WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Жариков Андрей Виленович

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР И ДАВЛЕНИЙ НА МИКРОСТРУКТУРУ, ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И УПРУГИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД (ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ)

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 2009

Работа выполнена в Лаборатории радиогеологии и радигеоэкологии Учреждения Российской академии наук Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Неретин Владислав Дмитриевич ГОУ МО Международный университет природы, общества и человека «Дубна» доктор геолого-минералогических наук, профессор Старостин Виктор Иванович Геологический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова доктор физико-математических наук Рок Владимир Ефимович ФГУП ГНЦ РФ ВНИИгеосистем

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт физики Земли им.О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН)

Защита состоится «20» ноября 2009 г. в 14.00 часов в аудитории 1-300 на заседании диссертационного совета Д 800.017.01 при Международном университете природы, общества и человека «Дубна» по адресу: 141980, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д.19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МО Международного университета природы, общества и человека «Дубна».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять Ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.

Автореферат разослан « » октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук И.З. Каманина ВВЕДЕНИЕ



Актуальность исследований Данные глубинных геофизических исследований континентальной коры и результаты изучения сверхглубоких скважин свидетельствуют о возможном присутствии мобильных флюидов на больших глубинах: вплоть до нижней части континентальной коры. С этим явлением связывают появление сейсмических границ и зон пониженных скоростей.

Проблема состоит в том, что в настоящее время не существует дистанционных методов для прямого определения фильтрационных свойств глубинных пород в естественном залегании. Основной источник получения информации из глубинных зон земной коры – сейсмические исследования. Однако традиционные методы определения фильтрационных свойств пород по сейсмическим данным, разработанные для коллекторов – пород с высокой пористостью и основанные на наличии простых корреляционных связей между скоростями упругих волн, пористостью и проницаемостью, в таких условиях не эффективны. Соотношения между упругими и фильтрационными свойствами плотных, низкопористых кристаллических пород, слагающих глубинные зоны континентальной коры, не вполне ясны.

Проницаемость горных пород является основным параметром, определяющим динамику флюидного тепломассопереноса в геологической среде. Поэтому в связи с решением проблем генезиса крупнейших урановых и золоторудных месторождений не менее важно оценить проницаемость кристаллических пород при РТ-параметрах, характерных для метаморфизма и рудообразования. Наконец, для решения важнейшей задачи радиогеоэкологии: подземного захоронения высокорадиоактивных отходов (ВАО) необходимы данные о проницаемости вмещающих пород и долгосрочный прогноз изменения параметра.

Цель и задачи исследований Основной целью настоящей работы являлось установление влияния изменений микроструктуры, вызванных воздействием высоких температур и давлений, на фильтрационные и упругие свойства кристаллических пород.

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи.

1. Провести экспериментальные исследования проницаемости, скоростей упругих волн и анизотропии этих свойств при высоких температурах и давлениях, соответствующих условиям in situ глубинных зон континентальной коры и ближней зоны подземных могильников или хранилищ ВАО. Для экспериментов использовать образцы основных литологических типов пород континентальной коры, включая наиболее древние: архейские амфиболиты и гнейсы из Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) и с поверхности.

2. Провести микроструктурные исследования: изучить влияние состава и преимущественной ориентировки породообразующих минералов, а также изменений пористости и распределений пор по размерам, характера микротрещиноватости, произошедших под влиянием высоких температур и давлений, и в результате геохимических преобразований, инициированных присутствием водных флюидов. Установить, как эти изменения влияют на фильтрационные и транспортные свойства пород и анизотропию этих свойств.

3. Используя полученные экспериментальные результаты, получить оценки скоростей упругих волн и проницаемости пород разреза Кольской сверхглубокой скважины in situ, а также их палеопроницаемости при метаморфизме. На примере СГ-3 выявить структуры и текстуры пород, благоприятные для аккумулирования и миграции мобильных флюидов в верхней части континентальной коры. Обобщив результаты экспериментальных исследований проницаемости образцов из разрезов сверхглубоких скважин и других кристаллических пород различных типов, построить тренд проницаемости пород континентальной коры. Провести корреляцию между полученными данными о структуре, текстуре пород, их петрофизических свойствами и результатами геофизических измерений.

4. Определить проницаемость образцов основных типов пород из участков вероятного подземного захоронения ВАО в районе ПО Маяк (Южный Урал) и Красноярского ГХК (Нижнеканский массив). Сделать прогноз возможного изменения проницаемости в результате разогрева и сейсмического воздействия. С использованием полученных данных оценить безопасную глубину скважинного могильника ВАО.

Фактический материал В диссертации использованы результаты экспериментов, которые, начиная с 1984 г., проводились автором настоящей работы лично либо с его непосредственным участием. Экспериментальные материалы насчитывают несколько тысяч определений проницаемости, сотни определений скоростей упругих волн, полученных при высоких температурах и давлениях, результаты микроструктурных исследований, численного моделирования. Исследования проводились в ИГЕМ РАН в Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии, а также в тесном контакте с тематической Группой глубинного строения и геодинамики рудных районов (совместно с В.И. Казанским, К.В. Лобановым), в ИЭМ РАН (совместно с В.М. Шмоновым, В.М. Витовтовой), в ГЕОХИ РАН (совместно с Е.Б. Лебедевым, Б.Н. Рыженко), в Петрофизической лаборатории Кильского университета (Германия) (совместно с Х. Керном). Совместные исследования проводились также с Лабораторией нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна (Т.И. Иванкина, А.Н. Никитин). Автор выражает благодарность всем коллегам, принимавшим участие в этих работах, а также Н.Е. Галдину, К.В. Лобанову, Е.Б. Лебедеву, В.А. Петрову и В.М. Шмонову, предоставившим для экспериментов образцы и их описания.

Основные защищаемые положения I. Разработаны методика, аппаратура и программные средства для измерений проницаемости и анизотропии проницаемости образцов горных пород с учетом изменения термодинамических свойств фильтрующегося флюида, которые позволяют с высокой точностью (до 3 - 5 %) проводить определения параметра в диапазоне значений от 10-22 до 10-15 м2 при эффективных давлениях до 200 МПа и температурах до 600 оС.

II. Увеличение эффективного давления при постоянной температуре приводит к уменьшению проницаемости.

Увеличение температуры при постоянном эффективном давлении приводит либо к монотонному увеличению или уменьшению проницаемости во всем диапазоне температур, либо к появлению инверсий на температурных трендах: проницаемость уменьшается, достигает минимального значения, затем увеличивается.

Такой характер РТ-трендов проницаемости кристаллических пород определяется разнонаправленными изменениями микротрещиноватости. При увеличении эффективного давления раскрытие, длина и связанность микротрещин уменьшаются. При увеличении температуры количество, раскрытие и связанность у микротрещин с высоким коэффициентом формы увеличиваются, у микротрещин с низким коэффициентом формы - уменьшаются. В условиях одновременного воздействия высоких температур и давлений эти процессы происходят параллельно.

Если нагревание приводит к смене результата взаимодействия их эффектов, на температурных трендах проницаемости возникают инверсии.

III. Скорости упругих волн в амфиболитах и гнейсах Кольской сверхглубокой скважины зависят как от минерального состава, так и от микротрещиноватости пород. Величины скоростей поперечных волн, определенные в лабораторных экспериментах на сухих образцах при РТ-параметрах, отвечающих условиям естественного залегания архейских пород СГ-3, хорошо согласуются с геофизическими данными, а величины скоростей продольных волн оказываются систематически выше, что свидетельствует о возможном присутствии разуплотненных флюидонасыщенных пород в нижней части разреза скважины.

Анизотропия скоростей упругих волн пород кольской серии в РТ-условиях архейского разреза СГ-3 определяется аддитивным эффектом преимущественной ориентировки породообразующих минералов (роговой обманки в амфиболитах, биотита и плагиоклаза в гнейсах) и ориентированных вдоль сланцеватости пород микротрещин, локализованных на границах минеральных зерен.

IV. Присутствие водных флюидов при нагревании в условиях низкого эффективного давления может инициировать целый ряд процессов, преобразующих микроструктуру кристаллических пород, но не изменяющих их состав (терморазуплотнение, растворение под давлением, образование новых минеральных фаз, частичное плавление). Результат взаимодействия этих процессов меняется с температурой, приводя к изменениям пористости и, как следствие, скоростей упругих волн. Таким образом, возможно появление сейсмических границ в однородных по составу породах.

V. В РТ-условиях разреза СГ-3 проницаемость амфиболитов и гнейсов кольской серии уменьшается, а анизотропия параметра, напротив, увеличивается с глубиной. Как следствие дифференциация значений проницаемости достигает нескольких десятичных порядков. При температурах и давлениях, соответствующих глубинам 8 - 10 км, анизотропия проницаемости определяется наличием устойчивых микротрещин с высоким коэффициентом формы на границах минеральных зерен, ориентированных вдоль сланцеватости пород.

Таким образом, на фоне общего снижения проницаемости с глубиной, амфиболиты и гнейсы кольской серии, микроструктура которых благоприятна для аккумулирования и миграции мобильных флюидов, могут формировать в нижней части разреза Кольской сверхглубокой скважины локальные водонасыщенные горизонты.

VI. В РТ-условиях континентальной коры уменьшение проницаемости пород с глубиной является генеральной тенденцией. В результате статистической обработки экспериментальных данных (50 образцов, около 2000 определений при высоких РТ) получена степенная аппроксимирующая зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

Научная новизна Разработаны новые оригинальные методы измерения проницаемости образцов горных пород.

Выявлены механизмы, определяющие основные закономерности изменения проницаемости кристаллических пород при высоких РТ-параметрах.

Получены новые данные о проницаемости, скоростях упругих волн и анизотропии этих свойств на образцах архейских амфиболитов и гнейсов, отобранных в Кольской сверхглубокой скважине, и их аналогов с поверхности в РТ-условиях архейской части разреза СГ-3.

Выявлено влияние микроструктуры на упругие и фильтрационные свойства пород и анизотропию этих свойств. Установлено, что в РТ-условиях архейского разреза СГ-3 анизотропия скоростей упругих волн и анизотропия проницаемости амфиболитов и гнейсов кольской серии имеет общую природу: определяется преимущественной ориентировкой породообразующих минералов и ориентированной микротрещиноватостью. Установлено также, что в РТ-условиях архейского разреза СГ-3 сланцеватая текстура амфиболитов и гнейсов благоприятна для аккумулирования и фильтрации флюидов, что дало возможность сделать предположение об одной из причин появления локальных зон флюидонасыщенных пород в скважине на глубине 8 - 10 км.

Предложена обобщенная зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

С применением оригинальных высокоточных методов, разработанных автором, получены новые данные о проницаемости образцов метавулканитов и гранитоидов с территорий предполагаемого подземного захоронения ВАО и выявлены особенности текстуры и микроструктуры пород, определяющие их фильтрационные свойства. С учетом результатов экспериментальных определений проницаемости этих пород при нагревании и осциллирующем давлении, которые также получены впервые, сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения ВАО и сейсмического воздействия. Определены безопасные глубины скважинного могильника.

Практическое значение Разработаны методика, аппаратура и программные средства для измерения петрофизических свойств, которые внедрены и успешно используется для решения экологических задач:

исследований вмещающих пород могильников ВАО. Диапазон измеряемых значений проницаемости составляет 6 десятичных порядков, поэтому данная техника может использоваться и для решения других задач: исследований коллекторcких свойств пород, в инженерной геологии, строительстве и в других областях.

Получены данные о физических свойствах горных пород при РТ-параметрах глубинных зон континентальной коры, причинах и закономерностях их изменений, которые могут быть использованы для интерпретации глубинных геофизических методов. Подходы, предложенные в работе, могут быть применены и для поисков новых, нетрадиционных коллекторов углеводородов.

Для решения задач радиогеоэкологии c использованием высокоточных методов определена проницаемость образцов основных типов пород из участков вероятного размещения подземных могильников ВАО: метавулканитов, отобранных на территории ПО Маяк, и гранитоидов из района Железногорского ГХК. Сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения ВАО и сейсмического воздействия. Определены безопасные глубины скважинного могильника ВАО.

Апробация результатов исследований Полученные результаты представлены в 54 докладах на Всесоюзных, Всероссийских и международных совещаниях. В их числе: XXXII Международный геологический конгресс, XV, XVII, XX, XXIV, XXVI, XXVII, XXXI, XXXIV Генеральные ассамблеи Европейского геофизического союза, пленарные сессии по проекту 408 Международной программы геологической корреляции, 1 – 9 международные конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле", XII Всесоюзное Совещание по экспериментальной минералогии (Миас,1991 г.), Научная школа «Щелочной магматизм Земли» (Москва, 20г.), V международная конференция «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (Александров, 2001 г.), XIV Российское совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2001 г.), ХХ Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2004 г.), Ежегодные семинары по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (2004 – 2008 гг.) и др.

Публикации По теме диссертации опубликовано более 80 работ, включая 1 монографию и 35 статей в сборниках, отечественных и зарубежных научных журналах.

Структура работы Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Объем работы составляет 2страниц, включая 90 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 327 наименований.

Благодарности Автор выражает глубокую благодарность и признательность за доброжелательное отношение, а также за помощь в проведении исследований и подготовке диссертации В.А. Жарикову, В.М. Шмонову, В.М. Витовтовой, Е.Б. Лебедеву, В.И. Мальковскому, А.А. Пэку, К.В.

Лобанову, В.И. Величкину, Ю.Г. Сафонову, Ю.С. Геншафту, В.И. Казанскому, Б.Н. Рыженко, Х. Керну, А.А. Бурмистрову, И.В. Закирову, Ф.Ф. Горбацевичу, Т.Д. Белевич, И.А. Чижовой и многим коллегам из ИГЕМ, ИЭМ, ГЕОХИ, ИФЗ РАН, МГУ и других организаций.

На разных этапах работа была поддержана грантами РФФИ, ОНЗ и Президиума РАН.

I ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ Исследования сверхглубоких скважин привели к существенным изменениям представлений о строении и составе континентальной коры и в первую очередь - о природе сейсмических границ. Причем некоторые неожиданные результаты не нашли исчерпывающего объяснения до сих пор. Проект Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) был разработан на основе результатов исследований ГСЗ и МОВ – ГСЗ, которые были проведены в конце 60х - в начале 70х годов [Литвиненко, 1971; Лизинский и Ланев, 1991]. При интерпретации полученных данных исходили из общепринятой тогда модели, согласно которой континентальная кора состоит из двух мощных слоев, резко отличающихся по составу и упругим свойствам:

верхнего «гранитного», сложенного кислыми породами, и нижнего «базальтового», сложенного основными. Согласно проекту, СГ-3 должна была пройти вулканогенно-осадочный протерозойский печенгский комплекс, на глубине около 4.7 км вскрыть контакт с архейскими метаморфическими породами кольской серии (I на рис. 1.1 а), пройти через них, на глубине 7.5 – 8.5 км пересечь границу Конрада (II на рис. 1.1 а) и углубится в «базальтовый» слой [Литвиненко и Ленина, 1968]. Однако контакт между протерозойскими и архейским породами был вскрыт на большей глубине, чем предполагалось: 6840 м (II на рис. 1.1 б). Затем скважина прошла архейский фундамент до глубины 12260 м [Кольская сверхглубокая, 1984].

Таким образом, граница Конрада скважиной не обнаружена.

а б Рис.1.1. Глубинное строение Печенгской структуры.

а - по сейсмическим данным до бурения СГ-3 (по Литвиненко и Ленина, 1968). 1 – печенгский вулканогенноосадочный комплекс (PR), 2 – кольская серия (AR), 3 – гранулито-базитовый комплекс, 4 - сейсмические границы, К – граница Конрада.

б – по комплексу геофизических данных и результатов исследования СГ-3 (по Лобанов и др., 1999). 1 – метавулканиты пильгуярвинской серии (PR), 2 – метаосадочные породы (PR), 3 – рудоносные интрузии, 4 – метавулканиты колосйокской, кутсярвинской и алмаалахтинской серий (PR), 5 - архейский комплекс, 6 – разломы, – зоны рассланцевания, 8 – сейсмические границы.

Рис.1.2. Скорости упругих волн (Vp и Vs) и пористость (Кп) пород разреза СГ-3.

Скорости упругих волн по данным ВСП, АК (Vs и Vp) и лабораторных измерений в стандартных условиях, а также при высоких РТ (на образцах керна и аналогов с поверхности). Пористость: усредненные данные по керну и результаты измерений на специально отобранных образцах керна и их аналогов с поверхности. По Кольская сверхглубокая, 1984; Кольская…, 1998; Kern и др., 2001; Жариков, Лобанов и Керн, 2007.

В ходе исследований скважины и района ее заложения были выявлены особенности геологического строения Печенгской структуры, которые осложняли проведение и интерпретацию результатов сейсмических методов: горизонтальные неоднородности, большие углы падения пластов, экранирующее влияние высокоскоростных пород верхней протерозойской части разреза, купольно-блоковое, осложненное круто падающими разломами, строение нижней архейской части [Епинатьева, 1989]. С учетом этих факторов проводились дальнейшие комплексные наземные и скважинные исследования, а полученные ранее результаты были пересмотрены. По результатам МОВЗ было уточнено положение наклонных границ, выделены глубинные разломы, впервые было установлено наличие наложенных субгоризонтальных границ на глубинах 10 - 15 км [Галдин и др., 1985]. Эти результаты были подтверждены и детализированы в ходе комплексных исследований МОВ и ВСП [Лизинский и Ланев, 1991]. Весь разрез скважины был исследован методом акустического каротажа с использованием наиболее совершенной для того времени аппаратуры, разработанной во ВНИИЯГГе, ВНИИГИСе, ВНИИГИКе и др. [Кольская сверхглубокая, 1984]. Эти результаты затем подвергались неоднократной повторной обработке и корректировке [Рабинович и др., 2000; Галдин, Лизинский и Горбацевич, 1997 и др.]. В рамках международного проекта КОЛА-ОГТ 92 были проведены исследования ОГТ и ВСП [Ganchin и др., 1998]. В результате комплексных работ на суше и на море построена сейсмотомографическая модель земной коры данного района [Шаров, Исанина и Крупнова, 2007].

Совместная интерпретация результатов геофизических и геологических исследований скважины и района ее заложения позволила скорректировать разрез Печенгской структуры.

Сопоставление рис. 1.1 а, где показан предварительный разрез, полученный до бурения СГ-3, и рис. 1.1 б, где представлен разрез района СГ-3, построенный согласно современным представлениям, показывает, что положение сейсмических границ было предсказано весьма точно. Однако предположения об их геологической природе и величинах скоростей упругих волн, сделанные ранее на основе двухслойной модели континентальной коры, где границы раздела связывали с мощными слоями однородных пород, не подтвердились. Разрез скважины представляет собой чередование относительно тонких слоев, дифференцированных по скоростям. Можно также констатировать, что природа наклонных сейсмических границ в районе СГ-3 установлена. Это - литологические границы чередования пород с различным составом и физическими свойствами, а также структурная граница, отвечающая зоне Лучломпольского разлома, в протерозойском комплексе, контакт архейских и протерозойских пород, и, наконец, отражающие границы, вызванные ритмичным чередованием пород архейского комплекса. Вместе с тем, многими методами в архейском разрезе скважины на глубине 7 - 7.7 и 10 - 11.5 км, а также ниже забоя, до глубин около 15 км, выделяются субгоризонтальные отражающие границы и мощные зоны пониженных скоростей, природа которых не ясна. Некоторые исследователи считают их локальными и прерывистыми [Лизинский и Ланев, 1991; Кальнин, Лизинский и Платоненкова, 1997], некоторые - распространяют на весь Печенгский район [Ganchin и др., 1998]. Согласно результатам интерпретации сейсмотомографической модели [Казанский и др. 2002; Шаров, Исанина и Крупнова, 2007] зона волновода протягивается на расстояние около 100 км под акваторию Баренцева моря. Наконец, многие исследователи считают эти зоны частью слоя пониженных скоростей, который на глубинах 10 - 20 км распространен во всей континентальной коре. Трехслойная модель континентальной коры, где появление среднего слоя, характеризующегося пониженными скоростями упругих волн, была предложена Н.И. Павленковой, В.И. Шаровым и В.Н. Николаевским и другими исследователями [Павленкова, 1973, 1981; Сейсмические модели …, 1980;

Шаров и Гречишников, 1982; Николаевский и Шаров, 1985; Шаров, 1987 и др.]. Появление волновода объяснялось сменой реологических свойств горных пород в условиях высоких температур и давлений, а результаты, полученные на Кольской сверхглубокой скважине, считали наиболее убедительным подтверждением его существования как физического объекта [Николаевский и Шаров, 1985; Павленкова, 1989, 1996]. Однако сопоставительный анализ новых данных о тепловом потоке, реологии Балтийского щита а также результатов сейсмических и магнитнотеллурических исследований привел Л.Л. Ваньяна и Н.И. Павленкову к выводу, что в этой части земной коры переход от хрупких деформаций к пластичным происходит глубже: на глубине около 20 км, а на глубинах около 10 км предполагаются «холодный» тип потери прочности пород [Ваньян и Павленкова, 2002].

Таким образом, природа субгоризонтальных границ и зон пониженных скоростей в нижней части скважины до конца не выяснена. Однако большинство исследователей едины во мнении, что эти зоны являются наложенными и сформированы разуплотненными, флюидонасыщенными породами [Павленкова, 1989, 1996; Ganchin и др., 1998; Smithson и др., 2000;

Ваньян и Павленкова, 2002; Казанский и др. 2002; Шаров, Исанина и Крупнова, 2007 и др.].

Действительно, обнаружение мобильных флюидов на глубинах, которые ранее считались для них недоступными, явилось одним из самых важных и неожиданных результатов исследований сверхглубоких скважин. Режимные наблюдения в скважинах СГ-3 и КТБОберпфальц (Германия) зафиксировали притоки вод и газов на глубинах до 10 км [Кольская сверхглубокая, 1984; Huenges и др., 1997]. Более того, в скважине КТБ была обнаружена система флюидопроводящих трещин, которая простирается по вертикали на расстояние не менее 5 км. В ходе режимных наблюдений удалось определить, что ее проницаемость составляет около 10-15 м2 [Erzinger и др., 2005]. Данные глубинных геофизических зондирований свидетельствуют о возможном присутствии флюидов на больших глубинах: вплоть до основания континентальной коры [Ваньян, 1997; Vanyan и Gliko, 1999; Киссин 2001, 2002 и др.].

Проницаемость горных пород – важнейший параметр, определяющий динамику движения природных и техногенных флюидов в земной коре. Проблема состоит в том, что в настоящее время не существует дистанционных методов для прямого определения фильтрационных свойств глубинных пород в естественном залегании. Основной источник получения информации из глубинных зон земной коры – сейсмические исследования. Однако традиционные методы определения фильтрационных свойств пород по сейсмическим данным, разработанные для коллекторов – пород с высокой пористостью и основанные на наличии простых корреляционных связей между скоростями упругих волн, пористостью и проницаемостью [Wyllie и др., 1958, 1961], в таких условиях не эффективны. Как показано в [Ваньян и Павленкова, 2002], для грубой оценки пористости кристаллических пород можно применить уравнение среднего времени. Однако аналогичное универсальное соотношение между пористостью и проницаемостью отсутствует. В плотных, низкопористых породах, как правило, развиты микротрещины, а изометричные поры имеют меньшее распространение. Численное моделирование [Жариков, 1995; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002] показало, что пористость таких пород определяется размерами каналов фильтрации, а проницаемость - степенью их связанности. Поэтому при линейном изменении доли проводящих каналов пористость изменяется также линейно в то время, как тренды проницаемости осложнены пороговыми переходами. Результаты теоретических исследований выявили весьма сложные зависимости между характером микротрещиноватости, свойствами насыщающих флюидов и скоростями упругих волн [Баюк и Калинин, 1995 a,b; Баюк и Чесноков, 1999; Курьянов и Рок, 2001 и др.]. Таким образом, соотношения между фильтрационными и упругими свойствами малопористых кристаллических пород, слагающих глубинные зоны земной коры не ясны.

Очевидно, подходы к решению этой проблемы следует искать, пользуясь методологией нелинейной геофизики, которая предлагает исследовать эффекты необратимого изменения геологической материи под действием физических полей, рассматривая твердую матрицу горной породы, поровое пространство и насыщающие флюиды как единую систему [Кузнецов, 1993]. И фильтрационные, и упругие свойства также как микроструктуру горных пород можно изучать в лаборатории, на образцах. Сверхглубокие скважины предоставили уникальную возможность сопоставить результаты петрофизических и геофизических исследований в рекордных по мощности разрезах кристаллических пород. Физические свойства образцов керна СГ-3 детально изучены многими методами. Как правило, исследования проводились в стандартных условиях (при комнатной температуре и атмосферном давлении) [Кольская сверхглубокая, 1984, Кольская…, 1998]. Было установлено, что с увеличением глубины отбора скорости упругих волн в образцах закономерного уменьшаются [Горбацевич и др., 1991], что приводит к увеличению расхождения между данными лабораторных исследований, АК и ВСП (рис. 1.2). Пористость, напротив, увеличивается (рис. 1.2). Не вполне ясно, в какой мере эти результаты действительно отражают изменение петрофизических свойств пород разреза скважины, а в какой - влияние техногенной трещиноватости, возникающей при выбуривании кернов сверхглубоких скважин из массива породы, его охлаждении и декомпрессии при подъеме на поверхность. В ходе исследований керна скважины КТБ [Wolter и Berckhemer, 1989] установлено, что в течение нескольких суток после подъема на поверхность образцы самопроизвольно расширялись. Зафиксированные при этом сигналы акустической эмиссии свидетельствуют, что происходило образование микротрещин.

а в б Рис. 1.3. а – дискование керна СГ-3;

б – пористость и проницаемость в образцах из СГ-3 и КТБ в зависимости от расстояния от оси керна;

в - образец из СГ-3, для которого представлены данные измерений пористости и проницаемости – глубина 8933 м, отобран из интервала, пройденного алмазным инструментом.

Керн СГ-3 испытывал дискование (рис. 1.3 а), интенсивность которого увеличивалась с глубиной. Показательно, что наиболее сильное дискование и минимальный выход керна характерен для интервалов, где скважина пересекает зоны пониженных скоростей [Лобанов, Казанский и Шаров, 2007]. Результаты теоретического и экспериментального моделирования показывают, что на дискование керна влияют многие факторы: напряжения в массиве на забое скважины, физико-механические свойства и анизотропия пород и др. [Obert и Stefenson, 1966; Забигайло и Белый, 1981; Петухов и Запрягаев, 1972; Грабчак и Макаров, 1978; Barkovskii и Isaev, 1979; Lehnhoff, Stefansson и Wintczak, 1982; Горбацевич и Медведев, 1986;





Dyke, 1989; Haimson и Lee, 1994; 1995; Li и Schmitt, 1998 и др.]. В нижней части ствола СГ-процесс деструкции керна активизируется также в результате воздействия бурового раствора, приводящего к адсорбционному понижению прочности межзерновых контактов (эффект Ребиндера) [Абдрахимов и др., 1992]. В ряду факторов, приводящих к дискованию, и технологические: диаметр керна, тип и размер инструмента, скорость бурения, нагрузка на буровой инструмент и др. Часть ствола скважины пройдена шарошечным долотом, а часть – алмазным инструментом. Поэтому одну или несколько основных причин дискования керна СГ-3 выделить весьма трудно.

Однако и монолитные столбики керна (рис. 1.3 в) не свободны от наложенной трещиноватости, плотность которой возрастает от его оси к боковой поверхности, приводя к увеличению пористости в несколько раз, а проницаемости – на порядок (рис. 1.3 б). В настоящее время получили распространение методики, которые, чтобы улучшить репрезентативность образцов, предусматривают использование для петрофизических исследований кернов целиком. Следует отметить, что в этом случае при исследовании керна из глубоких скважин в стандартных условиях возможно возникновение существенных ошибок. С тем, чтобы избежать этих ошибок, образцы для петрофизических исследований необходимо изготавливать из осевой части керна, наименьшим образом подверженной влиянию наложенных микротрещин. Другой путь минимизации техногенных возмущений - проведение измерений при высоких температурах и давлениях.

Такой подход дает возможность изучать физические свойства образцов как в РТ-условиях сверхглубоких скважин, так и в РТ-условиях более глубоких зон земной коры in situ. Начало систематическому изучению физических свойств горных пород, в первую очередь скоростей упругих волн при высоких температурах и давлениях, было положено в 50-е годы прошлого века организацией в Геофизическом институте АН СССР Лаборатории высоких давлений.

М.П. Воларовичем и сотрудниками лаборатории: Е.И. Баюк, Г.А. Ефимовой, А.И. Левыкиным, В.А. Калининым, С.М. Киреенковой, И.С. Томашевской и др. получены уникальные данные о скоростях упругих волн как в отдельных минералах, так в и горных породах при высоких РТ-параметрах [Воларович и Балашов; 1957; Воларович и Стаховская, 1958; Физические свойства…, 1962, 1971, 1978; Тектонофизика…, 1971; Воларович и Левыкин, 1965;

Воларович и др., 1974; Воларович, Баюк и Ефимова, 1975; Баюк и Тедеев, 1978; Воларович, Томашевская и Будников, 1979; Баюк, Воларович и Левитова, 1982; Процессы…, 1981; Калинин и Баюк, 1987; Физика…, 1990 и др.]. Эксперименты по определению упругих свойств горных пород при высоких РТ проводились также в Институте геофизики АН УССР Т.С. Лебедевым и его коллегами [Лебедев Т.С., 1975,1985; Исследования…, 1977; Справочник…, 1978; Лебедев Т.С. и др., 1986; Физические…, 1987 и др.] и в ГЕОХИ группой Е.Б. Лебедева [Лебедев Е.Б. и др., 1989, 1995, 1999; Lebedev E.B., Dorfman и Zebrin, 1991 и др.]. За пределами нашей страны исследования упругих свойств при высоких РТ были начаты Берчем в 60-е годы прошлого века [Birch, 1960, 1961]. Позднее эти работы проводились многими исследователями [Green, 1970; Christensen и Ramamanantoandro, 1971; Chrlstensen, 1965, 1974, 1989; Burkhardt, Keller и Somtner, 1982; Kern, 1982, 1983; Ito и Tatsumi, 1995; Lebedev E.В. и др., 1996; Kern, Liu, и Popp, 1997; Lebedev и Kern, 1999; Aizawa, Ito, и Tatsumi, 2001; Pros и др., 2003; Reuschle и др., 2003; Wang и др., 2005; Scheu и др., 2006 и др.].

Изучением проницаемости кристаллических пород занимался не столь широкий круг экспериментаторов. Обзор основных работ приведен во II главе. Это вызвано тем, что измерения малых величин проницаемости, которые характерны для таких пород, сложны даже при комнатной температуре и атмосферном давлении. Однако, как уже упоминалось выше, важно получить оценки современной проницаемости пород при РТ-параметрах глубинных зон in situ, а в связи с решением проблем формирования континентальной коры, генезиса крупнейших урановых и золоторудных месторождений, необходимо оценить и палеопроницаемость при РТ-параметрах, характерных для метаморфизма и рудообразования. Для решения важнейшей задачи радиогеоэкологии: подземного захоронения высокорадиоактивных отходов необходимы данные о проницаемости вмещающих пород и долгосрочный прогноз изменения параметра.

Целью данной работы являлось установить закономерности изменения проницаемости, скоростей упругих волн и анизотропии этих параметров при высоких температурах и давлениях, выявить общие причины и механизмы изменений этих физических свойств, связанные с изменениями микроструктуры, и таким образом выявить связи между фильтрационными и упругими свойствами кристаллических пород.

Такая постановка задачи определила специфику экспериментальных исследований, которые выполнялись в комплексе с микроструктурными.

С тем, чтобы выявить влияние микротрещиноватости и преимущественных ориентировок породообразующих минералов на упругие свойства пород Кольской сверхглубокой скважины при высоких РТ, были проведены измерения Vp, Vs, анизотропии скоростей продольных волн, а также расщепления поперечных. Эксперименты проводились на текстурноориентированных образцах при высоких эффективных давлениях, характерных для условий верхней части континентальной коры. Для интерпретации полученных результатов использовались результаты оптических и микрозондовых исследований. При корреляции данных лабораторных и геофизических методов были использованы также результаты модельных расчетов, для которых функции распределения ориентировок минералов (ФРО) были определены оптическим и нейтронно-диффракционным методами.

Условиям более глубоких горизонтов континентальной коры отвечают высокие температуры и низкие эффективные давления. С тем, чтобы установить, как присутствие флюидов влияет на упругие свойства пород в таких условиях, были проведены экспериментальные исследования скоростей продольных волн при высоких РТ в сухих и водонасыщенных образцах амфиболитов и сланцев при низких эффективных давлениях. В исходных и специально изготовленных закалочных образцах были проведены химический, минералогический и микрозондовый анализы, исследования под оптическим и электронным микроскопом, измерения пористости, проницаемости и распределений пор по размерам.

Как упоминалось выше, данные о проницаемости кристаллических пород не столь многочисленны. Поэтому одной из задач исследований являлось установление основных закономерностей изменений параметра при высоких РТ, а для экспериментов были использованы образцы основных типов пород континентальной коры, включая наиболее древние из сверхглубоких скважин СГ-3 и КТБ. С тем, чтобы получить данные о проницаемости пород глубинных зон земной коры in situ, их палеопроницаемости при метаморфизме и рудообразовании, а также прогнозировать изменение свойств пород ближней зоны могильника ВАО, экспериментальные исследования проводили в широком диапазоне РТ-параметров.

С целью установить, как изменения микроструктуры и характера микротрещиноватости при высоких температурах и давлениях влияют на проницаемость пород, были предприняты исследования под сканирующим электронным микроскопом в специально разработанной экспериментальной ячейке, которая позволяет проводить наблюдения поверхности образца о при нагревании до 600 С и нагружении до 100 МПа. Параметры микротрещиноватости, полученные под сканирующим электронным микроскопом, использовались в качестве входных данных для численного моделирования.

Полученные результаты были использованы для оценки фильтрационных и упругих свойств пород глубинных зон континентальной коры in situ и корреляции данных петрофизических и геофизических исследований.

Для решения задач радиогеоэкологии были проведены исследования фильтрационных свойств образцов основных типов пород из участков предполагаемого подземного захоронения ВАО в районе ПО Маяк и Красноярского ГХК.

II МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ, УПРУГИХ СВОЙСТВ И МИКРОСТРУКТУРЫ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ Методика и аппаратура на основе стационарного метода измерения проницаемости Для лабораторных исследований проницаемости, как правило, используются образцы цилиндрической формы. Боковые стенки образца герметизируются, а к входному сечению поступает флюид (газ или жидкость) с постоянным (стационарный метод) или переменным давлением (нестационарный метод и метод осциллирующего порового давления). За счет возникающего градиента давления происходит фильтрация через образец, и флюид поступает в выходной резервуар. При проведении измерений стационарным методом давления флюида у входного (pin) и выходного сечений (pout) поддерживают постоянными и отличными друг от друга (pin > pout ). В предположении, что скорость фильтрации во всем образце постоянна, значение проницаемости определяется по закону Дарси. С тем, чтобы избежать нежелательных изменений образцов вследствие взаимодействия вода-порода, особенно интенсивных при высоких температурах, и ускорить процесс измерений, в качестве фильтрующегося флюида используют инертный газ, как правило, аргон. В этом случае необходимо учитывать, что, если диаметр пор становится сравнимым или меньшим средней длины свободного пробега молекул газа, происходит его проскальзывание вдоль стенки порового канала [Klinkenberg, 1941]. Поэтому проницаемость по газу (k) меняется в зависимости от давления газа. Однако, зная величину k, можно определить проницаемость образца по воде (kw). Для этого необходимо произвести серию измерений k при различных средних давлениях газа и, экстраполировав полученную зависимость k = f (1 p) до f (1 p) = 0, найти искомую величину kw [Пэк, 1968; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002 и др.]. Большая часть результатов измерений при высоких РТ, приведенных в данной работе, а также в [Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002], получено с применением такой методики. Исследования проводились в ИЭМ РАН, на экспериментальной установке, разработанной В.М. Шмоновым [Шмонов и Чернышев, 1982], позволяющей производить измерения при температуре до 600 oС и гидростатическом давлении до 200 МПа. Опыты проводились по единой схеме [Жариков и др., 1990]. Сначала определялась проницаемость породы при комнатной температуре и давлении 30 МПа, затем делался ряд замеров при той же температуре и постоянном повышении давления с шагом 20 - 30 МПа вплоть до 150 МПа. После завершения цикла давление снижалось до первоначального значения, устанавливалась более высокая температура и проводилась новая серия измерений с тем же шагом по давлению. Шаг по температуре составлял 100 оС.

Таким образом, экспериментальный цикл для каждого образца включал до 42 определений при различных РТ, что позволило впервые получить большой объем данных о проницаемости различных типов пород в широком диапазоне температур и давлений. Однако опыт применения стационарного метода показал его недостаточную эффективность. Для того, чтобы получить каждое значение проницаемости образца по воде с учетом эффекта Клинкенберга, приходилось проводить целую серию измерений газовой проницаемости, каждое из которых весьма длительно, трудоемко и может содержать ошибку за счет неточного измерения объема профильтровавшегося газа.

Новые методы и аппаратура для измерений проницаемости и ее анизотропии Совместно с В.И. Мальковским разработана модификация нестационарного метода определения проницаемости образцов, которая позволяет проводить высокоточные измерения в диапазоне 10-22 -10-15 м2 при нормальных и высоких РТ-параметрах. [Жариков и др., 2004; Мальковский, Жариков и Шмонов, 2009].Теоретические основы методики получены при рассмотрении одномерной нестационарной модели фильтрации аргона через образец цилиндрической формы. Эксперимент проводится следующим образом. Входное сечение образца соединяется с газовой камерой малого объема. В отличие от традиционной реализации нестационарного метода [Brace и др., 1968.], выходное сечение образца открыто в атмосферу (рис.2.1 а). В начальный момент времени при скачкообразном повышении давления во входную камеру подается некоторое количество газа. Затем в результате фильтрации через образец давление газа в камере уменьшается, причем скорость уменьшения давления зависит от проницаемости образца. Величина проницаемости определяется путем сопоставления экспериментальных данных о давлении во входном резервуаре (pin(t)) с данными, полученными при помощи аналитического и численного решений уравнения фильтрации с учетом пористости породы и изменения свойств фильтрующегося флюида в зависимости от температуры и давления (рис. 2.1 б). Преимущества нового метода заключаются в том, что он дает возможность по данным единственного опыта определять и значение проницаемости образца, и константы Клинкенберга, характеризующей поровое пространство породы, увеличена точность измерений, уменьшена их трудоемкость, упрощена регистрация параметров.

а б Рис. 2.1. Схема измерений (а) и результаты определения проницаемости (б) модифицированным нестационарным методом Разработан новый метод для определения проницаемости анизотропных пород со слоистой текстурой - метод изменения формы потока [Мальковский, Жариков и Шмонов, 2009]. Фильтрация через цилиндрический образец, ось которого перпендикулярна слоистости, а основания служат входным и выходным сечениями производится в двух режимах. В первом режиме (рис. 2.2 а) флюид вводится в образец лишь через круглое отверстие малого радиуса r0 на его оси (остальная часть входного сечения является непроницаемой для флюида). Во втором режиме (рис. 2.2 б) флюид вводится не только через то же отверстие, но и через тонкую кольцевую область на периферии входного сечения.

Влияние анизотропии проницаемости на поток флюида в этих случаях будет различным.

Поэтому, сопоставляя характеристики течения, измеренные в двух режимах, в ходе единственного опыта можно определить две главные компоненты тензора проницаемости:

соответствующую и перпендикулярную плоскости слоистости или сланцеватости (рис. 2.3).

Результаты рассмотрения модели фильтрации через слоистый образец позволили разработать теоретические основы метода. Проведен расчет соотношения размеров образца, обеспечивающего необходимую точность измерения проницаемости вдоль и поперек слоистости. Выполнен расчет методических ошибок, связанных с условиями втекания и вытекания газа из образца.

l t kw =0.15210-18 m2, kw = 0.65810-17 m2, Рис. 1.3. Результаты измерения анизотропии режим 1 режим проницаемости образца дацита.

Рис. 2.2. Схема измерений методом 1- режим 1, 2 – режим 2.

изменения формы потока Разработаны конкретные рекомендации для подготовки образцов к экспериментальным исследованиям. Выполнены расчеты необходимой температуры и длительности сушки образцов с учетом реальных свойств водяного пара и эффектов Пойнтинга и Клинкенберга.

Совместно с В.М. Шмоновым в ИЭМ РАН были разработаны аппаратура и программное обеспечение, необходимые для реализации новых методик. Было проведено тестирование на образцах различных типов пород, с различными фильтрационно-емкостными свойствами. Проведена также верификация методов путем сопоставления значений проницаемости и параметра анизотропии с величинами, полученными на тех же образцах при помощи традиционных методик, которая показала удовлетворительное соответствие. Разработанный комплекс методик, аппаратных и программных средств внедрен и успешно используется для решения экологических задач: исследований вмещающих пород могильников ВАО.

Для исследования влияния воздействия колебаний сейсмических частот на проницаемость горных пород была использована установка, разработанная В.М. Шмоновым в ИЭМ РАН, которая позволяет моделировать сейсмическое воздействие путем циклического изменения осевого или обжимающего давлений с заданными амплитудами и частотами [Shmonov, Vitovtova и Zharikov, 1999; Шмонов, Витовтова и Жариков 2002, 2004].

Сложность интерпретации результатов экспериментальных определений проницаемости при высоких температурах и давлениях стимулировала развитие работ по наблюдению за поведением образцов in situ. Для исследований были использованы разработанные В.М. Шмоновым в ИЭМ РАН экспериментальные ячейки для исследования структуры пород под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) при высоких температурах и давлениях [Shmonov и др., 1990; Жариков, Витовтова и Шмонов, 1990; Vitovtova и др., 2003].

Методика и аппаратура для измерений скоростей упругих волн сухих образцов при высоком эффективном давлении Основной задачей экспериментов являлось исследование скоростей упругих волн и анизотропии скоростей при высоких температурах и давлениях, отвечающих условиям глубинных зон земной коры in situ. Эта задача определила конструкцию экспериментальной установки, созданной в Петрофизической лаборатории Университета г. Киль [Kern, 1982]. Три пары датчиков продольных и поперечных волн двух поляризаций позволяют получить данные о скоростях Р и S-волн и упругой анизотропии в кубическом образце размером 43 мм при высоких РТ. Квазигидростатическое давление до 800 МПа создается тремя парами взаимно ортогональных пуансонов, которые одновременно являются звукопроводами. В поршнях находятся устройства, которые позволяют нагревать образец до 800 оС. Для измерений Vp и Vs используется импульсный метод. Продольные и поперечные волны частотой 2.0 и 1.0 МГц, соответственно, генерируются датчиками из цирконат-титаната свинца, которые выведены из зоны высоких температур. Точность измерения скоростей составляет 1 %.

