WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод МОНИТОРИНГ ГАЗОВОГО СОСТАВА И ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Кузьмин Ю.Д., Рябинин Г.В.

Камчатская опытно-методическая сейсмолологическая партия Геофизической службы РАН, Петропавловск-Камчатский, E-mail: kuzY@emsd.iks.ru Камчатка является уникальным объектом для изучения природных термоградиентных систем, таких как: вулканы, гидротермальные системы, и сопутствующих им процессов и явлений.

Пространственная приуроченность современных термопроявлений к областям молодого и современного вулканизма свидетельствует о тесной связи магматизма и гидротерм. Возможность прямых наблюдений на этих объектах позволяет перейти от лабораторных исследований и моделей к натурным, а многопараметрические наблюдения позволяют провести корреляции между процессами и явлениями внешнего и внутреннего происхождения. Эти наблюдения создают более корректную информативную базу для постановки уточняющих мероприятий в решении таких вопросов, как:

прогноза землетрясений, извержений вулканов, изучения режима термоградиентной системы и, следовательно, изменения геофизических и геохимических параметров среды, в зависимости от разнообразных воздействий.

MONITORING OF GAS COMPOSITION AND HYDROCHEMICAL PARAMETERS OF HYDROTHERMAL-MAGMATIC SYSTEMS Kuzmin Yu.D. and Raybinin G.V.

Kamchatka Experimental-Metodical Seismological Department of Geophysical Survey Academy of Sciences of Russia, Petropavlovsk - Kamchatksky, E-mail: kuzY@emsd.iks.ru Kamchatka is a unique object for studying thermogradient systems, such as: volcanos, hydrothermal systems and concomitant processes and events. Spatial accompany modern heat development in areas of young and modern volcanism testifies close connection between magmatism and hydroterm. The opportunity of direct supervision on these objects allows proceeding from laboratory researches and models to natural researches. Multipleparameter supervision allows carrying out correlations between processes and the phenomena of external and internal origin. These supervision create more correct informative base for statement qualifying actions in the decision of such questions as: the forecast of earthquakes and eruptions of volcanos, studying conditions of a thermogradient systems and, hence, changes of geophysical and geochemical parameters of environment depending on various influences.

1. Введение Магматический очаг и гидротермальная система являются самоорганизующимися, неравновесными, нелинейными, самоизолирующимися динамическими системами. Термодинамическая самоизоляция системы происходит за счет геохимических процессов (перенос газов, солей, растворов и т.д.) и вторичного минералообразования (см. статьи С.Н. Рычагова и В.И. Белоусова с Кузьмин Ю.Д., Рябинин Г.В.

соавторами в настоящем сборнике). Это позволяет рассматривать данную систему в качестве природного объемного деформографа, изменение параметров которой зависит как от внутренних, так и внешних, изменяющихся во времени, воздействий.

К этим воздействиям можно отнести: метеорологические, гравитационные, сейсмические и электромагнитные колебания в широком диапазоне частот, деформационные напряжения, связанные, как с подвижками блоков земной коры, так и с изменяющимся режимом эндогенного теплового потока, величина которого определяется составом и количеством флюидов, растворенных в системе. Изменения флюидо-термодинамических параметров системы будут происходить в виде флуктуаций, которые тем или иным способом модулируются космическими полями и производственной деятельностью (рис 1). Следовательно, в тектонических процессах, в колебаниях величины теплового эндогенного потока и связанных с ними процессах вулканизма и геотермии должны наблюдаться многочисленные ритмы, циклы, периоды, характерные для космо-земных взаимодействий, от часов и суток - до миллионов лет и более.

производственная деятельность Рис. 1. Блок-схема космо-земных взаимодействий. 1 – гравитационное поле Луны, 2 – гравитационное поле Солнца, 3 – электромагнитное излучение Солнца, 4 – корпускулярные потоки Солнца, 5 – магнитное и электрическое поле атмосферы Земли. ТП – эндогенный тепловой поток Земли.

Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод В вулканическом и гидротермальном процессе общим является эндогенный тепловой поток, величина которого определяет энергетику, состав и свойства вещества, участвующего в конкретном процессе. Практика показывает, что геохимические наблюдения за магматическими очагами вулканических аппаратов, как в предэруптивную, так и эруптивную фазу осуществить сложно.

Гидротермальные системы позволяют проводить исследования круглый год и без больших финансовых затрат.

2. Описание объекта Для рассмотрения вопроса, связанного с мониторингом газового состава и гидрохимических параметров гидротермально-магматических систем, возьмем Верхне Паратунскую гидротермальную систему по следующей причине.

Лабораторией гидросейсмологии КОМСП ГС РАН на данном объекте ведутся наблюдения с 1987 г., накоплен обширный фактический материал, как по газовой, так и по минеральной составляющим термальных вод из самоизливающихся скважин. Кроме этого, имеется подробный геолого-геофизический отчет камчатских гидрогеологов по 45 скважинам Верхне-Паратунской гидротермальной системы, что позволяет иметь полное представление о данной системе. Все 45 скважин в пределах месторождения вскрыли термальные воды, различные по температуре и химическому составу [7]. Верхне-Паратунская гидротермальная система (ВП ГТС) расположена на юго-востоке Камчатки и имеет площадь около 30 км2 (рис. 2).



В центре ВП ГТС возвышается липаритовый экструзивный купол – сопка Горячая. Изучение строения экструзии с. Горячей и состава слагающих пород, позволили сделать предположение, что в плиоценовое время в северо-восточном секторе Карымшинского долгоживущего вулканического центра возник коровый магматический очаг [1]. Выжимка пород риолитового состава в месте пересечения двух разнонаправленных разломов, с блоковым нарушением окружающих пород образовала экструзию с. Горячая. Это не противоречит предположению [6], автор которого на основании анализа геоэлектрического разреза интерпретирует вертикальную зону высокой проводимости как восходящий поток гидротерм от теплового очага.

В геолого-структурном плане ВП ГТС относится к вулкано-купольным структурам и расположена в зоне пересечения двух сложно построенных Кузьмин Ю.Д., Рябинин Г.В.

Рис. 2. Космический снимок Верхне-Паратунской гидротермальной системы.

депрессионных структур, получивших название Паратунского и Карымшинского грабенов и образованных блоковыми подвижками в четвертичное время. В геологическом строении ВП ГТС принимают участие в различной степени дислоцированные вулканогенно осадочные эффузивные и интрузивные образования палеоген-неогенового возраста с перекрывающей их толщей четвертичных отложений мощностью до 150 – 190 м. В региональном плане ВП ГТС приурочена к пересечению Паратунско-Асачинской раздвиговой зоны Вилючинским линеаментом и относится к 8-бальной зоне сейсмического районирования. Землетрясения в данном районе относятся к поверхностному типу с глубиной гипоцентров от 50 км и глубже [6]. На рис 3 для наглядности на топографическую основу нанесено.

месторасположение скважин и разломов.

В пределах гидротермальной системы разгрузка термальных вод образует локальные участки термоаномалий, которые контролируются структурнотектоническими условиями. Для всех термальных вод ВП ГТС характерен трещинно- жильный тип циркуляции. Мощность относительной водоупорной толщи (до появления самоизлива из скважин) составляет 24 – 423 м, преимущественно 100 350. Нижняя граница выделенной толщи залегает на глубине 64 – 585 м. В целом, на месторождении до глубин 400 м, реже 600 м и более, отмечается низкая Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод проницаемость. Расход воды на изливе большинства скважин неболее 3 – 6 л/с, Рис. 3. Расположение Верхне-Паратунской гидротермальной системы, пробуренных скважин, тектонических зон, разломов и нарушений, согласно Тектонической схеме, составленной Ю.А.Касабовым и Т.А.Рябко по материалам Центральной опытнометодической аэрологической партии за 1976 – 1979 гг. и Гореловской геологосъемочной партии за 1979 г.[7] УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 1- левый борт Паратунско-Асачинской раздвиговой зоны. 2- Вилючинский линеамент. 3 - зоны субширотных разломов: 1 – северного субширотного нарушения, 11 – зона центрального субширотного нарушения, 111 – зона южного субширотного нарушения. 4- горячие источники: а – Карымшинские, в- Верхне-Паратунские, г- Поперечные. 5- номера скважин, 6- место расположения ПКН «Карымшина» температура на изливе меняется от 4 до 410С. Максимальный прирост дебита большинства скважин отмечен в интервале 400 – 1000 м. Суммарное приращение дебита на этих глубинах составило 78%. Следует отметить, что термальные воды с Т >700С на изливе вскрываются продуктивными скважинами в интервале 550 – 850 м.

Таким образом, в данном интервале глубин (550 – 850м) наблюдается активная Кузьмин Ю.Д., Рябинин Г.В.

трещинно-жильная циркуляция термальных вод, имеющих разную температуру. С глубин более 1000 м прирост дебита скважин снижается, проницаемость обводненных зон встречается значительно реже. Они локализуются в тектонически ослабленных зонах. Термальные воды характеризуются высоким избыточным напором и сложной конфигурацией пьезометрической поверхности. Минерализация термальных вод ВП ГТС варьирует от 278 мг/л до 2468 мг/л, преобладают значения 1000-1100 мг/л, что намного превышает фоновое, установленное для холодных вод зоны свободного водообмена. Химический состав гидротерм преимущественно сульфатный кальциево-натриевый, в отдельных случаях натриево-кальциевый [7].

Термальные воды относятся к азотным щелочным инфильтрационным водам атмосферного происхождения. Ионно-солевой состав вод формируется в результате выщелачивания разнообразных вулканических и вулканогенно-осадочных пород, а условия циркуляции определяют характерный набор микроэлементов, генетически связанных с глубинными эманациями, поступающими по молодым глубоким тектоническим разломам. Таким образом, гидрохимические особенности терм ВП ГТС увязываются с геологической структурой и динамикой вод в тектонических структурах [4].

Грунтовые воды, несмотря на интенсивный водообмен и низкую температуру (3 - 50С), не оказывают охлаждающего влияния на термальные воды, циркулирующие под водоупором, поэтому можно полагать, что водоупорные породы выполняют и функцию теплоизолятора. Верхняя зона годовых теплооборотов распространена до глубин 23 м [4].





Газонасыщенность термальных скважин невысокая и варьирует от 0.02 х 10-до 33.2 х 10-3 об.%. Наибольшее количество растворенного газа отмечено в скважинах на периферии месторождения. В таблице 1 показаны параметры скважин (по [7]) и состав газов в скважинах в об.%.(Данные лаборатории Гидрогеосейсмологии КОМСП ГС РАН) Таблица Глуби Пьезо.

№ Дебит, Темпер., на, уровень, He H2 O2 N2 Ar CO2 CHскв. л/сек 0С м м K 88 815 24.3 88.6 98.8 0.022 0.0017 0.523 97.9 1.51 0.ГК-17 1196 1.6 47.0 58.4 0.015 0.0000 1.800 95.2 1.95 0.70 0.ГК-15 1209 8.1 30.0 18.4 0.021 0.0090 2.370 94.5 2.21 0.65 0.ГК-5 900 8.0 75.2 8.0 0.021 0.0000 1.250 97.8 1.37 0.03 0.Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод Гелия в термальных скважинах на 3 порядка выше, чем в атмосфере.

Отношения He/Ar наиболее контрастны в краевых зонах и максимальны в северной части сопки Горячей, что, возможно, указывает на местоположение здесь термоподводящих каналов на недоступных для скважин глубинах. Интерпретация газового состава гидротермальной системы позволяет ставить вопрос о том, что формирование химического состава гидротермальной системы тесно связано с наличием глубинного теплоносителя.

3. Методика измерений, аппаратура и результаты С 1987 г. на Карымшинском участке Верхне-Паратунского геотермального месторождения осуществляются непрерывные наблюдения за режимом подземных вод и газов. В настоящий момент наблюдательная сеть в этом районе состоит из самоизливающихся скважин: ГК-5, ГК-15, ГК-44, К-88 и ГК-17. Комплекс режимных наблюдений, проводящихся с дискретностью 1 раз в 6 дней, включает в себя измерения атмосферного давления и температуры воздуха, измерения температуры и расхода воды самоизливающихся скважин, отбор проб воды и газа для последующего их анализа в лабораторных условиях на базе аналитического центра Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. В пробах воды определяются:

pH, концентрация основных растворённых в воде ионов и кислот, концентрация растворённых в воде газов. Всего, 22 параметра.

На графиках (рис. 4 - 11) представлены стандартизированные временные ряды изменений основных показателей химического и газового состава воды скважин ГК-5 и ГК-15. Каждый временной ряд разбит на три составляющие: тренд (Trend), низкочастотную часть (LF part) и высокочастотную часть (HF part). Для разбиения временных рядов на три составляющих применялся нерекурсивный фильтр, в основе которого лежит разностная аппроксимация решения дифференциального уравнения диффузии (диффузионный фильтр) [8]. Разбиение временных рядов на перечисленные составляющие имеет, по нашему мнению, вполне определённый смысл. Так, плавно меняющаяся составляющая "тренд" характеризует длительные (десятки лет) изменения режима подземных вод, которые могут являться следствием трёх причин. Технической, которая обусловлена изменением состояния скважины (например, кальматация фильтра, медленное осыпание ствола скважины). Гидродинамической – изменение режима в результате медленной сработки упругих запасов и прочих процессов, связанных с Кузьмин Ю.Д., Рябинин Г.В.

Рис. 4.Изменение концентрации иона кальция в воде скважин ГК – 15 и ГК 5.

Рис. 5.Изменение концентрации хлор иона в воде скважин ГК – 15 и ГК 5.

Рис. 6.Изменение концентрации иона натрия в воде скважин ГК – 15 и ГК 5.

Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод Рис. 7. Изменение концентрации метана в воде скважин ГК – 15 и ГК 5.

Рис. 8. Изменение концентрации азота в воде скважин ГК – 15 и ГК 5.

Рис. 9. Изменение концентрации углекислого газа в воде скважин ГК – 15 и ГК-5.

перераспределением напоров в водовмещающих горных породах вследствие функционирования самой скважины. Геодинамической – медленные изменения напряжённо-деформационного состояния пород под воздействием современных Кузьмин Ю.Д., Рябинин Г.В.

Рис. 10. Изменение концентрации гидрокарбонат иона в воде скважин ГК–15 и ГК-Рис. 11. Изменение концентрации сульфат иона в воде скважин ГК – 15 и ГК 5.

региональных геодинамических процессов. Низкочастотная составляющая (LF part) характеризует изменения режима подземных вод длительностью от месяцев до нескольких лет. Её изменения могут отражать протекание более быстрых геодинамических процессов и, исходя из опыта наших наблюдений, зачастую связаны с процессами подготовки сильных землетрясений. Кроме того, этот частотный диапазон включает в себя сезонные вариации режима подземных вод.

Высокочастотная составляющая (HF part) состоит, прежде всего, из ошибки анализа, а также из суперпозиции откликов системы «пласт – скважина» на быстрые вариации атмосферных (давление и температура воздуха), гравитационных (лунносолнечные приливы) и других воздействий. Сюда же следует отнести и возможность формирования краткосрочных, длительностью до нескольких суток, вариаций режима подземных вод, связанных с современными геодинамическими процессами.

Такие эффекты могут быть обусловлены неравномерным влиянием деформаций Раздел 4: Геохимия и динамика газов и природных вод среды на фильтрационные связи различных водоносных горизонтов или трещинных систем со стволом скважины [3].

Pages:     || 2 |










© 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.