Geum.ru

С. В. Борзенко Институт природных ресурсов, экологии и криологии со ран, Чита, Россия

Вид материалаДокументы
Искусственные отложения кремнезема в зоне гипергенеза
Artifical siliceous sinter deposits in hypergenesis zone of the
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


Все отобранные пробы пещерной муки представляют собой рыхлую порошковатую субстанцию от белого до серого цвета. Некоторые пробы содержат глинистую составляющую. Минералогический анализ (дифрактометр ДРОН-2.0, CuKa-излучение) всех проб муки показал, что основой её является гипс. Часто подобные минеральные образования называют гипсовой мукой. В данном случае это вполне правомерно. Но состав подобной субстанции не ограничивается только гипсом. Поэтому изначально, не зная минеральный состав муки, следует придерживаться более общего термина – «пещерная мука», по образу «пещерного или лунного молока» – вязко-пластичной субстанции, состав которой не ограничивается только кальцитом, или гипсом. Вслед за В. Андрейчуком и др. [1, 2] в более строгой научной терминологии подобные минеральные формы с учетом их генетической природы следует называть криогенными образованиями, поскольку их формирование обусловлено процессами вымораживания и связано непосредственно с образованием при отрицательной температуре льда из капающей, сочащейся или текущей воды в условиях пещер.

Анализ фотоизображений криогенной пещерной муки наводит на мысль о возможности существования как минимум двух механизмов её генезиса. Первый очевидный – образование из пересыщенной воды при вымораживании, консервация льдом, последующая его сублимация и высвобождение муки на поверхности ледяных образований или породного субстрата. Второй – аэрозольное выпадение на поверхность уже сформировавшегося ледяного покрова. Это, видимо, более редкий процесс образования гипсовой муки. Он реализуется не часто. Примером подобного генезиса муки являются образцы её из системы Кулогорская – Троя. Не случайно поэтому загрязнение этой пробы муки аллохтонными образованиями: глиной (иллитом), доломитом и кварцем.

Изучение морфологии кристаллов, сростков и агрегатов гипса из пещерной муки проводилось с использованием сканирующего электронного микроскопа LEO1430VP, снабженного энергетическим спектрометром «OXFORD» в режиме обратно-рассеянных электронов. Всего получено около 100 СЭМ-изображений общего вида, деталей строения кристаллических агрегатов, отдельных кристаллов и тонких структурных особенностей граней кристаллов, их дефектов. При анализе СЭМ-фото не выявлено индукционных поверхностей совместного роста гипса со льдом. Следовательно кристаллы росли в свободном пространстве жидкой фазы (воды). Таким образом, кристаллы и их сростки образовались не синхронно с кристаллизацией льда, а опережали его образование, и лишь впоследствии консервировались кристаллизующимся льдом.

Многие кристаллы гипса представляют собой идеальные плоскогранные, полностью огранённые, т.е. идиоморфные кристаллы. Это свидетельствует о росте в свободном пространстве, когда росту граней ничего не мешает. С учетом малого размера кристаллов в первые десятки микрометров, рост их мог происходить не в объёме воды, а в пленочных водных растворах. На кристаллах встречаются три простые формы: два пинакоида {100}, {010} и призма (рис. 1). На снимке видны отдельные двойники типа ласточкиного хвоста. Нередко гипс слагает уплощенные футляровидные кристаллы (рис. 2). Отсутствуют грани {100}. Призма встречается на многих кристаллах этого снимка.



Рис. 1. СЭМ-фото идиоморфных кристаллов гипса из пещеры
Китеж (проба Пин-1) и их кристалломорфология.



Рис. 2. СЭМ-фото футляровидного и плоскогранного кристаллов гипса
из системы пещер Кулогорская – Троя (проба Пин-9) и их кристалломорфология.


Гипс часто образует сложные сферолитоподобные сростки, цепочечные агрегаты. Несмотря на различие форм кристаллических агрегатов, разнообразие морфологии кристаллов гипса, в целом можно выделить следующие общие особенности, характерные для всех проб криогенных образований пещерной муки:

- наличие футляровидных кристаллов как частного случая скелетного роста;

- широкое развитие двойниковых кристаллов, в том числе, двойников типа «ласточкин хвост» и еще более часто встречающихся парижских двойников (рис. 3).

И тот и другой случай отражают высокую скорость роста кристаллов. Двойники гипса в составе горной муки особенно характерны для пещеры Китеж; встречаются они и в пещере Ледяная волна. Образование двойников зависит от структурных особенностей соответствующих веществ. Кроме этого, лимитирующими двойниковый кристаллогенез факторами является степень пересыщения раствора, питающего кристалл, а также величина этого кристалла [4]. При высокой скорости роста присоединение атомов или ионов к поверхности растущего кристалла уменьшает возможность переориентировки частиц, оказывающихся в двойниковом положении. Следовательно, вероятность образования двойников возрастает с увеличением степени пересыщенности раствора. Наиболее вероятны для двойникования условия, создающиеся в самом начале кристаллизации, при зарождении кристаллов, когда степень пересыщения наибольшая. Поскольку другие кристаллы не мешают росту в начальный период кристаллогенеза, то двойники имеют идеальное, идиоморфное огранение. Те же самые рассуждения применимы и к росту футляровидных коробчатых кристаллов, когда с одной стороны зародыша кристалла есть препятствие, допустим лед. При этом кристалл растет плоскими гранями в предпочтительном кристаллографическом направлении.



Рис. 3. Парижский двойник гипса (типа «рогулька») из пещеры Китеж (проба Пин-6).


Таким образом, согласно общепринятому мнению все кристаллы характеризуют так называемый кинетический режим роста гипса при высоком пересыщении. Высокая скорость роста при криогенезе обусловлена резким падением температуры, приводящим к моментальному пересыщению пещерных вод, что приводит к быстрому спонтанному кристаллогенезу. Эффект этот можно назвать взрывной или шоковой кристаллизацией.

Авторы благодарят: О.И. Кадебскую (Лаборатория-стационар Горного института УрО РАН, Кунгур) и Е.В. Шаврину (Пинежский государственный заповедник) за отбор и передачу проб горной муки для исследований; Н.П. Воложанинову и Н.Г. Максимовича (Лаборатории геологии техногенных процессов Естественнонаучного института, Пермь); Т.М. Рябухину и П.В. Хворова (Институт минералогии УрО РАН, Миасс) за выполнение рентгенофазового анализа; В.И. и В.А. Поповых (Институт минералогии УрО РАН, Миасс) за консультации по кристалломорфологии; А.И. Низовского (Институт катализа СО РАН, Новосибирск) за способствование выполнению СЭМ-исследований; Н.В. Паршину и Д.С. Потапова (Институт минералогии УрО РАН, Миасс) за техническую помощь в обработке и подготовке материала к исследованиям.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 07-05-00618 по теме «Минералогия и экология пещер карбонатного и сульфатного карста Урала, природный и техногенный сталактитогенез».


Литература


1. Андрейчук В., Галускин Е. Криогенные минеральные образования Кунгурской ледяной пещеры // Пещеры. – Пермь, 2001. Вып. 27-28. – С. 108-116.

2. Андрейчук В., Галускин Е., Ридуш Б. Криогенные минеральные образования из гипсовых пещер Буковины // Северный спелео альманах. 2007. Вып. 7. – С. 40-52.

3. Дублянский В.Н., Андрейчук В.Н. Терминология спелеологии. Екатеринбург: УрО РАН, 1991. – 202 с.

4. Костов И. Кристаллография. – М.: Мир, 1965. Пер. с болгарского / Под ред. Академка Н.В. Белова. – 528 с.

5. Кунгурская ледяная пещера: опыт режимных наблюдений / Под ред. В.Н. Дублянского. – Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – 376 с.

6. Малков В.Н., Гуркало Е.И., Монахова Л.Б., Шаврина Е.В., Гуркало В.А., Франц Н.А. Карст и пещеры Пинежья. – М.: Ассоциация «Экост», 2001. – 208 с.

7. Поляков И.С. Антропологические поездки в Центральную и Восточную Россию // Записки Антропологического общества. – С-Пб., 1880. Приложение к т. 37. – 12 с.

8. Потапов С.С., Паршина Н.В., Титов А.Т., Ракин В.И., Низовский А.И., Шаврина Е.В., Кадебская О.И. Криоминеральные образования пещер Пинежья // Минералогия техногенеза-2008. – Миас: ИМин УрО РАН, 2008. С. 18-43.

