих пород низка и существенную роль в повышении фильтрационных свойств играет трещиноватость. Сеть трещин разрежена. Как правило, на один погонный метр разреза приходится около двух трещин. Исключение составляют участки крупных зон дробления. Водовмещающие толщи обычно перекрываются горизонтами плотных пород, играющих роль верхнего водоупора. Часто нижняя граница водоупорного горизонта неровная. В местах ее более высокого гипсометрического положения (куполовидное и блоковое поднятия) в верхней части водоносного горизонта создаются условия подземного кипения и как следствие образуются скопления насыщенного пара (см. рис. 12).

Большинство известных высокотемпературных гидротермальных систем в областях современного вулканизма: Вайракей (Новая Зеландия), Оникобе, Мацукава (Япония), Паужетская, Долина Гейзеров, Узон (Камчатка) -- характеризуются таким строением.

В районах развития гидротермальных систем данного типа, как правило, отмечается ненарушенное или слабонаклонное залегание вулканогенно-осадочных толщ. Локальные нарушения известны вблизи экструзий, которые рвут водовмещающие и водоупорные толщи. Во многих случаях в поднятие вовлекаются большие участки пород, разбитых в приподнятых частях (вблизи контактов с экструзией) на крупные блоки. Часто бывает, что экструзии обрамляют крупный блок вулканогенно-осадочных пород. Для всех гидротермальных систем этого типа характерны трещинно-поровые условия циркуляции. Наличие водоупорных толщ, перекрывающих обводненные породы, придает им гидрогеологический закрытый характер и препятствует интенсивному проникновению в недра метеорных вод. В очагах разгрузки пьезометрический уровень находится выше земной поверхности. Благодаря хорошей проницаемости водовмещающих пород создаются условия для бокового (горизонтального) перемещения гидротерм в субповерхностных условиях. Это обусловливает значительную протяженность термоаномалии и поверхностных термопроявлений (десятки квадратных километров).

Паратунский тип. Отличительными чертами гидротермальных систем этого типа являются низкие температуры в их недрах. Водовмещающими породами в подобных системах являются непроницаемые породы, которые пересечены относительно изолированными трещинами и зонами дробления. Роль верхнего водоупорного горизонта в паратунском типе гидротермальных систем выполняют рыхлые или слабоуплотненные гляциальные, флювиогляциальные и аллювиальные отложения четвертичного возраста (верхний структурный ярус). Эти образования являются лишь относительным водоупором, так как они в свою очередь являются водовмещающими для грунтовых вод. Основная часть тепловой разгрузки осуществляется за счет выходов термальных вод, что обусловлено высоким положением пьезометрического уровня. Для систем этого вида характерен трещинно-жильный тип циркуляции термальных вод.

Зоны разгрузки, выраженные на поверхности низкотемпературными восходящими источниками (до 100° С), приурочены к крупным разрывным нарушениям или к местам, где подошва пород верхнего структурного яруса образует свод (куполовидную структуру). Нижняя часть рыхлых и слабоуплотненных отложений над сводами сцементирована кремнистыми и карбонатными минералами, что является реакцией взаимодействия нижнего потока термальных вод и верхнего «холодного» грунтового потока и обусловлена выпадением минералов из растворов при дегазации и перепаде температуры. Мощность горизонта, сцементированного карбонатно-кремнистым цементом, уменьшается от вершины сводовой структуры к периферии. В результате этого процесса поток напорных термальных вод самоизолируется от верхнего «холодного» грунтового потока.

Гидротермальные системы паратунского типа связаны с крупными геологическими структурами, линейные размеры которых достигают нескольких десятков километров. Очаги разгрузки имеют точечный характер, так как зависят от особенностей геологического строения, например наличия верхнего водоупора.

Нами выделена еще одна группа гидротермальных систем, которая характеризуется высокими тепловыми параметрами термальных вод, подобными тепловым параметрам паужетско-вайракейского типа, но имеющих геологическое строение, подобное паратунскому типу. Наиболее яркими представителями этой группы являются Лардерелло (Италия, провинция Тоскана) и Гейзеры Калифорнии (США). На Камчатке к этому подтипу, по нашему мнению, относится Больше-Банная гидротермальная система.

Подтип Лардерелло. Для него характерен, так же как и для систем паратунского типа, сильно трещиноватый коллектор, перекрытый водоупорными отложениями. Относительная изолированность трещин в практически непроницаемых породах, перекрытых локальным водоупором, не создает условий для формирования мощного потока холодных грунтовых вод. Вследствие этого в результате притока глубинного теплоносителя, нагрева и последующего вскипания ограниченного объема воды в верхних частях разреза образуются скопления сухого или перегретого пара (рис.13).