Скорости продольных и двух поперечных волн измерялись одновременно в трех взаимно ортогональных направлениях [Kern и др., 2001]. Сначала измерения скоростей проводились при комнатной температуре в условиях, когда давление последовательно увеличивалось с шагом 50 МПа до 600 МПа. Затем при постоянном давлении увеличивалась температура до 600 оС с шагом ~ 80оС. С тем, чтобы гарантировать, что достигнуто равновесное состояние образца, при каждых заданных РТ снимались повторные отсчеты.

Методика и аппаратура для измерения скоростей упругих волн в условиях насыщения водными флюидами и низкого эффективного давления Целью экспериментов являлось исследование влияния изменений микроструктуры, инициированных присутствием водных флюидов, в условиях высокой температуры и низких эффективных давлений на упругие и фильтрационные свойства пород. Поэтому эксперименты состояли из двух частей: измерений скоростей упругих волн при высоких РТ и сравнительных исследования состава, микроструктуры и физических свойств исходных и закалочных образцов.

Эксперименты были выполнены в ГЕОХИ РАН в газовом аппарате с внутренним о нагревом, создающем гидростатическое давление до 500 МПа и температуру до 1200 С, разработанном Е.Б. Лебедевым и Н.И. Хитаровым [Лебедев и Хитаров, 1979]. Образец вместе со звукопроводами помещается в платиновый цилиндрический реактор, внутреннее пространство которого заполняется водой или водным флюидом заданного состава. При помощи ртутного затвора в опытах с водными флюидами внутренняя полость реакционной камеры отделяется от передающего давление газа (азота), а внешнее и внутреннее давления уравниваются. В "сухих" опытах это устройство остается открытым для свободного прохода газа. Таким образом, в обоих случаях опыты проводятся в условиях равенства обжимающего и порового давлений (300 МПа). При каждой температуре измерениям предшествовала выдержка от 15 мин. до 1 ч. Измерения Vp осуществлялись импульсным или эхо-импульсным методом при помощи датчиков из цирконат-титаната свинца с частотой 2.5 МГц, выведенных о из горячей зоны. Точность измерения температуры составляла ±5 С, давления – 1 % и скоростей упругих волн – 5%.

Температуры закалки соответствовали температурам характерных точек трендов скоростей продольных волн. Образец, сухой или насыщенный флюидом заданного состава, нагревался до заданной температуры, при которой выдерживался 3 или 24 ч. Затем в течение 2 - 3 мин. происходило быстрое охлаждение – «закалка».

III ПРОНИЦАЕМОСТЬ И МИКРОСТРУКТУРА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ Данные о влиянии обжимающего давления на проницаемость кристаллических пород достаточно многочисленны: [Fatt и Davis, 1952; Brace, Orange, и Madden, 1965; Brace, Walsh и Frangos 1968; Николаенко и Индутный, 1978; Белевцев, 1979; Витовтова и Шмонов, 1982, Bernabe, 1986, 1987; David и др., 1994; Huenges и Will, 1989; Nover и др., 1993, Heikamp и Nover, 2003; Morrow, Lockner и Rockel, 1993; Christensen и Ramantoandro, 1988 и др.]. Изотропное нагружение приводит к уменьшению проницаемости. Отмечаются как плавные тренды, так и осложненные резкими, пороговыми переходами. Результаты исследований в условиях трехосного сжатия представлены в [Zoback и Byerlee, 1975 а,б; Stormont и Daemen, 1992; Evans, Forster и Goddard, 1997; Keaney, Meredith и Murrel, 1998; Heiland и Raab, 2001;

Popp и Kern, 2000; Schulze, Popp и Kern, 2001; Heiland, 2003; Oda, Takemura и Aoki, 2002;

Uehara и Shimamoto 2004 и др.]. При малых величинах дифференциальных напряжений также происходит уменьшение проницаемости. При дальнейшем увеличении осевой нагрузки происходит увеличение проницаемости выше первоначальных величин вследствие образования дилатансионных микротрещин.

Измерение проницаемости при одновременном воздействии высоких температур и давлений технически много сложнее, поэтому таких данных значительно меньше. В ходе исследований проницаемости с фильтрацией воды при температурах 100 – 400 оС, и давлениях 0.- 50 МПа [Summers, Winkler и Byerlee, 1978; Trimmer, Bonner и Duba, 1980; Moore, Morrow и Byerlee, 1983; Morrow и др., 1981, 1984; Kranz, Boon и Bird, 1984] получены сложные тренды.

При нагревании проницаемость сначала возрастала, а затем вследствие кольматации пор, происходившей в результате минеральных реакций, снижалась.

Наиболее обширные экспериментальные данные о проницаемости кристаллических пород при высоких РТ-параметрах получены тематической группой В.М. Шмонова в ИЭМ РАН. В исследованиях этой группы активно участвовал автор. [Витовтова и Шмонов 1982;

Жариков и др., 1987; Витовтова, Фомичев и Шмонов, 1988; Шебеста, Витовтова и Шмонов, 1988; Аксюк, Витовтова и Шмонов, 1991; Shmonov и Vitovtova, 1992; Zharikov и др., 1993;

Shmonov, Vitovtova и Zarubina 1995; Shmonov, Vitovtova и Zharikov, 1995; Zharikov, Vitovtova и Shmonov, 1995 а,б; Shmonov, Vitovtova и Zharikov, 1999; Шмонов, 2000; Шмонов и др., 2000;

Жариков, Витовтова и Шмонов, 2000; Zharikov и др., 2000; Zharikov и др., 2001; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002; Zharikov,Vitovtova и Shmonov, 2002; Жариков и др., 2003;

Zharikov и др., 2003; Zharikov, Shmonov и Vitovtova, 2005; Жариков, Шмонов и Витовтова, 2005; Zharikov и др. 2005; Жариков, Шмонов и Керн, 2007 и др.]. Подробное описание экспериментальной аппаратуры и методики приведено во II главе и в [Жариков и др., 1990; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002]. С тем, чтобы исключить химическое взаимодействие флюид-порода, для фильтрации использовался аргон. Значения проницаемости определялись стационарным методом с учетом поправки Клинкенберга. Опыты проводились при температурах 20 - 600 оС и эффективных давлениях 30 - 150 МПа. Этот интервал температур и давлений отвечает как условиям глубинных зон земной коры in situ, так и РТ-параметрам метаморфизма и гидротермальных процессов, а также условиям ближней зоны могильников ВАО. Для экспериментов были использованы образцы плотных, низкопористых (0.05 – 10 %) пород: гранитов, гранодиоритов, диоритов, базальтов, амфиболитов, гнейсов, серпентинитов, мраморов, скарнов, известняков, алевролитов, доломитов, песчаников (всего ~ 50 образцов).

Таким образом, впервые был получен объем экспериментальных данных о проницаемости кристаллических пород различных литологических типов, достаточный, чтобы выявить основные закономерности изменений параметра при высоких РТ.

Увеличение эффективного давления при постоянной температуре приводит к уменьшению проницаемости (рис. 3.1), что согласуется с данными других исследователей.

Рис. 3.1. Зависимости проницаемости от давления.

T=const.

Увеличение температуры при постоянном эффективном давлении приводит либо к монотонному увеличению или уменьшению проницаемости, либо к появлению инверсий на температурных трендах: проницаемость уменьшается, достигает минимального значения, затем увеличивается (рис. 3.2). Следует отметить, что тренды проницаемости часто осложнены резкими, пороговыми переходами.

а б в г Рис. 3.2. Температурные зависимости проницаемости. Pэфф=const.

Монотонное увеличение проницаемости отмечалось, как правило, при низких эффективных давлениях, в то время как монотонное уменьшение проницаемости и инверсии на температурных трендах наблюдались во всем диапазоне давлений. Причем, часто отмечалась следующая закономерность: при низких и средних величинах эффективных давлений на температурных трендах проницаемости наблюдались инверсии, а при высоких – монотонное уменьшение. Следовательно, температура и эффективное давление оказывают конкурирующее воздействие на проницаемость пород. Такие закономерности изменения проницаемости отмечалось у образцов кристаллических пород различного литологического типа, следовательно, они не связаны с составом пород.

В ходе микроскопических исследований установлено, что в рассматриваемых породах первичная пористость мало развита, не претерпевает существенных изменений в результате РТ-воздействий и, очевидно, не оказывает существенного влияния на фильтрационные свойства. Пористость представлена микротрещинной компонентой, причем характер микротрещиноватости, интенсивно изменяется под действием высоких температур и давлений. По данным численного моделирования эти изменения коррелируют с изменениями проницаемости образцов при высоких РТ. Как правило, в образцах выделяется одна или несколько систем микротрещин, раскрытия и коэффициенты формы которых распределены по нормальному или логнормальному законам. Причем, поведение микротрещин различной геометрии при нагревании отличается. Микротрещины, с низким коэффициентом формы оказываются неустойчивыми и закрываются, несмотря на нагревание (рис. 3.3 а). Эти результаты подтверждаются теоретическими оценками [Добрынин, 1970]. Наблюдения под СЭМ показывают, что микротрещины не смыкаются полностью, а оказываются разбитыми на фрагменты меньшей длины. Этого достаточно, чтобы микротрещины перестали быть флюидопроводящими. Аналогичным образом выключение всего нескольких микротрещин из единого проводящего кластера может приводить к резкому, пороговому уменьшению проницаемости пород.

В то же время, микротрещины с высоким коэффициентом формы, локализованные, как правило, на границах минеральных зерен открываются при нагревании (рис. 3.2 б). Этот процесс, вызванный неравномерным термическим расширением различных минералов, слагающих горную породу, - терморазуплотнение открыт и детально изучен Г.П. Зарайским и его коллегами [Зарайский и Балашов, 1978, 1981; Балашов и Зарайский, 1984; Zaraysky и Balashov, 1995, Зарайский, 2007 и др.]. Когда такие микротрещины объединяются в единый флюидопроводящий кластер, происходит резкое увеличение проницаемости пород [Zharikov и др., 2003].

Результаты анализа сеточной модели [Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002] показывают, что изменение проницаемости в зависимости от доли высокопроводящих элементов носит более или менее ярко выраженный пороговый характер. Таким образом, даже незначительное изменение плотности микротрещин, их раскрытий или длины может привести к резкому возрастанию или уменьшению проницаемости породы. Этим объясняется пороговый характер полученных экспериментальных зависимостей проницаемости. Таким образом, поведение проницаемости плотных, низкопористых кристаллических пород при высоких РТ определяется изменениями их микроструктуры:

характера микротрещиноватости вследствие конкурирующих воздействий температуры и давления.

Микротрещины с низким коэффициентом формы закрываются при нагревании, что приводит к снижению проницаемости. Микротрещины с высоким коэффициентом формы, напротив, открываются, вызывая увеличение проницаемости. Эти процессы могут происходить одновременно, и тогда на температурных трендах проницаемости появляются инверсии (рис.

3.3, 3.4).

б а Рис. 3.3. Данные СЭМ. Амфиболит 43639, Кольская сверхглубокая скважина.

а - микротрещины с низким коэффициентом формы закрываются при нагревании:

Рис. 3.4. Результаты численного моделирования Т=100оС, средняя апертура = 2.5 мкм.

микротрещиной проницаемости.

Т=300оC, средняя апертура = 1.3 мкм.

P=const=80 MПа.

б - микротрещины с высоким коэффициентом формы открываются. P=const=80 MПа IV ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА ПОРОД РАЗРЕЗА КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИН Кольская сверхглубокая скважина пробурена в ядре синформной структуры (рис. 1.1).

Архейские породы кольской серии, которые обнажаются на поверхности, свободны от техногенной трещиноватости и поэтому являются наиболее представительным материалом для исследования петрофизических свойств. В отличие от моноклинально залегающих протерозойских пород, архейский фундамент имеет складчато-блоковое строение, поэтому корреляция пород кольской серии в разрезе СГ-3 и на поверхности представляла собой сложную задачу, которая решена тематической группой ИГЕМ РАН во главе с В.И. Казанским [Лобанов и др., 2002]. Критериями выбора аналогов типичных пород архейского разреза СГ-3: (гнейсов, амфиболитов и мигматитов) являлись: одинаковый минеральный состав и состав главных породообразующих минералов, принадлежность к амфиболитовой фации метаморфизма и отсутствие регрессивных изменений. Образцы керна СГ-3 были отобраны с глубин 9 - км из участков ствола, пройденных с помощью алмазного инструмента. Из осевых частей этих кернов были изготовлены образцы для петрофизических исследований. Образцы пород аналогов с поверхности были отобраны в 45 км к северо-востоку от скважины, на склоне хребта Мустатунтури. Таким образом, была подготовлена коллекция представительных образцов архейских пород из Кольской сверхглубокой скважины и их аналогов с поверхности.

Эти образцы были использованы для исследований упругих и фильтрационных свойств, результаты которых представлены ниже, а также в V главе.

Для образцов из скважины и с поверхности характерны близкие средние значения минеральной плотности, что также свидетельствует о близости минерального состава пород. В то же время другие физические свойства существенно отличаются. Пористость образцов керна в несколько раз выше (рис. 1.2), проницаемость – на порядок выше. Коэффициент объемной анизотропии продольных волн в образцах керна выше, а скорости продольных волн, напротив, ниже. Эти расхождения, вызванные влиянием наложенных микротрещин, показывают, что физические свойства образцов керна сверхглубоких скважин, определенные в стандартных условиях, могут быть весьма далеки от их величин in situ. Следовательно, петрофизические исследования необходимо проводить при высоких РТ, соответствующих условиям глубоких горизонтов скважины. Зависимости скоростей продольных волн от давления и упругую анизотропию образцов керна СГ-3 систематически изучали Н.Е. Галдин, Ф.Ф. Горбацевич, а также сотрудники Лаборатории высоких давлений ИФЗ [Кольская сверхглубокая, 1984; Галдин и др., 1985; Воларович и др., 1991; Горбацевич и др., 1991; Калинин, Ефимова и Наумова, 1995; Галдин, Лизинский и Горбацевич, 1997; Кольская…, 1998]. В [Буртный и др., 1991] приведены результаты измерений Vp и Vs при одновременном воздействии высоких давлений и температур.

Наиболее полный набор упругих характеристик пород при высоких РТ-параметрах впервые был получен в Петрофизической лаборатории Университета г. Киль (Германия). На образцах керна и аналогов с поверхности, критерии и методы отбора которых изложены выше, измерены скорости и анизотропия скоростей продольных, а также скорости и расщепление поперечных волн [Kern и др., 2001; Жариков, Шмонов и Керн, 2007; Жариков, Лобанов и Керн, 2007; Zharikov, Kern и Shmonov, 2008]. Эксперименты проводились на сухих кубических образцах. Система координат при измерениях привязана к текстуре пород: ось [Z] перпендикулярна сланцеватости, [Y] перпендикулярна линейности в плоскости сланцеватости, [X] - параллельна линейности. Экспериментальная установка позволяет одновременно измерять продольные и ортогонально поляризованные поперечные волны (S1, S2) вдоль трех взаимно перпендикулярных осей X, Y, и Z. Датчики поперечных волн были ориентированы таким образом, чтобы движение частиц S1 и S2 волн было параллельно и перпендикулярно сланцеватости и линейности. Подробное описание экспериментальной аппаратуры и методики приведено во II главе настоящей работы и в [Kern и др., 2001]. Эксперименты проводились при увеличении давления до 600 МПа при комнатной температуре и при увеличении температуры до 600 оС при постоянном давлении 600 МПа. Каждая серия измерений включала в себя 3 определения Vp, 6 – Vs, а также определение объемной деформации.

Установлено, что скорости упругих волн зависят от минерального состава пород: Vp и Vs в амфиболитах выше, чем в гнейсах.

а б Рис. 4.1. Зависимость скоростей продольных волн образцов керна и с поверхности от давления (а) и температуры (б).

Другим фактором, влияющим на величины скоростей упругих волн, является микротрещиноватость. Увеличение давления приводит к увеличению скоростей упругих волн рис. 4.а. Эти результаты согласуются с данными других исследований, упомянутых выше. Генеральная тенденция поведения Vp и Vs у кернов и поверхностных образцов общая: скорости сначала возрастают нелинейно, по достижении давления около 200 МПа их рост замедляется, и зависимость становиться линейной. Однако начальные значения скоростей упругих волн у образцов керна значительно ниже, а градиент увеличения скоростей при давлениях <200 МПа, напротив, выше. При дальнейшем увеличении давления тренды скоростей упругих волн образцов из скважины и с поверхности сближаются.

Четкая корреляция между наклоном трендов скоростей упругих волн и объемной деформации от давления свидетельствует, что нелинейное возрастание Vp и Vs вызвано закрытием микротрещин. За счет наложенных микротрещин плотность микротрещиноватости в исходных образцах керна значительно выше, чем в образцах с поверхности, поэтому скорости упругих волн в них увеличиваются быстрее.

Зависимости Vp от температуры представлены на рис. 4.1. б. Увеличение температуры приводит к медленному линейному уменьшению Vp и Vs. Очевидно, что принятая величина обжимающего давления (600 МПа) достаточно велика, чтобы избежать терморазуплотнения пород. Линейные участки зависимостей от давления (300 - 600 МПа) и температуры (20 - 500°C) были использованы для экстраполяции полученных данных до PT-условий нижней части разреза СГ-3 in situ.

Одновременное измерение Vp в трех взаимно перпендикулярных направлениях позволило определить коэффициенты анизотропии скоростей продольных волн AVp [Birch, 1961].

Зависимости коэффициента анизотропии от давления для образцов керна и с поверхности (рис. 4.3) имеют одинаковый вид и находится в обратной корреляции с зависимостями Vp:

AVp снижается во всем диапазоне давлений. Сначала уменьшение параметра происходит нелинейно. Причем, как и в случае с зависимостями Vp, более резкое изменение наблюдается у образцов керна. При давлениях более 200 МПа коэффициент анизотропии уменьшается очень слабо, практически достигая асимптотических значений.

Сопоставление результатов экспериментальных, микроструктурных исследований и модельных расчетов показывает, что анизотропия продольных волн определяется влиянием микротрещин и ориентировки породообразующих минералов. При низких давлениях превалирует влияние микротрещин, которое сильнее сказывается на свойствах образцов керна (рис. 4.1 а, 4.2). При увеличении давления до 200 МПа эти микротрещины закрываются. При максимальных давлениях величина AVp, в основном, определяется преимущественной ориентировкой породообразующих минералов. В этих условиях величины AVp, которые отмечаются в биотитовых гнейсах и амфиболитах, обусловлены упорядоченным расположением минералов-силикатов (биотита, мусковита, хлорита) и роговой обманки (рис 4.5). Эти результаты согласуются с приведенными в [Баюк, Воларович и Левитова, 1982].

Рис.4.2. Зависимости анизотропии скоростей Рис. 4.3. Зависимости расщепления скоростей продольных волн в образцах керна и поперечных волн в образцах керна и с поверхности от давления. с поверхности от давления.

Упругая анизотропия исследованных пород проявляется также в расщеплении поперечных волн. Одиночная поперечная волна, распространяясь в анизотропной среде, расщепляется на две ортогонально поляризованные поперечные волны, которые движутся с разной скоростью Vs1 и Vs2 (Vs1 > Vs2). Наиболее сильно это явление проявляется параллельно осям X и Y в плоскости сланцеватости (XY) в случае быстрой волны (S1), поляризованной параллельно сланцеватости. Перпендикулярно сланцеватости (параллельно Z) двупреломление практически не наблюдается, т.е. образец ведет себя как квазиизотропный. Увеличение давления приводит к нелинейному изменению значений данного параметра (рис. 4.3). Наибольшие значения расщепления поперечных волн у амфиболитов и гнейсов с большой глубины, обладающих остро выраженной сланцеватой текстурой, наблюдаются при низких давлениях.

Это подтверждает факт совместного влияния текстуры породы (ФРО) и текстуры формы (микротрещин) при низких давлениях. Причем, в этом случае микротрещины в исходных образах керна также ориентированы параллельно сланцеватости пород. При максимальных давлениях наибольшие значения расщепления поперечных волн (Vs), так же как и анизотропии продольных, в основном, определяются преимущественной ориентировкой породообразующих минералов. У образцов керна с меньших глубин наблюдается иная зависимость Vs от давления: сначала величина параметра, напротив, быстро уменьшается, затем выходит на асимптотическое значение. Очевидно, форма начального участка трендов также определяется влиянием наложенных микротрещин, распространенных в образцах керна. Но в данном случае их ориентировки не совпадают со сланцеватостью пород. Аналогичный эффект отмечен в [Баюк, Воларович и Левитова, 1982]. Наконец, у образцов керна и пород аналогов печенгской серии с поверхности, обладающих более изотропной, массивной текстурой, во всем диапазоне давлений наблюдаются меньшие значения Vs, которые практически не изменяются с увеличением давления.

а б в Рис. 4.4. Трехмерные распределения упругих свойств амфиболита 36058 (данные численного моделирования).

Скорости продольных волн, (слева), двулучепреломление (посередине) и ориентировки плоскости поляризации, в которой поперечная волна при расщеплении имеет наибольшую скорость (справа).

Биотит (а), роговая обманка (б), состав модельного амфиболита (в).

Данные представлены в равноплощадной проекции в текстурно-ориентированной системе координат X, Y, Z.

Сланцеватость (сплошная линия) и линейность направлены справа налево.

Рис. 4.5. Микроструктура амфиболита 36058, а также ФРО роговой обманки и биотита.

Направление сланцеватости и линейности показано сплошной линией.

Тесная взаимосвязь между скоростями и анизотропией сейсмических волн и текстурой пород (сланцеватостью и линейностью), установленная в ходе экспериментальных и микроструктурных исследований, подтвердилась результатами вычислений скоростей упругих волн по данным о преимущественной ориентировке породообразующих минералов (рис. 4.4, 4.5). Трехмерное распределение скоростей упругих волн вычислялось с использованием уравнения Кристоффеля, учетом упругих модулей монокристаллов, объемной доли каждого минерала, а также функций распределения ориентировок минералов (ФРО) [Kern и др., 2001]. Данные о минеральном составе получены при помощи оптических и микрозондовых исследований, о ФРО – при помощи микроструктурных исследований.На рис. 4.5 приведены результаты расчетов Vp для образца амфиболита. Вычисленные значения хорошо согласуются с полученными в эксперименте при максимальном давлении (600 МПа). Наибольшие значения Vp отмечаются в направлениях, параллельных плоскости сланцеватости (XY), а максимальные в этой плоскости – параллельно линейности (X). Минимальные значения Vp отмечаются перпендикулярно сланцеватости.

Из рис. 4.5 видно, что положения максимумов и минимумов Vp на суммарных диаграммах амфиболита и на диаграммах роговой обманки совпадают. Это позволяет сделать вывод, что главный породообразующий минерал в породе определяет и ее упругую анизотропию.

Направление максимума Vp плагиоклаза совпадает с направлением минимума Vp роговой обманки, что приводит к понижению суммарной анизотропии продольных волн. Кварц, доля которого невелика, не оказывает существенного влияния на общую картину Vp. Содержание биотита в амфиболитах также невелико. Однако направления максимумов Vp в биотите и роговой обманке совпадают. Поэтому биотит усиливает общую анизотропию породы.

Содержание биотита не является преобладающим и в гнейсах. Однако этот минерал обладает сильной анизотропией упругих свойств и оказывает доминирующее влияние на свойства породы в целом, определяя ее упругую анизотропию. Преобладающие в процентном отношении плагиоклаз и кварц характеризуются низкими коэффициентами анизотропии Vp, что и определяет низкий суммарный коэффициент анизотропии. Направление максимума Vp в гнейсе также совпадает со сланцеватостью и линейностью породы. Направление минимума - перпендикулярно сланцеватости. Эти выводы подтверждены результатами количественного текстурного анализа и моделирования упругих свойств на тех же образцах, выполненными в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ (Дубна) [Лобанов и др., 2002; Никитин и др., 2001; Иванкина и др., 2004].

Важно отметить, что и результаты численного моделирования, и экспериментальные результаты, полученные при максимальных давлениях, отражают свойства породы, лишенной трещин. Расчетные величины скоростей упругих волн и, определенные в эксперименте при давлении 600 МПа, совпадают практически во всех направлениях. Однако в условиях архейской части разреза СГ-3 in situ давление меньше (~ 200 МПа). При таких давлениях остаются устойчивыми микротрещины с высоким коэффициентом формы: кливаж и границы минеральных зерен [Christensen, 1965; Zharikov и др., 2003]. В данном случае эти микротрещины ориентированы в основном в плоскости сланцеватости и связаны с удлинением кристаллов мусковита и призм роговой обманки. Из рис. 4.5 видно, что полюса микротрещин обоих типов расположены на поясе вокруг оси X (линейности) с максимальной концентрацией перпендикулярно или субперпендикулярно сланцеватости. Параллельно листочкам биотита часто также развиты трещины. Сопоставление расчетных, экспериментальных данных и теоретических оценок [Баюк и Калинин, 1995] показывает, что эти микротрещины также влияют на упругую анизотропию пород. Таким образом, в РТ-условиях архейской части разреза СГ-анизотропия скоростей упругих волн определяется аддитивным эффектом преимущественной ориентировки породообразующих минералов: роговой обманки в амфиболитах, биотита в гнейсах и ориентированных микротрещин на границах минеральных зерен.

Скорости упругих волн, полученные в эксперименте при РТ-параметрах архейского разреза скважины, значительно лучше согласуются с геофизическими данными, чем результаты, полученные в стандартных условиях (рис. 1.2). Причем величины Vs – практически совпадают, а Vp, полученные при давлениях in situ, незначительно выше, а при давлении 600 МПа и в численном эксперименте еще несколько выше, чем по данным ВСП (рис. 1.2). Учет угла падения пород кольской серии (~ 35о) приводит к снижению Vp на ~ 0.3 км/c, что уменьшает, но не ликвидирует расхождение. Такие соотношения Vp и Vs характерны для сухих и водонасыщенных пород [Nur и Simmons, 1969]. Следовательно, либо в породах в естественном залегании более интенсивно развиты флюидонасыщенные микротрещины, чем в образцах, исследованных в лаборатории при РТ-параметрах архейского разреза СГ-3, либо таким образом проявляется влияние трещин, которые в силу своего масштаба не могли быть исследованы в образцах. Однако в обоих случаях можно сделать вывод, что гипотеза, согласно которой зоны пониженных скоростей в архейской части разреза СГ-3 связаны с разуплотненными флюидонасыщенными породами, предложенная на основании анализа геофизических данных, подтверждается результатами петрофизических исследований.

V ВЛИЯНИЕ ВОДНОГО ФЛЮИДА НА МИКРОСТРУКТУРУ, УПРУГИЕ И ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных об упругих свойствах отдельных минералов и горных пород при высоких температурах и давлениях (I глава). Однако подавляющее большинство этих результатов получено на сухих образцах.

Эксперименты, результаты которых представлены в данной главе, имели задачу установить, как геохимические преобразования, инициированные присутствием флюидов при высоких температурах, влияют на изменения микроструктуры пород, которые в свою очередь могут приводить к изменениям фильтрационных и упругих свойств. Поэтому опыты при высоких РТ-параметрах проводились как в сухих условиях, так и в условиях насыщения образцов водными флюидами [Лебедев и др., 1991, 1995, 1999; Zharikov и др., 1992, 1993, 2000].

Измерения скоростей продольных волн в сухих и водонасыщенных образцах амфиболитов и зеленого сланца при обжимающем и флюидном давлениях 300 МПа и температурах до 850 °С проводились в ГЕОХИ РАН на установке, разработанной Е.Б. Лебедевым [Лебедев и Хитаров, 1979; Zharikov и др., 1993]. Детали методики приведены в I главе и в [Lebedev и др., 1991]. С тем, чтобы интерпретировать полученные температурные зависимости Vр и установить, как изменения микроструктуры влияют на упругие свойства пород, на исходных и специально изготовленных закалочных образцах были проведены химический, минералогический, микрозондовый анализы, исследования под оптическим и электронным микроскопом, измерения пористости, проницаемости и распределений пор по размерам. Температуры закалки соответствовали характерным точкам температурных трендов Vp (рис. 5.1 а, б).

Зависимости скоростей продольных волн в амфиболите при температурах до 850 °С под давлением воды или азота 300 МПа в условиях равенства флюидного и обжимающих давлений приведены на рис. 5.1. Тренды Vр водонасыщенных образцов отличаются от полученных в сухих условиях наличием инверсии: значения Vр при нагревании сначала уменьшаются, достигают минимума при температуре ~650 °С, затем вновь увеличиваются в то время, как нагревание сухих образцов приводит к монотонному уменьшению скоростей продольных волн во всем диапазоне температур. Аналогичный эффект ранее был получен Е.Б. Лебедевым и его коллегами для гранитов [Lebedev, и др., 1991]. Исследования скоростей упругих волн, проведенные на образцах зеленого сланца с использованием той же методики и при тех же РТ-параметрах, показали аналогичные результаты.

Затем скорости продольных волн были измерены во всех образцах, прошедших закалку.

Сопоставление результатов измерений в закалочных образцах (проведенных при комнатной температуре) и в эксперименте при температурах, при которых происходила затем закалка, показывает, что соответствующие значения Vр не совпадают (рис. 5.1 а, б). Однако характер зависимостей близок во всем диапазоне температур, поэтому было принято допущение, что закалочные образцы являются репрезентативными не только для изучения состава, но и микроструктуры, а также физических свойств пород при высоких температурах.

Vp(км/с) (%) 8.5 AMPHIBOLITE 7.AMPHIBOLITE N2 3 часа 4 H2O 3 часа 6.5 H2O 24 часа 5.N2 H2O 4.3.0 200 400 600 800 100 200 400 600 800 10T(oC) T(oC) а в Vp(км/с) k(м2) 7.1E-0ttt tttt ttttt 1E-06.1E-05.1E-04.1E-03.1E-00 200 400 600 800 100 200 400 600 800 10T(oC) T(oC) б г Рис. 5.1. Температурные зависимости упругих и фильтрационных свойств амфиболита в сухих условиях (под давлением азота) и под давлением воды (Ps=Pф=300 МПа). Скорости продольных волн в эксперименте (а), (б) - в закалочных образцах, пористость (в) и проницаемость (г) в закалочных образцах Исследования исходных и закалочных образцов показали, что изменений состава пород и главных породообразующих минералов не происходит, а отмечаются интенсивные процессы открытия и закрытия микротрещин. Температурные тренды пористости и проницаемости находятся в обратной корреляции с трендами скоростей продольных волн. Таким образом, вариации скоростей упругих волн вызваны изменениями микротрещиной пористости. При нагревании в сухих условиях микротрещины открываются, поэтому пористость и проницаемость возрастает с увеличением температуры. При нагревании образцов в присутствии воды микротрещины как открываются, так и закрываются. Поэтому при температурах < 658 °С пористость и проницаемость возрастают, а при более высоких - снижаются.

Анализ полученных результатов приводит к выводу, что при нагревании в условиях низкого эффективного давления действует ряд процессов, приводящих к изменению пористости и, как следствие, скоростей упругих волн. Часть процессов действует как в сухих условиях, так и в условиях водонасыщения. К ним относятся фазовый переход в кварце при температуре ~ 650оС и терморазуплотнение, которое происходит во всем диапазоне температур, интенсифицируясь при более высоких. Однако в присутствии воды терморазуплотнение происходит значительно более активно за счет эффекта Ребиндера. Поэтому величины пористости и проницаемости образцов, которые нагревались в присутствии воды, выше, чем у сухих при тех же температурах, а величины пористости и проницаемости образцов, которые выдерживались под давлением воды 24 ч, выше, чем 3-часовых при тех же температурах (рис.5.1.б, в).

Рис. 5.2. Фотографии аншлифов закалочных образцов амфиболита 470.

Время выдержки в воде 3 ч. (Ps=Pф=300 МПа) Рис. 5.3. Микротрещины (пустые) в амфиболите 470. Рис. 5.4. Залечивание микротрещин в амфиболите Т = 480°С, Pн2о = 300 МПа. 470. Т = 705°С, Pн2о = = 300 МПа.

Часть процессов, преобразующих микроструктуру пород, инициированы именно присутствием воды. К таким процессам, которые могут приводить как к образованию (рис. 5.3), так и к залечиванию микротрещин, относятся растворение под давлением и минеральные реакции. Наконец, при температурах более 750оС отмечено залечивание тонких микротрещин мелкозернистым агрегатом кварца и амфибола, а также кислым вулканическим стеклом, что свидетельствует о частичном плавлении породы (рис.5.4).

Таким образом, в сухих условиях терморазуплотненние - образование дилатансионной микротрещиноватости приводит к увеличению пористости пород и, как следствие, к уменьшению скоростей продольных волн. В присутствии водного флюида одновременно протекают процессы, ведущие как к увеличению, так и к уменьшению пористости, а результат их суперпозиции меняется с ростом температуры. При температурах < 650°С, как и в сухих условиях, превалируют процессы терморазуплотнения. Образование микротрещин ведет к увеличению пористости и уменьшению скоростей упругих волн. При температурах > 650 °С, напротив, преобладают процессы залечивания микротрещин, вследствие чего уменьшается пористость и растут скорости упругих волн.

Таблица 1. Механизмы изменения микроструктуры и упругих свойств амфиболита при нагревании Процесс Проявление Эффект Температура В сухих В условиях Пористость, Скорости условиях водонасыщения проницаемость продольных волн Терморазуплотнение + + при всех интенсивней - переход в кварце + + ~650oC растворение под при всех, давлением, - + интенсивней с минеральные реакции ростом температуры частичное плавление - + > 750oC Полученные результаты могут указывать на возможность появления сейсмических границ в однородных по составу породах. Контрастное изменение скоростей упругих волн может происходить вследствие сочетания эффектов пространственной локализации тектонических деформаций и геохимических преобразований горных пород в присутствии водного флюида. Так как основной причиной изменения скоростей упругих волн являлось изменение трещинной пористости пород, такие сейсмические границы могут одновременно фиксировать зоны повышенной флюидопроводимости в коре.

VI ПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОРОД СВЕРХГЛУБОКИХ СКВАЖИН СГ-3 (РОССИЯ) И КТБ-ОБЕРПФАЛЬЦ (ГЕРМАНИЯ) ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ КОРЫ Экспериментальные исследования проницаемости образцов из сверхглубоких скважин СГ-3 и КТБ [Жариков и др., 1987; Жариков, Витовтова и Шмонов В.М, 1990, 2000, 2005;

Zharikov и др., 1993, 2001, 2002, 2003, 2005] имели следующие задачи: выявив и минимизировав влияние техногенных факторов, получить оценки проницаемости пород in situ, а также палеопроницаемости при метаморфизме; выявить влияние микроструктуры пород: характера микротрещиноватости и преимущественной ориентировки породообразующих минералов на проницаемость и анизотропию этого параметра. Затем, обобщив результаты экспериментальных исследований образцов из сверхглубоких скважин и других кристаллических пород различных типов, построить тренд проницаемости пород континентальной коры. С тем, чтобы выявить влияние техногенных микротрещин образцы были отобраны на поверхности и с разных глубин. Для экспериментов были использованы образцы амфиболитов и гнейсов с больших глубин (8 - 11 км), отобранные в Кольской сверхглубокой скважине, их аналоги с поверхности, а также амфиболит и метагаббро из скважины КТБ-Оберпфальц, отобранные на меньшей глубине – около 4 км. Причем, цилиндры для определений проницаемости и кубики для исследований упругих свойств, результаты которых изложены в IV главе, были изготовлены в основном из одних и тех же образцов. В той же главе подробно изложены принцип и методы отбора образцов пород-аналогов архейских пород в СГ-3 и на поверхности.

Эксперименты проводились при эффективных давлениях до 150 МПа и температурах до 6°С, что отвечает как современным РТ-условиям глубоких горизонтов сверхглубоких скважин, так и РТ-условиям стадий прогрессивного, регрессивного метаморфизма и гидротермальных изменений пород.

Увеличение давления приводит к уменьшению проницаемости. Эти результаты согласуются с полученными для других типов пород (рис. 3.1).

Температурные тренды также согласуются с полученным для других пород (рис. 3.2). В то же время помимо эффективного давления в опыте характер температурных трендов образцов сверхглубоких скважин зависит от глубины отбора: при низких Pэфф при температурах 300 – 500 oC отмечаются инверсии трендов; при более высоких Pэфф на температурных трендах образцов с больших глубин (9 - 11 км) также наблюдаются инверсии. Проницаемость образцов, отобранных на меньшей глубине (4 км) и на поверхности монотонно уменьшается во всем диапазоне температур.

Необходимо отметить, что как на температурных трендах, так и на зависимостях проницаемости от давления, часто отмечаются резкие, пороговые переходы. Таким образом, тренды проницаемости образцов сверхглубоких скважин испытывают те же основные закономерности, что рассмотрены в III главе: монотонное снижение или инверсии. Как было показано там же и в [Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002; Zharikov и др., 2003], результаты микроструктурных исследований и компьютерного моделирования позволили сделать вывод, что такой вид трендов проницаемости определяется изменениями характера микротрещиноватости пород вследствие конкурирующих воздействий температуры и давления. В том случае, если в образцах имеется несколько систем микротрещин, их влияние может меняться в зависимости от РТ-условий, приводя к появлению инверсий на температурных трендах. Такой подход позволил выявить влияние техногенных микротрещин на проницаемость образцов керна. Исследования под электронным микроскопом показали, что в образцах керна сверхглубоких скважин, как правило, отмечается несколько систем микротрещин c разными коэффициентами формы. Результаты микроструктурных исследований и мгновенного водонасыщения показывают, что в исходных образцах развиты в основном длинные микротрещины, т.е. с низким коэффициентом формы (0.002 - 0.007). Так как такие микротрещины распространены в основном в образцах керна и не выявлены в значительном количестве в образцах с поверхности, очевидно, они имеют техногенное происхождение. Причем расчеты показывают, что именно такие микротрещины вносят основной вклад в общую проницаемость образцов. Длинные микротрещины неустойчивы и закрываются, несмотря на нагревание, даже при небольших давлениях, что приводит к уменьшению проницаемости (рис. 3.3).

Эти результаты согласуются с более быстрым увеличением скоростей упругих волн при давлениях < 200 МПа в образцах керна, чем в образцах с поверхности (глава IV, рис. 4.1 а). Таким образом, увеличение давления до величин in situ уменьшает влияние техногенной микротрещиноватости на фильтрационные и упругие свойства керна сверхглубоких скважин.

Микротрещины с более высоким коэффициентом формы (0.03 - 0.05) локализованы, как правило, на границах минеральных зерен, ориентированных вдоль сланцеватости. Неравномерное расширение минеральных зерен при нагревании приводит к терморазуплотнению и увеличению проницаемости. Этот эффект наиболее интенсивно проявляется при высоких температурах, позволяя преодолеть влияние обжимающего давления. В результате, проницаемость увеличивается, и на температурных трендах появляются инверсии (рис. 3.3, 3.4).

Как уже отмечалось выше, исследование каждого образца включало в себя определения проницаемости в широком диапазоне РТ-параметров, что позволило получить оценки проницаемости пород в условиях метаморфизма. Прогрессивные изменения пород кольской серии происходили при температурах около 600 °С и литостатическом давлении 300 - 4МПа. При региональном метаморфизме флюидное давление близко по величине к давлению на твердую фазу [Кременецкий и Овчинников, 1986], следовательно, эффективное давление было меньше современного. Проницаемость образцов, измеренная при температуре 600 °С и низких эффективных давлениях составляет 10-18 - 10-17 м2. Эти значения достаточны, чтобы поток флюидов мог распространяться через трещинно-поровое пространство пород. Полученные результаты хорошо согласуются с оценками проницаемости, сделанными на основе данных о тепловых потоках и анализа метаморфических систем [Dipple и Ferry, 1992; Manning и Ingebritsen, 1999; Ingebritsen и Manning, 1999].

Архейские породы разреза СГ-3 претерпели регрессивные метаморфические изменения при температуре около 300°С. При РТ-параметрах регрессивного метаморфизма, проницаемость исследованных образцов не превышает 10-19 м2, как правило, находится в пределах 10-21 - 10-20 м2. В таких условиях движение флюидов происходит в основном через крупные нарушения сплошности пород - разломы и тектонические зоны.

При одновременном увеличении температуры и давления до величин, соответствующих условиям естественного залегания глубоких горизонтов скважин СГ-3 (рис. 6.1) и КТБ проницаемость всех исследованных образцов уменьшается, но с различной скоростью. Поэтому при РТ-параметрах больших глубин наблюдаются значительные вариации величин параметра. При фильтрации перпендикулярно сланцеватости проницаемость образцов уменьшается быстрее, чем параллельно сланцеватости. Поэтому анизотропия проницаемости, вычисленная аналогично тому, как вычислялась анизотропия продольных волн [Zharikov и др., 2003], сначала увеличивается с глубиной, а при РТ-параметрах глубин 8 - 10 км достигает асимптоты при максимально возможном значении. Таким образом, на фоне общего снижения проницаемости с глубиной, амфиболиты и гнейсы кольской серии, сланцеватая текстура которых благоприятна для аккумулирования и миграции мобильных флюидов через поровотрещинное пространство, могут формировать в нижней части разреза Кольской сверхглубокой скважины локальные водонасыщенные горизонты. В РТ-условиях архейского разреза СГ-3 сланцеватость определяет как анизотропию проницаемости, так и анизотропию скоростей упругих волн, поэтому такие горизонты в естественном залегании могут быть обнаружены по сейсмическим данным: по отношению скоростей продольных и поперечных волн, а также методами, основанными на измерении поляризации поперечных волн.

k (м2) Ak (%) 1E-022 1E-020 1E-018 1E-00 40 80 120 160 20 20 0 20 П-61, поверхность GLP КТБ, 3847 м 52 2 31421 + СГ-3, 8812 м 31421 II СГ-3, 8812 м 43639 СГ-3, 11400 м 84 6 1161118 148 18 11180 110 180 1H(км) T(oC) Pэфф(MПa) H(км) T(oC) Pэфф(MPa) a б Рис. 6.2. Зависимости проницаемости (а) и анизотропии проницаемости (б) образцов кольской серии и образца из скважины КТБ от одновременного увеличения температуры и давления, моделирующих РТ-условия in situ в скважине СГ-3 (II – вдоль сланцеватости, + - перпендикулярно сланцеватости).

Тематическая группа ИЭМ РАН, в работе которой участвует автор, проводит систематические экспериментальные исследования проницаемости в течение 20 лет. За это время при высоких температурах и давлениях исследовано более 50 образцов плотных, низкопористых пород, представляющих основные литологических типы континентальной коры. Сделано более 2000 определений проницаемости при высоких РТ. Такой объем данных позволил провести статистическую обработку и построить обобщенный тренд проницаемости пород континентальной земной коры с глубиной.

Для этого были приняты следующие основные допущения. Средняя мощность континентальной коры составляет 40 км [Christensen и Mooney, 1995]. В ее пределах выделяются области с низким средним и высоким тепловыми потоками: температурными градиентами 9, и 26 оС/км, соответственно [Blackwell, 1971]. Средняя плотность пород континентальной коры составляет 2.84 г/см3 [Christensen и Mooney, 1995], следовательно, литостатическое давление (Pлит) с глубиной возрастает как Pлит = 2.84gH. Для эффективного давления (Pэфф) использовано соотношение: Pэфф = Pлит - Pф., где = 0.85 - 0.95 [Bernabe, 1987]. До глубины 10 км флюидное давление изменятся как гидростатическое, т.е. Pф = фgH, затем в силу того, что утрачивается гидравлическая связь с вышележащими породами, Рф возрастает до литостатического. Плотность воды постоянна и составляет 1.0 г/см3.

lgk=-2.56+2.703h0.268 lgk=-12.55+3.124h0.248 lgk=-12.45+4.330h0.1а б в Рис. 6.2. Зависимости проницаемости образцов горных пород от одновременного увеличения температуры и давления, моделирующих увеличение глубины in situ в условиях континентальной коры с температурными градиентами, типичными для щитов (а), платформ (б) и орогенных областей (в).

1 – диорит С-2625; ; 2 – гранодиорит 83056; 3 – гранодиорит 82066; 4 – гранит Варзобский; 5 – гранит Новоукраинский; 6 – амфиболит 43639; 7 – амфиболит 31863, перпендикулярно слоистости; 8 – амфиболит 31863, параллельно слоистости; 9 – амфиболит 31571; 10 – гнейс 31421, перпендикулярно слоистости; 11 – гнейс 31421, параллельно слоистости.

Тренды проницаемости для градиентов температур 9, 15 и 26оС/км представлены на рис.

6.2. Показательно, что, несмотря на то, что изменения значений параметра при одних и тех же РТ может достигать 4 десятичных порядков, при всех значениях геотермического градиента, включая самое высокое, проницаемость всех образцов уменьшается с глубиной.

Эти результаты согласуются с полученными для скважин СГ-3 и КТБ. Следовательно, справедлив вывод, предложенный для сверхглубоких скважин: в РТ-условиях континентальной коры влияние давления превалирует, что приводит к уменьшению проницаемости пород при увеличении глубины in situ.

Зависимость проницаемости от глубины, полученная в результате статистической обработки экспериментальных данных, представлена на рис. 6.3. Тренд описывается соотношением lgk = -12.56 - 3.225h0.223, где k – проницаемость (м2), h – глубина (км). Ширина области, которую ограничивают границы 90 % доверительного интервала, показывает, как велики возможные вариации параметра. Поэтому, очевидно, уместней говорить не о конкретных значениях проницаемости на различных глубинах, а об общей тенденции уменьшения проницаемости пород континентальной коры с глубиной. Однако из рис. 6.видно, что кривые, полученные для различных градиентов температур, и обобщенный тренд хорошо согласуются между собой, приходя в области больших глубин к асимптотическому значению около 10-20 м2. Такие оценки проницаемости согласуются с полученными по результатам анализа региональных потоков грунтовых вод и теплопереноса в верхней коре, а также исследований активных метаморфических систем средней и нижней коры [Manning и Ingebritsen, 1999].

1. тренд для температурного градиента 9оС/км, 2. тренд для температурного градиента 15оС/км, 3. тренд для температурного градиента 26оС/км, 4. обобщенный тренд, 5. границы доверительного интервала 90%, 6. проницаемость 10-18 м(по Д.Нортону (1979) минимальное значение для гидротермальных процессов), 7. проницаемость по данным геофизических исследований.

Рис.6.3. Зависимость проницаемости пород континентальной коры от глубины.

VII ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ В ЦЕЛЯХ ПОДЗЕМНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Изучение петрофизических свойств является одним из важнейших элементов комплекса исследований по выбору геологических блоков, перспективных для захоронения ВАО или длительного контролируемого хранения ОЯТ [Лаверов, Петров, Величкин и др., 2002, 2003].

В этих работах, которые проводятся в нашей стране в рамках долгосрочных экологических программ, принимают участие сотрудники Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ, ИФЗ и ИЭМ РАН, Геологического факультета МГУ и многих других организаций [Лаверов, Петров, Величкин и др., 2002, 2003].

Основным агентом, осуществляющим перенос радионуклидов в геологической среде, являются подземные воды. Поэтому при выборе участка для захоронения ВАО первостепенное значение придается гидрогеологическим условиям. Общее требование, предъявляемое к гидрогеологической обстановке, заключается в минимизации риска, связанного с выносом радионуклидов потоком подземных вод из могильника в биосферу. Поэтому для размещения могильников и хранилищ РАО необходимо найти монолитные блоки безводных пород с минимальной проницаемостью и трещиноватостью [Лаверов, Величкин и Омельяненко, 2001].

Однако вследствие тектонических, сейсмических воздействий, влияния высоких температур и других факторов, исходные низкие значения проницаемости пород ближней зоны могильника ВАО могут измениться, в том числе и увеличиться. Поэтому возникает необходимость прогнозировать подобные изменения, чтобы получить возможность предусмотреть такой «резерв безопасности», который исключил бы риск попадания ВАО в биосферу.

В настоящей главе изложены результаты исследований фильтрационных свойств образцов пород из участков, где предполагается подземное захоронение ВАО: ПО Маяк и Красноярского горно-химического комбината г. Железногорск, в которых принимал участие автор [Лаверов, Петров, Величкин и др., 2002, 2003; Petrov, Poluektov, Zharikov и др., 2005 a, b и др.]. Главной задачей экспериментальных исследований являлось изучение матричной проницаемости пород ближней зоны могильника ВАО, определение минимальных размеров монолитных блоков этих пород, обеспечивающих безопасное захоронение ВАО, и прогноз возможного изменения параметра при разогреве вследствие тепловыделения ВАО. Поэтому измерения проводили на образцах основных типов пород, отобранных вне зон трещиноватости.

В ходе исследований применяли новый комплекс методов и аппаратуры, позволяющий проводить высокоточные измерения проницаемости [Жариков и др., 2004; Мальковский, Жариков и Шмонов, 2009], (II глава).

k (м2) 1E-01E-08001-18001-18002-68002-61E-08002-78002-98002-108002-108002-111E-00 50 100 150 200 250 3T(oC) a б Рис. 7.2. Зависимости проницаемости образцов из скважин 8001 и 80Рис. 7.1. Проницаемость (а) и пористость (б) образцов из участка Марс-2, ПО Маяк от скважин 8001 и 8002 участка Марс-2, ПО Маяк температуры.

(по Petrov, Poluektov, Zharikov и др., 2005).

Pэфф= сonst = 25 МПа.

Специфика ПО Маяк заключается в том, что полигон для захоронения ВАО, а это – более 2000 т отвержденных отходов суммарной активностью около 3.108 Ки, должен располагаться в санитарно-защитной зоне предприятия [Глаголенко и др., 1996, 1997]. В пределах этой зоны выделены два участка, размеры которых позволяют расположить там скважинные могильники ВАО [Velichkin и др., 1997; Лаверов, Петров, Величкин и др., 2003]. На рис.7.представлены результаты измерений эффективной пористости и проницаемости наиболее представительных образцов из разрезов скважин 8001 и 8002, пробуренных на участке Марс 2. Вне зон дислокаций метавулканиты представляют собой массивные породы, с низкими значениями пористости (среднее значение – 0.26 %) и проницаемости (среднее значение - 1.92.10-19 м2). Показательно, что проницаемость этих пород даже с учетом ее возрастания при нагревании (рис.7.2) ниже, чем у образца, отобранного на фланге зоны рассланцевания, и метасоматически измененного андезито-базальтового порфирита.

(%) k (м2) 1E-020 1E-018 1E-016 0.0 2.0 4.0 6.k (м2) 1E-0Участок Каменный Участок Итатский 21E-041E-0К 647.И 31E-061E-0800 0 50 100 1T(oC) Н (м) H ( a б Рис. 7.3. Проницаемость (а) и пористость (б) образцов, Рис. 7.4. Зависимости проницаемости отобранных в скважинах 1И-500 и 1К-700, на участках образцов Нижнеканского массива от Итатский и Каменный, Красноярский ГХК. температуры. Pэфф= сonst = 25 МПа.

В Нижнеканском гранитоидном массиве, в 25 - 30 км к юго-западу от Красноярского ГХК, находятся участки Итатский и Каменный, выбранные для комплексного, детального исследования и возможного размещения подземных лабораторий, а также хранилищ или могильников ВАО [Андерсон и др., 1999]. На рис. 7.3 представлены результаты измерений эффективной пористости и проницаемости образцов основных литологических разностей пород из керна скважин 1И-500, пробуренной на участке Итатский, и 1К-700, пробуренной на участке Каменный, на рис. 7.4 – зависимости проницаемости от температуры. Средние значение пористости по обоим участкам - 0.44 %. Среднее значение проницаемости -1.30.10-м2. Для обеих скважин характерна тенденция увеличения проницаемости с глубиной. В разгнейсованных породах отмечаются значительная анизотропия проницаемости.

Таким образом, как для метавулканитов, так и для гранитоидов характерны низкие значения пористости. Средние значения параметра близки (0.26 % и 0.44 %), соответственно. В то же время в гранитоидах, которые по В.И.Старостину (1988) принадлежат к хрупкомалопрочному петрофизическому типу, сильнее развита микротрещиноватость, чем в метавулканитах вязко-прочного типа. Как следствие, среднее значение проницаемости гранитоидов (1.30.10-18 м2) значительно выше, чем у метавулканитов (1.92.10-19 м2). Этим значениям проницаемости соответствуют коэффициенты фильтрации 10-6 и 10-7 м/сут., соответственно.

Тем не менее, величины проницаемости и коэффициентов фильтрации и метавулканитов, и гранитоидов являются достаточно низкими, чтобы признать эти породы благоприятной средой для размещения могильников или хранилищ ВАО и ОЯТ в том случае, если они будут размещены в монолитных блоках достаточной мощности.

Породы разного петрофизического типа по-разному реагируют на нагревание: у массивных вулканитов проницаемость увеличивается, у гранитоидов, где в исходных породах сильнее развиты микротрещины, проницаемость сначала уменьшается, что приводит к появлению инверсий на температурных трендах.

Следует отметить, что в обоих разрезах встречаются сильно анизотропные породы. Поэтому при подземном захоронении ВАО необходимо учитывать как величину анизотропии проницаемости, так и направление ориентированной микротрещиноватости.

С тем, чтобы оценить мощность монолитных пород, необходимую для захоронения ВАО, с использованием методики, изложенной в работах В.И. Мальковского и соавторов [Мальковский и др., 1994, Malkovsky, Pek и Tsang, 1998], было проведено численное моделирование термоконвективного выноса радионуклидов из могильника подземными водами, что позволило по концентрации наиболее опасного изотопа - 90Sr определить безопасную глубину размещения отходов в зависимости от проницаемости вмещающих пород.

Проектирование подземных хранилищ радиоактивных отходов (РАО), должно осуществляться с учетом "резерва безопасности", т.е. включать в себя самые неблагоприятные сценарии развития событий, которые могут привести к попаданию отходов в биосферу. Среди таких событий нельзя исключить землетрясений. Сейсмичность района ПО Маяк - до 6 баллов [Кочкин, 2005], района Красноярского ГХК - 7 баллов [Андерсон и др., 2006].

С тем, чтобы изучить влияние сейсмического воздействия на проницаемость пород ближней зоны могильника ВАО, были проведены эксперименты при одновременном воздействии колебаний сейсмических частот, дифференциального нагружения и нагревания образца [Shmonov, Vitovtova и Zharikov, 1999; Шмонов, Витовтова и Жариков, 2002, 2004]. Исследования были выполнены в ИЭМ РАН на установке, разработанной В.М. Шмоновым. Сейсмическое воздействие моделировалось путем циклического изменения осевого давления или давления обжима с частотой от 0.05 до 20 Гц.

Установлено, что циклическое нагружение может вызывать образование микротрещин и необратимое изменение структуры порового пространства, которое приводит к увеличению проницаемости пород. Сейсмическое воздействие привело к повышению проницаемости известняков в 1.2 раза. При увеличении температуры этот эффект усиливается за счет ослабления межзерновых границ в результате проникновения воды: проницаемость базальтов, нагретых до 250 °С, при тех же параметрах нагружения увеличилась в 2.5 - 3.7 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Разработан комплекс новых методов, аппаратуры и программных средств для измерений проницаемости и анизотропии проницаемости образцов горных пород.

Выявлены закономерности изменения проницаемости основных типов пород континентальной коры при одновременном воздействии высоких давлений и температур. Установлено, что характер РТ-трендов проницаемости кристаллических пород определяется разнонаправленными изменениями микротрещиноватости.

Получены значения скоростей упругих волн и упругой анизотропии на образцах пород Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) при РТ-параметрах естественного залегания. Выявлено влияние состава и текстуры пород на величины скоростей упругих волн и их анизотропию. На основании сопоставления величин скоростей упругих волн, определенных по данным лабораторных и геофизических исследований, сделан вывод о возможном присутствии разуплотненных флюидонасыщенных пород в архейской части разреза СГ-3.

Установлено, что присутствие водных флюидов при нагревании в условиях низкого эффективного давления может инициировать целый ряд процессов, изменяющих микроструктуру кристаллических пород, но не изменяющих их состав. Результат взаимодействия этих процессов меняется с температурой, приводя к изменениям микротрещиной пористости и как следствие скоростей упругих волн. Таким образом, возможно появление сейсмических границ в однородных по составу породах.

Установлен характер изменения проницаемости и анизотропии проницаемости амфиболитов и гнейсов кольской серии в РТ-условиях разреза СГ-3. Выявлены факторы, определяющие анизотропию проницаемости в этих условиях. Установлено, что сланцеватая структура амфиболитов и гнейсов кольской серии благоприятна для аккумулирования и миграции мобильных флюидов. Эти породы могут формировать в нижней части разреза СГ-3 локальные водонасыщенные горизонты.

В результате статистической обработки экспериментальных данных (50 образцов, около 2000 определений при высоких РТ) получена обобщенная степенная аппроксимирующая зависимость проницаемости пород континентальной коры с глубиной.

Получены данные о проницаемости образцов основных типов пород с территорий предполагаемого подземного захоронения ВАО и выявлены особенности текстуры и микроструктуры пород, определяющие их фильтрационные свойства. Сделан прогноз возможного изменения проницаемости пород ближней зоны могильника вследствие тепловыделения ВАО, сейсмического воздействия и определены безопасные глубины скважинного могильника.

Основные публикации по теме диссертации Шмонов В.М., Витовтова В.И., Жариков А.В. Флюидная проницаемость пород земной коры М.: Научный мир. 2002. 216 с.

1. Жариков А.В., Витовтова В.М., Шмонов В.М. Экспериментальное исследование проницаемости архейских пород из Кольской сверхглубокой скважины // Геология рудных месторождений. 1990. № 6. C. 79-88.

2. Жариков А.В., Витовтова В.М., Шмонов В.М. и др. Проницаемость пород сверхглубоких КТВ-Оберпфальц (Германия) и Кольской СГ-3 (СССР) //Тезисы доклада на XII Всесоюзном Совещании по экспериментальной минералогии. Миасс. 1991.

3. Жариков А.В., Витовтова В.М., Шмонов В.М. Проницаемость образцов керна сверхглубоких скважин и их поверхностных аналогов при высоких температурах и давлениях / Результаты изучения глубинного вещества и физических процессов Кольской сверхглубокой скважины до глубины 12261 м. Под. ред. Митрофанова Ф.П., Горбацевича Ф.Ф. Апатиты:

Издательство МУП «Полиграф». 2000. С. 122-126.

4. Жариков А.В., Лебедев Е.Б., Рыженко Б.Н., Шмонов В.М., Дорфман А.М. Изучение физико-химических механизмов влияния флюидов на упругие свойства осадочных и метаморфических пород при давлениях 300 МПа и температурах до 900оС / Тезисы докладов на Международной конференции “Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле”. М.: ГЕОХИ РАН. 1997. C. 23-24.

5. Жариков А.В., Лобанов К.В., Керн Х., Витовтова B.М. Транспортные, упругие свойства и анизотропия пород Кольской сверхглубокой скважины (по экспериментальным данным) // Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН», ISSN 1819 – 6586 № 1(26), 2008. М.: ИФЗ РАН. URL:

http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2008/informbul-3_2008/cw-8.pdf 6. Жариков А.В., Мальковский В.И., Шмонов В.М., Витовтова В.М Экспериментальное исследование проницаемости образцов горных пород при высоких РТ: применение для захоронения высокорадиоактивных отходов / Четвертое совещание "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле, Москва 13-15 октября 2003 г. Тезисы докладов. С. 15-16.

7. Жариков А.В., Мальковский В.И., Шмонов В.М., Витовтова В.М., Графчиков А.А. Метод измерения проницаемости образцов горных пород с учетом изменения термодинамических свойств флюида / Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии ЕСЭМПГ-2004, 20-21 апреля 2004 г. Тезисы докладов. С. 23-24.

8. Жариков А.В., Мальковский В.И., Шмонов В.М. Новый метод для исследования проницаемости образцов анизотропных пород при изменении температуры / Фундаментальные проблемы нефтегазовой геологии. М.: ГЕОС. 2005. С. 500-504.

9. Жариков А.В., Шмонов В.М., Витовтова В.М. Экспериментальное исследование проницаемости образцов горных пород при высоких температурах и давлениях: следствия для континентальной коры / Шестая международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Москва, 3-5 октября 2005 г. Тезисы докладов. С.22.

10. Жариков А.В., Шмонов В.М., Витовтова В.М., Мальковский В.И. Экспериментальное определение индивидуальных скоростей фильтрации вулканических газов при высоких температурах / Экспериментальные исследования эндогенных процессов Сборник трудов.

Черноголовка: 2008. C. 258-263.

11. Жариков А.В., Шмонов В.М., Керн Х. Транспортные и упругие свойства кристаллических пород при высоких PT-параметрах (по экспериментальным данным) // Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» ISSN 1819 – 6586 № 1(25), 2007 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2007/informbul1_2007/geomaterial-1.pdf 12. Лаверов Н.П., Петров В.А., Величкин В.И., Полуэктов В.В., Жариков А.В., Насимов Р.М., Дьяур Н.И., Ровный C.И., Дрожко Е.Г., Иванов И.А. Петрофизические и минеральнохимические аспекты выбора участков для изоляции ВАО в метавулканитах района ПО «Маяк», южный Урал // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология.

2003. № 1. C. 5-22.

13. Лаверов Н.П., Петров В.А., Величкин В.И., Полуэктов В.В., Жариков А.В., Насимов Р.М., Дьяур Н.И., Бурмистров А.А., Петрунин Г.И., Попов В.Г., Сибгатулин В.Г., Линд Э.Н. Петрофизические свойства гранитоидов Нижнеканского массива: к вопросу о выборе участков для изоляции ВАО и ОЯТ // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2002. № 4. C. 293-310.

14. Лебедев Е.Б., Дорфман А.М., Зебрин С.Р., Жариков А.В., Пэк А.А. Влияние водного флюида на скорость продольных волн, пористость и проницаемость амфиболитов при температурах до 850оС и давлении 300 МПа // Геохимия. 1995. № 2. C. 282-294.

15. Лебедев E.Б., Рыженко Б.Н., Дорфман A.M., Зебрин С.Р., Жариков А.В., Соколова Н.T., Бурхардт X. Экспериментальное исследование влияния состава водных растворов на упругие свойства песчаника при высоких давлениях и температурах и компьютерное моделирование взаимодействия вода-порода // Геохимия. 1999. № 7. C. 686-695.

16. Лобанов К.В., Глаголев А.А., Жариков А.В., Кузнецов А.В., Смирнов Ю.П. Сопоставление архейских пород в разрезе Кольской сверхглубокой скважины и на поверхности // Геоинформатика. 1999. № 4. C. 38-50.

17. Лобанов К.В., Казанский В.И., Кузнецов А.В., Жариков А.В., Никитин А.Н., Иванкина Т.И., Замятина Н.В. Сопоставление архейских пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины и с поверхности по результатам структурно-петрологических, петрофизических и нейтроннографических исследований образцов-аналогов // Петрология. 2002. Т.10. № 1.

С. 1-16.

18. Иванкина Т.И., Никитин А.Н., Замятина И.В., Казанский В.И., Лобанов К.В., Жариков А.В. Анизотропия архейских амфиболитов и гнейсов из разреза Кольской сверхглубокой скважины до данным нейтронографического текстурного анализа // Физика Земли. 2004. № 4. С. 74-87.

19. Керн X., Попп Т., Горбацевич Ф.Ф., Жариков А.В., Лобанов К.В., Смирнов Ю.П. Сейсмические свойства пород из Кольской сверхглубокой скважины и их гомологов на поверхности в условиях, адекватных глубинным // Вестник МГТУ. 2007. Т. 10. № 2. С. 263-266.

20. Мальковский В.И., Жариков А.В., Шмонов В.М. Новые методы измерения проницаемости образцов горных пород для однофазного флюида //Физика Земли. 2009. № 2. С. 3-14.

21. Нартикоев В.Д., Семашко С.В., Жариков А.В. и др. Геофизические критерии выделения проницаемых зон в земной коре (по результатам бурения Кольской СГС) / Скважинная геоакустика при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. М.:

ВНИИГеоинформсистем. 1987. C.14-21.

22. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Континентальная земная кора: проницаемость, электропроводность и землетрясения (экспериментальные исследования) / Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков. Т. 2. Петрология, геохимия, минералогия, геология месторождений полезных ископаемых, геоэкология. М. 2002. С. 201-202.

23. Шмонов В.М, Витовтова В.М, Жариков А.В. Влияние сейсмического воздействия на проницаемость горных пород (аналитическое и экспериментальное исследование) / Экспериментальная минералогия некоторые итоги на рубеже столетий. М.: Наука. 2004. Т.1. С.

342-363.

24. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В., Графчиков А.А. Флюидная проницаемость континентальной земной коры (экспериментальные данные) / Экспериментальные исследования эндогенных процессов Сборник трудов. Черноголовка: 2008. C. 275-286.

25. Lebedev E.B., Zharikov A.V. Study of intergranular films and interstitial phases in geomaterials using high temperature centrifuge and ultrasonic method at high pressure // Physics and Chemistry of the Earth. 2000. V.25 №.2. P. 209-214.

26. Lobanov K., Kazansky V., Kuznetsov A., Zharikov A. Integrated Geodynamic Model Of The Pechenga Ore District On The Correlation Geological, Petrological And Petrophysical Data On Kola Superdeep Borehole Section And Reference Profile On Surface / 2nd International Geological Congress Florence-Italy, August 20-28, 2004. Abstracts Part 1. P. 763.

27. Kern H., Popp T., Gorbatsevich F., Zharikov A., Lobanov K.V., Smirnov Y.P. Pressure and temperature dependence of Vp and Vs in rocks from the superdeep well and from surface analogues at Kola and the nature of velocity anisotropy //Tectonophysics. 2001.V.338. P.113-134.

28. Malkovsky V.I., Zharikov A.V., Shmonov V.M. An important point in procedure of rock sample preparation for gas permeability study // Experiment in Geosciences. 2004 a. V.12. № 1.

P. 32-35.

29. Malkovsky V.I., Zharikov A.V., Shmonov V.M. Influence of inflow and outflow conditions on the rock sample permeability measurements // Experiment in Geosciences. 2004 b. V.12. №. 1.

P. 35-37.

30. Malkovsky V.I., Zharikov A.V., Shmonov V.M. New technique for measurement of rock sample permeability / Geophysical Research Abstracts. 2008. V.10. EGU-2008-A-02645, SRefID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-02645.

31. Petrov V.A., Poluektov V.V., Zharikov A.V., Nasimov R.M., Diaur N.I., Terentiev V.A., Burmistrov A.A., Petrunin G.I., Popov V.G., Sibgatulin V.G., Lind E.N., Grafchikov A.A., Shmonov V.M. Microstructure, filtration, elastic and thermal properties of granite rock samples:

implication for HLW disposal / Petrophysical properties of crystalline rocks. Geological Society of London. Special publications. Ed. by Harvey P.K., Brewer T.S., Pezard P.A. & Petrov V.A.

2005 а. V. 240. P. 237-253.

32. Petrov V.A., Poluektov V.V., Zharikov A.V., Velichkin V.I., Nasimov R.M., Diaur N.I., Terentiev V.A., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Deformation of metavolcanics in the Karachay Lake area, Southern Urals: petrophysical and mineral-chemical aspects / Petrophysical properties of crystalline rocks. Geological Society of London. Special publications. Ed. by Harvey P.K., Brewer T.S., Pezard P.A. & Petrov V.A. 2005 b. V. 240. P. 307-321.

33. Shmonov V.M., Malkovsky V.I., Zharikov A.V. Theoretical basis of a technique for measurement of permeability of tight rocks at high temperature and pressure // Experiment in Geosciences. 2006. V.13. № 1. P. 134-137.

34. Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Zharikov A.V. Experimental and theoretical determination of the formation conditions for cracked fluid conducting systems under shock decompression // Experiment in Geosciences. 1995. V. 4. № 4. P. 56-57.

35. Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Zharikov A.V. Experimental study of seismic oscillation effect on rock permeability under high temperature and pressure // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1999. V. 36. P. 405-412.

36. Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Zharikov A.V., Grafchikov A.A. Fluid Permeability of the Continental Crust: Estimation from Experimental Data // Journal of Geochemical Exploration // 2003. V. 78-79. P. 697-699.

37. Trova J., ivor R., Lobanov K., Kazansky V., Zharikov A., Smirnov Y. Comparison of elastic properties of the Kola Superdeep borehole core samples and their surface analogues obtained by static and dynamic measurements // Acta Montana. 2002. V. 125. № 21. P. 27-54.

38. Vitovtova V.M., Romanenko I.M., Shmonov V.M., Zharikov A.V. A sell for a scanning electron microscope study of the rock structure at a temperature up to 600 oC and stress up to 1MPa // Instruments and experimental techniques. 2003. V. 46. № 5. P. 138-140.

39. Zharikov A.V., Kern H., Shmonov V.M. Transport, elastic properties and anisotropy of the rocks from the Кola superdeep drill hole (experimental data) / Geophysical Research Abstracts.

2008. V. 10. EGU-2008-A-02629, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-02629.

40. Zharikov A.V., Lebedev E.B., Dorfman A.M., Vitovtova V.M. Effect of saturating fluid composition on the rock microstructure, porosity, permeability and Vp under high pressure and temperature // Physics and Chemistry of the Earth. 2000. V. 25. № 2. P. 215-218.

41. Zharikov A.V., Malkovsky V.I., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Permeability of rock samples from the Kola and KTB superdeep boreholes at high PT parameters as related to the problem of underground disposal of radioactive waste / Petrophysical properties of crystalline rocks. Geological Society of London. Special publications. Ed. by Harvey P.K., Brewer T.S., Pezard P.A. & Petrov V.A. 2005. V. 240. P. 153-164.

42. Zharikov A.V., Malkovsky V.I., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Rock sample permeability at high temperature and pressure: implication to high level waste disposal / Geophysical Research Abstracts. 2002. V. 4. EGS02-A-02651.

43. Zharikov A.V., Malkovsky V.I., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Technique and equipment for determination of rock sample permeability / Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 06279, 2005, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-06279.

44. Zharikov A.V., Pek A.A., Lebedev E.B., Dorfman A.M., Zebrin S.R. The effect of water oC fluid at temperature up to 850 and pressure of 300 MPa on porosity and permeability of amphibolite // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1993. V 76. № 3/4. P 219-227.

45. Zharikov A.V., Shmonov V.M., Vitovtova V.M. Experimental study of rock permeability temperature and pressure: implication to continental crust / Geophysical Research Abstracts.

2005. V. 7. 04318, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-04318.

46. Zharikov A.V., Shmonov V.M., Vitovtova V.M., Grafchikov A.A. Experimental study of rock permeability and its anisotropy at high temperature and pressure // Proceedings of the XXVI Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Geophysical Research Abstracts. 2001. V. 3.

47. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V. M., Grafchikov A.A. Permeability of the rocks from the Kola superdeep borehole at high temperature and pressure: implication to fluid dynamics in the continental crust // Tectonophysics. 2003. V. 370. № 1-4. P. 177-191.

48. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Pek A.A., Shmonov V.M. Permeability of amphibolite coresamples from Kola (Russia) and KTB (Germany) deep drill holes at temperature up to 600оC and pressure up to 200 MPa / Proceedings of the Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Annales Geophysicae. 1993. Supplement 1 to V. 11. Part 1. P. 17.

49. Zharikov A.V., Vitovtova, V.M., Shmonov V.M. Permeability of rocks at pressure-temperature cycling / Proceedings of the Annual General Assembly of the European Geophysical Society.

Annales Geophysicae. 1995. Supplement 1 to V. 13. P. 108.

50. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V.M. Permeability of rocks at high temperature and pressure: experimental and calculated data / Proceedings of the Annual General Assembly of the European Geophysical Society. Annales Geophysicae. 1995. Supplement 1 to V. 13. P. 108.

51. Zharikov A.V., Vitovtova V.M., Shmonov V.M. Permeability of amphibolite samples from the Kola (Russia) and KTB (Germany) superdeep drill holes at high temperature and pressure // Geophysical Research Abstracts. 2002. V.4. EGS02-A-03891.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.