РОЗДІЛ 2
ФЛЮЇДНІ ПОТОКИ І ЇХ РОЛЬ У МІНЕРАЛОУТВОРЕННІ
Тверда порода і мінералоутворювальний флюїд взаємодіють між собою: флюїд (його
хімічний склад, РТ-параметри) є рушійною силою мінеральних перетворень породи.
Інтенсивні мінералогічні й хімічні зміни деяких шарів у товщах метаморфічних
порід можуть бути обумовлені протіканням через них флюїду. Нами вперше виявлені
безпосередньо самі флюїдні потоки, визначено їхній склад, температуру, тиск,
джерело й глибину надходження. Питання співвідношення між флюїдним тиском,
встановленим за флюїдними включеннями, і глибиною залягання мінералу (чи
джерела надходження флюїдного потоку) в момент консервації флюїдних включень є
непростим. Коротко розглянемо його.
Гідродинамічні відкриті та закриті системи. Перенесення флюїду. У породах
земної кори існує залежність між глибиною їхнього залягання, тиском флюїду та
способом його перенесення. В її основі лежать: а) різниця між густинами флюїду
й породи; б) фізико-механічні властивості породи за відповідної температури.
Густина флюїду (Н2О, Н2О + СО2) майже втричі менша за густину породи, тому
остання на певній глибині повинна витримати різницю між більш низьким
гідростатичним тиском флюїду у тріщинах (порах) та більш високим літостатичним
тиском породи. Тому тільки до певної глибини у твердому тілі породи існують
відкриті тріщини, котрі з’єднані між собою і утворюють єдину систему, яка сягає
земної поверхні (відкрита система). В подальшому – внаслідок зростання
ефективного тиску (його фізична суть розкривається нижче) – тріщини (пори)
відособлюються, закриваються і в такому разі говорять, що система є
гідродинамічно закритою (закрита система).
Вищесказане проілюструємо таким прикладом [128]. Виміряний на різних глибинах
тиск флюїду в приповерхневих осадочних породах узбережжя Мексиканської затоки
на території США (рис. 2.1), збільшується згідно з градієнтом гідростатичного
тиску аж до глибини 3-х км. На глибині 5,5 км він зрівнюється з літостатичним,
а в інтервалі 3 – 5,5 км він перевищує гідростатичний і, поступово зростаючи з
глибиною, наближається до літостатичного. Глибини вирівнювання
Рис.2.1.Флюїдний тиск у басейні осадконакопичення в залежності від глибини
[128, 129].
І–можливий конвективний потік, ІІ–можливий лише одно направлений потік,
1–градієнт гідростатичного тиску, 2–градієнт літостичного тиску, 3–флюїдний
тиск, 4–флюїдний тиск на забої
флюїдного тиску з літостатичним для різних осадочних басейнів можуть значно
відрізнятися між собою, проте вони переважно менші за 6 км [128, 130].
Вважається що на прогресивному етапі метаморфізму порід глибини переходу
флюїдного тиску до літостатичного у всіх метаосадочних породах повинні бути
близькими до спостережуваних у сучасних осадочних басейнах.
Розглянемо детальніше співвідношення між флюїдним, літостатичним тиском, з
одного боку, та способом переносу флюїду, з іншого.
Відкрита система. Тиск у, що створює стовп слабосцементованої без порового
розчину породи, визначається рівнянням
у = сm·g h (1 - ц), (2. 1)
де сm – середня густина мінералів породи, g – прискорення земного тяжіння, h –
потужність товщі породи, ц – пористість породи.
Якщо ж порода насичена водою, то загальний тиск S (в наступному літостатичний
тиск (Рзаг), що вона створює на глибині h, дорівнює
S = сm·g h (1 - ц) + сw·g h ц, (2 .2)
де сw – густина води.
Гідростатичний тиск Рh водяного стовпа висотою h складає
Ph = сw · g h. (2. 3)
Різниця між загальним тиском S і гідростатичним тиском водяного стовпа отримала
назву ефективного тиску [131]
Реф = S - Ph. (2. 4).
Він викликає ущільнення осадків, деформує породу, викликає напруження між
мінералами породи.
Тиск порової (тріщинної) рідини – тиск водяного стовпа – не викликає деформації
твердого тіла породи, що супроводжується її розтріскуванням і зміною його
форми. Через цю властивість він отримав назву нейтрального.
Оцінимо чисельно дію на породу ефективного тиску. Гідростатичний і
літостатичний градієнти відповідно складають 10 МПа/км і 28 МПа/км, тому
порода, щоб зберегти систему з’єднаних між собою тріщин, повинна витримувати
додаткове розчавлююче зусилля у 18 МПа за збільшення глибини на 1 км [128].
Глибина та інтервал переходу флюїдного тиску (Рфл) у літостатичний у
метаморфічних породах буде визначатися міцністю породи (її мінеральним складом)
і температурою. За більш низьких температур міцність мінералів (породи) зростає
і, як наслідок, збільшується інтервал та глибина цього переходу для порід
ідентичного мінерального складу (для 500 °С вважаються прийнятними величини
порядку десятків бар , що еквівалентно декільком сотням метрів глибини) [128,
132].
Перенесення флюїду у гідродинамічно відкритій системі тріщин і пор здійснюється
шляхом конвекції, конвективного потоку [128]. Більш нагріті маси флюїду з
меншою густиною рухаються угору, в напрямку земної поверхні, де охолоджуючись
знову опускаються на глибину. Проте очевидним є й інше: у випадку існування
джерела флюїдного тиску, що перевищує гідростатичний Рфл > Ph, то й у відкритій
системі проявиться однонаправлений флюїдний потік як по вже існуючій системі
з’єднаних тріщин, так і новоствореній.
Закрита система. При характеристиці закритих систем також використовують
поняття ефективного тиску (Реф). Ефективним тиском для закритих систем
називають такий твердофазовий тиск породи за відсутності порового розчину, який
дає теж саме значення проникності (пористості або якоїсь іншої властивості
пористого середовища), яку вона має внаслідок поєднання флюїдного Рфл і
літостатичного тисків [131].
Ця умова записується у вигляді:
k (Реф, Рфл = 0) = k (Рзаг, Рфл)
- Київ+380960830922