9. Фёдоров Е.С. Наблюдения в Кунгурской ледяной пещере // Записки минералогического общества. 2 серия. М., 1884. Т. 19. С. 191.

10. Potapov S., Parshins N., Shavrina E., Maksimovich N., Kadebskaia O. Mountain flour on ice stalagmites of Pinega caves // 3-rd International Workshop on Ice Caves. Russia. May 12-17, 2008 / Edited by Stefano Turri. – P. 34.

ИСКУССТВЕННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ КРЕМНЕЗЕМА В ЗОНЕ ГИПЕРГЕНЕЗА
ПАУЖЕТСКОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА КАМЧАТКЕ

С.Н. Рычагов1, Г.П. Королева2, Р.Г. Давлетбаев1, Т.С. Рычагова3

1Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, Россия, rychsn@kscnet.ru

2Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, Иркутск, Россия, korol@igc.irk.ru

3СПбГУ, Санкт-Петербург, Россия, rytotia@googlemail.ru


ARTIFICAL SILICEOUS SINTER DEPOSITS IN HYPERGENESIS ZONE OF THE
PAUZHETSKY GEOTHERMAL FIELD ON KAMCHATKA

Dr. Sergei N. Rychagov1, Dr. Galina P. Koroleva2, Ravil G. Davletbaev1 and Tamara S. Rychagova3

1Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006, Russia, rychsn@kscnet.ru

2Institute of Geochemistry SB RAS, Irkutsk, Russia, korol@igc.irk.ru

3Sankt-Peterburg State University, Sankt-Peterburg, Russia, rytotia@googlemail.ru


Under conditions of the real experiment for example of Pauzhetsky geothermal deposit (South Kamchatka), studies are conducted to determine chemical composition, structure and properties of siliceous sinters (“geyserites”) which have formed a thick (≥ 0.5 – 0.9 m) and extended (≥ 500 m) rock mass strata on the daylight surface practically instantly by geological measure – within years and the first decades. Alterations in composition, structure and properties of “geyserites” by section and along the strike as well as alteration in the parameters of aqueous solutions forming these strata are demonstrated. Properties and physical parameters of these deposits influence not only the composition and properties of discharge waters but also influence surface- and depth-generated steam hydrotherms. Strata of siliceous deposits strengthen water-resisting and heat-insulating properties of the Upper-Pauzhetka Subsuite and this may give impulse to cardinal alteration in thermodynamic parameters of aqueous solutions within separate geological blocks of the deposit, for instance, to the development of water-steam transition zones. Sedimentation rate of siliceous deposits and buildup of some valuable chemical components within deposits are estimated. It is shown that artificial siliceous deposits can act as an instrument of changing (regulation of) thermodynamic and physical-chemical parameters of saline fluids in certain geothermal blocks being prospective from the production viewpoint.

The work has been done with a financial support of the Russian Fund of Fundamental Research (project 06-05-64689a).


В областях современного вулканизма большое влияние на окружающий ландшафт оказывают геотермальные процессы. Вследствие подъема высокотемпературных минерализованных глубинных флюидов происходит формирование различных типов смешанных с метеорными водами гидротермальных растворов и их взаимодействие с горными породами, био- и атмосферой. При отработке геотермальных месторождений человек вносит дополнительный вклад в формирование зоны гипергенеза. В частности, существенное влияние на окружающую среду, морфологию и геохимию ландшафта оказывает сброс парогидротерм из скважин и сепараторов на дневную поверхность. Детальное изучение состава и структуры образующихся искусственных минеральных осадков, скорости их образования, механизмов накопления и перераспределения в них и в окружающих горных породах рудных и редких элементов существенно расширяет представления о гипергенных процессах, впервые сформулированные А.Е. Ферсманом [8] и развитые в дальнейшем многими советскими геологами.

Типичные гидротермальные растворы областей современного вулканизма содержат кремниевую кислоту в растворенной и коллоидной формах [1, 9]. При подъеме к дневной поверхности и изменении физико-химических свойств гидротерм на термодинамических барьерах значительная часть растворенной кремнекислоты переходит в коллоидную, образуется силикагель, кристаллизующийся в минералы кремнезема (опал, тридимит, кристобалит, халцедон, кварц). Наблюдается окварцевание вмещающих пород и создание мощных (иногда более 1000 м) дополнительных водоупорных и теплоизолирующих горизонтов в структуре гидротермальной системы [3, 4]. Наиболее ярко и динамично этот процесс проявляется на аквальном термодинамическом барьере. Сброс «излишков» термальной воды на рельеф Паужетского геотермального месторождения в течение более 40 лет (начало эксплуатации первой в СССР Паужетской ГеоЭС относится к 1966-1967 гг.) привело к формированию протяженных (≥ 500 м) и мощных (до 1.0 м) толщ кремнистых осадков объемом ≥ n x 1000 м3. Изучение распределения в них рудных элементов показало, что эти толщи на всем протяжении и по всему вертикальному разрезу содержат относительно высокие концентрации Au – до 0.1 г/т, Ag – 1 г/т, As – 40 г/т, Sb – 50 г/т [2]. При этом максимальные концентрации элементов в осадках наблюдаются на удалении первых метров от скважин и в верхних наиболее плотных слоях, образующихся непосредственно в современном водном потоке. Тем не менее, накопление и перераспределение основной массы рудных элементов происходит в расположенной ниже части кремнистых осадков. Неравномерное распределение элементов, вероятно, зависит от многих факторов: общего и микроэлементного состава растворов, физико-химических свойств образующегося силикатного геля, петрофизических свойств кремнистых осадков, характера формирующейся зональности, участия в образовании толщи микроорганизмов (термофильных сине-зеленых водорослей и бактерий), и др.

На Паужетском геотермальном месторождении наиболее мощными и протяженными являются плащи искусственных кремнистых осадков, образующихся начиная с 1980-х годов и по настоящее время при сбросе гидротерм из скважин ГК-3, R-106 и R-120 [10]. Используемые для выработки электрической и тепловой энергии термальные воды характеризуются хлоридно-натриевым редкометальным составом, температуры в нижнем водоносном горизонте достигают 220 0С, рН от 8 до 10. Именно эти воды сбрасываются на рельеф месторождения. На поверхности термальных полей разгружаются кислые и слабо кислые сульфатные и гидрокарбонатно-сульфатные растворы с широким катионным составом (табл. 1). Эти растворы также принимают активное участие в формировании кремнистых, сульфатных и других отложений на поверхности термальных полей и искусственных кремнистых осадков при смешении вод с глубинными термами.

Таблица 1

Химический состав гидротерм Паужетского геотермального месторождения

Параметры
ВПП-1/05
ВхПП-1/05
ВхПП-2/05
НТП-1/05
R-121/05
R-103/05

1
2
3
4
5
6
7

рН полевое
4.6
3.7
3.7
9.4
9.1
9.0

Eh полевое
152
384
162
-304
-197
-217

Т 0С
94.9
83.5
93.1
96.4
91.0
95.0

рН лабораторное
5.10
3.75
4.65
7.86
7.30
8.40

Компоненты
мг/л

Na+
14.1
20.00
13.70
76.50
684.2
812.2

K+
6.60
8.80
2.50
7.20
82.5
109.4

Ca2+
16.03
80.16
4.81
6.41
124.2
104.2

Mg2+
2.43
30.38
21.88
0.36
60.6
17.0

Al3+
0.00
0.00
0.00
0.00
0.7
0.00

Fe2+
0.00
0.15
0.00
0.00
0.00
0.00

Fe3+
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00

NH4+
5.40
72.00
120.00
1.70
1.0
0.5

H+
0.00
0.18
0.00
0.00
0.00
0.00

Сумма катионов
44.56
211.52
162.89
92.18
953.2
1043.3

Cl-
3.55
2.84
3.55
46.09
1436.1
1602.8

SO42-
85.49
576.36
21.13
46.11
96.0
76.8

HSO4-
0.00
21.53
0.00
0.00
0.00
0.00

HCO3-
13.42
0.00
561.36
133.02
42.7
58.6

F-
0.00
0.00
0.00
0.00
1.7
0.00

Сумма анионов
102.46
600.73
586.03
225.21
1576.5
1738.2

H3BO3
0.00
2.23
1.11
6.7
163.2
189.2

H4SiO4 раств.
144.5
189.50
62.50
190.00
145.0
114.0

H4SiO4 колл.
0.00
16.50
1.00
46.00
250.0
324.4

Общая минерал.
291.52
1020.48
813.53
560.09
3087.90
3409.10