CC BY
234
Глубинное строение района бурения Кольской сверхглубокой скважины (по сейсмическим данным)
12 2
H.В. Шаров , Э.В. Исанина , Н.А. Крупнова
1 Институт геологии КарНЦ РАН, Петрозаводск
2 Государственное геологическое предприятие "Невскгеология", Санкт-Петербург
Аннотация. В статье на основе анализа и обобщения всей совокупности имеющейся сейсмической информации, накопленной за прошедшие сорок лет, и данных бурения Кольской сверхглубокой скважины изложены современные представления о глубинном строении земной коры Печенгской структуры и ее обрамления. Охарактеризована томографическая модель региона, уточнены представления о расслоенности земной коры, геометрии сейсмических границ, выявлено поднятие границы кора-мантия под Печенгской структурой.
Abstract. Modern concepts of the deep structure of the earth crust based on the analysis and generalization of seismic data collected in the past 40 years and the Kola Superdeep Borehole record have been presented. The tomographic model of the Pechenga district has been characterized. Our knowledge of the layered pattern of the earth crust stratification has been updated, the geometry of seismic boundaries has been described more accurately and the crust-mantle boundary under the Pechenga structure has been found to be uplifted.
I. Методы сейсмических исследований
С 1960 г. под руководством И.В. Литвиненко проводится детальная сейсмическая съемка в районе Печенги, и в 1960-62 гг. пройден профиль ГСЗ Баренцево море - Печенга - Ловно (Литвиненко, 1963). Эти результаты послужили основой для заложения Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Бурение скважины СГ-3 предоставило исключительную возможность оценить результаты исследований методом ГСЗ строения верхней части древней континентальной земной коры (Кольская сверхглубокая, 1984). Развенчав гипотезу о "базальтовом слое" на глубине 7 км под Печенгской структурой, скважина позволила определить реальный состав и сейсмические характеристики среды до глубины 12 км и в том числе обнаружить волновод на глубинах порядка 8-9 км (Кольская сверхглубокая, 1998). В 1992 г. международным коллективом исследователей (США, Великобритания, Норвегия, Россия) в Печенгском районе пройден профиль КОЛА ОГТ-92 с выходом на Кольскую сверхглубокую скважину (Ganchin et al, 1998). Информация о структуре земной коры, полученная на профилях МОВ-ОГТ, является принципиально иной по сравнению со старыми данными ГСЗ-КМПВ. Новые исследования показали, что земная кора региона имеет блочно-иерархическое, фрактальное строение (Сейсмогеологическая..., 1997).
В Печенгском районе плотность глубинных сейсмических исследований является максимальной для Балтийского щита (рис. 1). Эти исследования опирались на материалы по смежным территориям России, Финляндии и Норвегии и включали обширный комплекс методов. Они представлены данными низкочастотных многоволновых глубинных сейсмических зондирований (ГСЗ), которые дают надежные сведения о скоростной характеристике среды и рельефе поверхности М, и дополнены данными метода разведочной сейсмологии (МРС), позволяющими детально исследовать блоковую структуру земной коры и выделить зоны разломов с крутыми углами наклона. Сложные структуры верхней части коры изучены методами общей глубинной точки (ОГТ), вертикального сейсмического профилирования (ВСП) и акустического каротажа (АК). Кроме того, проведены комплексные профильно-площадные работы на суше и в море, и реализованы возможности сейсмической томографии (СТ).
Методика глубинного сейсмического зондирования отличалась от ранее применявшихся использованием многоволновой сейсмики в различных модификациях: при непрерывном профилировании, дискретных и площадных наблюдениях с применением как сейсмических, так и промышленных взрывов (Шаров, 1993). По данным ГСЗ определялись скоростные параметры, выделялись неоднородности разреза в изолиниях скорости и намечались региональные сейсмические границы. При этом на разрезах, построенных таким способом, иногда можно видеть пологие субгоризонтальные границы раздела, занимающие дискордантное положение относительно реальных структурных линий, и секущие геологические структуры. Это объясняется тем, что определение значений скорости выполнялось путем осреднения свойств среды на больших базах без учета локальных упругих неоднородностей. Иными словами, волны от глубинных сейсмических границ при ГСЗ имеют интерференционную природу и связаны с целыми интервалами разреза, а не с простыми границами полупространства.
Исследования методами обменных волн землетрясений и разведочной сейсмологии (МОВЗ-МРС) обладают более широкими возможностями выявления вертикальных и латеральных неоднородностей земной коры благодаря использованию крутых траекторий сейсмических лучей от удаленных землетрясений. При проведении трехкомпонентной регистрации сейсмических полей на записях выделяются все типы волн - продольные, поперечные, обменные, как однократно, так и многократно отраженные, как проходящие сквозь всю земную кору, так и образованные вблизи точки приема. Наиболее традиционна обработка обменных волн (Р8) от землетрясений с построением глубинных сейсмических разрезов и волн Р и 8 от взрывов с построением годографов и определением скоростей Ур, Ух и коэффициента К = Ур/У,. Одной из характеристик волнового поля на таких разрезах является "обменноспособность" (О) среды:
О = (25п + 50п2 + 75п3 + 100и4)/ЛГ,
где N - общее число зарегистрированных обменных волн; п1 , п2 , п3 , п4 - число обменных волн, относительная интенсивность которых (4ош) составляет соответственно 25, ... 100 % и вычисляется по формуле:
Ааш = (Лзч/ ^>100 %,
где АРЗч - амплитуда обменной волны на горизонтальной компоненте записи, АР„ - амплитуда
Рис. 1. Схема сейсмической изученности Печенгского района методами ГСЗ и МОВЗ:
1 - сейсмические профили МРС, выполненные ГГП "Невскгеология"; 2 - участки детальных работ МОВЗ, выполненные ГГП "Невскгеология"; 3 - профили МОВЗ, выполненные НПО "Нефтегеофизика"; 4 - профили ГСЗ (1 - Печенга-Ловно, 2 - Печенга-Ковдор (геотрансект Еи-3), 3 - Никель-Умбозеро); 5 - пункты взрыва при работах ГСЗ; 6 - сейсмические профили МОВЗ-ГСЗ, выполненные СРГЭ НПО "Нефтегеофизика" (4 - профиль "Кварц"); 7 - детальные наблюдения МОВЗ-ГСЗ на профиле "Кварц"; 8 - граница Печенгской структуры; 9 - Кольская сверхглубокая скважина
Определенный таким образом параметр О представляет собой динамическую характеристику среды. По аналогии с сейсморазведкой, в которой выделяются "сильные" и "слабые" границы разделов,
на разрезах удается различать "сильные" и "слабые" поверхности обменов. Такие разрезы, как правило, иллюстрируют наличие некоего структурного узора, который и принято именовать мозаично-блоковым. При этом "динамический" рельеф границ редко совпадает с "кинематическим", что может свидетельствовать о недетерминированности процессов образования границ обмена. Все сейсмические материалы, полученные от импульсных источников, имеющих надежные времена вступлений первых волн и времена возникновения (То), были включены в томографическую обработку.
-200 .......:100___ 0 100 2СС
2. Сейсмотомографическая модель и
Сейсмотомографический метод
обработки данных с трехмерным моделированием среды был применен на изучаемой территории впервые в 1998 г. Исаниной Э.В., Шаровым Н.В. и позволил выделить в земной коре Печенгского рудного района блоки и зоны с аномальными значениями скоростных параметров, которые могут быть сопоставлены как с вещественными неоднородностями горных пород, так и с особенностями их физического состояния. Чем шире спектр эпицентральных расстояний и больше пересекающихся лучей, тем выше степень надежности выделения аномалий. В базу данных для обработки включены лучи 4200 Р-волн и 2300 8-волн. Из рис. 2 хорошо видно, что на исследуемой площади плотность лучей во всех направлениях очень высока. Спектр эпицентральных расстояний (источник-приемник) изменяется от 0.5 до 350 км. При математической обработке этих данных, выполнявшейся с применением пакета программ Р1К8ТОМО (Дитмар, Рослов, 1993), проведена томографическая реконструкция скоростного строения среды от земной поверхности до подошвы коры как для наиболее изученных блоков, так и для всего региона. Первоначально был построен один опорный разрез переходной зоны "Суша - Море" (рис. 3).
Для построения более детальной трехмерной томографической модели Печенгского рудного района нами выбран участок сейсмических
в центре которого находится
-100
-200
Рис. 2. Лучевая схема региональной сейсмической изученности Печенгского рудного района и его обрамления.
На схеме крестики - положение приемников на региональных профилях; тонкие линии - проекции сейсмических лучей "пункт взрыва - пункт наблюдения" на дневной поверхности; треугольники - пункты взрыва. Точка с координатами (23.8; 44.12) соответствует положению Кольской сверхглубокой скважины.
детальный наблюдений,
Кольская сверхглубокая скважина. По данным о временах пробега объемных Р- и 8-волн от взрывов, зарегистрированных на сейсмостанциях в Печенгском районе, по программе РГЯ8ТОМО построена трехмерная скоростная модель района для площади 150*150 кв. км до границы Мохоровичича. По всей площади получены разноглубинные скоростные карты-срезы и разрезы, характеризующие параметры геопространства. С помощью проведенного СТ анализа материалов сейсмических исследований ГСЗ, ОГТ, МОВЗ-МРС удалось получить несколько вариантов разноволновых глубинных разрезов земной коры на суше и в смежной акватории Баренцева моря, которые позволили впервые увидеть вариации физических параметров среды в пространстве, а не на плоскости разрезов. Сейсмотомографическая модель была также использована для построения объемной геологической модели земной коры Печенгского рудного района и его обрамления.
Результаты томографического моделирования приведены на рис. 4 в виде распределения скоростных параметров Ур, Ух и Ур/Ух для Печенгского района и зоны сочленения Балтийского щита со структурами шельфовой плиты Баренцева моря. Объемная скоростная модель представлена в виде двух карт срезов изолиний для фиксированных глубин 5 и 9 км (рис. 4 А, Б). Трехмерная модель суммирует
ЮЗ
результаты сейсмических исследований переходной зоны "Суша - Море" и Печенгского рудного района. Установлено, что на глубине 5 км среда сильно дифференцирована по скорости, которая изменяется в
Ур, км/с
СВ
СГ-3 Суша , Мопе _
_ 8.0 7.5
7.0
— 6.5
— 6.4
— 6.2 — 6.0 — 5.0
I
У8, км/с
4.2
4.1 4.0 3.8
3.8 3.7 3.5 3.5
2.9
0 20 40 60
ЮЗ СГ-3
80 100 Суша , Море
160
180 Ь,
СВ
0 20 40 60
ЮЗ СГ-3
80 100 Суша Море
160
180 Ь,
СВ
К = Ур/Уй
1.88 1.83 1.77 1.73 1.67 1.50
Ь, км
Рис. 3. Сейсмотомографический разрез по профилю "Суша - Море": а - скорость продольных волн Ур; б - скорость поперечных волн У/, в - коэффициент К = Ур/У
случае Ур от 6.0 до 7.0 км/с и У от 3.4 до 3.7 км/с. Высокоскоростное поле продольных и поперечных волн, по-видимому, соответствует местоположению Печенгской структуры на глубине 5 км и находится в обрамлении низкоскоростных значений. При анализе параметра Ур/У/ на этой глубине видна северозападная зона повышенного значения коэффициента К = 1.85. На срезе для глубины 9 км в поле скорости продольных и поперечных волн практически отсутствуют высокоскоростные фрагменты Печенгской структуры. Среда является слабо дифференцированной по скорости.
При сопоставлении томографических разрезов (см. рис. 3) видно, что они отражают главные черты глубинного геологического строения зоны сочленения Балтийского щита со структурами Баренцевоморской шельфовой плиты. В интервале глубин 5-20 км геологическая среда характеризуется средней скоростью продольных волн, близкой к 6.35 км/с, и минимальными значениями ее горизонтального градиента. На южном фланге Печенгской структуры (к югу от скважины СГ-3) на этой глубине намечается повышение скорости продольных сейсмических волн до 6.8 км/с, тогда как в разрезе Б-волн эта особенность отражена слабо, и слой выглядит как относительно однородный (У = 3.8-3.9 км/с). Его природа связывается не с первичными геологическими неоднородностями, а с более поздними преобразованиями земной коры.
км
-50
50 СМ 100
А
-50
50 СМ 100
100 100
50 50
00 км
-50
СМ
СМ
СМ
-50
Б
-50 0
/
(ч 'Л 1 р
СГ-3 / ( ^¿с г >
100 100
50 50
00
км
-50
СМ
50
100 км -50
5.0 6.0 6.2 6.4 6.5 7.0 7.5 8.0 Ур, км/с
50 СМ 100
/"1Л /Г
4 А Рг —
/• / • СГ-3 с. /р4 ч......,
100 100
50 50
00
км
100 км -50
100 км
1ГИ
I ш
2.9 3.5 3.5 3.7 3.8 3.8 4.0 4.1 4.2 Уя, км/с
1.50 1.67 1.73 1.77 1.83 1.88 К = Ур/Уя
б
а
в
0 см 50
0 СМ 50
Рис. 4. Скоростные срезы Печенгского района и зоны сочленения "Суша - Море" на глубинах 5 км (А) и 9 км (Б): а, г - скорость продольных волн; б, д - скорость поперечных волн; в, е - коэффициент К = Уv/Уs
Важно отметить, что граница на глубине 22-28 км, независимо от истолкования ее природы, делит кору на две части, резко отличающиеся по характеру неоднородности геологической среды в горизонтальном направлении. Как в наземном, так и в морском отрезках профилей в верхней части коры, условно назовем ее "гетерогенной" в отличие от нижней - столь же условно - "гомогенной", отчетливо видны отдельные зоны, отличающиеся по величине скоростных параметров. При этом дифференциация разреза в поле S-волн существенно ниже, чем в поле Р-волн. Найти геологическое истолкование этой особенности достаточно трудно. Тем не менее можно утверждать, что наблюдаемая горизонтальная скоростная расслоенность земной коры обусловлена не границами между различными структурно-вещественными комплексами, а физическими переходами в глубинных зонах континентальной коры. Иное положение с выделением зон тектонических нарушений, которые хорошо прослеживаются по областям резких изменений градиентов скоростных параметров.
Выполненные томографические построения позволили получить осредненные характеристики Мурманского и Кольско-Норвежского блоков и доказать, что они отличаются разным типом расслоенности разреза в вертикальном направлении. Общей их чертой выступает однотипная инверсия скоростей как S-волн, так и Р-волн на глубине 8-12 км, которая продолжается в южную часть Баренцевской шельфовой плиты. Привлечение материалов бурения скважины СГ-3 (Кольская сверхглубокая..., 1998) дает основание полагать, что в данном случае это согласованное изменение скоростных свойств может быть связано с повышенной трещиноватостью пород и связанной с ней флюидонасыщенностью. Отсюда следует предположение, что Печенгская структура как бы "плавает" на флюидонасыщенной зоне пониженной скорости сейсмических волн. При сопоставлении картины скоростных полей отчетливо прослеживается тенденция уменьшения скорости продольных и поперечных волн с глубиной. Так, на срезе 9 км вблизи Печенгской структуры значения скорости Vp в среднем равны 6.0-6.2 км/с, Vs = 3.4-3.6 км/с, в то время как на глубине 5 км значения скорости Vp = 6.3-6.4 км/с, Vs = 3.6-3.7 км/с.
Важную дополнительную информацию содержат вариации коэффициента Vp/Vs в разрезах. В частности, на суше в интервале 10-90 км наблюдается полого наклоненная на юго-запад зона разграничения пониженных и повышенных значений этого параметра, совпадающая в тектоническом плане с мощными разломами южного крыла Печенгской структуры. Особого внимания заслуживает вытянутый субгоризонтальный ореол с отношениями Vp/Vs от 1.80 до 1.90 на глубине 15-20 км под Печенгской структурой. Выше него располагается зона пониженных значений этого коэффициента, которая фиксируется и на морском отрезке разреза в интервале до 110-170 км от берега. Это позволяет предполагать существование единого волновода в зоне перехода "Суша - Море" на глубинах 8-15 км.
3. Сейсмическая модель по данным МОВЗ-ГСЗ
Профиль III МОВЗ-МРС (см. рис. 1) полностью пересекает Центрально-Кольский блок в северной своей части, Печенгскую структуру близко к центральной части, но смещен на восток относительно Печенгского рудного поля и заканчивается в Аллареченском рудном поле на юге. Северная часть профиля III отработана также методом ОГТ, что позволило на основе комплекса данных МРС, ОГТ, ГСЗ и СТ построить сводный сейсмический разрез "Суша - Море", совмещенный с сейсмическим разрезом 1-АР, полученным при работах МОВ-МПВ на акватории Баренцева моря (Сейсмогеологическая..., 1998; Исанина и др., 2000).
Данные по обменоспособности среды на профиле III хорошо увязываются с геологической ситуацией за пределами Печенгской структуры и не совсем уверенно коррелируются с разрезом последней. В северной части профиля блок архейских пород характеризуется, как и на профилях II и IV, высокой неравномерной обменоспособностью. Особенно выделяется область развития дайкового комплекса Нясюккя, именно здесь (ПК 170-274) отмечается поле максимально высокой обменоспособности (90 %). В южной части профиля отчетливо выделяются поля высокой обменоспособности, связанные с Аллареченским рудным полем (ПК 196-204) и породами Руоссельской синклинали. Обменоспособность среды в пределах Печенгской структуры низкая с поверхности, в области малых градиентов и под вулканитами свиты матерт. Внутренняя структура Печенгского блока в этом сечении относительно простая. Она не усложняется даже в южной зоне Печенги.
На всех профилях МОВЗ фиксируются разломы, пересекающие земную кору, иногда границу Мохоровичича. Они разбивают земную кору на блоки, отличающиеся друг от друга внутренним строением и, в ряде случаев, обменоспособностью среды. Внутреннее строение блоков устанавливается по пространственному положению горизонтов обменоспособности (отражающие площадки) и их сейсмической активности. Ориентировка этих площадок не всегда совпадает с элементами залегания пород, но в целом отражает структурную обстановку внутри всего блока. В частности, на сводном СТ и глубинном разрезе Нясюккский разлом разделяет нижнюю, северную часть зоны волновода с
пониженными скоростями от южной части с более высокими скоростями. При этом на профилях II и III отмечаются очень сходные по внутренней структуре небольшие блоки, разделенные неглубоко проникающими разломами (20-25 км).
Исключительно информативным представляется результат сопоставления глубинного разреза МОВЗ с сейсмотомографическим разрезом по профилю III (рис. 5). Участок профиля, представленный на рисунке является центральным фрагментом профиля "Суша - Море" (рис. 3). Область понижения скорости, зафиксированная в скважине СГ-3 на уровне 8-12 км, является предполагаемым волноводом под всей Печенгской структурой и с некоторым изменением характера волнового поля обменных волн переходит с суши в морскую часть профиля. Верхняя граница волновода прослеживается прерывистой границей обменов, которая одновременно является и подошвой высокоскоростных линзовидных аномалий в верхней части коры. Нижняя граница волновода выражена более устойчивой границей обменов, которая на протяжении всего профиля контролирует положение кровли высокоскоростного слоя.
О_10 20 км
В1 S2 ЕЗ1
Рис. 5. Сейсмотомографический (скорость Vp) и глубинный разрез (МОВЗ-МРС) через Печенгскую структуру: 1 - изолинии скорости Vp в км/с (до глубины 25 км в изолиниях); 2 - ось волновода;
3 - границы, установленные по МОВЗ
Таким образом, на разрезах МОВЗ хорошо выделяются вертикальные блоки пониженных и повышенных интенсивностей обменных волн и слои с переменными значениями обменоспособности. Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о большей стабильности земной коры по вертикали и значительной изменчивости физических свойств по латерали. Общими для всех профилей являются прерывистая расслоенность земной коры и проявление блоковой тектоники. Зоны разломов, разграничивающие блоки, имеют различные глубины заложения.
