ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 2, с. 53-63
УДК 550.837
О ФЛЮИДНОЙ ПРИРОДЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ СЛОЕВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ И КАРОТАЖА СВЕРХГЛУБОКИХ СКВАЖИН
© 2011 г. А. А. Жамалетдинов1, 2
1Санкт-Петербургское отделение ИЗМИРАН, г. Санкт-Петербург 2Геологический институт Кольского Научного Центра РАН, г. Апатиты Поступила в редакцию 12.01.2010 г.
В работе рассмотрена возможность истолкования природы промежуточных проводящих слоев, обнаруживаемых в верхней части земной коры на территории Балтийского щита и на других древних кристаллических структурах за счет присутствия флюидов поверхностного происхождения. С этой целью проанализированы результаты частотных электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками и выполнена геодинамическая интерпретация природы промежуточного проводящего слоя в рамках теории дилатантно-диффузионной природы трещиноватости земной коры и с учетом данных каротажа сверхглубоких скважин.
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ СЛОЕВ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Исследование природы и структуры так называемых промежуточных проводящих слоев в верхней части земной коры является актуальной задачей, имеющей фундаментальное и прикладное значение. Эта проблема дискутируется в научной литературе начиная с середины 40-х годов прошлого века, когда было выполнено первое сверхглубинное зондирование на южном склоне Балтийского щита [Краев и др., 1947]. По результатам зондирования было установлено понижение сопротивления на глубине 10—20 км. Природа обнаруженного проводящего слоя была объяснена повышением температуры на соответствующей глубине [Краев и др., 1947; Краев, 1965]. В последующие годы появилось множество публикаций, связанных с обнаружением новых промежуточных проводящих слоев в земной коре. На первых порах их природу было принято объяснять присутствием флюидов, в частности, явлениями дегидратации горных пород [Keller, 1963; Любимова, Фельдман, 1975]. В настоящее время преимущественное признание получила концепция электронно-проводящей природы коровых слоев, впервые опубликованная А.С. Семеновым [1970]. Протяженность аномалий электронно-проводящей графитистой природы в земной коре достигает многих сотен и тысяч километров; среди них можно отметить Южно-Тянь-Шаньскую [Ба-баджанов и др., 1986], Карпатскую [Adam, 1969; Zhamaletdinov, 2005], Северо-Американскую [Stanley, 1989; Boerner et al., 1996] и целый ряд других аномалий [Жамалетдинов, 1996].
В настоящей работе рассмотрены промежуточные проводящие слои в земной коре, обнаруживаемые в пределах гранито-гнейсовых комплексов, где электронно-проводящие породы заведомо отсутствуют. В частности, такие слои обнаружены методами МТ-АМТ зондирования на Белорусской ан-теклизе [Астапенко, Файнберг, 1999], Балтийском щите [Ковтун и др., 1986], на Канадском щите [Kurtz et al., 1986]. Главными характеристиками слоев в приведенных публикациях являются: залегание их на глубине 10—20 км, наличие перекрывающей толщи плохопроводящих пород и средние значения продольной проводимости в окрестности 30—50 См.
Зондирования с контролируемыми источниками на территории Балтийского щита долгое время не позволяли обнаруживать проводящие слои такого типа в верхней части земной коры. Поэтому "нормальный" (в отсутствие электронно-проводящих пород) электрический разрез земной коры представлялся в виде трехслойной модели. Верхняя часть разреза характеризовалась градиентным ростом удельного сопротивления с глубиной в связи с уменьшением пористости и влажности пород, а нижняя часть разреза — спадом сопротивления под действием увеличивающейся с глубиной температуры [Семенов, 1978; Жамалетдинов, 1990].
На рис. 1 показаны основные районы проведения частотных зондирований с автомобильным генератором на территории Восточной части Балтийского щита. Зондирования проводились в частотном диапазоне 1—1000 Гц с рабочими разносами от 20—30 до 80—100 км. Там же показано положение трех сверхглубоких скважин, материалы по которым будут рассмотрены ниже. На Кольском полуострове выполнено также значительное количество геометрических зондирований на постоянном (им-
10° 20° 30° 40°
65°
Рис. 1. Схема расположения районов проведения частотных зондирований (ЧЗ) в восточной части Балтийского щита и положение сверхглубоких скважин — Кольской СГ-3 (Россия), Гравберг (Швеция) и Мюнстерская КТВ (Германия), показана на вставке в левом верхнем углу. Обозначения районов проведения ЧЗ: 1 — Печенгский район; 2 — Енский сегмент Беломорского блока; 3 — Мурманский блок; 4 — Центрально-Кольский район; 5 — Центрально-Финляндский гранитоидный комплекс.
пульсном) токе. Зондирования на постоянном токе выполнялись с использованием установок ВЭЗ с разносами АВ до 16 км [Семенов, 1978; Яковлев, 1993], а также с использованием генератора постоянного (импульсного) тока, подключавшегося к излучающим антеннам СНЧ-источника "Зевс" и МгД-источника "Хибины". Рабочие разносы при этом достигали 100—200 км [Жамалетдинов, 1990].
Первые частотные зондирования (ЧЗ) на Кольском полуострове были выполнены в 1969 году в районе заложения Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 [Жамалетдинов и др., 1973; Эненштейн, 1978]. Район проведения этих работ обозначен площадкой 1 на рис. 1.
Зондирования были выполнены с разносами до 30 км с использованием одноканальной станции СЧЗ-67, разработанной Б.С. Эненштейном и А.П. Ивановым. По результатам зондирований было установлено сильное влияние сульфидно-графи-тистых сланцев на территории Печенгской структу-
ры и влияние разломной тектоники за ее пределами [Жамалетдинов и др., 1973]. Преимущественное влияние разломной тектоники на результаты ЧЗ было установлено также на Мурманском блоке (площадка 3 на рис. 1) [Жамалетдинов и др., 1991]. Первые сведения о наличии промежуточной проводящей области в верхней части разреза земной коры на глубинах в первые единицы километров были получены по результатам многолучевого частотного зондирования на территории Енского сегмента Беломорского блока (площадка 2 на рис. 1) [Шевцов, 2001; 2Ьата1е1Шпоу е! а1., 2002]. Наиболее полное и надежное представление о параметрах промежуточного проводящего слоя в земной коре было получено в ходе проведения эксперимента по многолучевому тензорному зондированию на территории Центрально-Финляндского гранитоидного комплекса (ЦФГК) в 1997 году (площадка 5 на рис. 1) [Жамалетдинов и др., 2002]. Позднее результаты частотных зондирований на ЦФГК получили полное
Рис. 2. Результаты тензорного частотного зондирования на территории Центрально-Финляндского гранитоидного комплекса: (а) — схема расположения питающих и приемных линий; (б) — кривые кажущегося сопротивления осевого зондирования на разносах 50-100 км, исправленные за влияние ближней и промежуточной зон; (в) — то же, установка экваториального зондирования. Цифрами на кривых обозначены трассы 1—4, показанные на рис. 2а. Положение площади зондирования показано на рис. 1 (площадка 4); 1— положение питающих линий; 2 — положение точек приема; 3 — граниты; 4 — графитистые сланцы.
подтверждение при проведении многолучевых тензорных зондирований в Центральной части Кольского полуострова [Шевцов и др., 2007] и при зондированиях с промышленными ЛЭП в эксперименте FENICS-2007 [Жамалетдинов и др., 2009].
Остановимся подробнее на результатах частотного зондирования на территории ЦФГК. Схема расположения питающих и приемных линий и основные результаты показаны на рис. 2. В центральной части ЦФГК была размещена питающая установка из двух Г-образно расположенных заземленных электрических линий длиной 2.3 км (АВЬ азимут 322°) и 2.41 км (АВ2, азимут 236°). Ориентировка питающих линий и трасс зондирования была выбрана с тем расчетом, чтобы поляризация первичного поля была направлена вдоль и вкрест преимущественного направления оси неоднородности ЦФГК, показанной стрелками на рис. 2а.
Особенности проявления промежуточного проводящего слоя, изученного на территории ЦФГК, следующие. При зондированиях на сравнительно небольших разносах (до 10—25 км), несмотря на сильное превышение сигнала над помехой, слой не обнаруживается, так как его влияние в ближней зоне (в зоне постоянного тока) затушевывается гальваническими искажениями, обусловленными, прежде всего, региональной анизотропией и субвертикальными разломами. Слой отчетливо проявляется при увеличении разносов до 50—100 км (рис. 2), где соблюдаются условия волновой зоны. В этом случае
влияние гальванической моды становится пренебрежимо малым и преобладающую роль начинает играть индукционная (полоидальная) магнитная мода, чувствительная к горизонтальной продольной проводимости горных пород [Ваньян, 1965]. При этом слой хорошо проявлен на кривых как осевого (рис. 2б), так и экваториального (рис. 2в) зондирований.
Из рис. 2б, 2в можно видеть, что фактически проводящая область проявляется крайне неоднородно. По результатам решения обратной задачи величина продольной проводимости изменяется в пределах от 0.3 до 1—2 См, а глубина его залегания изменяется в пределах от 1—2 до 8—10 км [Жамалетдинов и др., 2002]. Отмеченные разбросы не могут быть объяснены только за счет неоднозначности решения обратной задачи: скорее они вызваны резкой горизонтальной неоднородностью параметров проводящего слоя. В осредненном виде для всех трасс зондирования геоэлектрический разрез ЦФГК показан на рис. 3а.
Геолого-геофизическая интерпретация природы проводящего слоя, с учетом отмеченных особенностей геоэлектрического разреза, может быть выполнена в рамках трех возможных моделей, показанных на рис. 3б — геологической (I), тектонической (II) и физической (III). Согласно геологической трактовке результатов средние два слоя (2 и 3) соответствуют гранитоидным породам, залегающим на плохо проводящей толще основания. Увеличение прово-
Рис. 3. Геоэлектрический разрез по результатам частотного зондирования в Центральной Финляндии (а) и три возможные схемы истолкования природы промежуточного проводящего слоя (б): I — геологическая, II — тектоническая, III — физическая. Условные обозначения слоев: 1 —
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.