ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 455, № 3, с. 332-336
= ГЕОФИЗИКА =
УДК 550.311
О ПРИРОДЕ ГРАНИЦЫ КОНРАДА В СВЕТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ И ДАННЫХ ГЛУБИННОЙ ГЕОЭЛЕКТРИКИ © 2014 г. А. А. Жамалетдинов
Представлено академиком Е.П. Велиховым 05.11.2013 г. Поступило 17.10.2013 г.
Б01: 10.7868/80869565214090254
Проблема сверхглубокого бурения континентальной земной коры впервые была поднята на совещании в Париже в 1962 г. На нем была отмечена назревшая необходимость проверки бурением физической природы глубинных геофизических границ, устанавливаемых наземными геофизическими методами, прежде всего, сейсморазведкой. Примерно в эти же годы в США была начата реализация двух проектов — "Мохо" и "Аполлон". Проект "Мохо" был нацелен на достижение древнейших пород базальтового слоя путем глубоководного бурения океанической коры с плавучей буровой платформы "Гломар Челленджер". Проект "Аполлон", как известно, был связан с полетом человека на Луну с целью бурения там лунного грунта и доставки его на Землю. В ответ Советский Союз выдвинул свои две программы — программу полета на Луну автоматической станции "Луноход" с целью бурения лунного грунта и его доставки на Землю и программу сверхглубокого континентального бурения десяти сверхглубоких скважин на территории Советского Союза. Кольская сверхглубокая СГ-3 явилась частью этой обширной программы исследования состава и строения глубинного вещества Земли.
Место бурения СГ-3 определилось двумя обстоятельствами. Первое из них связано с тем, что на территории северо-восточной части Фен-носкандинавского щита в результате глубокого эрозионного среза на дневную поверхность выведены древнейшие архейские образования земной коры с глубины порядка 10 км. Они представлены, в частности, гранито-гнейсами кольской серии и Мурманского блока (1 и 3 на рис. 1). Второе
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской Академии наук, Троицк, Москва Геологический институт Кольского научного центра Российской Академии наук, Апатиты Мурманской обл.
обстоятельство определилось тем, что в Печенг-ском районе Кольского полуострова по данным глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) было установлено аномально высокое положение границы Конрада (К1), с которой связывалась смена химического (вещественного) состава земной коры. Предполагалось, что на этой границе происходит смена верхнего гранито-гнейсового слоя алюмо-силикатные пород (сиаля) на залега-
Рис. 1. Положение сверхглубоких скважин СГ-3 и Гравберг на схеме геологического строения Фен-носкандинавского щита; 1 — гранито-гнейсы Мурманского блока (АК), 2 — зеленокаменные комплексы (РК), 3 — кольские гнейсы (АК); 4 — Карельский мегаблок (АК), 5 — гранулитовый пояс (АК-РК), 6 — свекофениды (РК), 7 — готские граниты, 8 — каледо-ниды (PZ).
ющий ниже существенно магнезиальный, базальтовый слой (сима). Положение этой границы принято связывать со скачкообразным ростом скорости сейсмических волн с 6.1 до 6.5 км/с. По данным ГСЗ глубина ее залегания в Печенгском районе оценивалась равной 7 км [2] вместо обычно наблюдаемой в других районах глубины 15—20 км. Выигрыш по глубине был очевиден. Поэтому достижение границы Конрада явилось центральной задачей бурения Кольской скважины [3]. Однако на ожидаемой глубине вместо границы Конрада была встречена подошва вулканогенно-осадочного Печенгского комплекса (6.8 км). По данным ГСЗ эту границу предполагалось встретить на глубине 4 км.
Сопоставление прогнозировавшихся и установленных геологических границ показано на рис. 2. Бурение СГ-3 под руководством Д.М. Гу-бермана и В.С. Ланева продолжалось более 20 лет (с 1970 по 1992 гг.). Была поставлена задача достигнуть глубины 15 км. Для этой цели была изготовлена уникальная буровая платформа "Урал-маш-15000". Пробурено 4 ствола. Каждый из них завершился авариями. Все аварии происходили практически на одной и той же глубине 12 км с разбросом в пределах 5% (табл. 1) [4]. Ожидаемой границы Конрада и связываемой с ней смены химизма пород ни в одном из стволов СГ-3 встречено не было. На всем протяжении архейской части разреза (от 6.8 до 12.262 км) породы сложены гра-нито-гнейсами кольской серии с отдельными прослоями амфиболитов. Сопоставление ожидаемого и фактически встреченного разрезов приведено на рис. 2. На нем также показано положение стволов многоствольного бурения и глубины пунктов забоя. Среди множества причин аварий, обсуждавшихся на официальном уровне и в печати, упоминались "усталость" оборудования, высокая температура на забое, недостаток финансирования и другие, но не указывалась главная причина, на которую ссылались сами буровые мастера в многократных личных беседах с автором настоящей статьи. Причину аварий они связывали с резким изменением физического состояния горных пород в районе глубины 12 км, с их переходом от относительно легко поддававшихся бурению трещиноватых пород в интервале глубин 7—11 км к "твердым как стекло" породам в районе глубины 12 км. По этой причине бур вращался на забое с большой скоростью, не разрушая породу, а при подъеме на поверхность его находили оплавленным. Для преодоления этой проблемы буровикам приходилось применять технику ударно-вращательного бурения, приподнимая и опуская буровую колонну. Для этого требовалось особенно высокое мастерство, если учесть, что сама 12-километровая буровая колонна представляла собой пружину, растянутую на 40 м, и при этом нельзя было опускать ее свободно на забой, так как она
©
км 0
12 K1?
\V V ,
ХХ
хх
X
X X
^х
X X
X X
X X
K1?
0 1 2
3
4
5
^ с W 6
7
8 9
10 1 11 12 3
© lgр(Ом • м) 1 2 3 4 5 6
v \v 1 2 3 ^х
Рис. 2. Сопоставление геологического разреза СГ-3 (1) с проектным разрезом по данным ГСЗ (2), с положением стволов и забоев (3) и с результатами электрического бокового каротажа (4). Номера стволов (забоев) даны в соответствии с табл. 1. Разрезы: 1 — протерозой, печенгский комплекс, вулканогенные породы (покровы); 2 — то же, осадочные породы (филлитовидные сланцы); 3 — архей, гранито-гней-совые породы (сиаль); 4 — предполагаемый базальтовый слой (сима).
раздавила бы своим весом и буровой инструмент, и турбину.
Установленная по данным бурения Кольской СГ-3 "граница недоступности" в районе глубины 12 км показана в виде забоев (нижних границ стволов) 1—4 на колонке 3 (рис. 2). Положение этой границы хорошо согласуется с результатами
Таблица 1. Годы и интервалы бурения четырех стволов Кольской С-3
Номер ствола СГ-3 Годы бурения Интервалы бурения, м
1 1970-1982 0-11662
2 1983-1984 9378-12066
3 1985-1990 7010-12262
4 1991-1992 9649-11882
4
2
-
&
о
ю §
& 1-ч
1-н
и §
м
о л ч о
¡4
Ж Г 0
ж
ж
ж
ж
ж - 5
ж
-*>
ж
ж
X X - 10
X
103
р, Ом • м 104 105
106
Z, км
Рис. 3. Продольные (р;) и поперечные (ри) кривые электрического каротажа скважин Кольская СГ-3 и Гравберг в сопоставлении с результатами частотного (Рчз) и дистанционного (рвэз) глубинных электрических зондирований; 1 — гранито-гнейсы; 2 — гранито-гнейсы с прослоями амфиболитов. Положение скважин показано на рис. 1.
глубинных электромагнитных зондирований, указывающими на существование в континентальной литосфере в диапазоне глубин 10—15 км плохо проводящего экрана, препятствующего проникновению на глубину токов гальванической природы [5]. Впервые это было обнаружено по результатам зондирований с импульсным магнитогид-родинамическим (МГД) генератором мощностью 80 МВт в ходе проведения эксперимента "Хибины" под руководством академика Е.П. Велихова (1974—1991 гг.) [6]. Путем разделения поля МГД-источника на гальваническую и индукционную моды было установлено, что низкочастотный ток гальванической природы (постоянный ток) распространяется на сотни километров по горизонтали в верхней, примерно 10-километровой, пленке кристаллической земной коры и концентрируется в узких приповерхностных проводниках, в вытянутых сульфидно-углеродистых породах [5]. Протяженность на глубину выполажива-ющихся с глубиной токопроводящих каналов по этим данным не превышает 10 км [7, 8]. При этом важно подчеркнуть, что сила тока, оцениваемая
по циркуляции магнитного поля, слабо изменяется по простиранию проводящих каналов. Ток в них не просачивается глубже 10—15 км. Этому препятствует высокое сопротивление изолирующего экрана. Обнаруженный эффект был проверен на Русской платформе путем проведения глубинных зондирований в поле промышленной ЛЭП постоянного тока Волгоград—Донбасс (эксперименты "Волга-79" и "Волга-86") [9]. Дистанционные зондирования были выполнены с разносами до 600—700 км между источником и приемником. Был установлен непрерывно восходящий вид кривых кажущегося сопротивления под углом 45° ^-асимптотика) на разносах свыше 20—30 км. Это позволило сделать вывод о существовании на глубине порядка 10—15 км изолирующего экрана высокого сопротивления аналогично тому, как это установлено на Фенноскандинавском щите [5]. Хорошо проводящие сульфидно-углеродистые образования (Воронцовская, Фроловская, Донбасская аномалии) были прослежены в верхнем 10-километровом слое земной коры, где они располагаются в виде покровных структур.
На основании приведенных и новых данных тензорных частотных зондирований разработана модель двухслойного строения континентальной земной коры [10]. Согласно этой модели верхняя толща земной коры мощностью 10—15 км характеризуется широким распространением проводящих разломных структур с повышенной хрупкостью и в среднем пониженным сопротивлением вследствие широкого распространения электронно-проводящих, сульфидно-углеродистых пород и наличия флюидов, дренирующих супраструктуру. Нижняя кора, условно ограниченная снизу границей Мохо, характеризуется высоким сопротивлением и горизонтальной однородностью электрических свойств. Важной особенностью верхней части земной коры является наличие промежуточного проводящего слоя дилатантно-диффузионной природы (ДД-слой) в интервале глубин от 2—5 до 7— 10км [11]. С существованием ДД-слоя связано понижение кажущегося сопротивления в диапазоне глубин 7—10.5 км на
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.