-г -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 5
ГЛАВА I. АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ВЕЛИЧИН ПЛОТНОСТИ
ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ... П
1.1. Данные о средней плотности тепловых потоков
на континентах и океанах....................... II
1.2. Анализ зависимости: тепловой поток - возраст тектовенеза....................................... 12
1.2.1. Зависимость теплового потока от возраста океанической коры ........................................... 18
1.2.2. Анализ факторов определяющих зависимость
тепловой поток - возраст на континентах ... 24
1.2.3. Постановка задачи комплексных исследований • • 38
ГЛАВА П. ГЕОТЕРМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОРЫ ВДОЛЬ ГЕОТРАВЕРСА
БАЛТИЙСКИЙ ЩИТ - ВОСТОЧНЫЕ АЛЬПЫ.............. 41
2.1. Геолого-геофизическое описание основных
блоков и их тепловых моделей................... 41
2.1.1. Шельф Баренцева моря - Балтийский щит .... 51
2.1.2. Расчет температуры в коре и теплового потока
из мантии...................................... 57
2.2.1. Русская плита........................................... 58
2.2.2. Строение геотерм и тепловой поток из мантии. . . 59
2.3.1. Зона Тейссейера-Торнквиста, Средне-Европейская
платформа,Присудетская моноклиналь.Присудетский
блок, Судеты........................................... 60
2.3.2.Описание двумерной тепловой модели зоны сочленения Восточно-Европейской и Средне-Европейской платформ..................................................... 63
- з -
2.3.3. Строение геотерм и тепловой поток из мантии по результатам двумерного численного моделирования .................................................... ТО
2.4.1', Чешский массив....................................... 72
2.4.2. Строение геотерм и тепловой поток из мантии 73
2.5.1. Баварские молассн- Известняковые Альпы ... 73
2.5.2. Строение геотерм и тепловой поток из мантии 74
Выводы.............................................. 74
ГЛАВА Ш. НОВЫЕ ДАННЫЕ О ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ПО
РЕЗУЛЬТАТАМ ГЛУБИННЫХ ГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ІІЕЧЕЧГСКОЙ СТРУКТУРЕ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА. . 77
3.1. Геолого-геофизическая характеристика Печенгского синклинория................................................. 77
3.1.1. Описание геологического разреза скважины СГ-3 . 82
3.2. Геотермические исследования в скважине СГ-3 86
3.2.1. Геотермический градиент по скважине СГ-3 .... 90
3.2.2. Тепловые свойства пород из разреза скважины СГ-3 91
3.2.3. Плотность теплового потока по разрезу скважины
СГ-3.................................................. 104
3.2.4. Модель теплогенерации коры Печенгского синклинория 105
3.3. Интерпретация геотермического поля Печенгского
синклинория.......................................
3.3.1. Оценка поправки к геотермическому градиенту
за влияние оледенения ................................ 119
3.3.2. Исследование гидрогеологической поправки к геотермическому градиенту ................................... 121
3.3.3. Оценка искажения геотермического градиента за счет рефракции теплового поля на пластах с контрастной теплопроводностью ............................... 127
- 4 -
3.3.4. Анализ влияния трещиноватости в разрезе скважины СГ-3 на геотермический режим земной коры .... 128
3.3.5. Оценка искажения теплового режима скважины
СГ-3 за счет конвекции бурового раствора .... 132
3.4. Двумерное численное моделирование теплового
режима коры в районе Печенгского синклинория . . 136
3.5. Сопоставление вертикальной зональности разреза
скважины СГ-3 с тепловыми параметрами....................138
Выводы...................................................142
ГЛАВА ІУ. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЙ МЕВДУ ГЕОТЕРМИЧЕСКОЙ И ГЕ0Л0Г0-ГЕ0ФИЗИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ
ВДОЛЬ ГЕОТРАВЕРСА БАЛТИЙСКИЙ 1ЩТ-ВОСТОЧНЫЕ АЛЬПЫ................................. 143
4.1. Оценка влияния современных вертикальных движений
и гидрогеологического фактора на тепловой поток 143
4.2. Тепловое поле и гравитационная модель........... 147
4.3. Анализ эмпирических соотношений между величиной теплогенерации,скоростью и плотностью ................... 151
4.4. Сопоставление тепловой модели с магнитным полем 155
4.5. Анализ геотермической модели с учетом реологических характеристик пород при высоких термодинамических условиях............................... 159
4.6. Сопоставление сейсмической и геотермической моделей по геотраверсу .................................. 166
4.7. Анализ геотермического режима коры и ее
геоэлектрической модели ................................ 173
Выводы . . ........................................... 177
Основные результаты и выводы диссертации. . . . 179
Список литературы ...................................... 182
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Главным энергетическим параметром для изучения теплового режима Земли является плотность теплового потока. Разработка геодинамических моделей основана на представлениях о энергетике Земли. Многообразие внутренних физико-химических процессов, происходящих в недрах Земли, находит отражение в мозаичном распределении плотности теплового потока, наблюдаемого на поверхности /87, 94, 149, 250/.
