На месторождениях калийных солей

При разработке месторождений калийных солей пластового и солянокупольного типов нередко наблюдаются газодинамические явления (ГДЯ) в виде внезапных выбросов соли и газа, обрушения кровли, стенок горных выработок или формирования кратерообразных воронок в их почве. Впервые такие явления были документально зафиксированы на калийных рудниках Германии [1]. По мере расширения географии калиедобывающих регионов (месторождения Верхнерейнского грабена; Германия, Франция), Верхнекамское (Россия), Старобинское (Беларусь), Баулби (Великобританиия) и другие) ГДЯ были выявлены на всех разрабатываемых месторождениях.

Особенностям проявления этих явлений и их систематизации посвящено большое количество работ [2—10].

В результате натурных наблюдений установлено, что очаги и зоны выбросов соли и газа контролируются осложнениями различного плана (зоны замещения, пережимы пластов, брекчированность, микроскладчатость, трещиноватость, перекристаллизация соляных пород и т. п. ).

В Германии в калийном районе Верра выбросоносные зоны в основном приурочены к олигоценовым базальтам, зонам тектонического смятия калийных пластов и участкам интенсивной перекристаллизации и вторичным сильвинитам, образовавшимся по первичным карналлитам [1].

На Верхнекамском месторождении очаги ГДЯ пространственно связаны с участниками интенсивного смятия сильвинитовых пластов, образовавшихся в результате внутриформационной складчатости и флексурно-надвиговых дислокаций [6, 7, 11]. Слоистость пород в таких местах нарушена. Развиты зоны замещения сильвинитов каменной солью и соляными глинами в виде одиночных линз или серий линз. Вверх по разрезу влияние этих зон замещения находит отражение в перекристаллизации межпластовой каменной соли и вышезалегающих калийных пластов и в перераспределении содержащихся в них газов.

На Индерском месторождении в Казахстане, относящегося к солянокупольному типу, основное количество очагов ГДЯ приурочено к зонам повышенной тектонической нарушенности (брекчирование каменной соли, трещиноватость) и участкам вторичной минерализации (развитие боратов в каменной соли и в карналлит-кизеритовой породе) [12].

На Старобинском месторождении основное количество очагов ГДЯ выявлено в III калийном горизонте и пространственно связано с локальными мульдами, ядра которых сложены брекчированными и трещиноватыми породами смешанного состава: карналлит, вторичные сильвиниты, вторичные участки каменной соли, карбонатно-глинистые породы [4].

Исследование мульд показало, что в почве  их имеются подводящие каналы шириной до 20—25 см, выполненные вторичным галитом, сильвином, карналлититом и карбонатно-глинистым материалом.

Анализ строения, изучение вещественного состава, структурно-текстурных особенностей пород, вторичных преобразований и газоносности очагов ГДЯ на месторождениях калийных солей в различных регионах мира позволило исследователям, изучавшим эти явления, сделать важный вывод о том, что основными естественными условиями их проявления является наличие в соляном массиве повышенной газоносности и пониженной прочности пород. Естественно, возникает вопрос: какие факторы обусловили возникновение в соленосных (калиеносных) толщах локальных участков с повышенной газоносностью и пониженной прочностностью пород?

Таких факторов может быть несколько и специфика их проявления определяется главным образом особенностями геологического строения конкретных месторождений и историей их развития на седиментационном и постседиментационном этапах. Тем не менее, природа возникновения потенциальных очагов ГДЯ на месторождениях калийных солей, образовавшихся в различные эпохи галогенеза и в разнообразных тектонических структурах (синеклизы, рифтовые зоны, предгорные и межгорные прогибы) имеет много общих закономерностей.

По пределу прочности породы, слагающие калийные залежи располагаются в следующем порядке: ангидрит (δ = 510—630 кг/см²), каменная соль (300—320), хартзальц (250—400), карналлит (260—407), сильвинит (84—164 кг/см²) [2]. Все вышеперечисленные породы при определенных внешних условиях могут хрупко разрушаться в форме выбросов соли и газа или горных ударов.

Зоны с пониженной прочностью в породном массиве возникают в результате процессов деформаций соленосных толщ и собственно калийных залежей. Такие деформации могут быть как пликативными, так и дизъюнктивными. Пликативные дислокации с интенсивным смятием в складки, разрывом и брекчированностью пород характерны для калийных месторождений солянокупольного типа (месторождения в районе Ганновера в Германии, Эльтонское в Прикаспийской впадине в России, Индерское в Казахстане, Кловер Хилл в Канаде, провинция Нью-Брансуик и др). На Верхнекамском месторождении, которое относится к пластообразному типу, весьма активно проявилась внутриформационная складчатость [7].

Дизъюнктивные дислокации с разрывом как подсолевых, так и калиеносных толщ не являются редкостью на калийных месторождениях. Они выявлены на месторождениях Верхнерейнского грабена, на Старобинском и Петриковском в Припятском прогибе, Хемисет в Предрифском прогибе (Марокко), Верхнекамском в Соликамской впадине, Калушском и Стебникском в Предкарпатском прогибе и др. [13]. Деформации сопровождаются перекристаллизацией соляных пород.

Периодически проникавшие по разломным зонам воды из подсолевых комплексов и рассолы из внутрисолевых горизонтов обусловливали формирование трещин, перекристаллизацию и замещение более легко растворимых соляных минералов и пород менее растворимыми (возникновение по первичным карналлитовым породам вторичных сильвинитов и др. ). При этом новообразованные породы иногда обладали более высокой пористостью по сравнению с первичными, например, сильвинитизированные карналлитовые породы и вторичные сильвиниты. Это обусловлено тем, что плотность карналлита меньше плотности сильвина и галита. По мнению М. П. Фивега при деформации соляных пород и их перекристаллизации освобождались содержащиеся в них газы, которые мигрировали и аккумулировались в благоприятных структурных ловушках [14].

Рассмотренные выше деформации породного соляного массива (внутриформационная складчатость, соляной тектогенез, разломы и т. д. ) проявляются в основном на постседиментационных этапах существования калийных залежей.

А. Е. Ходьковым впервые была предложена флюидогеодинамическая концепция возникновения очагов ГДЯ и других аномальных осложнений в соленосных толщах. По мнению этого исследователя динамика флюидов (вода, нефть, газ) теснейшим образом связана с геологическими видами круговорота вещества, с процессами седиментогенеза, диагенеза, катагенеза, метаморфизма и с процессами возникновения геологических осложнений в соленосных толщах и калийных залежах [15—17]. Эти процессы проявляются на всех стадиях преобразования осадка в породу. Флюидогеодинамика как механизм формирования очагов ГДЯ была применена многими исследователями для объяснения этих явлений на Старобинском, Верхнекамском и других месторождениях [3, 5—7, 18] и др. Таким образом, в настоящее время общепризнанным является факт, что очаги ГДЯ начали формироваться уже на стадиях диагенеза и катагенеза.

Пути миграции флюидов в соленосных отложениях представляли собой единую гидродинамическую систему макро- и микрополостей. При прекращении движения флюидов единая система распадалась на части, образуя серию более мелких квазиизолированных систем. Такие изолированные системы, содержащие водно-солевые растворы с газом являлись потенциальными очагами ГДЯ. Миграция флюидов могла происходить как в латеральном, так и в субвертикальном (снизу вверх) направлениях.

Для понимания природы очагов ГДЯ исключительно важное значение имеет исследование газоносности соленосных отложений. По своему происхождению газы в солях могут быть местными и транзитными. Местные газы образовались непосредственно в соленосной толще в результате процессов седиментогенеза − эпигенеза. Известно, что галит в солеродных бассейнах начинает кристаллизоваться на поверхности рапы, образуя квадратную воронку или лодочку, которая падая на дно дает начало кристаллической отдельности, вытянутой вдоль тройной оси L₃ куба, по которой скорость роста максимальная и заканчивается вершиной куба. В результате образуется «соляной зуб» (елочка, шеврон), содержащий включения газа и рапы [19]. Первично-седиментационные структуры типа «елочки» наблюдаются в каменной соли и в отдельных кристаллах сильвина ископаемых калийных залежей. По данным А. А. Черепенникова усредненные количества микровключенного газа в соляных породах изменяется от 10, 1 до 176 мг/кг и зависят от минерального состава пород [2]. Наиболее высокие содержания наблюдаются в карналлите (81, 3 мг/кг), а низкие − в каменной соли (31, 9 мг/кг). В составе микровключенных газов (это, как правило, местные газы) присутствуют CO₂ и CH₄. Значительные скопления газов связаны с соляными глинами (галопелитами). Источником их образования являлось аквагенное органическое вещество, накопление которого происходило в восстановительных условиях [21].

Транзитные газы проникают по системам трещин и пор из других горизонтов (нередко подсольных комплексов) и накапливаются в пустотах соленосной толщи и калийных горизонтов.

Иногда источником транзитным газом могли являться продукты поздней магматической деятельности. Например, газы, связанные с олигоценовыми базальтами, внедрившимися в цехштейновые (P₂) соленосные отложения в калийном районе Верра в Германии [1]. По форме нахождения в соленосных отложениях газы подразделяются на связанные и свободные [2, 7, 22].

Среди связанных газов выделяют микровключенные, находящиеся собственно в кристаллах солей и межкристаллические, сосредоточенные между плоскостями спайности кристаллов. Связанные газы освобождаются только при тонком дроблении кристаллов солей или их растворении. Свободные газы содержатся в трещинах, порах и гнездах. Газонасыщенность соляных пород определяется главным образом количеством свободных газов. Именно эти газы формируют в основном очаги ГДЯ. Состав свободных газов на различных месторождениях весьма изменчив и определяется в основном количеством транзитных газов. Причем состав последних в значительной степени обусловлен фактом присутствия или отсутствия в подсолевых отложениях конкретных месторождений калийных солей залежей углеводородов. В случае, если залежи нефти и газа развиты непосредственно в пределах горного отвода разрабатываемых шахтных полей, то газы из подсолевых отложений могли мигрировать по деформированным зонам и разломам в соленосную толщу и калийные горизонты. На Старобинском месторождении, в подсолевых комплексах которого отсутствуют месторождения углеводородов, основным компонентом свободных газов в очагах ГДЯ в III калийном горизонте является азот, содержание которого обычно превышает 90 % от всего объема газов. Количество метана и более высоких углеводородов в составе свободных газов, выделившихся из шпуров в горных выработках и скважинах варьируется от 4, 6 до 13 % от общего его объема. Азот, по всей вероятности, аккумулировался в результате привноса его в растворенном состоянии подземными водами.

На Верхнекамском месторождении, где в подсолевых отложениях выявлены залежи нефти и газа, свободные газы по химическому составу подразделяются на два типа [2]. К первому типу относятся газы, характерные для сильвинитовых пластов, содержащие в качестве основных компонентов метан (44, 1—47, 15 %) и этан (6, 6—13, 0 %), ко второму − газы, характерные для карналлитовых пластов, содержание в качестве основных компонентов водород (19, 4—39, 4 %) и метан (11, 5—39, 2 %). Газы первого типа относятся к углеводородным, второго — к водородно-углеводородным. Характер распределения свободных газов по стратиграфическому разрезу калийной залежи меняется закономерно (сверху вниз): от карналлитового пласта B к сильвинитовым пластам AБ и КрII наблюдается снижение водорода и увеличение количества тяжелых углеводородов. Эта закономерность свидетельствует о том, что углеводородные газы поступали из подсолевых нефтегазоносных отложений.

На формирование очагов ГДЯ, и в частности, на их пространственную локализацию определенное влияние оказывали новейшие тектонические движения, а в регионах древних материковых оледенений − ледники. Активные новейшие тектонические движения способствовали увеличению амплитуд положительных структур, а также появлению новых и активизации ранее существовавших ослабленных зон в надсолевых, соленосных и подсолевых комплексах. В квартере в регионах древних оледенений (Канада, Беларусь, север европейской России и др. ) наступавшие и отступавшие ледники периодически меняли литостатическую нагрузку, активизировали флюидогеодинамические процессы, приводившие к переформированию ранее существовавших зон ГДЯ и возникновению новых.

Очаги ГДЯ могут формироваться также в современную эпоху. Так, при отработке на месторождениях нескольких калийных горизонтов (Эльзасское во Франции, Старобинское в Беларуси и др. ) возникают так называемые природно-техногенные ГДЯ, вызванные вертикальной миграцией газов из отработанного пространства нижних калийных горизонтов в верхние горизонты соленосной толщи и калийные залежи [8]. Такой миграции газов способствуют возникающие при отработке нижних калийных горизонтов деформации и зоны понижений прочности в породном соленосном массиве (разрезе), расположенном между двумя отрабатываемыми калийными горизонтами.

Таким образом, выполненный нами анализ показывает, что имеется значительное количество природных геологических и техногенных факторов, обусловливающих возникновение в породном соленосном массиве калийных месторождений зон пониженной прочности пород и повышенных аккумуляций газов. Значение и влияние этих факторов на разных месторождениях неравноценно и определяется главным образом особенностями геологического строения месторождения, историей его развития и применяемой технологией разработки калийных залежей.

Принципиальная схема формирования очагов ГДЯ на месторождениях калийных солей может быть следующей. Образование первых очагов с газом началось на седиментационной стадии и начальной стадии диагенеза. Наиболее подвижными являлись галопелитовые накопления (в виде вязкой пасты), которые могли образовывать локальные и глинистые диапиры. При их обезвоживании седиментационная вода отжималась вверх и вступала во взаимодействие с вмещающими соляными породаим. В результате происходило растворение солей и освобождение из них газа. На стадии катагенеза и метагенеза процессы преобразования пород, слагающих соленосные толщи (соляные, глинистые, карбонатные и находящееся в них органическое вещество) проявились в более полном объеме.

Механическое уплотнение, растворение под давлением, перекристаллизация и другие процессы способствовали возникновению значительных объемов газов. В результате возрастающего геостатического давления флюиды мигрировали по системе макро- и микрополостей, образуя единую гидродинамическую систему. Такая система при дальнейшем уплотнении пород и возрастании геостатического давления распадалась на изолированные более мелкие системы (квазисистемы), содержащие водно-солевые растворы с газом. Газ собирался в апикальных частях трещиноватых зон, формируя высоконапорные газовые шапки, экранированные сверху соляными породами.

На постседиментационных этапах существования соленосные толщи и находящиеся в них калийные залежи в результате возрастающего геостатического давления и дифференцированных движений блоков подсолевого ложа подвергались деформациям. По разломам и зонам пониженной прочности пород осуществлялась миграция транзитных газов из подсолевых комплексов и местных газов внутри соленосной толщи. Происходила перегруппировка ранее существовавших очагов ГДЯ и возникновение новых за счет местных газов в результате инконгруэнтного разложения карналлита, перекристаллизации каменной соли, сильвинитизация карналлитовых пород и др., а также транзитных газов. Процессы, обусловливавшие возникновение зон пониженной прочности пород и миграцию газов в соляном массиве, активизировались на новейшем этапе в квартере (неотектоника, оледенения и др. ) и в современную эпоху в связи с разработкой калийных залежей на месторождениях.