Многолетний опыт геофизических исследований и результаты интерпретации данных ГСЗ и МОВЗ свидетельствуют, что поверхность Мохоровичича на Кольском полуострове представляет собой наиболее выдержанную сейсмическую границу, на которой образуются отраженные, преломленные и обменные волны, имеющие разную степень устойчивости. Соответственно данная граница М рассматривается в качестве опорной при интерпретации сейсмических профилей. В то же время она не является непрерывной даже на разрезе одного профиля ГСЗ или МОВЗ. Волны, отраженные от этой границы, на отдельных участках часто регистрируются в виде двух-трех осей синфазности, близких по интенсивности и форме колебаний, разделенных интервалом времени 0.2-0.5 с. В этом случае в слое, переходном между нижней корой и верхней мантией, выделяются не одна, а две-три сейсмические границы, расстояние между которыми достигает 12 км. Поэтому при интеграции сейсмических данных ГСЗ, МОВЗ и определении глубин залегания границы М возникает необходимость выделения как минимум двух сейсмических границ. Верхнюю границу мы принимаем за М1, а нижнюю - за М2, тем самым мощность переходной зоны оценивается по разнице М2-М1.
На всех разрезах МОВЗ в Печенгском рудном районе зона перехода кора-мантия М1-М2 выделяется фрагментарно, за исключением центральной части профиля III. Мощность переходного слоя кора-мантия составляет 6-12 км. Граница М1, отождествляемая с поверхностью Мохоровичича в работах ГСЗ, залегает на глубинах 34-41 км (рис. 6). В результате проведенного анализа установлено, что почти изометричный подъем границы М\ расположен под Печенгской структурой.
4. О строении волновода в разрезе Кольской сверхглубокой скважины
Сейсмические исследования геологического пространства и скоростей упругих волн в разрезе скважины СГ-3 привели ряд исследователей к выводу о наличии волноводов и флюидонасыщенных зон в архейском комплексе пород (Шаров, 1993; Беляков, Шлезингер, 1996; Николаев, 1999). Изучение субгоризонтальных флюидонасыщенных рефлекторов было одной из главных целей международного
Шароя М И 14 /)п I -П'П/III 1ип> ГП1ППРИ14Р ППИПИП б\1приия Кппигкпи ГСГ'пУР П'Ги)ГПП Г1Г/!П )1/"Ш1Ь1
--1(1 -20 ¡1 20 4(1 60 Ж)
-4! -40 - V) -38 -.17 -Зй -34 км
Рис. 6. Глубина залегания поверхности Мохоровичича (км) в Печенгском районе
проекта КОЛА-ОГГ 92 (8ту№в а1., 1994; Оапскт а1., 1998). Следует, однако, заметить, что данные о строении самого волновода были и остаются отрывочными и противоречивыми. Н.Е. Галдин отметил (Сейсмогеологическая..., 1997), что в интервале глубин 9.2-11.2 км архейские породы в максимальной степени затронуты диафторезом, трещиноватостью и дроблением, которые приводят к снижению скорости упругих волн, т.е. к появлению волновода. На скоростной модели разреза скважины СГ-3 по результатам АК и ВСП (Рабинович и др., 2000) отмечены два интервала понижения скорости продольных и поперечных волн. Верхний из них располагается на глубине 7.0-7.7 км, а нижний - на глубине 10.111.5 км и характеризуется понижением скорости Ур на 0.4-0.5 км/с и V на 0.2-0.3 км/с.
Глубинный сейсмический разрез по профилю Заполярный-Лиинахамари (рис. 5) убедительно свидетельствует о существовании под Печенгской структурой почти горизонтальной зоны пониженных скоростей Ур, осевая поверхность которой пересечена скважиной СГ-3 на глубине около 10 км. Общая мощность этой зоны составляет порядка 5 км.
Возникает естественный вопрос: чем вызвано это понижение скоростей. Результаты изучения опорных образцов керна (Лобанов и др., 2002) доказывают, что на глубинах 8.7-11.4 км присутствуют гнейсы со средней скоростью Ур = 5.57 км/с и амфиболиты со средней скоростью Ур = 6.29 км/с. Именно они создают тот каркас волновода, в котором развиваются более поздние процессы. В качестве возможных причин возникновения волновода можно исключить насыщенность разреза метабазитами и мигматизацию метаморфических пород, поскольку последняя зависит прежде всего от литологического состава архейских пород и не обнаруживает закономерных вариаций по глубине.
Самостоятельным структурным элементом зоны волновода в разрезе скважины СГ-3 являются зоны катаклаза регрессивного метаморфизма. Существует предположение, что именно они могут являться флюидонасыщенными рефлекторами. Однако статистические данные (Казанский и др., 2002) показывают, что регрессивные изменения архейских пород приводят к увеличению скоростей Ур и Ух и уменьшению пористости. Следовательно, их также нельзя рассматривать в качестве флюидонасыщенных сейсмических границ.
Остается еще одна альтернатива - зоны открытой трещиноватости, заполненные флюидами. В пользу этой альтернативы свидетельствует продолжение предполагаемого волновода в акваторию Баренцева моря на расстояние 110-115 км от берега и однотипная инверсия скоростей 8- и Р-волн на глубине 8-10 км там и здесь (рис. 3). Однако распознать такие флюидонасыщенные зоны открытой трещиноватости в скважине СГ-3 на сегодня практически невозможно по нескольким причинам.
Во-первых, при отборе керна снарядом магазинного типа и интенсивном дисковании керна оценить истинную трещиноватость архейских пород на количественном уровне не удается.
Во-вторых, на глубинах 9-12 км и при температурах 100-200°С, фиксируемых в стволе скважины, буровой раствор, прежде всего вода, является поверхностно-активным компонентом и
приводит к раскрытию межзерновых границ, т.е. к возникновению техногенной трещиноватости (Абдрахимов и др., 1992).
В-третьих, в таких трещинах возникают необычные минеральные ассоциации с графитом, сульфидами, самородными элементами и баритом, которые первоначально считались природными, но в действительности оказались частично техногенными, свидетельствующими о контаминации керна рудными и рассеянными элементами (Казанский и др., 1989).
Наконец, до настоящего времени не созданы приборы, которые бы позволили отбирать на больших глубинах пробы флюидов и газов, поступающих из окружающих пород в скважины.
В этой ситуации идея о связи пологих сейсмических рефлекторов с флюидонасыщенными зонами открытой трещиноватости остается гипотезой. Но она позволяет предложить трехкомпонентную модель строения предполагаемого волновода в разрезе Кольской сверхглубокой скважины (Казанский и др., 2002). Ее составными элементами являются: I - архейские метаморфические породы кольской серии, обладающие тем же минеральным составом и петрофизическими свойствами, что и на поверхности; II -наложенные на них зоны катаклаза и регрессивного метаморфизма, которые некогда служили каналами миграции низкотемпературных растворов; III - еще более молодые флюидонасыщенные зоны открытой трещиноватости, возникшие в глубинных зонах Балтийского щита под воздействием процессов формирования шельфа Баренцева моря. Фактические данные о строении таких флюидонасыщенных зон могут быть получены путем сравнительного изучения трещиноватости рифейских пород на полуостровах Среднем и Рыбачьем и наиболее молодых трещинных систем в докембрийских породах на Мурманском побережье.
5. Глубинные сейсмические границы
Одной из фундаментальных проблем глубинной геологии, на решение которой направлены сверхглубокое бурение и комплексные геолого-геофизические исследования, является выяснение природы внутрикоровых сейсмических границ. Природа таких границ в верхней части кристаллической коры может быть связана с разными причинами: изменением вещественного состава, различием в структурно-текстурных особенностях пород, термодинамической обстановкой и другими (Епинатьева, 1989; Проблемы комплексной..., 1991; Кольская сверхглубокая, 1998). Текстурный тип границ обусловлен появлением мощных зон трещиноватости и обнаружен в разрезе СГ-3, например, на глубине 10.5 км. Образование таких границ, по-видимому, связано с изменением напряженного состояния пород (зоной разгрузки) и может наблюдаться во многих районах и на разных глубинах. Термобарический тип границ возникает как следствие резкого изменения температуры и давления. Открытое при сверхглубоком бурении явление гидрогенного разуплотнения на больших глубинах имеет большое значение для понимания физических границ и помогает расшифровать природу сейсмических волноводов.
В реальных геологических обстановках происходит наложение различных факторов, влияющих на формирование полигенных по своей природе границ. В одних случаях это может приводить к появлению резких контрастных границ раздела, в других, наоборот, - к частичному уничтожению или затушевыванию границ, обусловленных вещественными неоднородностями.
Данные сейсмических исследований свидетельствуют о трассировании только двух практически повсеместно существующих границ - поверхности кристаллического фундамента и поверхности Мохоровичича, которые выделяются при глубинных сейсмических наблюдениях разными классами упругих волн. Все иные границы в земной коре намечаются локально и, как правило, только по одному классу волн. Относительно высокой разрешающей способностью по горизонтали и вертикали характеризуются близвертикальные и докритические отраженные волны. Закритические отраженные и преломленные волны являются более грубым инструментом познания глубинного строения земной коры и верхней мантии.
