Доктор физико-математических наук А. В. КАРАКИН, Всероссийский научно-исследовательский институт геологических, геофизических и геохимических систем

Как формируются залежи полезных ископаемых?

Если найти ответ на этот вопрос, можно более эффективно и с наименьшими затратами вести поиск, разведку и оценку запасов подземных кладовых. Однако пока данная проблема остается предметом дискуссий.

Строение нашей планеты довольно сложное: в центре - ядро (внутреннее и внешнее), затем мантия и литосфера. Наружная ее часть - кора - имеет толщину в континентальных зонах примерно 35 - 40 км (что, скажем, в сравнении с яблоком - тоньше его кожуры) и, в свою очередь, делится на нижнюю, среднюю и верхнюю. По ним в разных направлениях циркулируют флюиды: газы, жидкости (вода, нефть, растворы) и расплавы пород.

Данные вещества бывают глубинного и поверхностного происхождения - соответственно ювенильные и метеорные. О том, какие из них преобладают, геологи спорят много десятилетий. А понять это немаловажно, в частности, для выяснения механизма возникновения углеводородных месторождений. Так, сторонники доминирования ювенильных флюидов полагают: нефть, как и прочие жидкости, поднимается из недр Земли. Оппоненты же их уверены: "черное золото" образовалось из остатков органического вещества.

Разнятся взгляды ученых и на появление рудных залежей. Одни (причем подавляющая часть) считают: руды проникли в кору вместе с расплавами вещества с больших глубин либо стали результатом действия поверхностных вод в процессе отложения и переотложения осадочных пород. Другие полагают, что концентрации данных минеральных соединений способствовало движение водных флюидов в холодных условиях верхней коры. Добавим: с рассматриваемым явлением связано и возникновение многих геоэкологических проблем. Например, при разработке нефтяных и газовых месторождений вредные вещества загрязняют поверхностные слои коры, выделяются в атмосферу. А попадание влаги в мельчайшие трещины твердых пород нарушает их прочность и в местах разломов может спровоцировать землетрясение.

Казалось бы, определить, какая из вышеназванных разновидностей флюидов является доминирующей, несложно, если сравнить интенсивность их циркуляции. "Победители" этого "соревнования" и составляют большинство. Скорость ювенильных флюидов вычисляют так: объемы гидросферы (для жидкостей) и атмосферы (для газов) делят на время существования нашей планеты в ее современной форме (около 3 млрд. лет).

Что же касается скорости метеорных флюидов, то о ней можно судить, скажем, по времени восстановления истощенных месторождений нефти и газа (несколько десятков лет). Или другой пример - тепловая конвекция* в трещинова-

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

* Тепловая конвекция - перемещение макроскопических частиц среды под действием разности температуры, приводящее к переносу теплоты и растворенных в воде веществ (прим. ред.).

стр. 49

Миграция флюидов из разлома во внешнюю среду: а - фаза консолидации; b - фаза дилатансии.

то-пористой среде горных пород. Внедрившиеся в кору расплавы (интрузии) создают вокруг себя сильный градиент (перепад) температуры, вызывающий конвективные движения. Их можно идентифицировать на поверхности грунта (характерные ореолы) вблизи вулканов и магматических очагов. В районах так называемых срединно-океанических хребтов, где частично расплавленная астеносфера* близко подходит ко дну океана, тоже наблюдаются результаты тепловой конвекции воды. Ее пульсации прорываются в акваторию. Так, из иллюминатора батискафа видны восходящие прямо со дна белые и черные горячие струи - "курильщики" (цвет им придают растворенные в воде минеральные вещества) - следствие турбулентного (беспорядочного) режима тепловой конвекции**.

Оценки показывают: интенсивность последней, как и других метеорных процессов, примерно на три порядка выше, чем ювенильных (вычислена по приведенной выше схеме). Однако скорость первых - измеренная характеристика отдельно взятых явлений, а вторых - полученная расчетным путем средняя величина для всей планеты. Корректно ли сопоставлять столь разнородные данные? Привести их к единому знаменателю, т.е. получить средние скорости движений флюидов обеих разновидностей прямым инструментальным путем, пока мы не можем. Существующие же косвенные методы не обладают необходимой доказательной силой и нуждаются в серьезном теоретическом обосновании. Поэтому данная проблема стоит до сих пор. Рассмотрим один из возможных подходов к ее решению.

