Глава 1. Объекты использования глубинного тепла Земли

Глава 1. Объекты использования глубинного тепла Земли.

1.1 Общие сведения.

Пространственная приуроченность современных термопроявлений к областям молодого и современного вулканизма свидетельствует о тесной связи магматизма и гидротерм.

Существуют представления, что современные термопроявления явля­ются аналогами постмагматических гидротермальных растворов, сформи­ровавших месторождения полезных ископаемых в древних складчатых областях; такие растворы исследователи относили к поствулканическим растворам. В недавнем прошлом изучение современных гидротерм прово­дилось по программам, отвечающим запросам рудной геологии; в этом периоде оно характеризовалось в основном изучением поверхностных термопроявлений. Перенос рудных компонентов изучался в условиях, отвечающих термодинамическим параметрам земной поверхности. Это­го, конечно, было недостаточно, чтобы получить правильное представле­ние о гидротермальном процессе, сопутствующем современному вулка­низму.

В связи с быстрым освоением глубоких горизонтов районов термопроявлений с помощью буровых скважин был полу­чен фактический материал, который позволил по-новому подойти к решениям проблем формирования термальных вод в вулканических областях. Ис­следования показали значительную роль метеорных вод в составе гидро­терм и установили существование в этих районах аномального теплового потока, идущего от уровней верхней мантии. В то же время изучение ус­ловий формирования термальных вод в вулканических областях поз­волило сделать вывод о влиянии на величину модулей подземного сто­ка геологических факторов (верхний водоупор), которые определяют возможность образования термальных вод с высокими температурами вблизи поверхности Земли.

Эти данные, на первый взгляд, находятся в противоречии с концеп­циями, разработанными для рудных месторождений гидротермального происхождения. Однако это кажущееся различие. Если обратиться к де­талям, то станет очевидным, что в концепциях, призванных объяснить природу гидротерм, формирующих рудные месторождения, придавалось существенное значение геолого-структурным факторам, активно влияю­щим на процессы рудоотложения. Это, несомненно, характеризует гидро­динамические условия рудообразующих растворов в конкретной геоло­го-структурной ситуации. Ярким примером такого рода геологических факторов являются экраны, своеобразная роль которых в современных гидротермальных системах изучена достаточно хорошо. Точек сопри­косновения концепций гидротермального процесса, сформулированных с двух различных позиций, на наш взгляд, достаточно много.

На первых этапах изучения районов гидротермальной активности в современных вулканических областях была выделена геолого-гидрогео­логическая структура в этих участках земной коры, известная под наз­ванием «гидротермальная система». Это название вошло в обиход во многих странах, исследующих современный гидротермальный процесс, однако строгого определения этой структуры вначале не было. Факти­ческий материал, полученный в результате бурения на термальных площадках, позволил выявить общие закономерности динамики термаль­ных вод в верхних частях земной коры.

На основании этих данных В.В. Аверьевым и В.М. Сугробовым было дано определение гидротермальной системы. «Гидротермальными систе­мами принято считать термоаномалии в верхней части земной коры об­ластей современного вулканизма, приуроченные к определенным геоло­гическим структурам и характеризующиеся поверхностной гидротермаль­ной активностью”. Тепловой поток в пределах таких аномалий в 50— 100 раз превышает средние показатели для Земли. Это дает основание считать, что отдача глубинного тепла здесь и приток его из недр осуществ­ляются в основном посредством тепломассопереноса. В приповерхностных условиях в качестве теплоносителя выступают вода и водяной пар. Верх­ние части гидротермальных систем тесно связаны с окружающими их обычными холодными водами и находятся в условиях водонапорного ре­жима. В этом отношении гидротермальные системы рассматриваются как высокотемпературные водонапорные системы, возникающие в зем­ной коре при внедрении в водоносные слои глубинного теплоносителя — надкритического водного флюида или расплава» Vakin et al.(1971).

Однако данное определение отражает лишь первый этап в исследова­нии гидротермальных систем. Эта формулировка рассматривает одну сторону явления — гидродинамическую. В то же время широкому кругу исследователей хорошо известно, что циркуляция вод может происходить в геологических структурах только определенного типа. В особенности это относится к водонапорным системам. Необходимо учесть, что приве­денное выше определение гидротермальных систем не учитывает особен­ностей состава термальных вод. Гидротермальные системы приравнива­лись к гидрогеологическим системам с холодными водами, хотя минера­лизация термальных вод и состав газов придают им своеобразную специ­фику. Термальные воды ведут себя как минералообразующие растворы, которые оказывают влияние на фильтрационные свойства водовмещающих толщ и водоупорных горизонтов.

В настоящей работе будет часто употребляться название гидротермальных систем как системы геотермальные. Нет никакой разницы в этих определениях, так как определение геотермальная система обозначает более широкий круг такого рода систем и включает тепловые системы в земной коре, заключенные в нагретых горных породах, которые представляют собой остывающие магматические тела, или, как их принято называть в геологии, интрузии.

При изучении современных гидротермальных систем одной из главных проблем является соотношение гидротермальной деятельности и магма­тизма. Работами многих исследователей показано, что в большинстве слу­чаев гидротермы пространственно и во времени связаны с проявлениями кислого вулканизма. В.В. Аверьев (1966) пришел к выводу, что гидротермальная деятельность и кислый вулканизм находятся в парагенетической связи и они обусловлены восходящим потоком глубинного флюида, возникающего, как и андезитобазальтовый вулканизм, на уровне верхней мантии. По его мнению, гидротермальные системы и отдельные термальные ­проявления на глубине связаны единым фронтом теплового питания. Он предложил такие крупные участки вулканической области называть геотермальными районами.

В пределах геотермальных районов выделяются геологические структуры, пронизывающие земную кору, которые определяются, как долгоживущие вулкани­ческие центры. С развитием этих структур связано образование и деятель­ность современных гидротермальных систем. По ним происходит транспортирование магматического расплава, сопровождаемого аномаль­ным тепловым потоком. В долгоживущих вулканических центрах, с кото­рыми генетически связаны современные гидротермальные системы, извер­жение магматического расплава происходит из многих центров. Для них характерны побочные извержения, аппараты которых порой расположены на значительном удалении друг от друга. Изучение долгоживущих вулканических центров позволяет получить новые данные о развитии островных вулканических дуг и по-новому рассматривать генезис гидротерм и процессы рудообразования (Белоусов, 1978).

В последнее десятилетие, благодаря исследованиям молодых и палео - гидротермальных систем в областях современного вулканизма в связи с изучением геотермальных месторождений и разработкой концептуальной модели условий формирования эпитермальных месторождений полиметаллов, накоплена значительная информация. Исследования позволили сделать вывод о наличии в этих районах гидротермально-магматических (магмо - вулкано - гидротермальных) конвективных систем (Белоусов и др. 1998; Giggenbach et al.,1991). Главной особенностью этих систем является перенос тепловой энергии, расплавов, газов и различных химических элементов и соединений от уровня верхней мантии в верхние горизонты земной коры.

Функционирование гидротермально-магматических конвективных систем обусловлено соответствующей геолого-структурной обстановкой и определенным сейсмотектоническим режимом в регионе. По мере развития сквозь коровых дренирующих систем, их агенты (расплавы, магматические и гидротермальные газы) взаимодействуют с вмещающими породами, морскими, подземными и метеорными водами, способствуя изоляции аномального теплового потока за счёт создания зон, препятствующих рассеянию тепла в окружающую среду. Вокруг гидротермально-магматической колонны происходит осаждение кремнезёма и других гидротермальных минералов (Белоусов и др., 1998, 1999).

Как следует из названия, системы состоят из двух частей. Верхняя часть представлена гидротермальной конвективной ячейкой, в которой главным рабочим телом являются гидротермы в жидком и парообразном состоянии, нижняя - магматической конвективной ячейкой, где основную работу выполняет магматический расплав. Расплав отличается от гидротерм сложным многокомпонентным составом, основу которого слагает силикатная масса. Гидротермальная конвективная ячейка доступна для исследователей, т. к. она расположена вблизи поверхности Земли, часто наблюдается в виде термопроявлений и вскрыта многими скважинами на геотермальных месторождениях. Парогидротермы обладают более низкими, чем у магмы, Р-Т - параметрами, что и предопределяет большую доступность их для непосредственного изучения в полевых условиях. Магматическая конвективная ячейка проявляется на земной поверхности эпизодически в виде извержений вулканов. Последние носят, в основном, катастрофический характер и доступны лишь визуальным наблюдениям с больших расстояний. Само появление магмы на поверхности Земли замаскировано процессами взрывного характера, опасными для непосредственного изучения. Чаще всего истечение магмы и её взаимодействие с гидросферой, в результате чего и формируется гидротермальная конвективная ячейка, происходит глубоко в недрах земной коры, или в океанических глубинах. Поэтому вулканы и гидротермальные системы, доступные для наблюдения, несут уникальную информацию о глубоких горизонтах земной коры и даже о мантии и должны быть тщательно изучены.

1.2 Геолого-тектонические позиции геотермальных систем

и их соотношение с магматизмом.
Почти все изученные геотермальные районы Камчатки расположены в Восточно-Камчатской вулканической зоне. Формирование этой зоны свя­зано с развитием грабен-синклиналей крупных прогибов северо-восточно­го простирания, ограниченных либо региональными разломами со значи­тельной амплитудой смещения (1000—1500 м), либо серией ступенчатых сбросов небольшой амплитуды, заполненных четвертичными вулканогенными и вулканогенно-осадочными породами (Эрлих, 1973). По пред­ставлениям Э.Н. Эрлиха, грабен-синклинали характеризуются телескопичностью строения, выражающейся в последовательном развитии однотип­ных структур все более высоких порядков вплоть до узких впадин, кото­рые непосредственно примыкают к расположенными в их пределах оди­ночным вулканическим рядам (рис.3).

Ранее А.Е. Святловский (1967) выделял подобные впадины как структурные троги, в которых кровля опущенно­го блока, сложенного плиоцен-четвертичными образованиями, не наруше­на и залегает горизонтально. Как будет показано ниже на примере различ­ных геотермальных районов, в том числе Паужетского, геологическое строение прогибов представляется более сложным.

Геологическое строение районов локализации современных гидротермально-магматических конвективных систем оказывает решающее влияние на их формирование и деятельность. Оно определяется геологической историей развития этого участка земной коры, который располагается в зоне перехода от океанической коры к коре континентального типа. В настоящее время принято эту область называть зоной субдукции (рис.4)

Гидротермально-магматические конвективные системы в зонах субдукции локализуются в сложных геологических структурах, называемых долгоживущими вулканическими центрами (Белоусов, 1978), вулканогенно-рудными центрами (Василевский, 1977), центрами эндогенной активности (Егоров, 1984), и т.д. Под долгоживущими вулканическими центрами (ДВЦ) мы понимаем активно и длительно действующие геологические структуры в областях современного вулканизма, которые контролируют движение магматических расплавов, газов и флюидов от уровней верхней мантии к поверхности Земли. Возраст этих структур определяется десятками миллионов лет, от их зарождения на коре океанического типа до прекращения вулканической активности в условиях континентальной коры. ДВЦ представляют собой практически непрерывно растущие морфоструктуры вследствие накопления вулканогенного и хемогенного материала, и в то же время они являются поставщиками материала для образования вулканогенно-осадочных пород на периферии центров и в глубоководных впадинах, смежных с островными вулканическими дугами (Белоусов, 1978).

На Камчатке ДВЦ приурочены к участкам пересечения тектонических разломов субмеридионального и субширотного простирания. Субмеридиональные разломы обычно находятся в режиме растяжения и относятся к тектоническим структурам раздвигового типа (рис.5).

