Интерпретация петрофизических данных

Перечень вопросов, при решении которых важную роль играют сведения о физических и механических свойствах горных пород, весьма обширен.

Комплекс физических и механических свойств характеризует условия образования горных пород и преобразования их в последующей геологической жизни. Эти свойства отражают состав горных пород, их структуру, а также характер эпигенетических преобразований и тектонических напряжений, которым эти породы подвергались.

Ю.А. Розановым подчеркивалась зависимость физико-механических свойств горных пород от характера и интенсивности их гидротермально-метасоматических изменений. На Чонкойском ртутном месторождении, например, им установлена приуроченность оруденения к лиственитам, образовавшимся по серпентинированным интрузивным (дуниты) и эффузивным породам основного состава. Слабо измененные разности этих пород характеризуются высокими значениями модуля упругости (8,3 • 10⁴ Па) и коэффициента Пуассона (0,35), что свидетельствует о достаточной их пластичности в обстановке высокого всестороннего сжатия, при наличии избыточного давления по одному из направлений. В то же время листвениты, также демонстрирующие высокие значения модуля упругости (8,64 • 10⁴ Па), являются значительно более хрупкими, поскольку коэффициент Пуассона этих пород очень мал (0,18). Следует считать установленным, что лиственитизация серпентинизированных пород приводит к значительному повышению модуля упругости (и модуля сдвига) и снижению коэффициента Пуассона. Таким образом, приуроченность прожилковой ртутной минерализации к лиственитам предопределена повышенной хрупкостью последних, приводящей к интенсивному растрескиванию этих пород. Приведенные данные позволяют оценивать зоны измененных пород как ослабленные участки, благоприятные для формирования трещинных структур и локализации прожилкового, а также вкрапленного метасоматического оруденения.

Аналогичным образом на месторождениях других типов установлено, что при альбитизации горных пород, вмещающих оруденение, общая пористость возрастает в 3—5 раз, а при процессах скарнирования — в 2—10 раз. Пористость увеличивается при серицитизации (см. рис. 4.1), березитизации, серпентинизации, лиственитизации пород, а также при фумарольно-сольфатарной.

Рис. 13.3. Разрез через дайку гранит-порфиров с данными по физико-механическим свойствам пород (по Ю.А. Розанову).

Условные обозначения: / — вулканогенные породы (лавобрекчии), 2 — гранит-порфиры, 3 — гранодиориты, 4 — кривая изменения пористости, 5 — кривая изменения модуля упругости, 6 — разлом деятельности. В то же время при скаполитизации, доломитизации, а иногда и при лиственитизации пористость может уменьшаться. Все эти изменения определяются процессами привноса—выноса тех или иных петрогенных компонентов горных пород. л также различиями в плотностях породообразующих и заметающих их вновь образованных минералов.

Пористость пород тесно связана с их упруго-прочностными характеристиками. Так, по данным Ю. А. Розанова, при альбитизации вмещающих пород параллельно с увеличением пористости модуль упругости снижается с 8 до 5 • 10⁴ Па, при серпентинизации он также уменьшается, а при лиственитизации, березитизации и скарнировании, наоборот, возрастает при одновременном снижении коэффициента Пуассона. При окварцевании пород уменьшается как модуль упругости, так и коэффициент Пуассона (рис. 13.3).

Благоприятные для рудолокализации породы обычно характеризуются повышенной пустотностью, которая возникает при дорудной гидротермальной их переработке (как это было показано выше), либо при тектонической подготовке пород (повышенная трещиноватость), либо при совместном проявлении обоих этих факторов.

Например, на одном из редкометалльных месторождений оруденение контролируется дайкой гранит-порфиров, располагающейся на тектоническом контакте гранодиоритового интрузива и вулканогенных пород. Оба контакта дайки нарушены разломами. Было установлено, что на месторождении гранодиориты характеризуются наиболее низкой эффективной пористостью (0,23— 0,84%), которая возрастает (1,40—1,69%) лишь вблизи разлома, отделяющего эти породы от дайки. Хлоритизация, которой подверглись гранодиориты на отдельных участках вблизи разлома, приводит к дальнейшему повышению эффективной пористости (2,33—3,50%). Модуль упругости гранодиоритов обычно равен (7,0—7,5) • 10⁴ Па, но несколько снижается у разлома до (6,40— 6,50) • 10⁴ Па.

Вулканогенные породы характеризуются эффективной пористостью 1,24—2,62%, которая при наложении процессов хлоритизации и серицитизации возрастает до 5,97—10,58%. Модуль упругости вулканогенных пород колеблется в пределах (6,27—6,84) • 10⁴ Па.

Гранит-порфиры имеют наиболее высокую эффективную пористость (0,70—3,40% в неизмененных разностях, 4,40—7,85% в серицитизированных, березитизированных и каолинизированных разностях пород). Модуль упругости гранит-порфиров изменяется в пределах (5,86—7,06) • 10⁴ Па, но вблизи разломов снижается до (5,40−5,57) • 10⁴ Па.

Таким образом, установлено, что: 1) гранит-порфиры обладают наиболее высокими среди всех пород значениями эффективной пористости; 2) серицитизация и особенно березитизация, хлоритизация и каолинизация гранит-порфиров приводит к возрастанию их эффективной пористости, более значительному, чем при гидротермальных изменениях других типов пород; 3) среднее значение модуля упругости гранит-порфиров существенно ниже, чем у вмещающих вулканогенных пород и гранодиоритов, что обусловливает их хрупкие деформации (растрескивание) при значительно более низких напряжениях. Все это позволяет предполагать локализацию оруденения в гранит-порфирах, особенно вблизи их тектонических контактов с гранодиоритами и вулканогенными породами, и особенно там, где гранит-порфиры подверглись интенсивным гидротермальным изменениям различных типов. Действительно, рудные тела, имеющие форму вытянутых штокверков и крутопадающих или пологозалегающих линз, располагаются внутри дайки гранит-порфиров, в ее висячем и лежачем боках.

Формирование благоприятных для движения рудоносных растворов и рудоотложения структур в значительной степени зависит от физико-механических свойств пород. При этом прочностные и упругие свойства пород предопределяют характер структур и их положение в конкретных геологических позициях. Эти свойства позволяют определять возможное поведение тех или иных пород в процессе рудообразования, их реакцию на деформирование (т.е. роль в структурообразовании) и т. д.

Известно, что породы с различными физико-механическими свойствами, о которых судят по величинам модуля сдвига и модуля Юнга, коэффициента Пуассона и пористости, временного сопротивления сжатию, разрыву, сколу и другим параметрам, не одинаково реагируют на деформирующие их усилия. Так называемые некомпетентные породы, наиболее ярко представленные глинистыми сланцами, при складчатых деформациях образуют мелкие складки малого радиуса кривизны. Наоборот, компетентные породы, в частности песчаники, известняки, доломиты и другие, способны образовывать широкие упругие своды большого радиуса кривизны.

Многими авторами, изучавшими ртутные месторождения Средней Азии, локализованные в карбонатных комплексах, отмечалось, что формирование месторождений происходило при решающем влиянии разрывной тектоники — крупных разломов, перемещения по которым приводили к возникновению зон межформационного расслоения.

Карбонатный в своей основе рудовмещающий разрез состоит из пачек доломитизированных известняков, которые различаются по степени доломитизации, а также текстурно-структурным характеристикам, что в конечном счете обусловливает и различия в физико-механических свойствах этих пород и величинах их пористости. Эти различия и определили положение оруденения в стратиграфическом разрезе. На большинстве месторождений в Южной Киргизии оно локализовано в крупнозернистых доломитах, модуль упругости которых изменяется в пределах (6,95— 7,95) • 10⁴ Па, т. е. оказывается на 10—20% выше, чем у залегающих выше по разрезу, но безрудных мелкозернистых доломитов с Е = (6,63—6,81) • 10⁴ Па. Крупнозернистые породы обладают также в 2—2,5 раза более низкими величинами коэффициента Пуассона (0,09—0,14). Такое сочетание их физических свойств определяет повышенную хрупкость этих пород. Тектонические деформации в них реализовывались в основном в виде разрывных деформаций, растрескивания. Таким образом, хрупкость способствует повышению пустотности, а в конечном счете рудоотложению.

Высокая пластичность мелкозернистых разностей в сочетании с более низкими значениями модуля упругости как фактор рудоотложения неблагоприятна и высокопластичные породы (тонкослоистые мелкозернистые известняки, сланцы и др.) во многих случаях играли роль структурно-литологических экранов на пути движения гидротермальных растворов.

Существенно различаются по особенностям внутреннего строения разломы и крупные трещины в породах с различными физико-механическими свойствами. В этом отношении показательны толщи переслаивающихся вулканогенных пород различного состава. В них в пределах лав основного или среднего состава, демонстрирующих минимальную общую и эффективную пористость (от долей процента до первых процентов), высокие упругопластические характеристики и достаточно высокую прочность, разломы имеют сосредоточенное строение. Напротив, там, где эти структуры пересекают эффузивы кислого и среднего состава с достаточно высокой пористостью (от нескольких процентов до 10% и более), высокой прочностью, относительно высокими значениями модуля Юнга и малыми величинами коэффициента Пуассона, они дают резкие раздувы по мощности с развитием серии параллельных и субпараллельных швов, окаймленных мощными полосами сгущения мелких трещин.

Таким образом, физическое состояние геологической среды, т. е. физико-механические характеристики среды рудообразования играют чрезвычайно важную роль при формировании месторождений полезных ископаемых, и особенно гидротермальных месторождений. Для некоторых их типов, в частности для низкои среднетемпературных месторождений ртути, флюорита, урана и других полезных ископаемых, физико-механические свойства пород являются ведущим фактором, определяющим условия формирования месторождения, характер и положение благоприятных структур и, в конечном счете, локализацию промышленного оруденения.