По данным сейсмических наблюдений, в верхней части Балтийского щита отмечен высокий градиент скоростей продольных волн, возрастающих от 5.5-6.0 до 6.5 км/с на глубине 10 км. Устойчивые преломляющие границы внутри коры Печенгского района не прослеживаются. Однако на ряде профилей выделены их фрагменты с разными (6.6-7.0 км/с) граничными скоростями и глубинами от 15 до 30 км. Достаточно надежно, хотя и спорадически, прослеживаются обычно две-три группы закритических отражений при использовании метода ГСЗ, которые на разрезах представляются в виде семейств практически горизонтальных площадок, тесно расположенных в интервале 3-5 км. Наиболее четко выделяются на записях отражения от границы М, которые отождествляются на годографах длиной 250 км с первыми преломленными волнами со скоростью 8 км/с. Характер отражений от границы М изменчив и свидетельствует о неоднородности границы кора-мантия как в смысле ее резкости - скачок скорости, переходная зона, так и по латерали - форма рельефа, прерывистость, наличие ступеней. В целом земная кора Печенгского района имеет скоростные характеристики, близкие к принятым для типовой модели коры континентов.
Выполненное обобщение первичных сейсмических материалов, различных по детальности и глубинности исследований наземных и скважинных сейсмических методов, полученных в районе бурения Кольской сверхглубокой скважины, позволяет утверждать, что большинство отражающих площадок приурочено к литологическим границам печенгского комплекса и фиксирует положение отдельных свит. Протяженные отражающие границы приурочены также к тектоническим зонам надвигового типа с интенсивным катаклазом и рассланцеванием пород.
Менее определенно устанавливается геологическая природа сейсмических границ, расположенных ниже печенгского комплекса. Сложная складчатая структура кольской серии исключает присутствие в разрезе сколько-нибудь протяженных горизонтов такой природы, а связанные с ними отражающие площадки характеризуются очень короткими осями синфазности и имеют значительный разброс по глубине. Архейский разрез содержит два интервала с относительно низкой скоростной характеристикой на глубине около 7 и 10.5 км. Оба они приурочены к зонам разрывных нарушений, а верхний интервал - на глубине 6.8-7.2 км, кроме того, - к контакту архейского и печенгского комплексов пород.
Вся толща пород протерозоя представляет собой высокоскоростной косослоистый блок, который по отношению к нижележащей архейской толще является сейсмическим экраном. При этом в районе скважины СГ-3 выявлена сложная купольно-блоковая структура архейского комплекса, осложненная крутопадающими и субвертикальными глубинными разломами. Этот разрез коренным образом отличается от традиционных представлений о связи глубинных сейсмических разделов кристаллической коры с мощными горизонтальными слоями. Разрез представлен чередованием сравнительно маломощных (сотни метров) интервалов, отличающихся по значениям скорости, и позволяет предположить, что глубинные сейсмические разделы кристаллической коры представляют собой композицию трехмерных гетерогенных тел.
Подводя итоги проведенным сейсмическим работам в районе скв. СГ-3, можно утверждать, что основные сейсмические границы в пределах Печенгской структуры связаны с изменениями упругих свойств среды, вызванными различием состава пород (литолого-стратиграфические границы), либо их физического состояния: раздробленность, дезинтеграция, динамометаморфизм (тектонические границы). Естественно, что прослеживаемые границы не связаны с одной и той же пачкой пород, поэтому в большинстве случаев приходится вести групповую корреляцию горизонтов, так как для высокометаморфизованных толщ трудно допустить пространственную выдержанность границ раздела, подобную той, что имеет место в осадочных бассейнах.
Кроме границ внутри осадочно-вулканогенных пород протерозойского комплекса, на многих профилях в пределах Печенгской структуры регистрируются отраженные волны от границы раздела между древними супракрустальными образованиями архея и вышележащими более поздними породами. Существование подобной границы можно распространить на отдельные блоки Балтийского щита, так как возрастные различия, а, следовательно, количество фаз наложенного метаморфизма, многообразные виды складчатости, преобразование состава ведут к изменению физических свойств пород по сравнению с относительно более поздними структурно-вещественными комплексами. Сейсмическая граница между ними обусловлена различием упругих свойств, несогласностью залегания, тектонизацией контакта.
В целом структура кристаллической коры Печенгского района приобретает мозаично-неоднородное строение с градиентными изменениями и инверсиями скорости упругих волн, различным количеством границ раздела в блоках и весьма дробной скоростной дифференциацией. На основании сейсмических, геологических и петрофизических данных в Печенгском районе выделены три типа сейсмических границ первого порядка: I - граница соответствует подошве древней континентальной земной коры, II - граница поверхности раздела нижней "гомогенной" и верхней "гетерогенной" коры, III - граница поверхности раздела докембрийского фундамента и неметаморфизованных рифейских отложений. Все они влияют на металлогеническую зональность Печенгского рудного района.
6. Выводы
1) По данным о временах пробега Р- и 8-волн построена глубинная томографическая модель на площади 150*150 км2, в центре которой находится Кольская сверхглубокая скважина. Модель представлена в виде трех пересекающихся вертикальных сечений параметров Ур, Ух и Ур/Ух и двух горизонтальных срезов для глубин 5 и 9 км. Установлено, что земная кора здесь делится на верхнюю "гетерогенную" и нижнюю "гомогенную" часть, и что на глубине 8-12 км происходит однотипная инверсия скоростей Р-8-волн, которая продолжается в южную часть Баренцевской шельфовой плиты. Это позволяет предполагать существование единого волновода в зоне перехода "Суша - Море".