Рис. 3. Схема современной структуры и вулканизма Камчатки (из кн. Трухина и Петровой, 1977).
1 — стабильная зона равнины западного побережья, 2 — Малкинский свод, время заложения - конец олигоцена - начало миоцена; 3 - Тагильско-Паланская зона сводовых поднятий, время заложения — плиоцен; 4 — области горст-антиклинориев на меловых и палеоген-миоценовых отложениях; 5 — сводовые поднятия на ме­ловых и палеоген-миоценовых отложениям; зона аккумулятивно - тектонических структур: б - вовлеченные в поднятие районы плиоцен-нижнечетвертичного време­ни; 7 — грабен-синклинали плиоцен-четвертичного времени; 8 - крупнейшие потух­шие вулканы; 9 - действующие вулканы; 10- зоны ареального вулканизма;11 — разломы; 12 — вулканотектонические депрессии. Темным цветом закрашен район работ.


Рис. 4 Схематический поперечный разрез и номенклатура конвективной плитовой границы. Цифры в верхней части мантии - типичные скорости Р волн (Hedenquist, Houghton, 1987)

Рис 5 Региональные геолого-структурные позиции высокотемпературных гидротерма- льных систем Восточно-Камчатского вулка- нического пояса I-вулканы (1-Кизимен; п2-Конради; 3- Гам- чен; 4-Шмидта; 5-Кроноцкий; 6-Унана; 7- Крашенинникова; 8-Тауншиц; 11-Большой Семячик; 12-Малый Семячик; 13-Карым- ский; 15-Дитмара; 16-Дзендзур; 17-Жупа- новский; 1 8-Купол; 19-Ааг; 20-Арик; 21- Корякский; 22-Авачинский; 23-Козельский; 25-Вилючинский; 26-Горелый; 27-Опала; 28-Мутновский; 29-Асача; 30- Ходутка; 31- Ксудач; 32- кальдера Призрак; 33-Желтов- ский; 34-Ильинский; 35-Дикий Гребень; 36- экструзия Плоская; 37-Кошелевский; 38- Камбальный); 2-кальдеры; 3-высокотемпе- ратурные гидротермальные системы, по В.М. Сугробову [1979] (9-кальдераУзон; 10- Долина Гейзеров; II-Семячинская; 14-Ака- Демии Наук; 24-Больше-Банная; 26-Жиров- ская; 28-Северо-Мутновская; 35-Паужет- ская; 37-Кошелевская); 4 -зоны отрицатель- ных аномалий силы тяжести, по М.И.Зоби- ну и др. [1971]; 5-центры эндогенной ак-тивности по О.Н. Егорову [1984]; I-Паужет- ский; II-Ксудачский; III-Мутновский; IV- Корякско-Быстринский; V-Налачевский;VI- Авачинский; VII-Карымско-Семячикский; VIII-Узон-Гейзерный; IX-Сторожевский; 6- основные системы разломов.

Как уже отмечалось, геологическое строение ДВЦ в зонах субдукции отличается большой сложностью. Геолого-геофизическим картированием установлено, что верхние части этих структур сложены породами различного состава: от базальтов до риолитов, образование которых связано с извержением магматических расплавов в условиях многослойной земной коры и на границе атмосферы, гидросферы и литосферы (рис. 6).

	Рис.6 Распределение магматических расплавов в структуре долгоживу- щего вулканического центра (Hedenquist, Houghton, 1987

Сложные взаимоотношения литогенеза, магматизма и гидротермальной деятельности затушевывают реальную картину соотношения этих процессов. В связи с чем требовалось проведение специального анализа по количественной оценке энергетики геологических процессов, определяющих развитие ДВЦ. В результате исследований установлено, что ведущим процессом в деятельности ДВЦ является базальтовый вулканизм. Его тепловая мощность составляет около 75 – 80 % от общей мощности магматизма конкретного ДВЦ (Белоусов и др., 1971; Белоусов, Сугробов, 1977; Белоусов, 1978) В дальнейшем этот вывод был подтверждён другими исследователями (Muffler, 1991).

жүктеу/скачать 2.36 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: