Институт геофизики им. С. И. Субботина НАН Украины В. П. Коболев ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЛУБИННОЙ ПЛЮМ -ТЕКТОНИЧЕСКОЙ ДЕГАЗАЦИИ Международная конференция «Актуальные проблемы геосреды и зондирующих систем» Киев, 2017
Геосреда - открытая, энергетически насыщенная нелинейная диссипативная система. q Геосреда - хороший пример открытой, энергетически насыщенной нелинейной диссипативной системы с множеством самоорганизующихся структур, взаимодействующих отдельностей. Она непрерывно подвергается воздействию разномасштабных внешних и внутренних сил. q Под внутренними силами подразумевается широкий спектр физико-химических процессов в системе ядро-мантия-литосфера. В качестве основного переменного фактора, определяющего текущую нестабильность среды вблизи состояния, близкого к критическому, может служить восходящий поток легких газов (водород, гелий и др. ), а изменчивость ее параметров, которая может быть очень быстрой, является результатом его непрерывного взаимодействия с твердой фазой литосферы [Гуфельд, 2013]. q Основные свойства диссипативной геосистемы, в которую поступает энергия, определяются составом и типом ее структурных элементов, притоком энергии и факторами внешней среды.
Геосреда - открытая, энергетически насыщенная нелинейная диссипативная система. Как известно, основные свойства геосреды как динамической системы - диссипативность динамики, компенсация энергетических затрат за счет действия внешних и внутренних источников, активность ее отдельных элементов (блоков разного ранга). Она не может рассматриваться в качестве пассивного континуума, ей присуща внутренняя самоподобная структура. В геосреде реализуются комплексы нелинейных взаимодействий между физическими полями, структурами и подсистемами, а мультифрактальность может рассматриваться как достаточно распространенное явление. Согласно [Геншафт, 2009; Садовский, 2004] для Земли можно установить пространственно-временную иерархичность состава, структуры и процессов. При этом приходится рассматривать процессы в дискретной (блочной) среде и считать среду многофазной, то есть учитывать ее твердую, жидкую и газовые компоненты.
Жизнь на Земле находится под полным контролем процессов глубинной дегазации, масштабы которой на несколько порядков выше, чем «дыхание» залежей нефти и газа, открытых в осадочном чехле. Сегодня, учитывая огромные масштабы дегазации, нельзя изучать генезис и вести поиск залежей нефти и газа без учета абиогенного синтеза углеводородов. Анализ путей миграции глубинных флюидов, зон разгрузки глубинной энергии позволит разработать новую стратегию поиска залежей нефти и газа и нестандартно подойти к оценке запасов углеводородного сырья нефтегазоносных бассейнов [Лукин, Пиковский, 2004].
q Исследование процессов дегазации Земли, связанных с перемещением глубинных флюидов от внутренних геосферных оболочек к внешним, с учетом энергетических и динамических процессов, представляет собой междисциплинарную проблему. q Диссипативность нефтегазоносных бассейнов (НГБ) определяется взаимодействием глубинных высокоэнергетических флюидных потоков с уже сформированными и (или) которые находятся в процессе формирования флюидопроводящими системами фундамента и осадочного чехла. Изучение этих глубинных флюидов и механизмов их взаимодействия с литосферными субстратами должно стать главным направлением исследований нефтегазовой геологии XXI века [Лукин, Пиковский, 2004].
Корни глобальных геодинамических процессов сместились с уровня верхней мантии к ядру Земли. В мантии важнейшими структурами разгрузки глубинной энергии является плюмы, суперплюмы. Наметился прогресс в термодинамическом моделировании состояния углеводородов в мантии и их трансформации на пути в литосферу. Superplumes: Beyond Plate Tectonics Edited by DAVID A. YUEN University of Minnesota, U. S. A. SHIGENORI MARUYAMA Tokyo Institute of Technology, Japan SHUN-ICHIRO KARATO Yale University, Connecticut, U. S. A. and BRIAN F. WINDLEY University of Leicester, U. K. © 2007 Springer
q К первоочередным задачам следует отнести вопросы о природе высокоэнергетических флюидных потоков (плюмов), которые, согласно современным данным, могут возникать в различных геосферах - от жидкого ядра и слоя D 2 к верхней мантии, коромантийный смеси и волноводов земной коры. q Идея плюма, как элемента геодинамики, возникла сравнительно недавно. Это было вызвано, с одной стороны, несостоятельностью тектоники плит, т. к. она не находит объяснения внутриплитному вулканизму и магматизму и, с другой, - успехами сейсмологии, в частности, сейсмической томографии [Nolet, Karato, Montelli, 2006].
q Разработка и использование метода сейсмотомографии позволило выявить в мантии, в районах т. н. «горячих точек» , - мантийные струи, названные плюмами. Хотя, надо заметить, что к этим данным двоякое отношение: некоторые видят в них доказательство реальности плюмов, другие усматривают в них лишь сейсмические шумы [Kerr, 2006].
Глубинные верхнемантийные (астеносферные) флюиды и связанные с ними гидротермальные и реже углеводородообразующие системы возникают не сами по себе, а являются производными сверхглубинных (внешнее ядро - слой D 2) флюидов, что существенно меняет наши представления о ресурсах глубинного углеводорода и их роли в петро- и нафтидогенезе [Лукин, Пиковский, 2004].
Плюмы –струи, пронизывающие мантию от границы ядра до поверхности Земли, которые при выходе на поверхность изливаются базальтами малой вязкости – траппами. Плюмы по внешнему виду напоминают поднимающийся в атмосфере тороидальный вихрь, который обладает гидродинамической устойчивостью и способен «всплыть» на большую высоту, сохраняя свою первоначальную форму. Горячая струя вихря поднимается в его центре, затем, взаимодействуя с окружающей средой, приводит к её испарению, закручивается, охлаждается, частично конденсируется, опускается вниз и сливается с горячей струей. Процессы испарения и конденсации вещества среды играют важную роль в физике плюма. Слева тороидальный вихрь [Лаврентьев, Шабат, 1973], справа результат эксперимента по образованию двухфазной вихревой структуры при воздействии струи воздуха на расплав парафина в узком канале [Ковалев и др. , 2007].
Плюм как труба дегазации Наиболее важным аспектом функциональной характеристики плюмов с точки зрения эндогенного рудообразования и нафтидогенеза является рассмотрение их как труб дегазации (это плодотворное понятие введено в науку П. Н. Кропоткиным). Такая трактовка позволяет объединить практически все основные аспекты плюмтектоники. При этом на разных этапах эволюции плюма он может контролировать как «горячую» (включая разнообразный магматизм и гидротермальный рудогенез), так и «холодную» (включая нафтидогенез) дегазацию. Трубы дегазации представляют собой парагенетические пространственно-временные системы ловушек (залежей), которые включают в себя большие массивные залежи, приуроченные разуплотненным массивам пород кристаллического фундамента и промежуточного комплекса, черносланцевых и рифогенно-карбонатных формаций. Поэтому картирование труб дегазации по комплексу геофизических и геохимических аномалий приобретает особое значение. По мере восходящего движения плюмов формируются мантийные диапиры, апикальные части которых характеризуются, с одной стороны, катагенезом и метагенезом (фазы интенсивного прогибания бассейна), а с другой - гипогенно-алогенетичным метасоматозом. В формировании вторичной газовой пористости и трещиноватости, обусловленной водородно -гелиевой дегазацией, принимает участие также метан и его гомологи [Лукин, 2002].
Таким образом, формирование углеводородных систем на глубинах более 5 -6 км, наряду с присутствием здесь интенсивно разуплотненных кристаллических пород, не является термодинамическим парадоксом. На этих глубинах большие сегменты НГБ приобретают признаки единых нефтегазоносных углеводородных скоплений в неравномерно разуплотненных породах. Об этом свидетельствует полученный к настоящему времени экспериментальный материал по петрофизическому моделированию. В частности, обнаруженная инверсия скоростей сейсмических волн в термодинамических условиях этих глубин [Корчин, Буртный, Коболев, 2013 ], а также непосредственная связь эндогенных углеводородов с рифтогенными узлами Земли [Коболев, 2017], позволяют рассматривать апикальные части плюмов, как неисчерпаемые источники природных углеводородов.
Отношение H/Si позволяет объяснить Увеличение электропроводности высокую электропроводность мантии при увеличении количества астеносферы не за счет, как это принято, водорода в её веществе [Karato S. The более высокой ее температуры по сравнению с литосферой и частичным её role of hydrogen in the electrical плавлением, а добавлением водорода. conductivity of the upper mantle // Принимая в первом приближении, что Nature. 1990. V. 347. Р. 272 -273. ]. мантия в основном состоит из кремния, тогда присутствие в её составе 0. 1 % водорода (H/Si = 10 -3 = 1000 p. p. m. ), ведет к увеличению электропроводности на 2 порядка. Учитывая, что в твердом теле изменение теплопроводности происходит синхронно и по одному механизму с изменением электропроводности, можно полагать, что и теплопроводность вещества мантии также будет возрастать при продувке её водородом. Если учесть, что в момент прохождения плюма отношение H/Si >> 1000 p. p. m. , то и теплопроводность вещества мантии будет возрастать больше чем на два порядка. При этом, за счет повышения температуры окружающего пространства непосредственно плюмом, эффект будет ещё выше. Таким образом, наличие водорода в плюме играет определяющую, роль в его способности проникнуть сквозь
q Выполненный А. Е. Лукиным анализ геолого-геофизических и геохимических данных по различным нефтегазоносным бассейнам мира свидетельствуют о том, «что главным фактором формирования нефтяных и газовых месторождений являются не древние геологически длительные катагенетические процессы «капельной» первичной миграции при тектоническом погружении обогащенных биогенной органикой осадочных толщ, а глубинная дегазация Земли» [Лукин, 2015, с. 17]. q Размещение месторождений углеводородов Черного моря непосредственно связано с основными каналами, представляющими собой дизъюнктивные узлы – зоны пересечения глубинных разломов, активизированных в разные эпохи геологической истории. Происходившее в этих узлах мощное накопление углеводородов, наряду с интенсивной газовой разгрузкой дна, трудно удовлетворительно объяснить без привлечения глубинной составляющей. q Существенным является и тот факт, что максимальное проявление этого глобального явления связывается с плюмтектоникой. Последнее обстоятельство послужило основанием для привлечения процессов плюм-тектонической глубинной дегазации к истолкованию роли геодинамических факторов связанных как с эволюцией мегавпадины Черного моря, так и с генезисом углеводородов и пересмотра предыдущих геодинамических построений [Коболев, 2003].
q. Ярким свидетельством беспрецедентной по интенсивности холодной формы газовой разгрузки недр являются дискретные струйные выходы газов, обнаруженные на дне Черного моря. q. Последние, наряду с сероводородным заражением, представляют собой уникальный средообразующий, экологический и ресурсный феномен Черноморского нефтегазоносного мегабассейна [Шнюков, Коболев, 2013]. Черное море - уникальное явление на земном шаре, так как ни в одном море мира не установлено такого активного газовыделения Визуальные наблюдения струйных метановых газовыделений. Фотографии выполнены с борта научноисследовательской подводной лодки «Бентос300» на глубине 230 м. (Егоров, Артемов, Гулин, 2011).
Глубинное строение мантийной литосферы q Наиболее эффективным инструментом изучения глубинных неоднородностей мантийной литосферы являются методы сейсмической томографии, среди которых выделим представляющие для нас интерес их локальные и региональные модификации, непосредственно посвященные Азово. Черноморскому региону, . q Методика локальной трехмерной лучевой томографии основана на предположении о гладкости латеральных вариаций скорости. Для восстановления трехмерного распределения скорости в литосферной части верхней мантии региона [Яновская, Гобаренко, Егорова, 2016] используются данные о временах пробега продольных волн от землетрясений внутри и вокруг Черного моря. q К региональным следует отнести цикл работ последователей В. С. Гейко, успешно использующих разработанный им метод тейлоровского приближения решения задачи лучевой сейсмической томографии с целью изучения строения мантии на базе данных времен прихода на станции мировой сети первых вступлений Р-волн от землетрясений [Гейко, Бугаенко, Шумлянская и др. , 2007; Бугаенко, Шумлянская, Заец и др. , 2008; Бугаенко, Заец, Цветкова, 2015; Гинтов, Цветкова, Бугаенко, Муровская, 2016 ].
![Результаты сейсмотомографического исследования мантийной литосферы Черноморского бассейна [Гинтов, Цветкова, Бугаенко, Муровская, 2016]. Вертикальные долготные](https://present5.com/presentation/ad64e15ea0b318f3b0058411b1e7d76d/image-17.jpg "Результаты сейсмотомографического исследования мантийной литосферы Черноморского бассейна [Гинтов, Цветкова, Бугаенко, Муровская, 2016]. Вертикальные долготные")
Результаты сейсмотомографического исследования мантийной литосферы Черноморского бассейна [Гинтов, Цветкова, Бугаенко, Муровская, 2016]. Вертикальные долготные сечения Рскоростной модели мантии под мегавпадиной Черного моря. а) 340 в. д. ; б) - 350 в. д. ; в) 360 в. д. На вертикальных долготных сечениях Р-скоростной модели мантии непосредственно под ЗЧВ на глубинах от 2500 до 1700 км четко фиксируется низкоскоростная неоднородность (ΔVp≤ 0. 175 км/с), которую мы отождествляем с реликтом Черноморского плюма. Под ВЧВ подобная Вертикальные широтные сечения аномальная зона отсутствует. В качестве иллюстрации объективности Р-скоростной модели мантии под выполненных сейсмотомографических построений могут служить мегавпадиной Черного моря. а) вертикальные широтные сечения (41 -450 с. ш. ) Р-скоростной модели 0 с. ш. ; б) - 440 с. ш. ; в) - 430 с. ш. ; г) 45 мантии под мегавпадиной Черного моря. 420 с. ш. ; д) - 410 с. ш.
Вывод 1 Черноморский плюм рассматривается нами в качестве трубы дегазации, при этом на разных этапах его эволюции он может контролировать как "горячую" (магматическая инициация и пластификациия вещества литосферы центральной части впадины ), так и "холодную" (включая нафтидогенез) дегазацию. q Асейсмичная область под «безгранитной» литосферой центральной части впадины обусловлена магматической инициацией и пластификацией её вещества высоким мантийным тепловым потоком от остывающего Черноморского плюма. q
Для одного из грязевых вулканов Черного моря был выявлен канал дегазации – корни вулкана, расположены ниже поверхности Мохо (21 км от поверхности дна). Это свидетельствует о возможности поступления флюидов из фундамента и даже из недр ниже поверхности Мохо т. е. из мантии. Данные эти пока единичные, вулканов десятки, но, надо полагать, выявление глубинных корней грязевых вулканов Азово. Черноморского региона – дело времени и технических возможностей. Ведь установлено же для Каспия до сотни субвертикальных тел, опускающихся на глубины до 18 -19 км – корней грязевых вулканов [Шнюков, Коболев, Пасынков, 2013].
l. В целом, очевидно, в осадочной толще Черноморского дна существуют сотни грязевулканических каналов, а возможно, и иных путей – тектонических нарушений, по которым мощные потоки глубинной углеводородной дегазации поступают к поверхности дна. С учетом бесчисленных разрывных нарушений разных уровней, можно образно предположить существование своеобразной «кровеносной системы» осадочного чехла. С этих позиций становится понятной роль мощной майкопской толщи глинистых пород, как бы одеялом покрывающих и удерживающих флюиды, поступающие из недр, и лишь прорывы этой толщи мощными глубинными потоками сфокусированных углеводородов, локализованными в грязевых вулканах, дают возможность вырваться этим флюидам на поверхность дна, создавая поверхностные проявления грязевых вулканов (конусы, брекчии, газовые фонтаны).
l. Выявленная в западной глубоководной части Черного моря кольцевая морфоструктура пространственно расположена над одним из крупных выступов домелового фундамента, вероятно разуплотненных кристаллических и метаосадочных пород [Шнюков, Коболев, Пасынков, 2013]. Морфология домеловых формаций в Западно. Черноморской впадине [Лукин, 2006] и эхограмма (вверху) кольцевой морфоструктуры дна. 1 – массивные залежи УВ в разуплотненных породных массивах
Вывод 2 Можно предполагать, что мощный газофлюидный поток, вырываясь из мантии, как бы ослабляет при своем прохождении всю осадочную толщу и способствует возникновению диапировых структур в майкопских отложениях. l Иными словами, не диапиры в майкопских глинах создают грязевые вулканы, а, наоборот, газофлюидный локализованный поток способствует их возникновению. l Об этом свидетельствует существование положительных структур на всем пути газофлюидного потока – во всей разновозрастной осадочной толще. l
Вместо заключения Жизнь на Земле находится под полным контролем процессов глубинной дегазации, масштабы которой огромны и на несколько порядков выше, чем «дыхание» залежей нефти и газа, открытых в осадочном чехле. С глубинной дегазацией связаны планетарные катастрофы в биосфере. Корни глобальных геодинамических процессов сместились с уровня верхней мантии до ядра Земли. Каналы миграции флюидов связаны с дизъюнктивными деформациями и с инъекционными структурами (диапирами). В мантии важнейшими структурами разгрузки глубинной энергии являются плюмы, суперплюмы.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Скачать презентацию Институт геофизики им С И Субботина НАН Украины
ad64e15ea0b318f3b0058411b1e7d76d.ppt