При изучении Земли обычно используют множество способов, оперирующих с различными полями, но не нарушающих целостности объекта и позволяющих делать выводы о его внутреннем состоя-

* Астеносфера - слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней мантии, подстилающий литосферу. Считается, что астеносфера, по крайней мере в некоторых местах, частично расплавлена (прим. ред.).

** См.: А. П. Лисицын, А. М. Сагалевич. Главное открытие в океане. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

стр. 50

нии. А сверхглубокие скважины привели к революционному перевороту во взглядах на строение верхней коры и вместе с тем показали, как мало нам известно о том, что делается в буквальном смысле под ногами. Количество же скважин, зондирующих верхнюю кору, еще слишком мало. Да и технические трудности не позволяют нам пробиться в нее глубже 12 км.

Кроме того, существует и масштабный фактор: информация, полученная при работе с образцами в лаборатории, не всегда адекватно отражает ситуацию на достаточно больших расстояниях. Тем более, вряд ли правомочно распространять эти представления на геологические времена соответствующих процессов.

Косвенные методы исследования верхней коры рассматривают все связанные с ней явления в тех или иных физических условиях за определенные периоды существования Земли и выбирают наиболее интенсивные (как правило, их не так много). Главная задача - показать, какие последствия они могут вызвать. Конечно, этот подход не дает стопроцентной уверенности в правильности результатов, тем не менее он позволяет приблизиться к истине с достаточной вероятностью.

Предмет нашего внимания - верхняя кора - слой толщиной 10 - 15 км, который еще именуют рудосферой, поскольку в ней сосредоточены все месторождения минералов. Здесь породы крайне непрочны и при минимальном растягивающем напряжении всегда разрушаются. Поэтому верхняя (и частично средняя) кора изрезана трещинами и разломами различного размера. Особая их разновидность - листрические (изогнутые) разломы. Они начинаются с поверхности земли почти вертикально, затем распространяются горизонтально, иногда переходя в трещиноватые слои. Последние обладают пониженной сейсмической скоростью и повышенной электропроводностью. Сейсмические волны, отражающиеся от верхней и нижней границы подобного слоя, могут распространяться в нем, как в волноводе, и пройти большое расстояние, не затухая.

Аналогичные структуры в океане пропускают акустические волны, а в атмосфере - радиоволны (те и другие используют для дальней связи). В верхней же коре волноводные слои насыщены флюидами - в основном водными растворами минералов и углеводородами. Причем общее количество влаги там чрезвычайно велико и сравнимо с объемом Мирового океана, что, несомненно, сказывается на всех геологических процессах. Несложные оценки и прямые численные расчеты показывают: газообразные флюиды распространяются с глубины примерно 7 км (т.е. с уровня, доступного для систематического исследования скважинами) до поверхности в течение примерно 400 лет, а вода - на один-два порядка медленнее. Стало быть, нужно совсем немного времени (приблизительно 10³ - 10⁴ лет), чтобы вся масса свободной воды из верхней коры поднялась наверх. Тогда трещины закроются, а волноводы исчезнут. Почему же этого не происходит?

Ответ напрашивается сам собой: флюиды постоянно совершают круговорот в земных недрах. И "вечным двигателем" для этого служат именно волноводы (существующие, скорее всего, с тех пор, как сформировались современные кора и океан). Если какой-то из них исчезал, на его месте возникал новый, или один и тот же слой время от времени вновь наполнялся флюидами.

Рассмотрим механизм функционирования волноводов. Источник энергии для всего, что происходит в недрах, - конвективные процессы

стр. 51

Физические процессы, происходящие в трещинах.

в мантии. Эта сила достаточно мощная, чтобы создавать трещины, разломы и закачивать в них любые флюиды. Она же инициирует собственные автоколебания* волноводов. Такие движения имеют цикл, состоящий из двух фаз - растяжения и сжатия объема пор трещиноватой среды. В течение первой фазы давление в них падает и туда засасываются флюиды, а во время второй - последние выходят наружу. Иными словами, исследуемая нами субстанция волноводов подобна губке, которая то съеживается и выпускает жидкость, то расправляется и вбирает ее.

Важно отметить, что внутрь волновода флюиды втягиваются довольно быстро. И маршруты их движений по свободным пустотам при каждом цикле - новые (что объясняется необратимостью протекающих преобразований), но от прежних отстоят недалеко. А отжимается вещество из пористого слоя намного медленнее, устремляясь сквозь всю кровлю волновода. Продолжительность же всего цикла равна приблизительно 10³ - 10⁴ лет.

Многие геологи сомневаются в действенности этого механизма, поскольку на глубинах около 10 км не существует свободных полостей, в которые сверху проникает вода. Однако они могут возникать в момент сейсмических сотрясений в соответствующих неглубоких очагах. Именно эти процессы стимулируют деятельность "кровеносной системы" Земли. Мелкие и средние землетрясения происходят достаточно часто для того, чтобы обеспечить функционирование указанного процесса.

Выше податливой "губки" расположены более твердые породы. Они движутся по ней, как кирпич по смазке, причем неравномерно (хотя действующая горизонтальная сила является постоянной). Совместные колебания множества таких "кирпичей", соединенных между собой, значительно сложнее, чем одного. Подобная конструкция может служить аналогом реальных явлений в верхней коре. Изучение их с помощью математической модели показало: не нарушая законов физики и механики, не вступая в противоречие с наблюдаемыми фактами, волноводы могут существовать весьма длительное время.

Тепловая конвекция, диффузия, осмос**, некоторые другие физико-химические, химические и электрокинетические процессы тоже могут преобразовывать и переносить вещество коры. Однако радиус их действия, как правило, невелик. Кроме того, в трещиноватой среде происходит превращение упругой энергии в работу разрушения, а затем - в теплоту и коротковолновое излучение. Данных условий достаточно для возникновения металлических кластеров*** - микроскопических самородков. Они растворяются в воде, заполняющей трещины, мигрируют вместе в земной коре. Образование и эволюция кластеров представляют собой один из возможных путей концентрации и отложения рудного вещества в процессе круговорота флюидов в верхней коре.

Сравнительный анализ вышеуказанных процессов показал: наиболее интенсивно флюидные потоки движутся с помощью разломов и волноводов. Именно данный механизм создает самый высокий, соиз-

* Автоколебания существуют в колебательной системе при отсутствии периодических внешних воздействий благодаря наличию активного элемента в самой системе, восполняющего неизбежные потери энергии за счет постоянного внешнего источника (прим. ред.).

** Осмос - односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку, отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации (прим. ред.).

*** Кластеры - неустойчивые скопления небольшого числа молекул или атомов (прим. ред.).

стр. 52

Схема движения флюидов и образования углеводородных месторождений в зонах субдукции. Волноводы играют роль движущего механизма. Во фронтальной части поддвигающейся плиты возникают преимущественно газовые, в центральной - нефтяные, а в тыловой - битуминозные месторождения.

меримый с силой тяжести градиент давления, который позволяет выталкивать вещество на значительные расстояния - в зоны, где оно оседает, дифференцируется и накапливается. Подчеркнем: происходит это в результате многократных повторных циклов колебаний.

Теперь мы вплотную подошли к вопросу о том, как образуются газовые и нефтяные месторождения. Один из возможных сценариев этого процесса заключается в следующем. Предположим, на протяжении фазы сжатия волновода флюиды отжимаются из него вверх. По мере продвижения они могут упереться в непроницаемые антиклинальные* структуры (ловушки) и генерировать аномально высокие давления. Если в восходящих флюидных потоках оказываются концентрированные углеводороды, то возникают условия для образования соответствующих месторождений.

Еще один пример. На Земле есть так называемые зоны субдукции - районы, где океанические литосферные плиты поддвигаются под континентальные**. Туда увлекаются и осадочные слои, собираясь перед материковой твердью. В этих местах сосредоточиваются огромные массы нефтематеринских пород, содержащих органическое вещество, впоследствии перерабатывающееся в углеводороды. Интересно, что чем глубже затягиваются осадочные слои, тем выше температура и дольше "выдержка" их преобразования. Следовательно, получившееся в результате данного процесса "черное золото" будет включать больше легких и газообразных фракций.

Аналогичным путем возникают рудные и газогидратные (газ в твердой форме) месторождения. Подобные механизмы реализуемы везде, где есть соответствующие флюиды, тектонические движения, разломы и другие проницаемые зоны, умеренная сейсмичность (она ускоряет химические и физико-химические процессы преобразования вещества).

Если свод антиклинальных структур рассечен сетью разрывов, флюиды по ним устремляются вверх, образуя газовые выбросы или грязевые вулканы. Предложенная гипотеза рассматривает те и другие как явления общей природы. Вот почему грязевые вулканы располагаются вдоль разломов и на склоне шельфа, где породы сминаются, сильно деформируются и разрушаются.

Итак, ключевые моменты образования полезных ископаемых связаны с режимом циркуляции флюидов. Однако эти вещества, как двуликий Янус, играют двоякую роль в геологической истории земной коры: и созидательную - наращивание подземных богатств, и разрушительную - провоцирование землетрясений. Попав в клюв (кончик) трещины, небольшой объем флюида может привести в действие силу, во много раз превышающую ту, которая движет сами флюиды.

К не менее страшным (а может быть, и более!) экологическим последствиям может привести скопление на океанических шельфах газо-

* Антиклиналь - складка слоев горных пород, обращенная выпуклостью вверх (прим. ред.).

** См.: Д. В. Рундквист и др. Геодинамика XXI в. и полезные ископаемые. - Наука в России, 1998, N 6; И. А. Резанов. Как образуются горы? - Наука в России, 2002, N 5; В. П. Трубицын. Глобальная тектоника плит: новый поворот? - Наука в России, 2003, N2 (прим. ред.).

стр. 53

гидратов. Ведь они легко превращаются в газ при изменении термодинамических условий. Особой опасностью в данном случае грозит внезапное резкое изменение климата. В частности, глобальное потепление способно нарушить структуру океанских течений и привести к выбросу метана, что, в свою очередь, усугубит парниковый эффект. Все эти процессы, влияя друг на друга, могут нарастать подобно лавине.

Как уже не раз отмечалось, природа - очень "расточительная и неорганизованная дама". Львиная доля углеводородов уходит в атмосферу, и лишь сравнительно небольшая их часть оседает в месторождениях. В этой связи показательны Антарктида и Гренландия, покрытые вечным льдом. Преобразование и миграция вещества там идут так же, как и на других континентах. Однако у самой поверхности земли из-за низких температур газ переходит в твердое состояние и делает породы непроницаемыми. Вот тут-то "расточительная дама" превращается в "скупого рыцаря": флюиды не в состоянии просочиться наружу и остаются в подземных кладовых. Следовательно, здесь (по крайней мере, теоретически) можно ожидать наличие гигантских запасов углеводородов, превосходящих все доныне известные.

Важный аспект рассматриваемой нами проблемы связан с захоронением радиоактивных, промышленных и других токсичных отходов. Ведь в случае возникновения непредвиденных катастрофических ситуаций их скопление может вызвать сильнейшее загрязнение обширных регионов. Нельзя забывать и о том, что время распада радиоактивных элементов очень велико. Следовательно, соответствующие геоэкологические мероприятия должны охватывать промежуток времени (до 10 тыс. лет), превосходящий срок жизни многих поколений. При существующем ныне уровне техники и научной мысли инженерные или инженерно-геологические сооружения не планируются с таким прицелом.

И вот здесь может сыграть роль знание флюидного режима верхней коры. Например, атомные станции и места захоронения радиоактивных отходов целесообразно располагать в районах, где флюидные потоки уходят вниз (естественно, вычислив предварительно, сколько времени продлится данная стадия колебаний волновода). Тогда нуклиды в случае выбросов будут увлекаться флюидами в том же направлении.

Чтобы все эти выводы сделать более убедительными, необходимы масштабные исследования. А в силу глобального характера стоящих задач, думается, целесообразно начать разработку соответствующих международных проектов.

Постоянный адрес данной публикации: