Новости

Новости

Процессы теплопереноса при рудоотложении


Характер течения флюидов в трещиноватых проницаемых породах может быть адекватно описан эмпирическими соотношениями между потенциалом потока флюидов, свойствами породы и флюида, а также массой потока флюидов, определяемыми законом Дарси:

где q — масса потока флюида в г/(см2*с), а V — оператор градиента, который определяет значение и направление наиболее быстрого изменения гидростатического давления Р. Координатная система построена таким образом, что z является единичным вектором, направленным вертикально; на поверхности z = 0, ниже земной поверхности эта величина становится отрицательной.
Когда течения флюидов не происходит, масса потока q равна нулю, и в этом случае должно соблюдаться условие гидростатического режима, т. е.

Уравнение (12.2) имеет интересное следствие, которое станет более очевидным, если его записать в векторной форме; при этом каждая строчка матрицы представит собой отдельное уравнение:

Нижняя строчка позволяет определять давление на любой глубине, поскольку, если течения флюидов не происходит, оно будет равно гидростатическому давлению, обусловленному весом колонны флюида над рассматриваемым блоком пород. Сделанный вывод станет еще более очевидным после интегрирования уравнения

Так как величина г приобретает с глубиной отрицательное значение, из уравнения (12.4) следует, что давление возрастает с глубиной, и если плотность флюида р (z) постоянна, то P (z) = P (z = 0) — pgz, что представляет собой нормальное гидростатическое увеличение давления с глубиной.
Далее, из уравнения (12.3) следует, что, когда нет течения флюидов при q = 0, будет соблюдаться равенство dР/dх = dР/dу = 0, указывающее на то, что давление может меняться только с глубиной, но не по горизонтали. Если же значение P может изменяться лишь с глубиной, то, согласно уравнению (12.4), плотность флюида также может изменяться в зависимости от глубины. Когда течения флюидов не происходит, их плотность в горизонтальной плоскости должна быть постоянной. Поэтому течение флюида представляет неизбежное следствие изменений его плотности в любой горизонтальной плоскости. Неясным остаются лишь масштабы этого течения, но и» уравнения (12.1) видно, что масса потока флюида зависит от проницаемости пород и вязкости флюида.
Рассмотрим случай, когда магматическое тело внедряется в водонасыщенные породы, в результате чего флюиды внутри кристаллизующегося тела или на его контактах будут иметь температуру на несколько сотен градусов выше, чем флюиды, находящиеся на том же уровне, но за пределами зоны интрузивного прогрева. Вблизи плутона флюиды будут иметь меньшую плотность, чем за пределами воздействия горячей интрузии. Из уравнения (12.1) и из того факта, что dР/dх и dР/dу в уравнении (12.3) не равны нулю, следует, что течение флюидов будет обязательным условием для данной системы.
Течение флюидов в земной коре представляет собой естественный неизбежный результат существования тепловых аномалий, которые вызывают изменения плотности флюида в горизонтальной плоскости. Практически все интрузии магмы в водонасыщенную среду будут сопровождаться конвективным течением флюидов, обусловленным нагревом; однако в некоторых случаях, когда породы, вмещающие данный плутон, характеризуются низкой проницаемостью, течение флюидов может быть незначительным.
Изменения плотности флюида в зависимости от температуры при постоянных давлении и концентрации растворенных веществ определяются коэффициентом термического расширения флюида а:

Принимая величину а постоянной, можно рассчитать значения плотности для участков тепловой аномалии и окружающих ее областей, используя приблизительную интегральную форму уравнения (12.5):

Подставляя уравнение (12.6) в уравнение (12.1), получим

Нарушение нормальных градиентов гидростатического давления вызывает течение флюидов, приводящее к нивелированию аномальных изменений давления. Таким образом, существует тенденция сохранения градиентов гидростатического давления, несмотря на наличие аномалий плотности, связанных с температурным эффектом. На основе уравнения (12.7) можно приблизительно оценить скорости вертикального течения флюидов, возникающего в связи с интрузией магмы в земной коре, приравняв VP к нормальному градиенту гидростатического давления воды при комнатной (20° С) температуре (-p0g). В этом случае уравнение (12.7) примет вид

Если принять, что отвечающая плутону температурная аномалия T равна 750° С, а кровля плутона расположена на глубине 2 км, т. е. P = 200 бар, то приблизительная масса потока флюидов может быть вычислена по уравнению (12.8;. Допустим, что v = 9*10в-3 см2/с, р0 = 1 г/см3, к = 1 миллидарси = 10в-11 см2, a = 1,2*10-3 °C-1 и g — 10в3 см/с2; тогда

Колебания плотности флюида связаны также с изменениями концентрации растворенных веществ в водных растворах. Химические составы флюидных включений в кристаллах кварца и минеральных ассоциаций рудных месторождений служат указанием на то, что концентрация солей в водных растворах, представленных преимущественно NaCl и другими хлоридами щелочных металлов, колеблется в интервале приблизительно от 10в-2 т до 3 т и более (табл. 8.2). Анализ влияния солености на характер течения низкотемпературных подземных вод проводили Нилд, Веронис и Рубин. Согласно этим исследованиям в комбинации с данными по кажущимся мольным объемам щелочных металлов, влияние растворенного вещества на плотность раствора достаточно велико, чтобы частично компенсировать аномалии плотности, возникшие вследствие аномальных температурных градиентов. Например, раствор NaCl с соленостью 3 т (17,5 вес.%) при температуре 350° С и давлении 200 бар будет иметь такую же плотность, как чистая Н2O при температуре на 75° С ниже. Растворы, содержащие 35 вес.% NaCl и зафиксированные в плутонах, вмещающих меднопорфировые месторождения, будут иметь плотность, аналогичную плотности чистой воды при температуре примерно на 150° С ниже. Дополнительными, требующими учета факторами являются вязкость и плотность флюидов в системе NaCl—H2O, характер распределения и источник флюидов высокой солености внутри плутона, а также изменение концентрации этих флюидов во времени. Количественная оценка масштабов колебания плотности флюидов в связи с соленостью здесь не приводится. Тем не менее рассолообразные гидротермальные растворы, формирующие нагретую до высоких температур колонну, будут иметь, по-видимому, меньшую плотность, чем растворы, находящиеся на тех же горизонтальных уровнях, но вдали от плутона и его ближайшего окружения. Так же как это было свойственно обусловленным нагревом аномалиям плотности, аномалии солености будут приводить к возникновению потенциала флюида и саморассеиваться за счет его течения, а так как при наличии растворенного вещества создается и градиент концентраций, то аномалии солености будут исчезать и вследствие диффузии в жидкой фазе.
В результате чисто тепловых эффектов, меняющих плотность флюидов, возникают течения флюидов, способствующие остыванию. В процессе конвекции флюида через аномалию теплового поля энергия рассеивается вверх и в стороны от источника, тем самым постепенно снижая температуру и уменьшая скорость циркуляции флюида. Изменения температуры во времени в этих условиях могут быть описаны следующим двумерным уравнением сохранения энергии:

Этим уравнением обеспечивается расчет теплопереноса одновременно как путем кондукции, так и путем конвекции водных растворов в течение постмагматичеекого периода остывания; однако в нем не учитываются дополнительные источники или поглотители тепла, возникшие за счет химических реакций. Распределение температур внутри и вокруг термоаномалии определяется относительными значениями кондуктивного потока тепла:

которые отвечают условиям изменения температуры вследствие кондукции и конвекции соответственно в уравнении (12.10). Принимая значение энтальпии раствора H = 940 кал/г, получим для случая, рассчитанного в уравнении (12.9), что

Допустим, что теплопроводность пород К = 6*10в-3 кал/(см-с-°С) и что на расстоянии 0,5 км максимальное падение температуры составляет 750° С; тогда

Следовательно, в тех случаях, когда породы обладают достаточно большой проницаемостью, конвективный теплоперенос имеет по крайней мере такое же значение, как и распространение тепла кондуктивным способом. Естественно, что по мере рассеивания тепла в окружающие породы снижается величина потенциала флюида, поскольку возникшие колебания его плотности исчезают, распространяясь на более значительные площади.
Так как параметры конвективного потока флюидов находятся в прямо пропорциональной зависимости от проницаемости пород, то в системе с пониженной проницаемостью, равной 10в-12 см2, возникнет конвективный поток, эквивалентный кондуктивному тепловому потоку. При проницаемости среды, существенно меньшей чем 10в-12 см2, кондуктивный теплоперенос будет иметь большее значение. Такие низкие проницаемости характерны, по-видимому, для очень глубоких горизонтов земной коры (более 15 км), находящихся ниже той зоны, где может быть гидротермальное рудообразование. В блоках пород, в которых вследствие их расположения между протяженными трещинами течение флюида слабое, чисто кондуктивный теплоперенос также становится доминирующим.
Детальный анализ чисто кондуктивного теплопереноса от интрузивов различной геометрической формы проведен в работах. При кондуктивном охлаждении изотермы располагаются примерно параллельно поверхности термоаномалии в течение всего периода остывания. Температура боковых пород зависит от ширины источника тепла; температуры, значения которых составляют 20% значения начальной разницы температур между интрузией и средой, распространяются от центральной плоскости интрузива на расстояние, превышающее половину мощности тела в 2,5 раза. Температуры вне интрузивного тела в процессе кондуктивного охлаждения никогда не достигают 50 % начальной аномальной температуры.
Если рассматривать геологическую среду гидротермальных систем как достаточно проницаемую, то во всех случаях внедрения горячих плутонов в водонасыщенные породы можно ожидать возникновения конвективного движения флюидов. В такой обстановке движущийся по трещинам поток флюидов определяет характер распространения и положение изотерм, зависящие от изменений значений потока флюидов, проницаемости и потенциала флюида. Законы сохранения движения [уравнение (12.1)], сохранения энергии [уравнение (12.10)] и сохранения массы

совместно с уравнением состояния (12.6), начальными условиями и имеющими геологический смысл граничными условиями описывают эволюцию перемещения тепла и флюидов во вмещающей интрузив среде. Численные решения аналогичных систем уравнений были представлены в работах. Данные об исследованиях, в которых учтено наличие интрузивного тела в расчетной области и произведены оценки влияния свойств флюида, зависящих от температуры и давления, были опубликованы в работах.
Характер кругового движения флюида и изменений температур показан на упрощенной схеме, описывающей плутон и вмещающую его среду. Геологическая ситуация следующая: имеется магматическое тело, кровля которого расположена на глубине 2,75 км ниже земной поверхности; его начальная температура на 750° С выше температуры окружающей среды (рис. 12.1). Это тело достигает 2,75 км в высоту, 2 км в поперечнике и бесконечно в третьем измерении. Было допущено, что начальная температура среды определялась нормальным температурным градиентом области, прорванной интрузивом, который составляет, к примеру, 30° С/км, а значения потоков флюидов были приняты равными нулю. Проницаемость плутона составляет приблизительно 0,07 мд (7*10в-13 см2), а вмещающих пород — 0,13 мд (1,3*10в-12 см2). С самого начала плутон рассматривался как упругое тело с протяженными трещинами, количество которых и ширина приоткрывания эквивалентны указанным значениям проницаемости. Изменения линий тока флюидов и аномальных температур были получены для различных периодов времени (20 000, 40 000 и 100 000 лет) на основании расчетов на ЭВМ; результаты приведены на рис. 12.1. В нижней части системы изотермы стремятся приблизиться к контактам плутона вследствие подтока флюидов из окружающего пространства к боковым контактам тела. При более высоких параметрах потока флюидов это влияние становится еще более ярко выраженным, и смещение изотерм дальше вверх в вышележащие породы также усиливается. Температурное поле вокруг конкретной линии тока характеризуется высокими положительными термоградиентами в зонах, в которых флюиды втекают в боковые части тела плутона, и круто ориентированными отрицательными градиентами там, где растворы вытекают из тела плутона через его кровлю.

Важная особенность такого процесса охлаждения — систематическое изменение потока флюидов в зависимости от температуры — естественное следствие физической сути явлений. Теоретическую основу проверенной временем концепции о «пульсационной» природе минерализации и о сложной парагенетической связи метасоматических изменений и рудоотложения можно отчасти применить для объяснения этой особенности, т. е. образование крупной тепловой аномалии в связи с интрузией магмы и сопутствующее развитие трещиноватости в породах ведут к довольно высоким температурам и огромному потоку флюидов по трещинам. Одновременное снижение температуры и потока флюидов происходит по мере рассеивания тепловой аномалии, однако с каждым новым актом интрузии пропорционально увеличиваются и параметры потока флюидов. В тех случаях, когда последующие интрузивные фазы становятся пространственно связанными с одной и той же главной жильной системой, дополнительные массы гидротермальных флюидов начинают циркулировать также вдоль этой жилы.
При анизотропной проницаемости среды, особенно в тех геологических обстановках, когда вокруг интрузива имеется несколько крупных открытых трещин, будет происходить искажение изотерм, вытягивающихся во внешнюю сторону вдоль трещины. О том, какие термоградиенты и эффекты могли иметь место вдоль единой жилы. Появление нескольких широко открытых трещин увеличивает проницаемость пород до значений, намного превышающих несколько миллидарси, и, следовательно, приводит к возрастанию потока флюидов. Для детального рассмотрения термальных аспектов рудоотложения необходимо учитывать размеры источников термальной энергии, распределение их в пространстве и времени, форму и размеры интрузивов и реальные проницаемости пород.