До настоящего времени плотность теплового потока на континентах изучалась в скважинах глубиной не более 5 км, в среднем, в скважинах глубиной 1-3 км /271/. Плотность теплового потока на океанах определяется с помощью погружаемых на дно термоградиентографов в рыхлом слое осадков / 76, 227 /.
Анализ структуры теплового потока позволил выявить ряд общих закономерностей в его распределении на континентах и океанах. К таким закономерностям относятся связь теплового потока с тектонической активностью, содержанием радиогенных элементов в породах, экзогенными процессами и, по-видимому, со степенью раздробленности и проницаемости коры и литосферы. Исследованию этого круга вопросов посвящены работы А.Н.Тихонова, В.А.Магницкого, В.В.Белоусова, Е.А.Любимовой, О.Г.Со-рохтина, Ф.Бёрча, Э.Булларда, Д.П.Маккензи, Д.Склетора, А.Е. Бека, А.М.Джессопа, А.Лахмбруха, Д.Франчетто, А.А.Смыслова, Я.Б.Смирнова, В.В.Гордиенко, Р.К.Кутаса и других.
Изучение внутреннего строения и эволюции Земли основано на комплексном использовании всех доступных геофизических и геологических методов исследования. В имеющейся тенденции отрешения к комплексности геолого-геофизических исследований коры и литосферы до сих пор предпочтение отдается сейсмичес-
- 6 -
ким, гравиметрическим и электромагнитным методам. Несмотря на имеющиеся отдельные достижения, температурному фактору, необходимому при построении любой геофизической модели, в этом комплексе отводится меньшая роль.
Б настоящее время остается актуальным введение теплового фактора в комплексные геофизические исследования, в частности, вдоль геотраверсов, для изучения теплового режима регионов, находящихся на различных стадиях эндогенного развития.
В последние годы активно разрабатывается проект "Литосфера11, посвященный детальному изучению структуры и эволюции верхней оболочки Земли /6, 78/. Среда литосферы является тепловым экраном на пути потока тепла из мантии и более глубоких горизонтов Земли, где теплоперенос в основном обеспечивается конвективным движением вещества /9, 42/. Наибольшие величины тепловых потоков отмечаются в тектонически активных районах -срединных океанических хребтах и зонах новейшей тектоно-магма-тической активизации ка континентах. Обычно, з этих областях тепловой поток характеризуется неоднородным распределением, которое, ло-видимому, является отражением степени дифференци-рованности и проницаемости литосферы /5/. В этой связи актуальным представляется исследование взаимосвязи степени раздробленности и трещиноватости пород в естественном значении с тепловым режимом литосферы. При геотермических исследованиях совместное изучение пяти параметров - геотермического градиента, теплопроводности, теплового потока, генерации тепла и температуры дает возможность выявить на фоне кондуктивного переноса тепла эффекты, связанные с тепломассопереносом в геосреде. Последние же определяются степенью проницаемости и раздробленности горных пород в разрезе.
- 7 -
Целью настоящей работы является изучение факторов, влияющих на распределение теплового потока и температуры в областях различного эндогенного режима, исследование связей между геотермической моделью и геолого-геофизическими моделями среды.
Задачи, решаемые в работе.
1. Изучение температурного режима коры, в частности, для границы Мохоровичича, сопоставление моделей теплопроводности и теплогенерадии, определение мантийной и коровой составляющих теплового потока на примере континентального геотраверса Балтийский щит-Восточные Альпы.
2. Исследование связи параметров геолого-геофизических моделей среды с геотермическим полем на примере того же геотраверса.
3. Совместное изучение пяти главных геотермических параметров по одному разрезу на участке стабилизированной коры Балтийского щита с учетом результатов глубинного бурения.
4. Выявление влияния глубинной раздробленности пород на теплопроводность.
5. Исследование влияния трещиноватости и проницаемости пород на вынос тепла, температурный градиент и поток на разных уровнях коры.
Научная новизна работы состоит в том, что проведен анализ соотношений между тепловым потоком и возрастом тек-тогенеза для континентов и океанов. Впервые построена комплексная тепловая модель коры основных геоструктур вдоль геотраверса Балтийский щит-Зосточные Альпы. Исследованы основные закономерности вариаций температуры в коре и на границе Мохо, а также - мантийных тепловых потоков вдоль упомя-
- 8 -
нутого геотраверса. На основе экспериментальных данных, полученных при участии автора, исследован глубинный тепловой режим Печенгской структуры Балтийского щита, впервые дана интерпретация данных о тепловых параметрах. Показано, что на величину тепловых потоков, наряду с известными факторами - тегоюгенерацией и теплопроводностью, существенное влияние оказывает трещиноватость и проницаемость пород в глубоких зонах земной коры. Выявлены возможности геотермического метода, позволяющего повысить его информативность о проницаемости слоев коры. Установлено, что изменения теплового потока и градиента температуры по глубине связаны с флюидным режимом в трещиноватых зонах коры. Впервые по полевым геотермическим данным оценены конвективные параметры: скорость фильтрации подземных вод в зоне экзогенной трещиноватости и величина проницаемости трещиноватых зон в глубоких горизонтах континентальной коры для Печенгской структуры Кольского полуострова.
В практическом отношении, выявленная существенная зависимость теплового потока от проницаемости, раздробленности пород коры в зонах разломов, может быть использована для изучения структуры разрывных зон, поиска месторождений полезных ископаемых гидротермального типа, исследования динамики их формирования, а также для исследования метаморфических процессов в коре.
Соотношения между геотермической моделью коры вдоль геотраверса, рассмотренные в комплексе с результатами других геолого-геофизических методов глубинных исследований, позволяют получить информацию, более объективно отражающую состав, физические свойства вещества, природу сейсмических границ в коре. Результаты детального изучения градиента тем-
- 9 -
пературы, теплопроводности, плотности теплового потока по вертикали свидетельствуют о широких возможностях использования геотермического метода в целях комплексной геофизической разведки недр.
В первой главе рассматриваются общие сведения о средних величинах земного теплового потока, характере его распределения в зависимости от возраста тектогенеза, экзогенных факторов.
Во второй главе на основе регионального геотраверса $ I Балтийский щит-Восточные Альпы, пересекающего различные по эндогенному режиму структуры строится геотермическая модель коры - рассчитываются глубинные температуры и мантийные тепловые потоки. Выбор данного геотраверса обусловлен еще и тем, что он проходит вблизи Печенгского син-клинория Балтийского щита, где пробурена Кольская скважина СГ-3 /65/. Детальным геотермическим исследованиям в этой скважине посвящена третья глава. В ней проведено исследование по разрезу скважины СГ-3 совместно температуры,геотермического градиента, теплопроводности, генерации тепла и плотности теплового потока. Проведена интерпретация геотермических наблюдений в СГ-3.
В главе четвертой с учетом геотермических исследований в скважине СГ-3 проводится комплексное рассмотрение тепловой модели коры и геолого-геофизических особенностей структур вдоль геотраверса Балтийский щит-Восточные Альпы, описанного геотермически в главе второй. Основное внимание уделено температурному режиму зон повышенной трещиноватости в коре, которым на скоростных моделях ставятся соответственно зоны пониженных скоростей, а на геоэлектрических - зоны повышенной проводимости.
- 10 -
Логика исследования данной работы состоит в том, что после рассмотрения общих закономерностей распределения тепловых потоков по поверхности, проведено построение геотермической модели коры по линии геотраверса, далее, в точке, находящейся на этой линии, детально исследован -глубинный тепловой режим коры. Завершает работу комплексный геологогеофизический анализ, построенной вдоль геотраверса тепловой модели, причем в этом анализе использован опыт детальных глубинных геотермических исследований в скважине СГ-3.
В заключении приводятся основные выводы исследования.
- II -
ГЛАВА I. АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ВЕЛИЧИН ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
I.I. Данные о средней плотности тепловых потоков на континентах и океанах
В настоящее время известно более 9000 определений теплового потока на поверхности Земли /149/. Они достаточно неравномерно распределены на земном шаре, за исключением явно глобальных аномалий вдоль океанических срединных хребтов, рифтов и окраинных морей. По мере накопления данных меняются оценки средних океанических, континентальных и мировых значений плотности теплового потока /188/. Согласно оценкам /222, 223/ средний тепловой поток составил 61...63
_р
мВт-м , причем различия в плотности океанического и континентального потока были сопоставимы с пределами погрешности определения потока ± 10%.
Накопление данных позволило дать более дифференцирован-
ные оценки теплового потока: 60 мВт-м - океаны, 78 мВт.м
-2 -2
- океанические рифты, 52 мВт•м - континенты, 78 мВт-м
-2
орогены и континентальные рифты и 61 мВт-м - среднемировое значение /149/.
Детальные исследования геотермического режима океанических рифтов выявили интенсивный гидротермальный вынос тепла в пределах осей рифтов, что привело к переоценкам глобального теплового баланса тепла. На долю гидротермального выноса относят 25% от общего теплового потока Земли, т.е.
13
^ 1,0.10 Вт /188/. Непосредственные измерения конвективного выноса тепла, проводившееся в Красноморском рифте, впадине Атлантик -П, Галапагоском рифте показало, что тепловой
- 12 -
'поток составляет 3,7...14,0 Вт-м-^, в узких рифтовых щелях
32 Вт.м-^ /156 , 168, 250, 265, 282/. По статистике на 1980
_2
год океанический поток равен 90 ± 10 мВт-м , континентальный
—О _р
60+5 мВт.м , среднемировой 80 1 8 мВт.м- /188, 250/.
1.2. Анализ зависимости: тепловой поток - возраст тектогенеза
Систематизация и статистическая обработка привели к корреляции тепловых потоков с возрастной характеристикой.Наблюдаемая зависимость выражается в закономерном убывании величины теплового потока /ТП/ с ростом возраста пород, складчатости или, как в последнее время стали говорить, с возрастом термо-тектонического события /ТТС/ либо тектоно-магмати-ческой активности /ША/. Таким образом, до сих лор нет однозначной трактовки понятия "возраст". Различный подход к понятию "возраст" продемонстрирован на рис.1. В первом случае / IA / средняя величина потока связывается с возрастом тектоногенеза, во втором / IB / - с радиометрическим возрастом пород земной коры.
В этой связи рассмотрим подробнее представление о понятии "возраста". Они сведены нами в таблицу I /84/. В графе 3 приводится краткая характеристика исследуемой связи. Значения возраста получены одними авторами на основе существующих тектонических карт, отражающих основные этапы складчатости и время последующих эпох тектонической активности. Другие авторы используют данные по абсолютному датированию пород фундамента, а также магматических и метаморфических пород в областях повторной тектоно магматической активности.
- ІЗ -
см
<0120
о І—
о
с80
•з:
о
рО
і«
ш
о
п------г
Кі
іШ
+
(85
1514)
РЯі
-ь
(И7) м (265)
+
178)
АІ?
+
(136)
1 і-------------------—1_____________________и
0 ТО £0 ЇО 4.0 ТЕКТОНО—ТЕРМАЛЬНЫЙ Є>ОЗРАСТ*Ю9л
1.0 20 3.0
ВОЗРАСТ КОРЫ * ю'л
Рис.І по /238/ Зависимость теплового потока на континентах от возраста тектогенеза ( ІА ) и радиометрического возраста пород коры ( ІВ ).
В скобках - число определений потока для выбранных временных интервалов
Таблица I
Гг Источиик 1 і Формулировка понятия г | Характеристика зависимости .тепловой
• "возраст" • | поток ^ - возраст t
I і 2 • | 3
1.Б.Г.Поляк, Я. Б «Смирнов, 1369 /123/
2.V.M«Haraza, R.К.Verna 1969 /201/
3.R.K.Verna, V.M.Hamza,
P.К.Panda 1970 /276/
4.I.G.Sclater, J.Pranchoteau, 1970/263/
5. Я.Б.Смирнов, 1972 /139/
Возраст тектогенеза, консо-лкдации коры
Возраст пород фундамента, последней фазы складчатости и вулканической активности
Возраст последнего события
Возраст орогенеза,последнего термального события, возраст провинций океанского лоха
Возраст основного этапа складчатости или активи-задии
Убывание средней величины /У континентах с возрастом
Токе, что в I пункте
на
^ q,(t) = 6-tct Ь, к. - константы,
t -
в годах
ДЛЯ КОНТИНвНТОВ тоже, что в I пункте Функция ф/У для океанов связана с остыванием литосферы
^)=ехр[(/.8-0.2&)Ще], ~2-/07^ 4~/09 0) = ир[Ы 5 +0.2 е]>
~2-/О7^4~/-8-/0г
продолжение таблицы I
____________I_______________
6. С.Н.В.Мв*ег, 1972 /224/
7.0.Г.СорОХТИН, 1974 /146/
8. Э.Т.СгоибЬ.б.А.ТЬотрвоп
1976 /186/
9. В.Рагэоп, 1.6.БсЗ^ог,
1977 /244/
10. А.Н.ЬасЬепЬгисИ,
1978/79 /219/
II. V.М.Нахзаа
1978/79 /2С0/
Возраст океанической коры
расстояние от хребта
Возраст =~ ---------------------
скорость плиты
для океанической литосферы Возраст последнего теплового события
Возраст провинций морского лона
Возраст последнего главного термотектонического события. Отмечается множественность этого понятия для континентов
Возраст последнего термального события
т
Редуцированный континентальный
0)~ /{{Г
а({)=473/{Г, 0^ <№«".£*■ .
-1, / /Л-0 О) {>60*пи.№
нВТ'Н-г
Показана большая роль растяжения континентальной литосферы в фэрми-рованки повышенных,диффе ренцирован-ных тепловых потоков для области кайнозойской тектонической активности
[Мантийный редуцированный за
теплогенерацию в коре и редуцированный за теплогенерацию в литосфетэе: №)
I
1Н
сл
»
продолжение таблицы I
12.Р.И.Кутас,1978,1979 /74,75/
13. Б. Г.Поляк,И.Н.Толсти-
Х5Ш. В.П Лкуцени, 1979 /124/
14. Я. Б. Смирнов,В.М. Сугро-
бов ,1979 /141/
Возраст фундамента, тектоно-магматической активности
Возраст главной фазы складчатости
Возраст тектоко-магматичес-кой активности
С (МЗ±5№~Ь-(г±7) — общий
(№ -№)£ ^ - контшенты
(. (й/7 ± 36)1 ^ - океаны
г(4В9 ?-{8171. общий
] (435 ± ^ - континенты
( 520 — г - океаны
^ - в мВт.м~2,£ в млн.лет Остывание аномального источника, литосферы
тоже, что в пукте о
Для зоны перехода континент-океан зависимость С^Л) аналогична той, что в пункте 5
окончание таблицы I
15.1.о.8с1а1вг, Возраст термо-тектонического
С^аираг*:, С.Са1аоп, события, возраст тектонических провинций континентов л океанов ложа
1980 /265/
16.1.Ч11;оге11о,
Н.и.РоПаск,
1980 /279/
Возраст последнего термального события, время после последнего тектоко-термалъного события
Для континентов %(£) определяется остыванием литосферы и эрозией коры
Для океанов и окраинных морей
?а)~г+
$-(£) — ^ »отмечается раль
остывания литосферы, эрозии коры,радиоактивный распад; для океанов £> = 1/2
17.Р.С.Е1^1опс1,
3.‘»7.К1сНагй80П,
1980 /192/
Возраст орогенеза,возраст главной фазы эрозии
Подчеркивается роль остывания литосферы для 0-100 шш.лет, эрозии коры для 200-300 ?длн.лет,выщелачивания и гидротерм при £ > 400 млн.лет
- 18 -
Принято говорить о последнем TTC в регионе, завершающем эндогенную деятельность. Обычно максимальная интенсивность тектогенеза наблюдается на завершающей стадии развития складчатых поясов, что позволяет связывать понятие"последнее событие’^ последней фазой термо-тектонического события /74,
124, 200, 263, 279/. Наряду с процессом затухания эндогенной активности, отмечается влияние эрозии на величину поверхностного теплового потока. Анализ зависимости теплового потока от характерного времени эрозии, позволил выделить наряду с возрастом орогенеза в качестве важного параметра длительность главной фазы эрозионного процесса /192/.
I.2.I. Зависимость теплового потока от возраста океанической коры
Современная океаническая кора имеет возраст не более 180-200 млн. лет и представляет собой начальный этап формирования коры континентального типа /152/. Данные магнитной съемки дна океанов и результаты глубоководного бурения позволяют с высокой точностью определять время формирования базальтового ложа океанов. Новые сведения о строении океанической коры свидетельствуют о ее значительной сложности /199,
252 /. Это потребовало пересмотра первичной модели магнитоактивного слоя Вайна и Метьюза /278/ и разработки более совершенной модели /214/ также не противоречащей гипотезе спре-динга. Точность датирования по линейным магнитным аномалиям оценивается в 7-10$ /264/, причем с накоплением данных глубоководного бурения производится дальнейшая коррекция магнитостратиграфической шкалы /218/. Принято объединять изохроны в в группы, получая таким образом возрастные провинции океанского ложа /263,265/. Выбор границ провинций определяется рядом
- 19 -
причин. До 35 млн• лет границы провинций определяются наиболее четкими магнитными аномалиями с J&№ 5, 6, 13, далее границы провинций выбираются в соответствии с границами геологических периодов /263/, а также с учетом переломных моментов в характере движения литосферных плит /265/. Для всех океанов было выделено 13 возрастных провинций - /265/. Для северной части Тихого океана и южной Атлантики выделено соответственно 9 и 7 провинций /263/. Временные интервалы провинций изменяются от 4 до 20 млн. лет, в среднем составляя 12 млн.лет. В пределах провинции определяется среднее значение теплового потока, оценивается стандартное отклонение и проверяется гипотеза о нормальном распределении теплового потока /263/. Рисунок 2 демонстрирует океаническую зависит,юсть тепловой поток - возраст.
Особое место занимают окранные и внутренние моря,которые являются разновозрастными и гетерогенными образованиями /79/. Сложность датирования окраинных морей подчеркивается в работе /265/, где из большого числа морей /32х/, удалось выделить и связать с возрастом тепловой поток лишь для 6 окраинных морей. Рис.2. Значительная неопределенность в датировании глубоководных впадин окраинных морей отмечается для зоны перехода от Тихого океана к Азиатскому континенту /141/. По видимому требуется более четкое определение понятия "тер-мо-тектоническое событие" для структур переходной зоны.
Как было отмечено, детальные измерения теплового потока на дне океана позволили сделать вывод о значительной роли гидротермального выноса тепла, особенно в зонах повышенных тепловых потоков /170, 171, 217, 221, 225, 262, 266/. Этим, в частности, объясняется отклонение расчетных кривых теплового потока от наблюдаемых значений, характеризующих кондук-
- Київ+380960830922