РЕГИОНАЛЬНАЯ ГЕОФИЗИКА ПРЕДМЕТ РЕГИОНАЛЬНОЙ ГЕОФИЗИКИ В изучении

РЕГИОНАЛЬНАЯ ГЕОФИЗИКА

ПРЕДМЕТ РЕГИОНАЛЬНОЙ ГЕОФИЗИКИ В изучении твердой Земли предмет ГЕОФИЗИКА подразделяется на две дисциплины: РАЗВЕДОЧНАЯ ГЕОФИЗИКА и ФИЗИКА ЗЕМЛИ. РАЗВЕДОЧНАЯ ГЕОФИЗИКА является прикладной дисциплиной, инструментом для решения геологических задач. ФИЗИКА ЗЕМЛИ относится к числу фундаментальных наук; у нее свои объекты исследования принципы постановки и решения обратных задач

РАЗВЕДОЧНАЯ ГЕОФИЗИКА • Предметом разведочной геофизики является обобщенная совокупность задач, сформулированных на геологической идейной, фактической и терминологической основе. Объекты находятся в земной коре, особенно в верхней ее части, доступной для промышленной разработки залежей полезных ископаемых. Результаты оцениваются на основе геологических критериев.

ФИЗИКА ЗЕМЛИ • Предметом физики земли являются физические явления и процессы в глубоких недрах - в мантии и ядре Земли. Объекты исследований – это оболочки (ядро и мантия), крупные неоднородности мантии и ядра в распределении главных физических свойств, а так же эволюция этих неоднородностей в геодинамических процессах. Физика земли имеет свою методологию (способы постановки и решения задач, модели среды) и свою терминологическую базу.

РЕГИОНАЛЬНАЯ ГЕОФИЗИКА Региональная геофизика занимает пограничное положение между разведочной геофизикой и физикой Земли. Использует методы разведочной геофизики для изучения структуры и динамики литосферы и верхних частей мантии, поставляя фактическую информацию для физики Земли Объекты исследования региональной геофизики – элементы структуры земной коры и верхней мантии - так же занимают промежуточное положение между объектами разведочной геофизики и физики Земли Как наука – региональная геофизика не ориентирована на прямое применение результатов в производстве, ее выводы имеют теоретическое значение в обоснование геологических и геодинамических концепций и приобретают практическое значение (в том числе и прогнозное) после геологического истолкования региональных геофизических данных.

РЕГИОНАЛЬНАЯ ГЕОФИЗИКА Задачи региональной геофизики Фундаментальные (используются в теоретической геотектонике, петрологии и в геодинамике) Прикладные (используются в нефтегазовой геологии, в геологии рудных месторождений, сейсмологии очаговых областей и вулканологии)

Фундаментальные задачи региональной геофизики • • Исследование латеральной неоднородности верхней мантии на разных глубинах, Изучение свойств астеносферы Изучение глубинного строения земной коры, ее расслоения и блоковой структуры Тектоническое районирование верхней части земной коры, фундамента платформенных областей и дна океана.

Прикладные задачи региональной геофизики Изучение строения осадочных толщ платформ, предгорных прогибов, межгорных впадин, шельфовых бассейнов для прогноза размещения и направления поисков структур, перспективных на нефть и газ. Металлогеническое районирование платформенных и складчатых областей. Изучение структуры и динамики сейсмоопасных зон и областей современного вулканизма.

• Постановка региональных геофизических исследований и представление результатов для дальнейшего использования различны в фундаментальных и прикладных задачах. • Особенности постановки и решения фундаментальных задач напрямую зависят от типа геодинамических моделей, на которых основана комплексная интерпретация материалов региональной геофизики • Основным механизмом движений мантии является тепломассоперенос в гравитационном поле Земли. Поэтому исходные модели для геодинамических исследований должны содержать сейсмические границы, распределение плотности и температуры. • Смысл таких моделей – понимание природы и механизмов формирования геологических объектов разных рангов − от земных оболочек до структур, содержащих залежи полезных ископаемых. • Современная теоретическая геодинамика имеет дело с построением математических и физических моделей небольшого числа геодинамических процессов. • Основной метод геодинамики – решение прямых задач гидродинамики вязкой жидкости в условиях теплообмена на основе заданных структурных моделей среды, параметры которых определены геофизическими методами.

Такими геодинамическими моделями являются: • • тепловая конвекция в мантии, нижнемантийные термохимические плюмы, астеносферный диапиризм, изостатическое регулирование литосферы, погружение литосферных плит в зонах субдукции. материалы регионального геофизического изучения современной структуры литосферы нужны для построения моделей структурообразующих геодинамических процессов • По результатам такого моделирования возможен прогноз параметров литосферы в регионах, недостаточно изученных геофизическими методами. • Требования к качеству результатов региональных геофизических исследований определяются целевой установкой и способами использования результатов. Структурные модели должны содержать информацию о распределении плотности, температуры, теплопроводности, вязкости, о положении и рельефе основных границ раздела.

• Рельеф границ раздела, как и распределение скорости распространения упругих волн в слоях, определяется сейсмическими методами. В ряде случаев можно без дополнительной информации оценивать необходимые параметры упругой модели литосферы. • Упругие свойства не так важны в геодинамическом моделировании, как структура границ раздела и распределение плотности. Плотностную структуру сред с субгоризонтальными границами нельзя определить по данным гравиметрии из-за неоднозначности решений обратных задач в таких моделях. Этим определяется необходимость комплексирования сейсмических методов и гравиметрии для построения плотностных моделей литосферы. • Комплексирование предполагает использование сейсмических данных как априорной информации при интерпретации данных гравиметрии или оптимизационный подбор скоростных и плотностных моделей, соответствующих сейсмической информации и гравитационному полю в предположении линейной зависимости скорость − плотность.

Методы региональной геофизики Сейсмологические, включая методы глубинных сейсмических зондирований (ГСЗ) с использованием искусственных источников волн. Эти методы дают наиболее важную информацию о расслоении литосферы; Электромагнитные зондирования, позволяющие определить электропроводность пород на различных глубинах, выявить зоны повышенной электропроводности, обусловленные как правило, разогревом вещества до частичного плавления; Гравиметрия - для изучения изостазии, типа и степени отклонения литосферы конкретных районов от равновесия, совместно с ГСЗ для изучения плотностной неоднородности земной коры и верхней мантии, для выявления структурно-тепловой неоднородности фазовой переходной зоны мантии; Магнитометрия - для изучения неоднородности кристаллического фундамента платформенных областей выявления закономерностей распределения и возраста океанической литосферы по полосовым магнитным аномалиями палеомагнитной шкале; Геотермия - для выяснения тепловой неоднородности литосферы, латерально и по глубине; Палеомагнитология - для изучения параметров горизонтальных движений литосферных плит и блоков, а также истории вертикальных движений в пределах крупных осадочных бассейнов.

Методики региональной геофизики подразделяются: глубинные исследования; региональные структурные (среднемасштабные); картировочно-поисковые (крупномасштабные)

Региональные глубинные геофизические исследования начинаются с изучения опорной сети геотраверсов протяженностью в тысячи километров, пересекающих ряд крупных геотектонических провинций. Исследования проводятся в масштабах менее 1: 500000 и носят профильный характер. По результатам работ выясняется : • положение и рельеф поверхности Мохоровичича • выявляются границы раздела в земной коре • изучается положение кристаллического фундамента • картируются структуры в осадочном чехле, особенно благоприятные для нефтегазонакопления. • • • Сейсморазведка Магнитотеллурические и электромагнитные зондирования, Гравиразведка Магниторазведка, Опорное бурение глубоких скважин

Программа изучения глубинного строения недр • • • В 1960 -1962 годах в СССР была разработана программа изучения глубинного строения недр, которая проводилась с целью исследования геологического строения, состава и состояния земной коры и верхней части мантии, оценки нефтегазоносности и рудоносности глубоких участков недр на территории СССР. Организация, координация и практическое руководство исследованиями велось Межведомственным научным советом ГКНТ (председатели: А. В. Сидоренко с 1963, А. С. Тимофеев 1965 -73, Е. А. Козловский с 1975). Головная организация – Министерство геологии СССР (программными исследованиями занято около 200 научных и производственных организаций), принимают участие также АН СССР и АН союзных республик, соответствующие министерства и ведомства. Исследования включали широкое использование глубокого и сверхглубокого бурения и комплексных геолого-геофизических и геохимических глубинных методов. Программа осуществлялась с 1963 поэтапно и была рассчитана до 2000 г.

• • На первом в 60 -е годы были сформулированы задачи этих исследований, проведена научная подготовка, созданы отечественные технические средства для сверхглубокого бурения и геолого-геофизических исследований в скважинах на глубинах до 10 -15 км. Второй этап приходится на 70 -е годы, в течение которых проводились экспериментальное бурение Кольской и Саатлинской сверхглубоких скважин, а также исследования отдельных регионов с использованием глубинных геофизических методов. Третий этап, начавшийся в 1981 году, знаменовал собой переход к планомерному комплексному изучению земной коры и верхней мантии на всей территории страны. Программой предусматривалось развитие сети региональных геотраверсов и проходки глубоких и сверхглубоких скважин. В 1986 -1990 комплексные исследования на крупных геодинамических полигонах осуществлялись согласованно с проходкой глубоких скважин в важнейших рудных районах. Сочетание сети взаимоувязанных региональных геотраверсов, глубоких и сверхглубоких скважин, которые были пробурены в разных геологических условиях, геодинамических полигонов обеспечивало получение объемной трехмерной информации по нескольким глубинным уровням земной коры.

• • • В те же получили дальнейшее развитие региональные геолого-геофизические работы в основном на территории Западно-Сибирской и Русской плит, Средней Азии, Востока и Северо- Востока СССР. Начаты региональные работы на шельфах Баренцева и Карского морей. В перспективе (в ХIII-ХIV пятилетках) планировалось выполнить комплекс исследований по профилям соответственно 22, 5 и 27, 5 тыс. км в основном в районах Дальнего Востока, Восточной Сибири, Русской плиты и шельфовых областей Северного Ледовитого и Тихого океанов. Комплексные исследования по геотраверсам опрежали проходку глубоких и сверхглубоких скважин, информация по которым в первую очередь использовалась для уточнения результатов интерпретации геофизических исследований. Геологическую информацию о глубинном строении литосферы с оценкой перспектив нефтегазоносности и рудоносности получили по полигонам, глубоким и сверхглубоким скважинам, решавшим две главные группы задач: исследование глубинного строения и оценка перспектив нефтегазоносности основных типов геоструктур, отвечающих различным геодинамическим обстановкам, исследование глубинного строения, оценка вертикального размаха рудоносности и выявление факторов прогноза залежей в типовых рудных районах.

• • • Программой предусматривалось бурение двенадцати скважин. Строительство девяти из них (Кольская, Уральская, Криворожская, Мурунтауская, Титано-Печорская, Тюменская, Прикаспийская, Днепровско-Донецкая, Утвинская) осуществляли организации Мингео СССР и трех (Саатлинская, Ново-Елховская, Кубанская) - Миннефтепрома СССР. Дополнительно велось бурение двух глубоких скважин: Тырныаузской (проектная глубина 4 км) и Воротиловской (проектная глубина 6 км) Всего с 1970 г было пройдено более 49 тыс. м. Скважины расположены в основных геоструктурах : на древних щитах (Кольская, Криворожская), в разновозрастных складчатых сооружениях (Уральская, Мурунтауская) в чехлах древних (Дпепровско-Донецкая, Тимано-Печорская) и молодых (Утвинская, Тюменская) платформ Это обеспечило получение ценной информации об особенностях геологического строения, эволюции основных геоблоков земной коры и изменчивости петрологических и физических параметров в их пределах на различных горизонтах в широком стратиграфическом диапазоне. Восемь скважин бурились с целью изучения крупных осадочных бассейнов и оценки перспектив их нефтегазоносности, а четыре – заложены в важных рудоносных провинциях с уникальными месторождениями.

Схема вскрытия стратиграфического разреза глубокими и сверхглубокими скважинами: 1 - возраст отложений и интервал, пройденный скважинами; 2 - предполагаемые залежи нефти и газа; 3 - установленные рудные залежи; 4 - предполагаемые рудные залежи.

Кольская скважина • • Первенец сверхглубокого бурения – Кольская скважина заложена в северо-восточной части Балтийского щита, в пределах Печорского синклинория; в 10 км к югу от города Заполярный, Мурманской области Цель бурения – изучение глубинного строения докембрийских структур Балтийского щита, типичных для фундамента древних платформ, и оценка их рудоносности. Проектная глубина – 15 000 м. Бурение скважины было начато 24 /05 /1970 г. В 1984 г скважина достигла глубины 12 066 м. В связи с многочисленными геологическими осложнениями, связанными с неустойчивостью стенок открытого ствола (инт. 2 300 - 12 066 м) и значительными азимутальными и зенитными, отклонениями траектории скважины было выполнено расширение ствола до глубины 8 770 м и спуск обсадной колонны диатетром 245 мм до этой глубины. Далее был сформирован новый ствол и исправлена траектория скважины. По состоянию на 01 /05 /91 г глубина скважины составляла 12 261 м.

• • Бурение осуществлялось с полным отбором керна, выход которого составил 3 591, 9 м (29, 3 %). Кольской скважиной впервые вскрыты и изучены в непрерывном вертикальном разрезе два важнейших докембрийских «надбазальтовых» слоя земной коры, отвечающих древнейшей (от 1, 6 до 3, 0 млрд. лет) истории геологического развития Земли. В верхней части разреза (0 - 6 840 м) был детально изvчен по всей мощности раннепротерозойский Печенгский осадочно-вулканогенный комплекс, слагающий палеорифтовую структуру. В интервале 6 840 -11 700 м исследован «гранито-гнейсовый» слой с возрастом пород не менее 2, 6 -2, 8 млрд. лет. Подробнейшая характеристика разреза позволила выявить цикличность слагающих его глубоко метаморфизованных образований, изначально вулканогенных и осадочных, с увеличением роли последних к верхам разреза.

• • • На всем протяжении разреза установлены притоки вод и газов, содержащих гелий, водород, азот, метан, тяжелые углеводороды. Судя по изотопии углерода, в архейских толщах газы имеют мантийную природу, в протерозойских - биогенную. К числу принципиально новых относятся данные по изменениям в температурном градиенте. До глубины 3 000 м градиент составляет 0, 9‑ 1 °С на 100 м, как это и установлено менее глубокими скважинами. Глубже градиент возрос до 22, 5 градуса на 100 м; на глубине 12 км температура составила 220 градусов вместо ожидаемой 120130 градусов. Полной неожиданностью явилось обнаружение в интервале 9, 5‑ 10, 6 км значительного по мощности (до 800 м) участка аномально высоких содержаний золота (до 7, 4 г/т), серебра, меди, висмута, мышьяка и некоторых других элементов, связанных с явлением гидрогенно-геохимического разуплотнения архейских пород.

Региональные структурные среднемасштабные геофизические исследования Региональные структурные среднемасштабные (1: 200000 - 1: 100000) исследования, предназначены для • тектонического районирования суши, • выявления основных структур земной коры, • разделения чехла и фундамента, изучения особенностей их строения, • поисков структур в осадочных породах, особенно благоприятных для нефтегазонакопления. На первом этапе применяются методы портативные ускоренные и относительно более дешевые методы – аэрокосмические и полевые гравимагнитные съемки На следующем этапе по более редкой сети проводятся электромагнитные зондирования и сейсморазведка методом МОВ МПВ - более трудоемкие и дорогие но в тоже время более точные По мимо геофизических исследований РССГИ включают геологическое картирование и опорное бурение

Основные геоструктуры земной коры выявляемые региональными структурными геофизическими исследованиями 1. глубинные разломы; 2. структуры геосинклинальных и складчатых областей (геосинклинальные прогибы, антиклинальные поднятия, срединные массивы, межгорные впадины и др. ); 3. платформенные структуры (прогибы, впадины и поднятия и др. )

Глубинные разломы являются одним из основных элементов земной коры, определяющим иногда общий структурно-тектонический план крупных территорий Разломы характеризуются: • шириной от 2 -3 до 15 -20 км • глубиной заложения до 100 км • протяженностью в сотни и тысячи километров К разломам приурочены : • очаги землетрясений, • повышенные тепловые потоки, • аномалии электропроводности, намагниченности, плотности, радиоактивности. В зоне разломов отмечаются: • изменения положения границ осадочных пород и кристаллического фундамента; различия фациального, литологического состава пород; • наличие магматических излияний; • увеличение числа сбросов, надвигов, сдвигов; • характерные геоморфологические признаки (линейные формы рельефа, впадины, изгибы русел рек и т. п. ).

Зоны глубинных разломов картируются с использованием следующих геофизических методов: гравиразведки – по высоким градиентам силы тяжести; вытянутости аномалий; перепадам глубин до верхних кромок возмущающих масс в окружающих породах; магниторазведки – по высоким градиентам геомагнитного поля, линейной вытянутости аномалий разного знака, наличию цепочек аномалий, смене характера поля в крест зон разломов; сейсморазведки – по уменьшению скоростей упругих волн, увеличению их поглощения, потере корреляции волн непосредственно в зоне разломов и по ступеням в положениях опорных сейсмических горизонтов в прилегающих блоках; электрических и электромагнитных зондирований – по искажению и смене типов кривых, наличию уступов в опорных горизонтах по сторонам от разломов; терморазведки - по повышенным тепловым потокам в зонах разломов;

• Геосинклинальные области представляют собой сложные по строению, неоднородные по свойствам и мощностям блоки земной коры и мантии, разграниченные, как правило, глубинными разломами. Выяснение общего структурного плана геосинклинальных областей, картирование их границ и основных структурных элементов (синклинальных прогибов, межгорных впадин, антиклинальных поднятий, срединных массивов и др. ) проводятся следующими геофизическими методами: гравиразведкой - по отрицательным, или слабоположительным аномалиям Буге ; магниторазведкой - по наличию намагниченных вулканогенных пород, включенных в немагнитные осадочные; электромагнитными профилированиями - по аномалиям от круто залегающих пластов; электрозондированиями и сейсморазведкой - по изменениям геоэлектрических и сейсмогеологических разрезов.

Платформенные области приурочены к регионам, в пределах которых отсутствуют интенсивные проявления послепалеозойских этапов складчатости. Для платформ характерны: • выдержанная мощность земной коры (около 35 км), • различная мощность осадочного чехла, • пологие формы складчатости, образующие своды, впадины, поднятия, прогибы и др. Исследование платформенных областей начинают как правило с проведения аэромагнитной съемки и гравиразведки. Основным опорным методом является сейсморазведка МОВ МПВ магнитотеллурические (МТЗ и МТП) при больших глубинах ( > 1 км), вертикальные электрические (ВЭЗ) при малых глубинах ( < 500 м), частотные (ЧЗ) или становлением поля (ЗС) (при глубинах 0, 5 -3 км).

Карты поля силы тяжести (а) и аномального магнитного поля (б). Восточная Сибирь

Изучение строения и состава кристаллического фундамента и осадочного чехла. Изучение глубины залегания поверхности фундамента - одна из хорошо решаемых задач региональной структурной геофизики. Поверхность фундамента является сложной границей различных по составу вулканогенных и метаморфических пород, часто разбитых на отдельные блоки. Она служит опорным геофизическим горизонтом, так как основные физические свойства (плотность, намагниченность, удельное электрическое сопротивление, скорости распространения упругих волн и др. ) кристаллических пород фундамента существенно отличаются от свойств перекрывающих их рыхлых осадочных пород. Наименьшую погрешность в определении глубины залегания фундамента ( 1%) дает сейсморазведка, более высокую (до 10 -20%) - электрические и электромагнитные зондирования и еще большую (до 30%) - гравиметрические методы.