Моделирование спонтанной локализации фильтрационных течений жидкости в гидротермальной системе

Автор: Иван Сергеевич Уткин

Соавторы: Афанасьев Андрей Александрович

Организация: НИИ Механики МГУ, Москва

В вулканически активных зонах часто наблюдаются потоки горячего водяного пара и углекислого газа через поверхность Земли в атмосферу, а также присутствуют озера с кипящей водой и горячие источники. Источником горячего газа является магматический расплав, залегающий на глубине десятков километров. При остывании от магматического расплава отделяются большие объемы вулканического газа, который устремляется к поверхности по проницаемым вмещающим породам. Выход газа на поверхность обычно локализован в трещинах и кратерах, имеющих небольшой размер по сравнению с характерными масштабами магматических очагов.

Магматический расплав прогревает окружающие породы, что приводит к изменению реологических свойств пород и их вязкопластической компакции, то есть к сжатию порового пространства. При этом проницаемость пород существенно уменьшается, что осложняет фильтрацию вулканического газа. Определение механизма переноса газа к поверхности и локализации течения в пористой среде является актуальной задачей, поскольку вулканический газ может содержать в растворенном виде примеси ценных металлов, и гидротермальная активность часто сопряжена с процессами рудообразования.

Работа посвящена исследованию течений вулканического газа в вязкоупругих вмещающих породах. Представлена ​​математическая модель течения жидкости в деформируемой пористой среде, основанная на уравнениях механики многофазных сред. С помощью численной реализации предложенной модели проведено моделирование переноса магматического газа в верхней коре Земли. Учитывается зависимость вязкоупругих свойств горных пород от температуры, пластические деформации твердой матрицы при высоком поровом давлении. Используются реалистичные свойства флюидов в широком диапазоне глубин.

Исследовано влияние учета пластических деформаций на формирование высокопроницаемых каналов в пластической зоне и взаимодействие этих каналов с конвекцией в хрупкой зоне. Показано, что компакция вызывает локализацию фильтрационного течения и накопление вулканического газа в областях с высокой пористостью – линзах. Показано, что перенос газа происходит в основном через верхнюю часть линз, что приводит к восходящему потоку гидротермальной конвекции, всегда находящемуся наверху каждой линзы. Другие потоки газа между линзами связаны с конвекцией грунтовых вод. Моделирование показывает, что линзы можно отслеживать, измеряя определенные параметры на поверхности.