С. 38-42. Геофизические данные о флюидах в земной коре



жүктеу 146.62 Kb.
Дата26.04.2018
өлшемі146.62 Kb.

Поспеев А. В. Геофизические данные о флюидах в земной коре // Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века: Сб. науч. тр. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. - С. 38-42.
Геофизические данные о флюидах в земной коре

А. В. Поспеев ГГП "Иркутскгеофизика"

Установление факта повышенной прово­димости средней-нижней коры явилось доста­точно неожиданным результатом первых магни-тотеллурических работ, выполненных в усло­виях умеренной и малой мощности осадочного разреза. Это связано с тем, что сопротивление кристаллических горных пород в приповерх-ностной части разреза до уровня первых кило­метров по данным малоглубинных зондирова­

нии, как правило, составляет тысячи - десятки и сотни тысяч ом-метров (Омм).

Результаты петрофизических измерений в условиях высоких давлений и температур так­же показывают, что большинство горных пород, слагающих кристаллическую часть тектоносфе-ры, в интервале температур ниже солидуса обла­дают сопротивлением значительно выше наблю­денного в естественном залегании. Для термоба­рических условий, соответствующих середине



38

проводящего слоя в верхней части литосферы эта разница составляет 3-6 порядков. Даже на­блюдаемое у целого ряда горных пород, имею­щих в составе водосодержащие минералы, явле­ние дегидратации вызывает падение сопротив­ления на 1-1.5 порядка до уровня, который в среднем значительно превышает наблюдаемый.

В силу этого изучение проводящего слоя в диапазоне глубин верхней литосферы в раз­личных по тектонической активности и истории геологического развития регионах, а также обоснование его физико-геологической модели представляют большой научный и прикладной интерес.

Восточная Сибирь относится к числу регионов, характеризующихся достаточно высо­кой изученностью методом МТЗ. Глубинные магнитотеллурические зондирования проводят­ся здесь в течение более, чем трех десятилетий в составе широкого комплекса геофизических, в том числе электромагнитных, методов при ре­шении широкого круга геологических задач -регионального картирования поверхности фун­дамента при поисках нефти и газа, уточнении сейсмических и геологических условий строи­тельства трассы БАМ, изучения алмазоносных, кимберлитовых и золоторудных провинций и т.п.

В пределах изученной части Восточной Сибири литосферный проводящий слой (ЛПС) характеризуется значительными вариациями своего положения.

Так, в обширном районе, включающем Ангаро-Ленскую ступень и Непско-Ботуобин-скую антеклизу, кровля ЛПС отмечается на глу­бинах 25- 35 км, а проводимость не превышает 250 См, понижаясь в отдельных зонах до 150 См. Синеклизы отмечаются приближением про­водящего слоя до 15-20 км и увеличением его проводимости до 500-700 См.

Значительно более контрастно выражен литосферный проводящий слой в пределах гор­ного обрамления платформы. Наиболее изучен­ная его часть включает северо-запад Байкаль­ской рифтовой зоны. Здесь средняя глубина до кровли слоя составляет около 11 км. Зоны вы­сокого положения проводящего слоя по изоли­нии 8 км отмечаются в осевой части Нижне­ангарской впадины, Верхнеангарско-Муйской межвпадинной перемычке, южной части Кодаро-Удоканского прогиба.

Погруженное положение кровли прово­дящего слоя характерно для северной части Баргузинского хребта, Предбайкальского проги­ба Сибирской платформы, а также южной части Муйско-Чарской перемычки (20-30 км). Менее

значительное погружение отмечается в вер­ховьях р. Верхней Ангары, среднем течении р. Ципы, в осевой части Муйской и восточной части Токкинской впадины (15-20 км).

Проводимость корового проводящего слоя в целом обратно пропорциональна глубине его залегания. Наименьшая проводимость в изу­ченном регионе свойственна проводящему слою на Сибирской платформе, где ее величина G в ЛПС составляет 300-500 См. От 500 до 100 См колеблется проводимость ЛПС в Становой об­ласти (профиль Чара-Тында) и в пределах Муй-ского офиолитового пояса. В остальной части изученной территории проводимость колеблется от 1500 до 4000 См, что по-видимому, нор­мально для корового слоя при средних глубинах его залегания в активных регионах. Мощность слоя определяется приближенно и составляет 20-40 км.

В первые годы после открытия ЛПС, как регионально распространенного объекта в лито­сфере существовали различные точки зрения на природу этого слоя. В числе гипотез были твер-дофазовые (графит, сульфиды, железистые ми­нералы и т.п.), плавления, водно-метамор­фическая.

Последняя впервые была выдвинута В.И. Поспеевым (9) и позже Р.Д. и Д.В.Хиндманами (12). Ее суть состоит в образовании свободного надкритического водного флюида за счет про­грессивного метаморфизма водосодержащих минералов в диапазоне температур 400 - 800 °С.

