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

локальном снятии давления происходит уменьшение теплоемкости вещества и как следствие этого — спонтанное образование из­ бытка скрытой тепловой энергии.

Если магматический очаг представить в виде сферы с радиусом 1 км, то он, согласно расчетам (Белинский, 1970), будет содер­ жать 4,2- ІО8 м3 растворенных газов, что согласуется с данными по современным вулканам. Поэтому подъем пузырьков должен при­ нимать вид сильно ускоренного движения. Быстро поднимающиеся

кристаллизации резко увеличивается с увеличением вязкости. Чтобы преодолеть это сопротивление, газовые пузырьки должны обла­ дать значительным избыточным давлением, которое при разрыве пузырьков ведет к взрывообразному расширению газов, поддержи­

взрыве одного пузырька давление между ним и следующим пузырь­ ком сразу снижается, так что и следующий пузырек сразу взры­ вается. Этот процесс развивается подобно цепной реакции до тех пор, пока вся полоска пузырьков не взорвется. После разрыва од­ ной полоски пузырей наступает фаза относительного покоя, пока не подойдет следующая полоска.

Адиабатическое расширение газов, приводящее к эксплозиям, начинает проявляться с глубины около 2 км, когда относительный объем системы расплав—газ возрастает более чем в 2,5 раза и силы сцепления магмы будут в основном преодолены. Согласно расчетам Г. Ферхугена (Костровицкий, Владимиров, 1971), не­ обходимым условием взрываемости газов является достижение пузырьками газа определенных размеров, когда начинается их слия­ ние. Наличие миарол в магматических породах фиксирует тот мо­ мент, когда значение вязкости становится так велико, что прекра­ щается движение пузырьков вверх.

Проход пузырьков магматических флюидов в кристаллизирую­ щейся магме может привести к появлению трубчатых сооружений, выполненных монобрекчией магматических пород, которые будут интерпретироваться как эксплозивные. Поперечное сечение их бу­ дет различное, может быть и небольшим. В дальнейшем по этим сооружениям могут циркулировать постмагматические растворы, обусловливая метасоматические процессы и отложение рудного вещества.

В условиях эксперимента за счет прохождения пузырей в ос­ тывающем субстрате образуется трубчатое сооружение, которое

160

все время остается открытым. Вполне естественно, что в под­ земных условиях газ отходит лишь в надинтрузивные разрывы. За счет падения давления при отходе газов и происходит вскипа­ ние, скорость которого зависит от скорости ядрообразования. При скорости 0,1 мл/с объем газов в верхней части резервуара может достичь 10% его объема уже в течение 100 лет (Matsuo Sacao, 1961), в то время как затвердевание интрузивов происходит в те­ чение многих миллионов лет (Ненашев, 1971). При экспериментах иногда происходит разветвление цилиндрических каналов в верх­ них частях и спиральное закручивание каналов. Подобное явле­ ние часто наблюдается и в природе («Шамянские кольцевые...» , 1971; и др.). За счет спирального вращения может происходить дополнительное брекчирование пород.

Таким образом становится понятным состав и генезис брекчии эксплозивных сооружений, развивающихся в магматическом рас­ плавленном субстрате. Также объяснимыми становятся морфоло­

рассматриваемого процесса является продвижение летучих соеди­ нений во вмещающих относительно твердых породах. Здесь они про­ двигаются по пути наименьшего сопротивления, используя разломы и места их пересечений и другие структурные элементы. Такое пе­ ремещение сопровождается специфическими явлениями, которые в общих чертах аналогичны явлениям, происходящим при техни­ ческом процессе флюидизации (Reynolds, 1954). Этот процесс в по­ следнее время нашел широкое распространение в различных об­ ластях (в каталитическом крекинге нефти, гашении извести, гази­ фикации угля и др.) и поэтому достаточно детально изучен. При флюидизации газ пропускается через слой тонкозернистых твердых частиц для облегчения химических реакций. Экспериментально установлено, что при медленном поднятии газа через слой несвя­ занных частиц происходит лишь его медленное просачивание без возбуждения отдельных частиц. При более быстром поднятии газа слой расширяется и отдельные частицы получают различную сте­ пень свободы, становятся подвижными, т. е. возникает подвиж­ ная газово-твердая система. На этой стадии частицы в расширив­ шемся слое являются возбужденными, и слой будет флюидизи­ рован.

В слое, сложенном частицами размером 40 ц, флюидизация будет происходить в том случае, если газ проходит со скоростью около 0,5 м/с. Зависимость скорости газа, при которой наступает флюидизация, от мощности слоя, через который проходит газ, видна из графика (рис. 43,а). Данные для него получены авто­ ром экспериментально при пропускании потока сжатого воздуха в цилиндрическом канале через слой частиц размером 1 мм.

Плотность и вязкость расширившегося слоя возрастают с уве­ личением веса и размера составляющих частиц. Вязкость будет наименьшей при наличии частиц различных размеров. Подвиж­ ность частиц значительно возрастает при увеличении количества тонкозернистого материала по отношению к грубозернистому.

При дальнейшем увеличении скорости газового потока твердые частицы полностью облекутся газом и начнут передвигаться с его помощью. Из-за бурного движения частиц в расширенном слое и выделения пузырьков с его поверхности слои в этой стадии име­ нуют кипящими. Он имеет горизонтальную поверхность, умерен­ ная вязкость и плотность которой в первом приближении анало-

6

Рис. 43. Результаты экспериментального исследования процесса флюи­ дизации:

гичиы вязкости и плотности жидкости. Тела относительно низкой объемной массы будут плавать на этой поверхности. Плотность, которая достигает максимума до того, как начинают образовы­ ваться газовые пузырьки, пропорциональна давлению, падающему на слой. Вязкость определяется так же, как и для жидкости. Как вязкость, так и плотность расширенного слоя увеличиваются с воз­ растанием массы и размеров слагающих частиц. При этом вязкость будет наименьшей при наличии частиц различных диа­ метров. Присутствие даже небольшого количества тонкозернистого материала в слое крупнозернистых частиц значительно увеличивает их подвижность. Это, видимо, и приводит к заполнению большин­ ства рудоносных эксплозивных сооружений мелкообломочной брек­ чией, в которой спорадически включены более крупные глыбы.

162

Флюидизированные системы в промышленном процессе при­ обрели большое значение ввиду того, что в расширенном слое су­ ществуют идеальные условия для химических реакции между газом и твердым телом. Это обусловлено соприкосновением газа с тонко­ зернистыми твердыми частицами и сохранением приблизительно постоянной температуры во флюидизированной системе. Послед­ няя, по экспериментальным данным, обусловлена переносом тепла твердыми частицами. Их бурное движение представляет возмож­ ность поглощать тепло в одной части системы и отдавать его в другой части, т. е. нивелировать тепло в системе. Фактическая температура флюидизированной системы, естественно, зависит от скорости, с которой тепло переносится и теряется системой.

В расширенном слое, характеризующемся турбулентным дви­ жением частиц, имеются идеальные условия для их смешивания. Опыты показали, например, что смешивание твердых частиц в воде происходит много хуже, чем в газово-твердой системе, в ко­ торой наблюдается стремительная скорость циркуляции.

При изучении технического процесса флюидизации (Reynolds, 1954) установлена значительная эрозия стенок сосудов. Макси­ мальная эрозия происходит в том случае, когда угол удара частиц близок к 20°. Частицы при перемещениях за счет флюидизации подвергаются сильному истиранию. Опыты по определению изна­ шивания показали, что наиболее противостоят истиранию неболь­ шие частицы сферической формы. Этим можно объяснить округ­ лость некоторых обломков в некоторых рудоносных брекчневых эксплозивных сооружениях.

В промышленности термин «флюидизация» применяется только по отношению к газово-твердым системам. С некоторой долей ус­ ловности он может быть также применен к суспензии твердых частиц. В направленном вверх потоке жидкости, имеющей более низкую, чем твердая фаза плотность, твердые частицы рассеиваются в потоке, при этом образуется «расширенный неподвижный слой». Внутри него наблюдается лишь колебание частиц. Важно понять, что пузырьковая фаза газово-твердых систем не аналогична жид­ ко-твердым системам. Турбулентно расширенный слой возникает только в газово-твердых системах.

Применение основных положений процесса флюидизации по­ могает нам разобраться во многих сторонах генезиса рудоносных брекчневых эксплозивных сооружений, возникающих в твердой среде.

Бурное до взрывообразного отделение газовых пузырьков ле­ тучих компонентов приводит к появлению брекчий, т. е. частиц, обладающих различной степенью свободы. Возникновение брекчий происходит при таком процессе постепенно, когда фронтальная часть магматического тела достигает зоны повышенной трещино­ ватости и, может быть, обводненности окружающих пород (Write, Bowes, 1968).

Твердые породы кровли магматического тела переходят в месте прохождения газовой фазы в состояние взвешивания, что особенно характерно для мелких обломков. Во внутренней части образующего канала обломки будут закругляться, как бы ока­ тываться на месте первичного залегания. По периферии будет про­ исходить лишь рассечение пород на отдельные блоки. Процесс идет так, что массивные блоки вмещающих пород, отделенные от боковых образований, как бы утопают внутри потока газово­ твердой мелкообломочной системы (вопрос пространства в этом случае отпадает сам собой). Подобным образом в ранний пнев-- матолитовый этап происходит зарождение руднообломочной (руднобрекчиевой) сердцевины эксплозивного сооружения. В боль­ шинстве случаев это руднобрекчиевое тело будет перемещенным как в восходящем, так и в нисходящем направлениях.

Для понимания процесса перемещения брекчиевого материала в восходящем направлении важно учесть, что масса флюидизиро­ ванных пород, заключенная в канале, чрезвычайно мала, поэтому выполнить самостоятельно за счет внутренней энергии работу по передвижению внутри твердой земной коры она не может (в про­ тивном случае нам бы опять пришлось привлекать для объяснения появления вытянутого на сотни метров по вертикали канала ги­

подошли к пониманию этого явления. Они считают, что энергия

зированной системой в период зарождения и развития, сообщается с глубинным резервуаром магмы, находящимся под огромным гравитационным давлением. Известно, что под действием эндоген­ ных сил и силы тяжести горные породы в земной коре находятся

от заданной площадки до дневной поверхности. При средней плот­

у исследователей нет. Если рассматривать горные породы как' сплошные идеально упругие тела, то при среднем значении вели­ чины поперечного расширения (коэффициент Пуассона) в 0,25, боковое давление составит 33% от вертикального, если же принять породы как несвязанные тела, то в плывунах боковое давление составит 75% от вертикального, а в прочных породах падает до 0,1% от вертикального.

164

Для того чтобы разрушить или перевести горную породу в пластическое состояние, необходимо приложить к ней определен­ ное усилие, превышающее предел прочности данной породы. Зна­ чения стандартной прочности горных пород на раздавливание при­ ведены в табл. 5.

Экспериментально установлено, что прочность горных пород на сдвиг или изгиб в 7— 10 раз меньше прочности их на раздавлива­ ние, но механическая прочность в условиях всестороннего напря­ женного состояния увеличивается в несколько раз (Орлов, 1963). Чтобы разрушить или перевести породу в флюидизированное со­ стояние в условиях двухили трехстороннего сжатия, необходимо, чтобы разница максимального и минимального напряжений, при-

Рис. 44. Характер распределения давления горных пород на магматическую камеру после внедрения расплава. Орлов, 1963.

Т а б л и ц а 5

Стандартная прочность горных пород на раздавливание.

По Д . М. Орлову, 1963

I

лагаемых к породе, достигала определенного для данной породы предела (промежуточное напряжение при трехосном сжатии не влияет на условие текучести горных пород). Значение этой пре­ дельной разности растет с увеличением среднего гидростатического давления.

К действующему в условиях земной коры гравитационному давлению в моменты тектонических подвижек добавляется еще и тектоническое давление, а в момент подземной эксплозивной дея­ тельности возникает дополнительное напряжение, обусловленное нагревом паров воды или диссоциацией углекислоты.

Канал, возникший за счет эксплозий, и магматический резер­ вуар являются сообщающимися сосудами. Поэтому в канале должно действовать огромное давление, почти равное давлению в резервуаре. Это суммарное давление создает большую удель­ ную энергию потока далее при незначительной кинетической энер­ гии. Поэтому чтобы сформировать в земной коре каналы с неболь­ шим сечением, но длиной в несколько сотен метров (иногда до километра и более), для магмы или ее постмагматических произ­ водных совершенно не нужны скорости в десятки километров в се­ кунду: они могли быть незначительными.

Флюидизированный (эксплозивный) брекчиевый материал, на­ ходящийся под высоким давлением, способен проникать в мель­ чайшие трещины, образуя эксплозивные дайки, и особенно в места пересечения разломов и других ослабленных зон, образуя псевдо­ округлые тела, для формирования которых требуется наименьшая энергия. Во флюидизированных системах существуют идеальные условия для перемешивания пород, что часто приводит к хаотиче­ скому распределению обломков или их расположению в виде от­ дельных струй внутри эксплозивного сооружения. Эти явления нами наблюдались в экспериментальной обстановке, когда флюи­ дизированные мелкие частицы передвигались в цилиндрическом канале, заполненном материалом различных размеров, в виде струй между крупными обломками.

дами и внешне напоминающие эксплозивные сооружения, могут возникать в связи с другими явлениями.

Т р у б ч а т ы е т е л а в и х р е в ы х с т р у к т у р . Механическое перемещение тела слагается из поступательного и вращательного движений. В среде же горных пород при вращении любого тела или блока возникает не простое вращательное движение, а вра­ щательный сдвиг. В результате последнего возникают вихревые структуры, изученные Ли Сы-гуаном (1958). Масштаб их может

166

быть различным. Мелкие вихревые структуры часто проявляются в виде трубчатых по форме тел. Типичные примеры вихревых тру­ бок обнаружены им в Северо-Западном Китае. Диаметры трубча­ тых тел здесь 0,2—0,3 м. Оси их вертикальные. Вмещающие по­ роды сильно раздроблены, а породы внутри трубок разбиты лишь редкими трещинами. Поверхности тел хорошо отполированы, а сами тела опущены или приподняты относительно вмещающих пород. В других случаях диаметры описанных Ли-Сы-гуаиом вих­ ревых структур измеряются сотнями метров в поперечнике.

Т р у б ч а т ы е т е л а т е к т о н и ч е с к и х б р е к ч и й . Тела брекчий изометричной формы могут возникать как тектоническим путем на пересечении зон нарушений двух направлений, так и в пределах одной разрывной зоны, особенно если она изменяется по ширине, чем создаются условия для локального брекчирования пород. В результате явлений трения при разрывах происходит раз­ ламывание пород и образование остроугольных обломков, вели­ чина которых бывает от микроскопической до десятков метров в поперечнике. В цементе таких брекчий наблюдается мука тре­

схожи с эксплозивными сооружениями по своим морфологическим особенностям. Они сложены брекчированными породами, имею­ щими местное происхождение. Брекчии в этом случае образуются в результате мгновенных сверхвысоких давлений при ударе ме­ теорита. Для того чтобы однозначно отмести тела таких брекчии к метеоритным кратерам, в них должны быть установлены хотя бы микроскопические количества метеоритного вещества и приз­ наки ударного изменения: наличие конусов сотрясения, импактитов (перекристаллизоваиные породы с наличием магнитных шариков), плотной и сверхплотной разновидности кремнезема.

По данным Л. Е. Кринова (1962), метеоритные кратеры гене­ тически подразделяются на взрывные и ударные. Первые обра­ зуются при падении сравнительно крупных тел с остатками косми­ ческой скорости (для железных метеоритов скорость удара 4— 5 км/с, для каменных 2—4 км/с). При ударе о земную поверхность метеорит из-за относительно малой силы молекулярного сцепле­ ния по сравнению с энергией ударной волны приобретает свойства сильно сжатого газа. Происходит взрыв, образуется мощная удар­ ная волна. Основная часть метеоритного вещества испаряется; сохраняются лишь мелкие осколки, рассеянные за пределами кра­ тера. Радиус взрывного метеоритного кратера зависит от массы и скорости метеорита в момент удара.

Метеоритные кратеры ударного типа образуются при скорости метеоритного тела от менее 100 до 3000 м/с. Они характери­ зуются сравнительно небольшими размерами (до 100 м в диа­ метре), насыпанными валами из коренных пород, присутствием метеоритных осколков и пыли.

167

К типичным метеоритным кратерам взрывного типа относится Аризонский кратер, возникший при падении метеорита Каньон Дьябло (Вдовыкин, 1971), к кратерам ударного типа — кратер Холлиферд (шт. Онтарио в Канаде) и др.

Из приведенного описания видно, что многие рудоносные брекчневые эксплозивные сооружения были сформированы в резуль­ тате комбинации разнообразных явлений. В большинстве сооруже­ ний наблюдаются черты нисходящего перемещения (обрушения). Эти явления носят специфический характер и требуют специаль­ ного рассмотрения.

Г л а в а V I

ЯВЛЕНИЯ ОБРУШЕНИЯ в РУДОНОСНЫХ эксплозивных

с о о р у ж е н и я х

Явления обрушения весьма характерны для многих эксплозив­ ных сооружении. Обрушению подвергаются как отдельные блоки и обломки во внутренних частях сооружений, так и прилегающие к ним участки. В результате обрушения внутренних частей экспло­ зивное сооружение на значительном протяжении бывает заполнено раздробленными вышележащими породами (Булуктан и др.) или отдельные обломки вышележащих пород встречаются в канале на сотни метров ниже своего первоначального залегания (трубка «Мир» и др.). При обрушении прилегающих участков у многих сооружений формируется мульдообразный прогиб (Ангаро-Илим­ ские железорудные месторождения и др.). В последнем случае обрушение захватывает и центральную область.

Причины, приводящие к обрушению, довольно разнообразны и могут так же, как у кальдер (Мархинип, 1967), быть сведены к пяти главным: обрушения происходят при процессах флюидиза­ ции, при усадке в результате кристаллизации магмы, при ее от­ токе, за счет минерализационного выщелачивания и при форми­ ровании кольцевых даек.

О б р у ш е н и я при п р о ц е с с а х ф л ю и д и з а ц и и . Процесс флюидизации, обусловленный взрывообразным прохождением га­ зовой фазы в твердой среде по определенным каналам, идет та­ ким образом, что массивные блоки перекрывающих вышележащих и вмещающих пород отрываются от боковых образований и утап­ ливаются внутри потока мелкообломочной газово-твердой системы. Для понятия механизма такого нисходящего перемещения отдель­ ных блоков внутри канала автором были поставлены экспери­ менты (см. рис. 45,6), при которых крупные частицы помещались над слоем мелкозернистых частиц. При достижении слоем мелко­ зернистых частиц флюидизированного состояния крупные частицы в песке вначале медленно погружались, а затем перемещение их приобретало вид сильно ускоренного движения. Начало процесса

163

утапливания оказалось разным для частиц различного диаметра (и массы). Так, в песке диаметром 1 мм куски гранита диамет­ ром 50 мм начали погружаться при скорости прохождения воздуха около 5 м/с, диаметром 30 мм — около 3 м/с и диаметром 20 мм — около 2 м/с.

Кроме того, 'был поставлен следующий опыт: над слоем того1

флюидизированного состояния, что произошло при прохождении воздушной струи со скоростью около 8 м/с, началось передвиже­ ние песка по пустотам между отдельными обломками, а затем катастрофическое обрушение всего слоя крупных обломков с хао­ тическим его перемешиванием. Весь канал был заполнен компакт­ ной массой: наиболее крупные обломки оказались заключенными внутри более мелких, а все пустоты заняты мелкозернистым песком. Возникшая масса весьма напоминает природную брекчию.

О б р у ш е н и я за с ч ет у с а д к и п р и к р и с т а л л и з а ц и и

м а г м ы . Известно, что многие вещества при переходе из жидкой фазы в кристаллическую существенно изменяют свой объем. Кри­ сталлизация расплава сопровождается уменьшением объема или увеличением плотности вещества, что в металлургии и камнелитей­

169