Аспределение коэффициента петрофизической неоднородности в земной коре Байкальской рифтовой зоны по данным ГСЗ и гравиметрии Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ПЕТРОФИЗИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В ЗЕМНОЙ КОРЕ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ ГСЗ И ГРАВИМЕТРИИ

Елена Александровна Мельник

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, старший научный сотрудник лаборатории глубинных сейсмических исследований и региональной сейсмичности, тел. (383)330-60-18, e-mail: MelnikEA@ipgg.sbras.ru

Владимир Дмитриевич Суворов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, главный научный сотрудник лаборатории глубинных сейсмических исследований и региональной сейсмичности, тел. (383)330-60-18, e-mail: SuvorovVD@ipgg.sbras.ru

Забина Рейнгольдовна Мишенькина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3, старший научный сотрудник лаборатории глубинных сейсмических исследований и региональной сейсмичности, тел. (383)330-60-18, e-mail: MishenkinaZR@ipgg.sbras.ru

В работе представлены результаты изучения природы аномалий скоростей P, S- волн и плотности в верхней части земной коры по изменениям параметра петрофизической неоднородности в районе Муйской впадины Байкальской рифтовой зоны.

Ключевые слова: скорость продольных и поперечных волн, плотность, параметр пет-рофизической неоднородности, Байкальская рифтовая зона.

DISTRIBUTION OF THE PETROPHYSICAL HETEROGENEITY IN THE UPPER CRUST OF THE BAIKAL RIFT ZONE FROM THE DSS AND GRAVITY DATA

Elena A. Melnik

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, Acad. Koptyug av., 3, Senior research scientist, Laboratory of deep seismic investigations and regional seismology, tel. (383) 330-60-18, email: MelnikEA@ipgg.sbras.ru

Vladimir D. Suvorov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, Acad. Koptyug av., 3, Principal research scientist, Laboratory of deep seismic investigations and regional seismology, tel. (383) 330-60-18, e-mail: SuvorovVD@ipgg.sbras.ru

Zabina R. Mishenkina

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (IPGG SB RAS), 630090, Russia, Novosibirsk, Acad. Koptyug av., 3, Senior research scientist, Laboratory of deep seismic investigations and regional seismology, tel. (383) 330-60-18, email: MishenkinaZR@ipgg.sbras.ru

The article presents the results of investigation of the velocity and density anomalies in the Earth's crust, based on the study of the petrophysical heterogeneity on measurements of P and S-waves from DSS data of the Baikal Rift Zone.

Key words: seismic velocities, density, petrophysical heterogeneity, upper crust, Baikal Rift

Zone.

Ключевой проблемой интерпретации сейсмических данных является согласование геологических и геофизических моделей. Наиболее отчетливо она проявляется при интерпретации данных ГСЗ, когда прямые геологические наблюдения на обнаженных участках консолидированной коры в пределах щитов показывают сложную тектоническую структуру, резко контрастирующую с пологим залеганием сейсмических границ и изолиний скорости. Существует предположение, что пологие сейсмические скоростные структуры обусловлены состоянием вещества и отражают процессы, связанные с изменениями давления и температуры. Однако, измеряемые (вычисляемые) геофизические параметры, описывающие эти явления, отсутствуют.

Возможным продвижением в разделении эффектов, связанных с вещественным составом пород и их состоянием является использование не только абсолютных значений скоростей P и S - волн и плотности р в земной коре, но также степени их изменения с глубиной. Для этого предлагается использовать коэффициент петрофизической (химической) неоднородности (п) [2], который определяется изменениями модуля сжатия и плотности с глубиной, применявшийся ранее для глубоких оболочек Земли

П = dK/dp -(1/g) dФ/dz,

где К - модуль сжатия, р=рgz - литостатическое давление, g - ускорение силы

2 2

тяжести, Ф=К/р=Ур -(4/3)Vs , р - плотность, z - глубина, Vp, Vs - скорости продольных и поперечных волн. Теоретически величина п равна единице для однородных областей, в которых изменения скорости и плотности происходят только за счет литостатического давления, и отличается от нее при вещественных неоднородностях и фазовых переходах.

На рис. 1 показаны графики изменения коэффициента петрофизической неоднородности в зависимости от скорости продольной волны в земной коре Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), Якутской кимберлитовой провинции (ЯКП) по данным ГСЗ [5] и по результатам теоретического моделирования состава сухих магматических пород [6]. Заметим, что представление зависимости коэффициента п от глубины приводит при двумерном распределении к неоднозначной связи между ними, так как одинаковые изменения скорости могут быть на разных глубинах или, наоборот, на одинаковой глубине различные значения п.

При расчете коэффициента петрофизической неоднородности необходимо иметь сведения о распределении плотности, которые получены из корреляционной зависимости скорость-плотность, построенной по результатам сейсмо-гравитационного моделирования. Значения плотности, согласованы с сейсмической моделью коры при дополнительных условиях: одинаковая скорость

продольных волн - одинаковая плотность, больше скорость - больше плотность, и удовлетворяли наблюденному гравитационному полю [5].

Петрофизическая неоднородность

О 5 10 15 20 п

5.5 Н------------------------'----------------------1---------------------1---------------------

Рис. 1. Изменения коэффициента петрофизической неоднородности в зависимости от величины скорости продольных волн в земной коре (Ур) БРЗ, ЯКП и по результатам теоретического моделирования

состава сухих магматических пород [6]

Представленные на рис. 1 данные иллюстрируют характерное уменьшение петрофизической неоднородности с увеличением скорости Ур в обоих регионах, в то время как в теоретических расчетах для различных пород величина п близка к единице во всем диапазоне изменений скоростей, минералогического состава, давления (глубины) и температуры. Аналогичные тренды изменения п в зависимости от давления наблюдаются и по лабораторным измерениям на образцах горных пород [1], что часто объясняется влиянием трещиноватости. Отсюда можно сделать вывод о том, что изменения коэффициента п обусловлены трещиноватостью горных пород, уменьшающейся с глубиной. Это также следует и из теоретического моделирования состава сухих магматических пород, где фактор трещиноватости отсутствует.

На рис. 2а, б представлены скоростные модели верхней части земной коры по профилю ГСЗ, пересекающему Муйскую впадину (северо -восточный фланг Байкальской рифтовой зоны [4]), дополненные разрезами по параметру петрофизической неоднородности и распределением его аномалий (рис. 2в, г). Последние получены в результате вычитания среднего тренда изменения п с глубиной, определяемого формулой И=аЬп(п)+Ь, которая удовлетворительно аппроксимирует данные наблюдений на образцах горных пород [1] при изменении значений эмпирических коэффициентов а и Ь.

Рис. 2. Строение верхней части разреза коры по распределению скоростей продольных (а), поперечных (б) волн, параметра петрофизической неоднородности (в) и его аномалий (г) по профилю ГСЗ через Муйскую впадину (северо-восточный фланг Байкальской рифтовой зоны)

Разрезы, характеризующие распределение скоростей продольных и поперечных волн не вполне подобны. Аномалии скорости поперечных волн несколько смещены относительно особенностей изменения скорости продольных волн.

Рассчитанная величина коэффициента петрофизической неоднородности изменяется в широких пределах от -20 до 20 (рис. 2в). При условии, что точность определения этой величины можно оценить 20-30%, такие изменения следует признать значимыми. На разрезе отчетливо выделяется верхний слой коры мощностью до 5-8 км с преимущественно повышенными значениями пет-рофизической неоднородности. В рельефе его подошвы наблюдаются узкие зоны, проникающие на глубину 12-15 км. В интервал глубин 10-20 км коэффициент п изменяется в диапазоне от 20 до -20 в пределах узких протяженных и наклонных зон, достигающих глубины 20-25 км.

При удалении трендовой компоненты, которую можно считать связанной с трещиноватостью пород, распределение петрофизических аномалий заметно упрощается (рис. 2г). В верхней части разреза на глубине до 8 км наблюдается отчетливая зона протяженных, частично прерывистых петрофизических аномалий. Она характеризуются повышенными значениями коэффициента, свидетельствующими о преимущественно вещественных изменениях приповерхностной толщи пород. В интервале глубин 8-25 км наблюдается обширное поле аномалий с амплитудой, близкой к единице. На этом фоне выделяются три узких протяженных зоны, падающих в восточном направлении. Наиболее уверенно выделяется западная аномалия. Центральная прерывается на интервале глубин 7-10 км и третья аномалия, прослеженная на глубину до 10 км, намечается в восточной части профиля вблизи Муйско-Чарской межвпадинной перемычки. По геологическим данным центральная аномалия (140 -160 км профиля) располагается в западной зоне сочленения Байкало-Витимского вулканоплутонического пояса и Муйского дорифейского складчатого основания [3]. Более протяженная восточная петрофизическая аномалия (220 -250 км профиля) соответствует зоне сочленения Байкало-Витимского вулкано-плутонического пояса и Кударо-Удоканского прогиба. Наиболее уверенно прослеживаемая на глубину западная петрофизическая аномалия (в интервале 75 -110 км профиля) по геологическим данным не выделена.

Использование комплексного параметра петрофизической неоднородности свидетельствует о возможности разделения эффектов влияния на сейсмическую скорость и плотность связанных как трещиноватостью, уменьшающейся под действием давления, так и изменениями вещественного состава. Это представляет интерес при выделении в земной коре структур, контролирующих размещение месторождений полезных ископаемых.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Баюк Е.И., Лебедев Т.С. Упругие свойства минералов и горных пород // Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах: Справочник / Ред. М.П.Воларович, 1988, М.: Недра. С. 5-69.

2. Буллен К.Е. Введение в теоретическую сейсмологию // М. :Мир, 1966

3. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1000000, Серия Алдано-Забайкальская. 0-50 Бодайбо. ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург, 2010.

4. Мишенькина З.Р., Мишенькин Б.П. Изучение зоны перехода от земной коры к мантии на северо-востоке Байкальской рифтовой зоны по данным рефрагированных и отраженных волн // Физика Земли, 2004 г., № 5, с.47-57.

5. Суворов В.Д., Мельник Е.А. О петрофизической неоднородности земной коры и верхов мантии в двух районах Сибири по сейсмогравитационным данным и измерениям на образцах горных пород // Физическая мезомеханика, том 11, № 1, 2008, с. 101-108.

6. Sobolev S.V. and Babeyko A.Yu. Modeling of mineralogical composition, density and elastic wave velocities in anhydrous magmatic rocks. Surveys in Geophysics 15: 515-544, 1994.

© Е.А. Мельник, В.Д. Суворов, З.Р. Мишенькина, 2013