2) Путем интерпретации данных МОВЗ и ГСЗ определено положение и строение границы Мохоровичича в Печенгском районе. Эта граница отвечает переходному слою кора-мантия мощностью 6-12 км, и ее верхняя поверхность располагается на глубинах 34-41 км. Важное значение имеет тот факт, что
наименьшие глубины границы Мохоровичича соответствуют Печенгской структуре, а изолинии мощности земной коры региона дают представление об общем тектоническом плане Печенгского рудного района, начиная с рифтогенного и кончая постколлизионным этапом развития карелид.
3) На основании сейсмических, геологических и петрофизических данных в Печенгском районе выделены три типа сейсмических границ первого порядка: I - граница соответствует подошве древней континентальной земной коры, II - граница поверхности раздела нижней "гомогенной" и верхней "гетерогенной" коры, III - граница поверхности раздела докембрийского фундамента и неметаморфизованных рифейских отложений. Все они влияют на металлогеническую зональность Печенгского рудного района.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 01-05-64225а; 02-05-06206мас) и проекта 408 Mill К. Литература
Ganchin Y.V., Smithson S.R., Morozov I.V., Smithe D.K., Garipov V.Z., Karaev N.A., Kristoferson Y.
Seismic studies around the Kola Superdeep Borehole. Tectonophysics, v.288, p.1-16, 1998 (in Russian). Smythе D.K., Smithson S.B., Gillen C. Project images crust. Collects Seismic Data in World's Largest
Borehole. Eos, v.75, N 41, p.473-476, 1994. Абдрахимов М.З., Траскин В.Ю., Перцев Н.В. Исследование разуплотнения кристаллических пород сверхглубоких скважин методами физико-химической механики. Глубинное строение и геодинамика кристаллических щитов Европейской СССР. Апатиты, КНЦАН СССР, c.128-135, 1992. Беляков С. Л., Шлезингер А.Е. Природа сейсмических границ в континентальной консолидированной
земной коре. Докл. РАН, т.350, № 4, c.512-514, 1996. Дитмар П.Г., Рослов Ю.В. Пакет программ для моделирования и интерпретации времен пробега сейсмических
волн "DOGSTOMO". Тез. докл. Междунар. научн. конф. "Геофизика и современный мир", 227 с., 1993. Епинатьева А.М. Кольская сверхглубокая и ее влияние на сейсмические методы исследований. Физика Земли, № 5, c.36-46, 1989.
Исанина Э.В., Верба М.Л., Иванова Н.М., Казанский В.И., Шаров Н.В. Глубинное строение и сейсмогеологические границы Печенгского района на Балтийском щите и смежной части шельфовой плиты Баренцева моря. Геология рудных месторождений, т.42, № 5, c.476-487, 2000. Казанский В.И., Исанина Э.В., Лобанов К.В., Предовский А.А., Шаров Н.В. Геолого-геофизическая позиция, сейсмогеологические границы и металлогения Печенгского рудного района. Геология рудных месторождений, т.44, № 4, c.276-286, 2002. Казанский В.И., Новгородова М.И., Смирнов Ю.П., Бронихин В.А. Необычные минеральные ассоциации на нижних горизонтах Кольской сверхглубокой скважины. Геология рудных месторождений, № 6, c.500-519, 1989. Кольская сверхглубокая скважина. Под ред. Е.А. Козловского. М., Недра, 490 с., 1984. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. М., МФ Технонефтегаз, 260 с., 1998. Литвиненко И.В. Сейсмический метод при изучении глубинного строения Балтийского щита. Записки
ЛГИ, т.46, вып. 2, c.3-13, 1963. Лобанов К.В., Казанский В.И., Кузнецов А.В. Сопоставление архейских пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины и их аналогов с поверхности по результатам структурно-петрологических, петрофизических и нейтронографических исследований. Петрология, т.10, № 1, c.30-45, 2002. Николаев В.Г. О времени формирования сейсмических отражений в консолидированной
континентальной земной коре. Докл. РАН, т.364, № 3, c.378-381, 1999. Проблемы комплексной интерпретации геолого-геофизических данных. Под ред. В.А. Глебовицкого,
Н.В. Шарова. Л., Наука, 224 с., 1991. Рабинович Г.Я., Блохин Н.Н., Певзнер Л.С., Смирнов Ю.П. Новые представления о сейсмоакустической
модели Кольской сверхглубокой скважины. Разведка и охрана недр, № 7-8, c.28-31, 2000. Сейсмогеологическая модель литосферы Северной Европы: Баренц-регион. Апатиты, КНЦ РАН, ч!, 237 c., ч.П, 205 с., 1998.
Сейсмогеологическая модель литосферы Северной Европы: Лапландско-Печенгский район. Апатиты,
КНЦ РАН, 226 с., 1997. Строение литосферы Балтийского щита. Отв. ред. Шаров Н.В. М., Наука, 166 с., 1992. Шаров Н.В. Литосфера Балтийского щита по сейсмическим данным. Апатиты, КНЦ РАН, 145 с., 1993.
