Рычагов

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РУДООБРАЗУЮЩИХ СТРУКТУР.
НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ГЕНЕРАЦИЮ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В ОБЛАСТЯХ
СОВРЕМЕННОГО ВУЛКАНИЗМА
С. Н. Рычагов, В. И. Белоусов, С. П. Белоусова
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, [email protected]
Аннотация
Показано, что геотермальные ресурсы областей современного вулканизма имеют четкую приуроченность к иерархической системе геологических структур: геотермальные провинции – геотермальные районы – гидротермально-магматические системы – геотермальные месторождения и резервуары. Геотермальные провинции представляют собой геологические структуры типа грабенсинклиналей, контролирующие региональные кондуктивный и конвективный тепловые потоки. Геотермальные районы отождествляются с длительноживущими вулканогенно-рудными центрами (центрами эндогенной активности), выраженными на дневной поверхности овально-кольцевыми мегаструктурами диаметром от 18-24 до ≥ 40 км. Гидротермально-магматические системы являются
сквозькоровыми осесимметричными геологическими структурами типа крупных вулканотектонических структур размером в плане до ≥ 18-24 км, образующих своеобразную самоизолирующуюся конвективную ячейку [Geothermal …, 2005]. Геотермальные месторождения не являются только геолого-экономическим понятием, а представляют собой систему сопряженных приподнятых и
опущенных тектонических блоков мощностью до n x 100 м, контролирующих локальные потоки восходящих флюидов и нисходящих метеорных (смешенных) вод.
Введение
В областях современного вулканизма используются, большей частью, геотермальные ресурсы,
связанные с гидротермально-магматическими системами [Geothermal…, 2005]. Расчеты прогнозных
геотермальных ресурсов производятся на основе оценки выноса тепла естественными термопроявлениями на дневной поверхности [Muffler, Cataldi, 1978]. При этом коэффициент увеличения тепловой
мощности систем принимается эмпирически и в среднем составляет от 3 до 7 [Sugrobov, 1995]. Основная разгрузка и аккумулирование тепла в горных породах, газах и парогидротермах (флюидах) происходят на глубине, вплоть до n x 10 км от дневной поверхности. В связи с этим, достаточно точные расчеты прогнозных геотермальных ресурсов областей современного вулканизма возможны только при
условии детального изучения физических и физико-химических параметров (строения и свойств) геологических структур, контролирующих генерацию и перенос геотермального тепла. Авторы настоящего доклада предлагают проводить оценку прогнозных геотермальных ресурсов на основе выделения
и детального изучения региональных и локальных геотермальных (геологических) структур, исследования механизмов генерации, накопления и транспорта геотермальной энергии.
Геотермальные провинции – районы – системы – месторождения
Решение проблемы пространственной локализации гидротермальной деятельности в областях
современного вулканизма является главной задачей геолого-структурных исследований. На настоящем этапе развития геотермии районирование приобретает не только теоретическое, но имеет и экономическое значение, поскольку такие работы определяют направление геолого-разведочных работ и
прямо влияют на оценку геотермальных и богатейших минеральных ресурсов многих регионов Мира.
Сравнительный анализ информации о геотермальных районах побуждает нас констатировать, что в
одной и той же рифтовой структуре можно выделить геотермальные районы, которые имеют разные
геолого-структурные характеристики и различные формы проявления геотермальной энергии. Так,
например, в Восточно-Камчатском рифте (грабен-синклинали ?) к югу от Семячикского района располагаются гидротермально-магматические системы, сопряженные с вулканами Карымским, Малым Семячиком и Кальдерой Академии наук. Геологические исследования свидетельствуют, что эти системы
объединяет единая история развития. Поэтому мы считаем целесообразно объединить данные системы
в один Карымский геотермальный район. Эволюция магматизма Семячикского и Карымского геотермальных районов находится на разных этапах, исходя из состава изверженных продуктов (более кис-
лых расплавов и в больших объемах для Семячикского района). В то же время, оба геотермальных
района располагаются в единой региональной структуре Восточно-Камчатского рифта (грабенсинклинали ?). В связи с этим, считаем логически не противоречивым выделение ВосточноКамчатской геотермальной провинции. Сравнительный анализ геологических структур и гидротермальной активности в пределах Южно-Камчатской грабен-синклинали позволяет выделить ЮжноКамчатскую геотермальную провинцию, в которой располагаются Паратунский, Мутновский (Мутновско-Жировской) и Паужетский (Паужетско-Камбально-Кошелевский) геотермальные районы (рис.
1).
Южно-Камчатская геотермальная провинция располагается в пределах одноименной грабен-синклинали, выделяемой на основе геофизических данных. Как отмечалось выше, основу ее составляют три геотермальных района. Каждый геотермальный район структурно приурочен к длительноживущему вулканическому (вулканогенно-рудному) центру и имеет индивидуальную историю развития [Belousov, 1978]. Мутновский геотермальный район имеет в настоящее время большое промышленное значение для Камчатки в связи с вводом в эксплуатацию Верхне-Мутновской (12 МВтэ) и
Мутновской (50 МВтэ) ГеоЭС и экономически обоснованной необходимостью увеличения добычи
геотермального теплоносителя для покрытия дефицита в тепловой и электрической энергии Камчатской области. Ранее нами дано геолого-структурное обоснование продолжения поисково-разведочных
и расширения эксплуатационных работ в связи с оценкой энергетической мощности района, составляющей по нашим данным не менее 3000 МВтэ при глубине освоения ресурсов 1,5 – 2,0 км. «Избыток» мощностей может быть использован для развития технологий и непосредственной добычи полезных ископаемых из термальных вод, вулканических газов, кремнистых и др. минеральных осадков и
гидротермально измененных пород, которыми богат Мутновский геотермальный район. Район включает одноименную гидротермально-магматическую систему и эксплуатируемые геотермальные месторождения (Верхне-Мутновское и Дачное). В связи с проведенными нами более детальными исследованиями строения гидротермально-магматической системы Баранского (о. Итуруп) и входящего в ее
состав геотермального месторождения Океанское, структурное соподчинение систем и месторождений покажем на примере этих объектов.
Структуру Центрально-Итурупского геотермального района определяют продольные северо-восточные и поперечные северо-западные линейные тектонические нарушения, одноименная кольцевая мегаструктура диаметром 23-26 км и вулкано-тектонические структуры меньшего диаметра.
Гидротермально-магматическая система Баранского приурочена к одной из таких вулканотектонических структур (ВТС), в центре с одноименным вулканом. На пересечении этой ВТС с ВТС
«Крыло» расположено известное геотермальное месторождение Океанское. Ряд рудопроявлений приурочен к этим и другим ВТС [Геолого-геофизический атлас…, 1987]. Таким образом, ЦентральноИтурупская кольцевая мегаструктура может быть отождествлена с длительноживущим вулканогеннорудным центром и современным геотермальным районом. Гидротермально-магматическая система
Баранского характеризуется блоковым строением. Породы относительно опущенного блока и тектоно-магматических поднятий, в целом, значительно менее нарушены и переработаны гидротермальными растворами, чем породы горстов [Рычагов, 1993]. Горсты характеризуются значительным выносом
тепла на дневную поверхность – до 71 000 ккал/сек суммарной мощности. Термовыводящими структурами являются зоны тектонических нарушений, разбивающие породы горстов на мелкие блоки –
пластины, и границы крупных блоков. По аналогии с гидротермально-магматическими системами
Камчатки основными термовыводящими структурами являются зоны разломов, сложенные брекчиями: тектоническими, эндо- и экзоконтактовыми, гидротермальными, полимиктовыми комбинированными. Последние брекчии характеризуются различным составом обломков, многостадийностью формирования гидротермального цемента, многократным проявлением брекчирования и содержат сульфиды железа, свинца, цинка и самородные металлы.
Геотермальное месторождение Океанское практически представляет собой систему из трех
сопряженных тектонических блоков – горстов «Старозаводское поле» и «Кипящая Речка» (основные
термовыводящие структуры) и относительно опущенного блока, служащего областью питания месторождения метеорными и отработанными термальными водами. В недрах горстов идет активный процесс перерождения вулканогенных, вулканогенно-осадочных и субвулканических пород под влиянием
высокотемпературных (≥ 300-3500С) трещинно-поровых сероводородно-углекисло-сульфатных и хлоридно-натриевых углекисло-азотных вод. В эндоконтактовой зоне крупного субвулканического тела
андезито-базальтового состава образуются монокварциты и кварц-эпидозиты. Среднетемпературные
пропилиты формируются в основании разреза. Выше происходит смена данных пропилитов на низкотемпературные и аргиллизированные. За счет аргиллизации образуется верхний водоупорный и теплоизоляционный горизонт мощностью от 50 до 225 м, распространенный на всей площади месторождения. В особом термодинамическом и геохимическом режиме формируются зоны кипения гидротерм. Температуры минералообразования здесь колеблются от 300-250 до 200-1700С и ниже. Это свидетельствует о резком снижении температуры пород в процессе кипения растворов, возможно, за счет
поступления холодных метеорных или морских вод по открытым разломам. При формировании интрузий в обстановке высокой сейсмической активности может происходить взаимодействие расплава с
морской водой. Независимо от состава магмы это приводит к мгновенному испарению воды, вызывающему взрыв, который дробит застывающий расплав и вмещающие породы. Гидротермальные растворы испытывают «мгновенное» охлаждение: от 460-360 до 1900С [Рычагов, 1993]. Такие зоны резкого охлаждения пород фиксирует, в частности, ангидрит. В схожих условиях формируется ангидрит из
измененных базальтов на геотермальном поле Рейкьянес, Исландия [Гептнер и др., 1987]. Таким образом, проникновение значительных масс метеорных и (или) морских вод в недра геотермального месторождения служит одним из спусковых механизмов дробления пород и фактором их охлаждения, а
также может вызвать образование зон кипения гидротерм и осаждение на их границах рудных, щелочных и редких химических элементов.
Генерация тепла и роль газов в структуре гидротермально-магматических систем
Тепловой дисбаланс магматизма и гидротермальной деятельности в областях современного вулканизма [Hochstein, 1995] вынуждает исследователей искать новое объяснение возникновения и функционирования источников тепла в гидротермально-магматических системах. В настоящее время магматические расплавы рассматриваются в качестве главных агентов, транспортирующих тепло, газы и
металлы, и формирующих гидротермальные растворы. Последние воздействуют на окружающую среду, взаимодействуя с породами, гидросферой и атмосферой, и образуют геотермальные месторождения, залежи рудных и нерудных полезных ископаемых. Участие продуктов гидротермального метаморфизма в гидротермально-магматической деятельности рассматривается чаще всего механистически. Мы полагаем, что генерация магматических расплавов и сопряженный с этим гидротермальный
метаморфизм горных пород обусловлены взаимодействиями различных химических элементов и их
соединений, в результате чего образуются продукты реакций, устойчивые в определенных термодинамических условиях. Гидротермально-магматические конвективные системы областей современного
вулканизма рассматриваются нами в качестве сложных химических реакторов, работающих в самоподдерживающемся режиме. В ходе эволюции гидротермально-магматических конвективных систем
островных дуг в их структуре на уровне средней и верхней коры возникают коровые источники тепла
магматического и, возможно, химического происхождения. Тепловая энергия коровых источников
создает циркуляцию растворов, постепенно увеличивает объём гидротермальной конвективной ячейки
в гидротермально-магматической системе на прогрессивном этапе развития. Основу гидротермальных
изменений пород составляет парагенезис минералов кремнезема и сульфидов. Прогрессивное накопление сульфидно-кремнистых гидротермалитов по мере эволюции гидротермально-магматических
систем может рассматриваться как процесс аккумуляции энергии в виде химически активных (горючих) соединений. «Воспламенение» и прогрессирующее «горение» гидротермалитов реализуется под
воздействием глубинных магматических инъекций, в результате чего возникает промежуточный источник тепла – коровый магматический резервуар с относительно низкими температурами расплавов
(8000-10000С). В гидротермально-магматических системах островных дуг происходит генерация газов
с высокой степенью окисленности серы и взрывоспособных газов. Первые способствуют дезинтеграции рудоносных анатектических расплавов, образовавшихся при участии сульфидно-кремнистых гидротермалитов, концентрировавших благородные, полиметаллические, редкие и радиоактивные элементы; происходит перенос и дальнейшее отложение химических элементов в пирокластических породах при нейтрализации кислых растворов. Газы в результате горения и взрыва дробят расплавы и
окружающие твердые породы, выбрасывают их, создают вакуум в момент взрыва; в образующиеся
открытые пространства обрушаются породы кровли, снизу впрыскиваются интенсивно дегазирующие
глубинные и коровые анатектические расплавы, а из окружающей гидросферы поступают метеорные
воды. Сложный комплекс этих процессов, дополненный окислением («горением») сульфидов и притоком атмосферного кислорода по разломам в зону обрушения, приводит к игнимбритообразованию и
отложению другой пирокластики.
Заключение
Выделение и детальное изучение комплексом методов иерархической системы геотермальных
структур (провинций – районов – систем – месторождений) обеспечивает построение концептуальных,
численных термогидродинамических и в дальнейшем – поисково-разведочных и эксплуатационных
моделей геотермальных объектов. Реальность оценок геотермальных энергетических ресурсов прямо
зависит от точности определения границ и строения геологических структур, объемов и свойств водовмещающих и водоупорных комплексов, строения и интенсивности конвективных потоков флюидов. В частности, изучение геологического строения и свойств системы «водоупор – проницаемый
горизонт» создает предпосылки для разработки технологии рационального извлечения геотермального
теплоносителя. В целом, такой подход обеспечивает экономическую целесообразность поисковоразведочных работ, извлечения и использования геотермальных ресурсов областей современного вулканизма и поэтому может лежать в основе подготовки крупных инвестиционных проектов по энерго- и
теплоснабжению регионов. Как правило, геотермальные провинции обладают и богатейшими запасами различных видов минерального сырья. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований (06-05-64689а) и Президиума ДВО РАН (06-III-А-08-332).
Список литературы
Белоусов В. И. Геология геотермальных полей в областях современного вулканизма. М.: Наука, 1978, 174
с.
Геолого-геофизический атлас Курило-Камчатской островной системы. Л.: ВСЕГЕИ, 1987.
Гептнер А. Р., Кристманнсдохтир Х., Селезнева М. А. Вторичные минералы базальтоидов, измененных
гидротермальным рассолом на полуострове Рейкьянес (Исландия) // Литология и полезные ископаемые, 1987. №
2. С. 25-41.
Рычагов С. Н. Гидротермальная система вулкана Баранского, о. Итуруп: модель геологической структуры // Вулканология и сейсмология, 1993. № 2. С. 59-74.
Смирнов Ю. Б., Сугробов В. М., Яновский Ф. А. Земной тепловой поток Камчатки // Вулканология и
сейсмология, 1991, № 2. С. 41-65.
Geothermal and mineral resources of modern volcanism areas (proceedings of the International Kuril-Kachatka
field workshop, July 16 – August 6, 2005) / Ed. S. Rychagov. Petropavlovsk-Kamchatsky: “OTTISK”, 2005, 460 p.
Hochstein M. P. Crustal heat transfer in the Taupo Volcanic Zone (New Zealand): comparison with other
volcanic arcs and explanatory heat source models // J. Vol. Geoth. Res., 1995. 68 (1-3). Pp. 117-151.
Muffler L. J. P. and Cataldi. Methods for regional assessment of geothermal resources // Geothermics, 1978. 7,
2-4, 53-89.
Sugrobov V. M. Utilization of geothermal resources of Kamchatka, prognostic and future development //
Proceeding the World Geothermal Congress, 1995. P. 1549-1554.
Рис. 1. Геотермальные районы Южной Камчатки: структурная схема (Геолого-геофизический атлас…,
1987; с добавлениями и в редакции С.Н. Рычагова).
На врезке показаны основные структурные зоны Камчатки в палеоген-неогеновое время (составлена: Власов, Ярмолюк, 1964): 1 – Западно-Камчатская зона; 2 – Центрально-Камчатская зона; 3 – Восточно-Камчатская
зона; 4 – Срединный массив; 5 – граница Восточно-Камчатской вулканической зоны; 6 – геотермальные районы;
7 – геотермальные системы.
На основном рисунке показаны: 1 – доостроводужные породы (доолигоценовые); 2 – нижний структурный
ярус (олигоцен (?) – средний миоцен); 3 – средний структурный ярус (средний миоцен – плиоцен); 4 – верхний
структурный ярус (четвертичные вулканогенные отложения); 5 – четвертичные и плиоцен-четвертичные (?) осадочные толщи верхнего структурного яруса внутренней зоны островной дуги; 6 – наиболее крупные тела формации кварцевых диоритов; 7 – разломы; 8 – границы геотермальных районов, с севера на юг: Паратунского, Мутновского (Мутновско-Жировского) и Паужетского (Паужетско-Камбально-Кошелевского).