ИСТИНА

Целью предлагаемого проекта является выявление закономерностей формирования состава, строения и свойств вулканогенных пород и последующих их изменений в ходе диа- и эпигенеза, вплоть до превращения в метавулканиты. Данная тема является частью фундаментальной научной проблемы инженерной геологии, направленной на изучение состава, строения, состояния и свойств всего глобального многообразия грунтов верхних горизонтов земной коры и развитие целенаправленных исследований по восстановлению истории формирования свойств грунтов различных классов. На первом этапе предполагается выявить закономерности формирования состава, строения и свойств неизменённых вулканитов – а) базальтового и андезитового состава, б) дацитового и риолитового состава. Затем будут исследованы особенности преобразования вулканогенных пород и динамика изменения их свойств в ходе эпигенетических процессов при превращении их в зеленокаменные метавулканиты цеолитовой и пренит-пумпеллиитовой фаций. Предполагается выявить различия инженерно-геологических характеристик вулканитов и метавулканитов, обосновать критерии выделения метавулканитов; оценить динамику эпигенетических процессов с точки зрения изменения свойств горных пород. В качестве объектов исследования предполагаются имеющиеся в распоряжении научного коллектива вулканиты различного состава и возраста, сформированные в различных геодинамических обстановках (океаны, островные дуги, складчатые пояса, рифтовые зоны, платформы), всего около 6000 образцов. Преимуществом предлагаемого проекта является комплексный подход к изучению вулканитов: их детальные геолого-петрографические и минералого-геохимические исследования и анализ их петрофизических и геомеханических свойств, представляющих параметры, количественно оценивающие физическое и механическое состояние пород и происходящие в них изменения. Обобщенный анализ такой информации позволит получить более полную характеристику широко распространённых метавулканитов и более глубоко понять природу эпигенетических процессов, приводящих к их образованию.

The purpose of the proposed project is to identify the laws of formation of the composition, structure and properties of volcanic rocks and their subsequent changes in the course of dia- and epigenesis, until transforming to metavolcanics. This topic is part of the fundamental scientific problems of engineering geology, aimed at studying of the composition, structure, and properties of the entire state of the global diversity of soil in the upper layers of the earth's crust and the development of targeted research to restore the history of the formation of soil properties of different classes. The first stage is to identify the patterns of formation of the composition, structure and properties unaltered volcanics: a) basalt and andesite composition, b) dacitic and rhyolitic composition. Then, especially the transformation of volcanic rocks will be investigated and the dynamics of changes in their properties during epigenetic processes in the transformation of their greenstone metavolcanics zeolite and prehnite-pumpellyite facies. It is supposed to reveal the differences of engineering-geological characteristics of the volcanics and metavolcanites, justify selection criteria metavolcanites; to assess the dynamics of epigenetic processes in terms of changes in the properties of rocks. The objects of study are assumed available to the research team volcanic rocks of different composition and age, formed in different geodynamic settings (oceans, island arcs, folded belts, rift zones, platform), a total of about 6000 samples. The advantage of the proposed project is an integrated approach to the study of volcanic rocks: their detailed geological and petrographic, mineralogical and geochemical studies, and analysis of their petrophysical and geomechanical properties, representing parameters quantify the physical and mechanical condition of rocks and changes occurring in them. A pooled analysis of this information will provide a more complete characterization of the widespread metavolcanites and more deeply understanding of the nature of epigenetic processes leading to their formation.

На первом этапе исследований (2016 г.): I.1. Будут выявлены петрогенетические и пространственные закономерности формирования состава и свойств свежих вулканитов (N2-Q) - (1) основного и среднего состава (базальтов, андезибазальтов, андезитов и их туфов); (2) кремнекислого состава (перлитов, дацитов, риолитов и их туфов). I.2. Будет проведен сравнительный анализ инженерно-геологических особенностей неизмененных вулканитов, принадлежащих к различным петрографическим типам (базальты, андезибазальты, андезиты, дациты, риолиты, перлиты); показано влияние условий образования и структурно-минералогических особенностей (вещественного состава, структуры, текстуры, морфологии порового пространства, микротрещиноватости) на физико-механические свойства вулканитов. I.3. Будут выявлены инженерно-геологические особенности вулканитов, сформированных в различных геодинамических обстановках (для эффузивов среднего и основного состава) I.4. Будет оценена изменчивость порового пространства и свойств эффузивных пород по разрезу лавового потока; I.5. Будет объяснена природа явления низких скоростей упругих волн, характерного для молодых эффузивов. В результате планируемых исследований будет дана комплексная инженерно-геологическая характеристика неизмененных вулканогенных пород. На втором этапе исследований (2017-2018 гг.): II.1. Будут выявлены закономерности минеральных преобразований, изменений морфологии порового пространства и свойств вулканитов в ходе эпигенетических процессов, включая региональный низкоградный метаморфизм цеолитовой и пренит-пумпеллиитовой фаций. II. 2. Будут выявлены инженерно-геологические отличия вулканитов и метавулканитов.

Наш научный коллектив в течение многих лет проводит комплексные исследования вулканогенных пород, включающие, с одной стороны, их детальную петрографическую характеристику, с другой стороны – определение и анализ физико-механических свойств, исследование их природы, закономерностей формирования и изменения. К настоящему времени собрана представительная коллекция вулканитов разного возраста, представляющих различные геодинамические обстановки, насчитывающая более 6000 образцов. На основе исследования коллекции выявлены следующие закономерности предварительного характера: 1. Изученные эффузивные породы относятся к разным вулканогенным формациям, образовавшимся на разных стадиях развития регионов, и обнаруживают зависимость физико-механических свойств от геодинамической обстановки, условий образования и дальнейшей истории их развития. 2. Для каждой тектонической структуры наблюдаются определенные закономерности формирования состава, строения и физико-механических свойств эффузивных пород в соответствии с основными этапами и стадиями развития. 3. Выявлены существенные инженерно-геологические отличия базальтоидов четвертичного возраста, сформированных в различных геодинамических обстановках. 4. Выявлены основные этапы формирования и изменения свойств эффузивов средне-основного состава, единые для всех регионов. 5. Получены данные по физико-механическим свойствам и структурно-текстурным особенностям метабазальтов (от неогенового до протерозойского возраста), анализ которых позволит выявить последовательность эпигенетических преобразований, включая динамику изменения свойств пород. Отдельным и очень важным направлением является изучение явления аномально низких значений скоростей упругих волн в молодых эффузивах средне-основного состава.

1. Выявлены инженерно-геологические особенности неизмененных вулканогенных пород четвертичного возраста основного-среднего состава. Показано, что их характерными особенностями являются пористые текстуры, широкий разброс значений пористости (n=4-70%) и отсутствие вторичных минералов, независимо от состава магматического расплава и условий остывания лавы. Широкий разброс величины пористости обуславливает крайне широкий диапазон изменения значений деформационных и прочностных свойств. Свойства вулканитов определяются в большей мере их текстурой, нежели петрографическим составом и структурой. Важной особенностью голоценовых эффузивов являются аномально низкие значения скорости продольных волн (Vp=2-4 км/с), характерные даже для плотных (ρ>2,6 г/см3) разностей пород. Доказано, что низкие скорости упругих волн связаны с микротрещинами, образующимися при застывании и кристаллизации лавы. Еще одной особенностью голоценовых эффузивов является отсутствие корреляции между Vp и плотностью (пористостью). В течением времени (обычно с позднеплейстоценового времени, хотя временная граница может для разных регионов различаться) микротрещины исчезают, в связи с чем, значения Vp заметно повышаются до 4-6 км/c. Одновременно появляется корреляция между Vp и плотностью (пористостью). Никаких минеральных преобразований при этом по-прежнему не происходит. Показано, что вулканиты, образованные в разных тектонических структурах, обладают различными свойствами, а образованные в однотипных структурах (даже разделенные тысячами километров) – близкими. 2. Выявлены некоторые инженерно-геологические особенности вулканогенных пород кремнекислого состава. На примере кремнекислых вулканитов Ягоднинского месторождения Камчатки (туфы, риолиты, кластолавы, дациты, перлиты) установлено, что несмотря на близкий химический состав, породы существенно различаются по физико-механическим свойствам. Наибольшими значениями деформационных и прочностных свойств обладают риолиты, наименьшими - туфы. Изменчивость свойств, наблюдаемая для каждого петрографического типа, обусловлена различными факторами. Детально исследованы перлиты, в частности, выявлена тенденция к снижению плотности, магнитной восприимчивости, упругих свойств, повышению пористости и гигроскопической влажности перлитов с увеличением степени их гидротермальной переработки. На прочностные свойства перлитов гидротермальная переработка оказывает неоднозначное влияние. Степень переработки влияет также на характер разрушения пород. 3. Сравнение физико-механические свойств голоценовых эффузивных пород различных петрографических типов показало существенное их различие. В частности, при близких значениях пористости, базальты существенно плотнее и прочнее, чем риолиты. Между тем, базальты характеризуются аномально низкими значениями скорости упругих волн, что обусловлено микротрещиноватостью, образующейся при быстром остывании и кристаллизации жидкой базальтовой лавы. Такого явления в риолитах не наблюдается. По-видимому, высокая вязкость кислых лав и более продолжительное остывание не приводят к формированию микротрещин, в связи с чем, риолиты характеризуются более высокими значениями упругих волн, несмотря низкую плотность. 4. Получены новые данные о влиянии условий образования вулканогенных пород на их физико-механические свойства. На примере вулкана Безымянный (Камчатка) проведено сравнение андезитов, образованных в различных условиях - слагающих лавовые потоки, пирокластические потоки и экструзивные тела. Установлено, что андезиты всех трех фаций имеют близкие значения плотности твердой фазы и магнитной восприимчивости, что свидетельствует о сходном химическом составе данных пород, и возможно, об едином магматическом очаге, между тем, плотность и прочность заметно увеличиваются в ряду: пирокластические потоки – экструзии - лавовые потоки. 5. Выявлены закономерности изменения состава, структуры пустотного пространства и физико-механических свойств вулканогенных пород под действием регионального низкоградного метаморфизм (на примере метавулканитов Горного Крыма (J2) и Вологочанской мульды Сибирской платформы (P-T). Показано, что именно вторичная измененность (тип и количество вторичных минералов, форма их выделения в породе, степень перекристаллизации первичных минералов) является главным фактором, влияющим на деформационные и прочностные свойства метавулканитов. Влияние литостатического давления полностью нивелировано процессами регионального метаморфизма, что объясняет отсутствие закономерного изменения свойств метавулканитов с глубиной. 6. Молодые вулканиты необходимо отделять от их древних аналогов - метавулканитов. Для первых характерны такие признаки, как ограниченный набор породообразующих минералов, отсутствие вторичных минералов (за исключением локальных гидротермальных систем), открытые пористые текстуры, широкий разброс пористости и как следствие, всех физико-механических свойств. В метавулканитах, образованных под действием низкоградного метаморфизма, вулканическое стекло девитрифицировано, первичные минералы существенно преобразованы, а поры заполнены различными вторичными минералами (хлорит, кальцит, альбит, кварц, халцедон, гидрослюда, цеолиты, эпидот, пренит и пр), образуя миндалекаменную текстуру. Вполне закономерно, что метавулканиты более плотные и менее пористые по сравнению со своими молодыми аналогами. Вместе с тем, изменение прочностных и деформационных свойств во многом зависит от состава, количества и формы выделения вторичных минералов. В процессе низкоградного метаморфизма нивелируются первоначальные различия в свойствах между вулканогенными породами разного происхождения, состава и строения (например, вулканогенно-обломочными, эффузивными и субвулканическими породами). 7. Выявлены закономерности преобразования вулканогенных пород и изменения их свойств под действием термальных вод на современных термальных полях Камчатки. Выделены последовательные стадии изменения исходных вулканогенных пород, вплоть до полного превращения в гидротермальные глины, опалиты, вторичные кварциты. Рассмотрены особенности изменения состава, структуры порового пространства и свойств на каждой стадии.