книги из ГПНТБ / Туговик, Г. И. Эксплозии и рудный процесс

что открытые взрывные воронки могут образоваться только при

ется в сторону наименьшего сопротивления и принимает форму яйца, направленного острием к обнаженной поверхности. Таким образом, согласно экспериментальным данным, диаметр взрывных воронок должен увеличиваться с глубиной. На самом деле для абсолютного большинства рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений характерны либо столбообразная форма, обусловлен­ ная цилиндрическими трещинами отрыва, либо воронкообразная форма, обычно возникающая при развитии центриклинальных тре­ щин отрыва, либо резкое сужение канала и даже переход на глу­ бине в дайки; камеры взрыва нигде не обнаружены. Эти данные свидетельствуют о специфических динамических условиях проявле­ ния эксплозивной скрыто-вулканической деятельности, образую­ щих эксплозивным путем брекчию в течение определенного геоло­

в результате многократного повторения взрывов, фронт которых передвигался к поверхности. Проявление взрывной деятельности могло произойти двумя способами: 1 ) скачкообразным адиабати­ ческим расширением при быстром снятии давления с системы рас­ плав—газ и 2 ) образованием из выделяющейся газовой фазы би­ нарных систем, химическое взаимодействие между которыми характеризуется цепным механизмом взрыва.

У рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений, как пра­ вило, отмечается слабое термальное воздействие на обломки брекчии (ртутеносные сооружения Закарпатья, редкометальные Забайкалья, кимберлитовые и др.). В них часто отсутствуют следы наличия интрузивных пород в магматически расплавленном со­ стоянии (I и II типы). Это удивительно потому, что температура кристаллизации интрузивных пород велика и равна (по И . Фогту)

произвела термальное воздействие на эти обломки. Объяснить отсутствие такового особыми и неизвестными нам свойствами трудно. Повторяя опыты В. Н. Михеенко и Н. И. Ненашева (1961), автор в муфельной печи в течение нескольких часов на­ гревал до температуры 800—900° С брекчии с обломками разно­

150

образных пород, находящихся в магматическом цементе. За это непродолжительное время и при этой сравнительно невысокой температуре брекчиевые обломки и минералы значительно тем­

гантэ-Гольское сооружение и др.). В то же время описанные при­ родные примеры воздействия кимберлита на известняки показы­ вают отсутствие термального воздействия, а при соприкосновении с дайкой долеритов изменяется как сам кимберлит (перекристал­ лизация), так и известняки (мраморизация). Объяснить отсут­ ствие метаморфизма обломков во внутренних частях эксплозив­ ных сооружений быстрым, почти мгновенным остыванием магмы

Из табл. 4 видно, что потери температуры происходят в основ­ ном в результате расширения газа на верхних структурных яру­ сах. Это хорошо известно и из практики: за счет расширения газа, перехода тепла в кинетическую энергию и перепада давле­ ния происходит переохлаждение материала. При вскрытии газо­ носных горизонтов, например, в 40-градусную жару при перепаде давления в устье скважин образуются куски льда.

У многих рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений при закрытом характере развития четко проявлены процессы обрушения, за счет чего брекчия их эксплозивного сооружения

151

:на значительном интервале бывает сложена обломками вышеле­ жащих пород. Наблюдается также хаотическое перемешивание,

У эксплозивных сооружений намечается четкая связь во вре­ мени формирования с начальной стадией пневматолито-гидротер­ мального процесса при щелочном характере растворов. Часть брекчии возникает в интрарудный этап (Булуктап, Сахюрта и др.). Следовательно, рудоносные брекчиевые эксплозивные со­ оружения образуются при своеобразных скрытовулканических эксплозивных процессах, типичных для закрытых специализиро­ ванных интрузий. Эти специфические процессы тесным образом

промежуточными породами между обычными вулканокластическими и гипабиссальными массивными.

Глубинные магмы, попадая в условия небольших глубин, приобретают свойства перегретых и пересыщенных летучими ком­ понентами жидкостей. Быстрое выделение энергии, связанное с внезапным изменением состояния вещества интрудирующей фи­ зико-химической системы, приводит к подземным эксплозиям, на ме­ ханизме проявления которых мы остановимся дальше. Простое пере­ мещение магмы с высокого на более низкие термодинамические уровни внешней среды ведет к появлению в ней избыточного дав­ ления или избыточной энергии, что неизбежно придает ей черты системы открытого типа. Этому способствует широкое проявление тектонических зон в верхних структурных этажах земной коры, к которым приурочены рудоносные брекчиевые эксплозивные со­ оружения. В гипабиссальной зоне избыточная энергия глубинной магмы может произвести работу по раздроблению определенного объема пород, механическое перемещение масс, обусловить эндотермические превращения магмы и минералообразованне. Исходная энергия сжатых газов составляет лишь часть этой энергии.

Подсчитать энергию формирования конкретного рудоносного брекчиевого эксплозивного сооружения трудно, так как едва ли

152

можно учесть все факторы. В первом приближении можно при­

мирование эксплозивного сооружения происходит как образованиеоткрытого вулканического аппарата, и что весь столб перекры­ вающих пород мог быть нарушен одиоактовым взрывом (парок­ сизмом). Если взять эту точку зрения и принять объем брекчированной породы равным объему газов в сжатом состоянии, то под. эксплозивным сооружением может быть камера взрыва, равно­ великая трубочной полости. На конкретных примерах автором было показано, что рудоносные брекчиевые эксплозивные соору­ жения книзу не расширяются, а, наоборот, суживаются, пере­ ходя в маломощные дайки и трещины. Учитывая это, Л . Г. Стра­ хов совершенно справедливо, как считает автор, предполагает,, что эти трещины не были вместилищем газов перед началом экс­ плозивной деятельности, а служили лишь каналами, выводящими газы из мощных глубинных магматических очагов. Такие тре­ щинные очаги, приуроченные к субвертикалы-іым разрывам, как возможный источник питания обычных вулканов предполагает также А. Ритман (1964). Они же характерны, видимо, и для гря­ зевого вулканизма («Грязевой вулканизм...», 1971).

Существенную роль в формировании эксплозивных сооружении играет наличие перегретой жидкости, которая может быстро испа­ ряться при снижении давления. Такой жидкостью, способной к самоиспарению, в большинстве случаев является вода. При ис­ ходном количестве воды в магме, равном, по данным Р. В. Горансона, 2 %, в процессе кристаллизации происходит значительное ееувеличение. Ф. Г. Смит (Smith, 1948) в экспериментальной обста­ новке медленно охлаждал искусственно приготовленную гранит­ ную магму, первоначально содержащую 2% воды. При опреде­ ленных температурах магма разделялась надвенесмешивающиеся жидкости, одна из которых была почти полностью представлена водой. Условия, подобные экспериментальным, вряд ли могли существовать в верхних структурных ярусах земной коры, для которых характерно неравномерное распределение давления, тем более при наличии надочаговых разломов. Однако это свидетель­ ствует о том, что в определенной обстановке магма может быть обогащена водой. О. Таттл, также на основании экспериментов, считает, что при низком давлении и обогащении расплава щелоч­ ными силикатами можно ожидать непрерывную (до предела 9%) растворимость воды в расплаве. О значительном количестве воды в магме свидетельствует сольфатарная деятельность. Так, сольфатары вулкана Эбеко (Камчатка) выносят в год 43818332-ІО3 кг

щаяся водная фаза аккумулируется в апикальных, еще жидких частях магматического тела. Кроме того, он считает, что восхо-

153

дящая миграция воды в расплаве на больших глубинах очень

•ограничена, и что первые порции гидротермальных флюидов, от­ деляющиеся при давлении около 2 000 бар, будут существенно

•обогащены углекислотой и хлоридами. Вскипание и пароотделе-

парциального давления воды в расплаве. Допуская, что обычно всестороннее давление столба расплава и пород намного превы­ шает парциальное давление воды в расплаве, Кеннеди отмечает: « .. .имеются две силы, которые обусловливают колебания количе­

.личине внешнего давления» («О роли воды в магме», с. 517). Эти две силы действуют в одном направлении, вызывая диффузию растворенной в расплаве воды в области меньших давлений и более низких температур и обогащая водой верхние и краевые части магматического очага (Зеленов, 1972).

Вода, участвующая в рудно-эксплозивном процессе, может быть двоякого происхождения: первично-магматическая и атмо­ сферная. Глубина просачивания последней, как и глубина воз­

большинства рудоносных эксплозивных сооружений. За счет вадозных вод в эксплозивных брекчиях устанавливается до 90% воздушного аргона (Проскуряков, 1972).

Способ отделения воды от глубинных и малоглубинпых оча­ гов, как следует из экспериментальных работ (Хитаров, 1958 и др.), различен. При остывании растворы отделяются при любой температуре, в ■ малоглубинных очагах — при высоких температу­ рах до кристаллизации магмы и при низких температурах после эвтектической кристаллизации, т. е. отделение происходит преры­

содержат те ценные компоненты, которые способствуют появле­ нию рудной минерализации.

354

Возможность переноса энергии водными растворами доказы­ вается высокой теплоемкостью воды, которая, по данным Н. И .Х и - тарова (Хитаров и др„ 1963), в три раза выше теплоемкости сили­ катов. Эта теплоемкость понижается с уменьшением давления:

Из этих данных видно, что при поступлении растворов с боль­ ших глубин в верхних структурных этажах происходит отдача тепла, которая может превращаться в кинетическую работу по брекчиеобразованию.

Для иллюстрации возможности создания парами воды общего

греве воды до 700° С происходит увеличение давления до 1300 атм, т. е. создается дополнительное давление в 1000 атм. Такое давле­ ние способно либо преодолеть сопротивление перекрывающих пород, либо вызвать подземное брекчиеобразование. Последнему способствует то обстоятельство, что газовая фаза при охлажде­ нии стремится удалиться из системы и ретроградное кипение про­ исходит тем более бурно, чем быстрее идет охлаждение.

В условиях благоприятной обводненности тепловой поток, та­ ким образом, может обусловить эксплозивные явления. При по­

а. oth, 1967) и несколько меньше при попадании пресных вод. Это тепло, сопровождаемое при переходе воды в пар резким увели­ чением объема, может расходоваться на подземное брекчирование.

интрудировании кислой магмы, содержащей свободный кремне­ зем, в случае встречи с карбонатными пластами может разви­ ваться парциальное давление паров углекислоты по реакции СаСОз + З Ю г^ С аЭ Ю з + СОг, достигающее 2600 бар при темпе­ ратуре 700° С.

Из данных, полученных по рудоносным эксплозивным соору­ жениям Саяно-Байкальской горной области, видно, что в экспло­ зивном процессе при привносе ряда рудных элементов постоянно участвуют фтор, сера и калий. С . И. Набоко (1963) при изуче­ нии вулканических явлений установила, что процесс выделения летучих компонентов соответствует схеме Сен-Клер Девиля, со­

155

гласно которой при высоких температурах газы состоят из пере­ гретого водяного пара, водорода, окиси углерода, аммиака, фтора

и углекислоты. Совместно с газами выносятся породообразующие и рудные компоненты. С галоидными газами выносятся кремний в виде фторида, который затем гидролизуется до кремнефтористой кислоты, алюминий, калий, кальций и магний, а также рудные элементы молибден, медь, серебро, олово, кадмий и др. С сер­ нистыми газами — калий, натрий, ванадий и др. В перегретых парах воды переносится кремний, а также мышьяк, свинец, медь, серебро, кобальт и др. Летучие, по ее данным, дистиллируют в виде кислот, а не солей. Если в поверхностных условиях первые, наиболее высокотемпературные эксгаляции отличаются повы­ шенным содержанием металлов, то в закрытых рудоносных брекчиевых сооружениях кроме водяных паров в начальную стадию выносятся лишь щелочи и некоторые взрывоспособные газовые компоненты. И. И. Гущенко (1965) подразделил ювенильные газы по взрывоспособности на следующие группы: 1) взрывоспособные

.активные газовые компоненты, к которым относятся водород, хлор, окись углерода, фтор, бром, серная кислота и метан; 2) актив­ ные катализаторы взрывоспособных смесей, энергично увеличи­ вающие скорость реакций (до 1000 раз), главным образом вода; 3) прореагировавшие взрывчатые смеси с малой энергией актива­ ции, являющиеся частично взрывоспособными и частично ката­ лизаторами; 4) невзрывоспособные инертные газы — отрицатель­ ные катализаторы азот и двуокись углерода; 5) частичные ката­ лизаторы сера, серный и сернистый ангидрид.

За счет взрывоотделеиий постмагматических продуктов воз­ никающие эксплозивные сооружения, заполненные брекчиевым материалом, наиболее часто развиваются в апикальных частях куполов крупных магматических тел или изолированных очагов магмы (Борсук, Масуренков, 1964). Они наиболее обогащены различными, в том числе и рудными постмагматическими про­ дуктами, поскольку формируются при бурно идущих процессах дифференциации, приводящих также к зарождению рудообразую­ щих систем. Такое зарождение может быть объяснено интенсив­ ным выкипанием, в результате которого на глубине около 1 км выпадают высоко- и среднетемпературные минеральные ассоциа­ ции (Коржинский, 1962). Конечно, отдельные струи переходят через этот термодинамический порог, не успев сбросить весь груз растворенных в них рудных компонентов и часть их отделяется уже от остывших пород (Шипулин, 1960).

Как представляется на основании фактического материала,

•формирование рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений, не связанных с поверхностью, происходит в заключительный этап становления интрузий, когда в зоны малых глубин проникают

356

■ относительно поздние специализированные магмы, обогащенные ще-

.лочами, летучими веществами и рудными компонентами.

В. Н. Котляр (1968) считает, что процесс формирования ха­ рактеризуемых рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений происходит следующим образом: «При охлаждении магмы на зна­ чительных глубинах при проницаемой кровле очага в отдельных участках, в условиях периодически возникающего высокого (в ре­ зультате ретроградного кипения) внутреннего давления, но еще не достаточного для преодоления прочности всей кровли, интру­ зивные процессы осложняются явлениями газовых прорывов, приводящих к образованию трубок взрыва — слепых или достигаю­ щих поверхности; при этом образуются эруптивные (эксплозив­ ные.— Прим, автора) брекчии, но выбросов вулканического мате­ риала и излияния лав не происходит» (1960, стр. 69). Из этой характеристики остается не ясным лишь механизм газового воз­ действия. На решении этого вопроса мы и остановимся.

Г и п о т е з а ф о р м и р о в а н и я р у д о н о с н ы х б р е к ч и е в ы х

э к с п л о з и в н ы х с о о р у ж е н ий

Изложенный фактический материал свидетельствует, что одно­ актным подземным газовым взрывом невозможно объяснить появ­ ление рудоносных брекчиевых эксплозивных сооружений ни с точки зрения современной науки о взрыве, ни с точки зрения наблюдае­ мых геологических закономерностей. Это несоответствие было под­ мечено еще В. С . Соболевым (1960), предполагавшим наличие про­ межуточного очага, в котором, по мнению В. И . Смирнова (1969), обособление рудообразующего вещества может осуществляться в трех фазовых состояниях: 1) в виде твердых раннемагматических кристаллов, 2) в форме газовых и жидких растворов, 3) в виде рудного расплава, несмешивающегося с силикатной частью магмы. Дифференциацию расплавленной магмы, попавшей в приповерх­ ностных условиях температур и давлений, на силикатный расплав и летучие компоненты предполагают многие исследователи (Зеленов, 1972 и др.). В. С. Соболев представил процесс образования кимберлитовых эксплозивных тел так, что вначале магма двига­ лась по вертикальной трещине и, достигнув сравнительно неболь­ шой глубины, в виде струй пробивала земную кору и фонтаном вырывалась наружу, отчасти потом всасывалась в образовавшиеся воронки. В соответствии с данными по кимберлитовым трубкам Якутии, этот взрыв, т. е. переход от жилы к трубке, произошел на глубине 1,5—2 км. Близкую точку зрения на механизм формиро­ вания рудоносных эксплозивных сооружений, используя также дан­ ные по кимберлитовым телам, высказывал и В. Н . Лодочников (1936). Согласно его данным, струя магмы на большой скорости пробивала в земной коре узкие и глубокие отверстия. Однако ка­ налы большинства сооружений, как приводилось в описании, до­ вольно узки (иногда лишь в несколько десятков метров) и масса

157

магмы, таким образом, мала. Поэтому в энергию движения ■

при малой величине т скорость движения магмы V должна быть, если иметь в виду производимую ею работу, колоссальной, порядка нескольких километров в секунду, что неправдоподобно даже для поверхностных эксплозий; поэтому изложенная точка зрения не может быть принята.

Как следует из фактического материала, рудоносные брекчиевые эксплозивные сооружения формируются в разных по свой­ ствам породах: в апикальных частях интрузивов массивов в то время, когда они не подвергались окончательной консолидации (при ретроградном кипении магмы) и в твердой среде (во вмещаю­ щей толще над интрузивным телом).

1. Ф о р м и р о в а н и е б р е к ч и е в ы х э к с п л о з и в н ы х с о ­ о р у ж е н и й в м а г м а т и ч е с к и х р а с п л а в л е н н ы х п о р о ­ д а х . Ретроградное кипение расплавленной или диспергированной (Поспелов, 1972, 1973) магмы в апикальных частях интрузивов заключается в образовании различной величины пузырей летучих веществ. В результате их прохождения через расплав по опреде­ ленным каналам и адиабатического спонтанного расширения (экс­ плозий) или при активной полимеризации магмы могут формиро­ ваться брекчиевые (мономиктовые) трубчатые тела. Процесс про­ хождения пузырей и струй течения постепенно уменьшается по мере охлаждения консолидирующейся магмы, т. е. повышения вяз­ кости среды, и постепенно прекращается. По мере остывания внеш­ ней оболочки интрузива образующаяся корка в месте прохожде­ ния потока пузырей взламывается, за счет чего и образуется моно­ брекчия.

диус пузырей, рі — плотность жидкости, р0 — плотность газа, g — ускорение силы тяжести. Сила, движущая летучие соединения вверх, уравновешивается силой поверхностного натяжения, кото­ рая выражается формулой

2я/?7СО5 0 •f ( R j a ) ,

где R — радиус отверстия; Ѳ — угол соприкосновения (контакта) между поверхностями жидкость—твердый—газ; f(RU ) — фактор формы; у — поверхностное натяжение жидкости.

Эта уравновешивающая сила может быть вычислена в том слу­ чае, если известна форма природного канала. Теми же авторами вычислена конечная скорость прохождения небольших пузырьков. Пузырьки действуют подобно сферам, к которым применим закон

жидкости и т)/ — скорость газа.

158

Вэту формулу должны вводиться поправки, учитывающие по­ верхностное натяжение жидкости.

Впервом приближении плотность магмы можно принять рав­

ной трем (система открыта) и газа, равной нулю. Из справоч­ ника физических констант известно, что вязкость диабаза равна 400 паузам при температуре 1400° С. Вязкость воздуха весьма мала (300-ІО-6) и не принимается в расчет. Проведя вычисле­ ния, получим скорость пузырьков при этой температуре, равную

15см/с.

Г. В. Дуглас провел эксперименты, в которых радиус пузырь­ ков был около 0,5 см, радиус же пузырьков, поднимающихся сквозь жидкую магму к поверхности, будет определенно более этой величины.

При остывании интрузивной породы повышается ее вязкость и благодаря этому прекращается и подъем пузырьков. Как видно из уравнения Стокса, если г) превысит величину числителя, ско­ рость будет меньше 1 см/с и если т] возрастет, эта скорость при­ близится к нулю. Также очевидно, что как только возрастет ра­ диус пузырьков, возрастет и вязкость. Значения конечных ско­

Однако если принять конечную скорость в 1 см/с и прогрессивно увеличивать радиус пузырьков, соответственно будет увеличиваться

Если конечную скорость принять равной 1 мм/с, вязкость должна быть очень высокой, равной 58,8-ІО7 паузам — значение, которое имеет обсидиан при температуре 1200° С.

Скорость подъема пузырьков должна быть также пропорцио­ нальна их горизонтальному сечению. Во время подъема вследст­ вие уменьшения гидростатического давления пузырьки газа адиа­ батически расширяются. Кроме того, они пополняются из газовой фазы, свободно образующейся при уменьшении давления. При

159