В последствии водно-метаморфическая гипотеза стала основной, поскольку были опре­делены две группы факторов, с которыми она согласуется. Во-первых, положение литосфер-ного проводящего слоя проявило корреляцию с положением корового сейсмического волно­вода, особенно хорошо проявляющуюся в актив­ных регионах, например в Байкальской риф­товой зоне (7). Во-вторых, глубина кровли ЛПС отчетливо коррелируется с региональным тепловым потоком, на что обратил внимание А.Адам (11).

Вывод о наличии в средней и нижней частях земной коры активных регионов флю-идонасыщенного слоя следует не только из дан­ных интерпретации электромагнитных методов. В самые первые годы работ методом ГСЗ в пределах Байкальской рифтовой зоны на осно­вании интерпретации годографов рефрагиро-ванных волн группой новосибирских иссле­дователей был выделен коровый волновод, в пределах которого скорости продольных волн понижаются примерно на 0.4 км/с.


39

С проведением детальных исследований методом ГСЗ были получены скоростные раз­резы земной коры в модели пластовых скоро­стей. В целом, на изученных профилях северо-запада БРЗ единого протяженного волновода по этим данным не отмечается, хотя практически в пределах каждого локального сечения может быть выделено либо понижение скорости в каком-либо интервале глубин, либо резкое изменение градиента нарастания скорости с глу-биной Погоризонтное осреднение локальных разрезов с целью сглаживания влияния вариа­ций литологии кристаллической коры на ее скоростную структуру позволяет получить сред­ний скоростной разрез изученного участка. Его сопоставление со средним разрезом сопро­тивлений показывает полное совпадение интер­вала понижения скорости сопротивления.

Наиболее ярким свидетельством суще­ствования зоны флюидонасыщения в верхней части земной коры северо-запада БРЗ служит наличие в пределах Ангаро-Витимского бато­лита зон, в пределах которых скорости в кри­сталлических породах меньше, чем скорости в гранитоидах. Поскольку горные породы в этом районе эродированы до глубин 15-20 км, мета-морфизованы до гранулитовой фации, практи­чески единственным вариантом геологической интерпретации этих зон является повышение пористости гранитоидов.

Анализ данных глубинных ОГТ, полу­ченных на восточном борту Рейнского грабена позволил Вензелю и Сандмайеру (14) выделить следующие особенности скоростного строения земной коры, связанные с наличием в ней флю­идов. В первую очередь, это зона понижения скорости, наиболее ярко выраженная в продоль­ных волнах. Верхняя граница зоны определяется на глубинах 6-8 км, а относительное понижение скорости составляет около 0.4 км/с. Ниже, с глубин около 14 км, фиксируется зона резкой скоростной дифференциации. Непосредственно на разрезе ОГТ она выражена в виде интервала с существенным изменением особенностей сей­смической записи - наличием многочисленных сильных отражений с короткими осями синфаз-ности в диапазоне времен 5-7 с.

При этом сейсмогеологические характе­ристики верхней коры и подстилающей ее крис­таллической толщи значительно отличаются. В работе Мейснера и Вивера (13) на основании анализа данных глубинных ОГТ выделены свой­ственные для верхней и средней-нижней коры так называемые "сейсмические крокодилы" и "ламелли" соответственно. К первым относятся участки резко несогласного группирования сильных отражении на мигрированных разрезах. "Сейсмические крокодилы" отмечаются в ос­новном в достаточно прогретых в настоящее время районах с интенсивной тектоникой.

Их геологическую природу авторы свя­зывают с наличием крутых тектонических кон­тактов отдельных блоков земной коры, значительно различающихся по физическим свойствам.

В отличие от этого в средней и нижней коре выделяются сейсмические объекты типа "ламелли", представляющие собой субгори­зонтальные слабопротяженные серии сильно отражающих площадок. Этажи развития двух отмеченных разных типов сейсмических объек­тов не пересекаются.

Все это приводит к заключению, что основной причиной формирования "ламинар­ной" структуры средне-нижней коры активных регионов является ее флюидизация.

Изменение не только удельного элек­трического сопротивления среды и ее сейсмо-геологических характеристик, но и реоло­гических свойств - важное физическое след­ствие этого. Рассчитанные в работе Мейснера и Вивера (13) характеристики вязкости коры в зависимости от регионального поверхностного теплового потока показывают, что с реологи­ческой точки зрения она может быть разделена на верхнюю хрупкую и подстилающую ее нижнюю пластичную зоны.

Близкая точка зрения изложена и в работе С.Н.Иванова (3), который рассматривает вероятную природу сейсмических границ в зем­ной коре континентов. Он считает, что широко распространенный литологический подход в объяснении геологической природы глубинных сейсмических границ не позволяет получить непротиворечивые модели верхней части литосферы.

Автор отмечает, что в результате нали­чия в коре двух зон - флюидогенерации и флюидонасыщения, - а также зоны гидратации горных пород, расположенной выше, раздел между которыми приблизительно совпадает с геоизотермой 350°С, могут быть образованы часто встречамые в земной коре границы К1 и К2. Важнейшая особенность строения коры, по мнению С.Н.Иванова - значительное различие ее реологических свойств по вертикали. В силу равенства порового давления флюида литоста-тическому породы средней-нижней коры отли­чаются меньшей (по сравнению с верхней) прочностью, вследствие чего по границе раздела слоев при наличии односторонних на­пряжений возможно перемещение коровых



40

пластин. В этом случае граница перемещения (по С.Н.Иванову - "отделитель") является не только фазовой или вещественной, но и физи­ческой границей.

Поскольку геологам давно известны сви­детельства значительных перемещений коровых пластин по горизонтали, реальность подобной модели представляется весьма вероятной.

Источником водных флюидов во "внут­ренней гидросфере Земли", проявляющейся в электромагнитных данных в виде ЛПС, могут быть:

- проникающие с дневной поверхности метеорные воды;

- флюиды, высвобождающиеся в резуль­тате дегидратации водосодержащих минералов при погружении пород в геотермические усло­вия зеленосланцевой и амфиболитовой фаций метаморфизма;

- поступающие с нижних горизонтов мантии глубинные флюиды.

Что касается метеорных вод, то Коль­ской сверхлубокой скважиной установлена зона свободной циркуляции поверхностных вод до глубин около 1 км (4). Близкие оценки мощ­ности зон экзогенной проработки кристал­лических горных пород в горном обрамлении рифтовых впадин получены нами ранее (1).

Судя по значениям электрического соп­ротивления пород и гравитационному эффекту зон экзогенной проработки, суммарная порис­тость в их пределах может достигать 5-7%. Де­гидратация водосодержащих минералов явля­ется одним из первых механизмов, который при­влекался для объяснения аномалий электро­проводности в земной коре, что следовало из интерпретации данных измерений электропро­водности горных пород при высоких давлениях и температурах (7).

В реальных геологических условиях кон­кретный вклад каждого из возможных механиз­мов транспортировки флюидов в значительной степени зависит от геодинамической обстановки региона. Совершенно естественно, что необхо­димым условием протекания процессов дегидра­тации служит прогрев горных пород выше температур 300-400°С, который может проис­ходить только при нисходящих тектонических движениях коры.

Поскольку участки значительного проги-бания земной коры занимают относительно небольшие площади континентальной части Земли, процессы дегидратации могут обеспе­чить лишь незначительную (в пределах десятой доли от общего объема) часть внутренней гидросферы.

Фактический вклад дегидратации, по всей видимости еще ниже, так как значительная часть территории регионов, характеризующихся развитым литосферным проводящим слоем, устойчиво воздымается на протяжении длитель­ного периода геологического времени. Так, рай­он Байкальской рифтовой зоны, значительная часть Сибирской платформы вне зоны развития мезозойских отложений, большая часть терри­тории Забайкалья характеризовались восходя­щим или стабильным режимом развития в пери­од после позднего палеозоя. Величина эрозион­ного среза, в частности в северном Прибай­калье, составляет 10-15 км. Следовательно, на протяжение всего периода времени в верхней коре региона протекали процессы прямо проти­воположной природы, т.е. охлаждения и гид­ратации пород коры, пододвигающихся к эрозионному срезу.

Более того, рассматривая проблему на­личия свободной воды в тектоносфере в гло­бальном плане, следует отметить, что сегодня­шнее состояние водной оболочки результат соответствующей длительной медленной дегаза­ции мантии. Появление водной оболочки на Земле отмечается в позднем архее. С тех пор объем воды в геологическом масштабе времени непрерывно возрастает (2). Поскольку внешние относительно планеты источники воды практи­чески ничтожны, необходимо признать меха­низм восходящего движения глубинного флю­ида главным источником флюидов как в текто­носфере, так и во внешних оболочках Земли.

Дегидратационные процессы в этом ас­пекте всегда вторичны, так как для их проте­кания необходимо наличие пород, обладающих кристаллизационной водой.

Одной из наиболее непротиворечивых гипотез, позволяющей объяснить образование воды в пределах геотермического интервала 400-800°С, является гипотеза Ф.А.Летникова (5). В соответствии с ней вода образуется в результате окисления мантийного водорода, который, взаимодействуя с железосодержащими минералами коры и мантии, восстанавливает Fe3+ до Fe2+. Появление воды в свободном состоянии значительно изменяет не только реологические свойства среды, но и приводит к понижению темпепературы солидуса пород до 600-800 °С, что может вызвать появление от­дельных очагов частичного плавления с обра­зованием кислых магм.

Учитывая наиболее высокие диффузи­онные свойства водорода, этот механизм, по всей видимости, можно считать основным, хотя, судя по наличию определенного количества


41

воды в мантийных породах на достаточно больших глубинах (10), какое-то количество водного флюида также диффундирует в тектоносфере наряду с другими газовыми фазами (СО2, СH4 и др.).

Количество воды в геотермическом диа­пазоне ее генерации, исходя из гипотезы Ф.А. Летникова, зависит от общего количества водо­рода в мантийном флюиде. С этой точки зрения весьма .интересна зависимость проводимости литосферного проводящего слоя от средней плотности верхней части земной коры.

Так, в пределах северо-запада БРЗ, в кристаллическом цоколе выделяются зоны с существенно гранитизированной (например Ан-гаро-Витимский батолит) и основной - ультра­основной корой (район Муйского офиолитового пояса). Средние плотности верхней части зем­ной коры для этих зон составляют соответ­ственно 2.65-2.70 и 2.85-3.00 г/см3. Средние проводимости ЛПС, соответственно - 2500 и 800 См.

Геологической причиной подобного яв­ления с позиций гипотезы о водородной водоге-нерации могут быть значительные отличия в количестве мантийного водорода, поступаю­щего в гранитизированные области. Это, в ка­кой-то мере согласуется с выводами (6) о необ­ходимости длительной проработки нижней и средней коры водой и щелочами для ее гранитизации.

Объемная доля флюида, заключенного во "внутренней гидросфере Земли", полученная независимо по различным геофизическим и геологическим данным, в активных регионах составляет 2-3% и более.

Изучение геологического феномена флюидизации верхней части литосферы может иметь большое значение не только в общенауч­ном плане. Водные растворы наряду с магма­тическими флюидами являются накопителем и транспортером рудных веществ, в связи с чем динамика развития флюидных систем важна для распознавания особенностей формирования ре­гиональных рудных систем для широкого спек­тра полезных ископаемых. Дальнейшие комп­лексные глубинные исследования тектоносферы различных по геологическому строению реги­



онов несомненно позволят получить новые данные по этой проблеме.

Список литературы

1. Геология и сейсмичесность зоны БАМ. Глу­бинное строение. 1 Письменный Б.М., Алакшин А.М., Поспеев А.В., Мишенькин Б.П. -Новоси­бирск: Наука, 1984. т. 4., -176 с. 2. Добрецов Н.Л. Глобальные петрологические процессы. М.: Недра, 1981. -223 с. 3. Иванов С.Н. Веро­ятная природа главных сейсмических границ в земной коре континентов. // Геотектоника. -1994. -№3. -с. 3 - \\. 4. Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного строения континен­тальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины // Под ред. Е.А. Коз­ловского. -М.: Недра, 1984. -490 с. 5. Летников Ф.А., Феоктистов Г.Д., Остафийчук И.М. и др. Флюидный режим формирования мантий­ных пород. - Новосибирск: Наука, 1980. - 143 с. 6. Литвиновский Б.А., Артюшков Е.В., Зан-вилевич А.Н. О природе магматизма Монголо-Забайкальского пояса // Геология и геофизика. -1989. -№12. -с. 32-40. 7. Недра Байкала по сей­смическим данным / Крылов С.В., Мишенькин Б.П., Мишенькина З.Р., Петрик Г.В., Селезнев B.C. -Новосибирск: Наука, 1981. -105 с. & Пар­хоменко Э.И., Бондаренко А.Т. Электропро­водность горных пород при высоких давлениях и температурах. -М.: Недра, 1972. - 172 с. 9. Поспеев В.И. Методы и результаты региональ­ных электроразведочных работ в Иркутском амфитеатре. Дис. канд. геол.-мин. наук. -Ир­кутск, 1966. 10. Ринггвуд А.Е. Состав и петро­логия мантии Земли. -М.: Мир, 1981. -584 с. 11. Adam A. Relation of mantle conductivity to physical conditions in the asthenosphere. // Geophys. Surv. -1980. - vol. 14. - pp. 43-55. 12. Hyndman R.D., Hyndman D. W. Water Saturation and high electrical conductivity in the lower crust // Earth Plan. Sci. Lett. - 1969. -№4. -р. 427-432. 13. Meissner R., Wever Th. The possible role of fluids for structuring of the continental crust. // Earth-Sci. Rev. -1992. -vol. 32, -№ 11-2. -p. 3-18. 14. Wenzel F., Sandmier K.-J. Geophysical evidence for fluids in the crust beneath the Black Forest, SW Germany. // Earth-Sci. Rev. -1992. vol. 32, -№11-2. -р.61-75.

42

Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет