ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 4, с. 56-69
УДК 551.241+550.347.23
МОДЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЙ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ ПОРОД ВЕРХНЕЙ, СРЕДНЕЙ И НИЖНЕЙ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ КОРЫ КОЛЬСКО-НОРВЕЖСКОГО БЛОКА, КОЛЬСКИЙ ПОЛУОСТРОВ © 2014 г. Ф. Ф. Горбацевич, В. Р. Ветрин, О. М. Тришина, М. В. Ковалевский
Геологический институт Кольского научного центра РАН, г. Апатиты E-mail: gorich@geoksc.apatity. ru Поступила в редакцию 25.04.2013 г.
На основе экспериментальных и расчетных данных предложена модель зависимости плотности, скоростей продольных и поперечных волн в пределах верхней, средней и нижней кристаллической коры Кольско-Норвежского блока до глубины ~40 км. Вариации величин плотности, скоростей продольных и поперечных волн обусловлены, главным образом, изменениями минерального состава пород. Относительное снижение скоростей продольных и поперечных волн с увеличением глубины под влиянием возрастающих давления и температуры в диапазоне 5—37 км, согласно расчетам, составляет ~2%.
DOI: 10.7868/S0002333714040048
ВВЕДЕНИЕ
Геодинамические процессы в пределах верхней и средней частей земной коры время от времени проявляют себя в форме внезапных подвижек, приводящих к землетрясениям, цунами, оползням и др. Как правило, очаги наиболее сильных землетрясений с катастрофическими последствиями располагаются в пределах верхней и средней частей коры [Новый каталог..., 1977]. Сила проявления этих явлений зависит, главным образом, от уровня тектонических напряжений, физико-механических свойств пород, их состояния и реологии, температуры и ее градиента изменения с глубиной. В верхней части земной коры сосредоточены основные запасы используемых человечеством полезных ископаемых, поэтому знание свойств, структуры, напряженного состояния земной коры приобретает весьма важное значение.
Исходя из этого, фундаментальной научной проблемой является создание модели состава, структуры, свойств и состояния кристаллической земной коры, отражающей их изменения с глубиной под влиянием РТ-условий. Модель должна отразить общие тенденции изменений с глубиной таких параметров, как вещественный состав, степень метаморфических преобразований, плотность, скорости распространения продольных и поперечных колебаний, анизотропия, показатели модуля упругости и коэффициента поперечных деформаций, литостатические и тектонические напряжения. Для оценки состава, структуры и свойств средней и нижней коры применяются, главным образом, следующие методы:
— сейсмическое, электромагнитное зондирование земной коры, гравиметрические исследования и измерения поверхностного теплового потока для оценки общего состава пород, концентраций в них полезных ископаемых и радиоактивных элементов;
— изучение разреза и керна глубоких и сверхглубоких скважин;
— изучение пород высокотемпературной ам-фиболитовой и гранулитовой фаций, образованных в глубинных условиях и обнаженных на уровне современного эрозионного среза в результате восходящих тектонических подвижек;
— исследование глубинных ксенолитов, вынесенных с больших глубин.
Методы сейсмического, электромагнитного и других видов зондирования применяются достаточно широко и дают детально проработанные разрезы. Однако в метаморфизованных массивах детальность сейсмических разрезов в значительной степени падает с увеличением глубины. Это объясняется тем, что сложная структура вышележащих слоев, совместно со скоростной анизотропией, изменяет направление движения сейсмических лучей. При этом возникают дополнительные отражения, существенно осложняющие сейсмические разрезы. Например, вскрытые разрезы Кольской (СГ-3), Уральской (СГ-4) и других исследовательских скважин, относительное соответствие между сейсмическим и реальным строением массивов выдерживается лишь до глубин 4—5 км [Кольская сверхглубокая..., 1984; 1998; Ешшег-тапп, Ьаи1ецт§, 1997; Дружинин и др., 1999]. Проведение глубоких и сверхглубоких скважин
связано с очень большими затратами и не может применяться достаточно широко.
О составе, структуре и свойствах пород, расположенной в пределах 12—40 км (не вскрытой бурением СГ-3) части средней коры можно судить лишь предположительно по имеющимся литературным данным [Соболев, Бабейко, 1994; Cristensen, Mooney, 1995; International Handbook..., 2002; и др.].
Зависимости физических свойств пород с увеличением глубины залегания связаны с вариациями их структуры, текстуры и минерального состава, обусловленных изменением глубинных РТ-условий. Например, изменение этих параметров в разрезе скважины СГ-3 определяется, главным образом, сменой фаций метаморфизма: от пренит-пумпеллитовой (0—1400 м) и зеленослан-цевой (1400—4900 м) до эпидот-хлоритовой (1400— 3200 м), эпидот-амфиболитовой (4900—6000 м) и амфиболитовой (6000—12000 м и глубже).
Можно полагать, что средняя кора в районе бурения СГ-3 может быть представлена породами, близкими по возрасту и составу протолитов к образованиям архейского комплекса Кольской сверхглубокой скважины, но метаморфизован-ными в условиях высокотемпературной амфибо-литовой и гранулитовой фаций. На уровне современного эрозионного среза породы мезоархей-ской средней коры представлены также комплексами высокометаморфизованных пород, которые слагают существенную часть Кольско-Норвежского блока к северо-востоку и востоку от Печенгской рифтогенной структуры. Породы нижней коры изучены в ксенолитах гранатовых гранулитов, вынесенных на поверхность щелоч-но-ультраосновными расплавами палеозойского возраста [Шарков, Пухтель, 1987; Ветрин, Калин-кин, 1995]. Целью данной работы является выявление закономерностей изменения плотности, скоростей распространения продольных и поперечных волн, упругой анизотропии в пределах верхней, средней и нижней коры на примере пород архейской толщи, вскрытой Кольской сверхглубокой скважиной и других пород Кольско-Норвежского блока. В определенной степени работа должна дополнить геофизический разрез, полученный по разрезу СГ-3 до глубины ~40 км.
РТ-УСЛОВИЯ В ПРЕДЕЛАХ ВЕРХНЕЙ КОРЫ
Реальные изменения напряженного состояния и температуры с глубиной (РТ-условия) в пределах верхней коры могут быть прослежены на примере скважины СГ-3. Современные субгоризонтальные напряжения северной части Балтийского щита и Печенгского геоблока определяются раздвижением континентальных плит в районе срединноокеанических рифтовых зон Атлантического и Ледовитого океанов и давлением Афри-
канской плиты на Евразийскую литосферную плиту [Горбацевич, Савченко, 2009]. Ориентация максимальных сжимающих напряжений <5q в Пе-ченгском геоблоке преимущественно субмеридиональная. Вертикальная составляющая поля напряжений az как правило, определяется весом вышележащих пород. При оценке величин горизонтальных напряжений aq для изотропной модели использовались методы, основанные на учете степени дискования керна, изменений скорости распространения акустических волн при насыщении образцов флюидом, значения величин модуля упругости и коэффициента Пуассона пород. Установлено, что по разрезу Кольской сверхглубокой скважины горизонтальные тектонические напряжения изменяются от 7 МПа вблизи поверхности до 125 МПа на глубине 11.5 км. Среднее отношение действующих горизонтальных напряжений (включающих величину бокового отпора, возникшего при действии вертикальной компоненты и тектоническую составляющую) к вертикальным составляет величину 0.7—0.8. Резкие изменения значений горизонтальной компоненты напряжений по глубине обусловлены структурными неод-нородностями и упругой анизотропией пород ([Кольская сверхглубокая..., 1998; Горбацевич, 2002; Горбацевич, Савченко, 2009; рис. 1).
Температурная зависимость от глубины в разрезе СГ-3 определялась неоднократно [Кольская сверхглубокая., 1984; 1998]. На рис. 1a приведены зависимости, полученные в 1984 г. Согласно данным, полученным при длительной выдержке скважины после остановки буровых работ, средний градиент роста температуры на глубинах свыше 5 км составляет 2.0—2.3°C/100 м. Соответственно, при сохранении отмеченного градиента температура земных недр на глубине 10 км составит 155— 165°C, а на глубинах ~25 км, - 460-510°C. Эта оценка справедлива лишь для температурного градиента, определенного в скважине СГ-3. Для других массивов такая оценка будет другой [Emmermann, Lauterjing, 1997].
РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЛОТНОСТИ И СЕЙСМИЧЕСКИХ СКОРОСТЕЙ ДО ГЛУБИНЫ 25 КМ
Для определения расчетной зависимости плотности от глубинных РГ-условий были выполнены испытания нескольких образцов из керна архейской части разреза СГ-3, табл. 1. Образцы имели форму куба с длиной ребра 47-60 мм.
Испытания проведены на установке высокого давления (до 600 МПа) и температуры (до 600°C) проф. Х. Керном в Университете г. Киль, Германия [Kern et al., 1997]. При увеличении всестороннего давления, приложенного к образцу, регистрировали изменения его объема и упругих характеристик
Suite,
strata
mt
,
W!
gd
zp L t t
lz t t f
Pr
< <
kw <
ma
tlw
I
II -X
IV **
VII
IX v
X -X
Глубина,м
-1000 -2000 -3000 -4000 5000 -6000 -7000 8000 -9000
25 65
0
(а)
105 145 T, °C 0
1
- 3 LJ4 ■:■; 5
- 6 17 8
Г 19 10
10000 S11 12
11000 ы 13 н, =14 км
12000 15 12 000 16
10
100
(б)
200
300 ст, МПа
Рис. 1. Зависимости температуры и напряжений по разрезу Кольской сверхглубокой скважины [Кольская сверхглубокая..., 1998; Горбацевич, Савченко, 2009]. Распределение элементов залегания пород в разрезе СГ-3:
1 — авгитовые диабазы с прослоями пироксеновых и пикритовых порфиритов; 2 — филлиты, алевролиты с прослоями туфов; 3 — ритмичнослоистые песчаники с подчиненными алевролитами и филлитами; 4 — актинолитизированные метабазальты; 5 — доломиты, аркозовые песчаники; 6 — серицитовые сланцы; 7 — метабазальты; 8 — доломиты, поли-миктовые песчаники; 9 — верлиты; 10 — метапорфириты, сланцы по ним; 11 — метапесчаники; 12 — биотит-плагио-клазовые гнейсы с высокоглиноземистыми минералами; 13 — биотит-плагиоклазовые гнейсы с амфиболом, эпидо-том, сфеном; 14 — магнетит-амфиболовые сланцы; 15 — габбро-диабазы; 16 — биотит-плагиоклазовые и сфен-биотит-амфибол-плагиоклазовые гнейсы, сланцы;
mt — матертинская, gd — жданов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.