CC BY
11
оригинальная статья
DOI: https://doi.Org/10.18599/grs.2019.3.136-140
УДК 551.73:552.5
Восстановление палеотемпературы земной поверхности на о. Южный (арх. Новая земля) по геотермическим данным
Д.С. Никитин1*, В.Р. Ахмедзянов1, Д.Ю. Демежко2, М.Д. Хуторской1
'Геологический институт РАН, Москва, Россия 2Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург, Россия
По результатам комплексных геотермических работ (измерения теплопроводности и коэффициента тепловой неоднородности пород, расчёта геотермического градиента и плотности теплового потока) на острове Южный архипелага Новая Земля (свинцово-цинковое месторождение Павловское) смоделированы палеотемпературные условия на поверхности в историческом прошлом. Обсуждаются результаты реконструкции климатической истории в данном районе. Полученная ранее оценка теплового потока на Южном острове Новой Земли (46 мВт/м2) могла бы оказаться заниженной, если предположить отсутствие ледника во время «плейстоцен / голоценового потепления». В этом случае рассчитанный тепловой поток составит 55 мВт/м2. Если же во время «малого ледникового периода» существование ледника продолжалось 20 тыс. лет, то первая оценка величины теплового потока является более вероятной.
Ключевые слова: палеотемпература, земная поверхность, реконструкция, Новая земля, геотермия, тепловой поток
Для цитирования: Никитин Д.С., Ахмедзянов В.Р., Демежко Д.Ю., Хуторской М.Д. (2019). Восстановление палеотемпературы земной поверхности на о. Южный (арх. Новая земля) по геотермическим данным. Георесурсы, 21(3), с. 136-140. DOI: https://doi.Org/10.18599/grs.2019.3.136-140
Введение
В течение последних лет, наряду с разработкой нефтегазовых месторождений на шельфе Баренцева моря в районе архипелага Новая Земля, идет освоение Павловского свинцово-цинкового серебросодержащего месторождения на острове Южный (для нужд госкорпорации «Росатом») (рис. 1). Месторождение Павловское занимает пятое место в России по запасам цинка и свинца. Оно открыто в 2001 году. Минерально-сырьевая база месторождения позволит организовать одно из крупнейших перерабатывающих предприятий в России.
В настоящее время по данным Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых балансовые запасы на Новой Земле составляют более 47 миллионов тонн руды: из них 2,48 миллиона тонн цинка, 549 тысячи тонн свинца и 11,9 миллиона тонн серебра. Планируется также организовать попутное производство уранового концентрата (до 10 тонн в год) и концентрата редкоземельных металлов (до 450 тонн в год).
Ожидается, что строительство горно-обогатительного комбината на острове Южный архипелага Новая Земля начнется в 2020 году. Ориентировочная дата выхода горно-обогатительного комбината на промышленные объемы - 2023 год (http://www.rosatom.ru/joumalist/news/ dobycha-rudy-na-novoy-zemle-nachnetsya-v-2023-godu).
В 2014 году в рамках проекта ЗАО «РУСБУРМАШ» на месторождении Павловское в пределах Безымянского рудного узла начались первые масштабные гидрогеологические работы. Пробурено 9 гидрогеологических
* Ответственный автор: Дмитрий Сергеевич Никитин
E-mail: [email protected]
© 2019 Коллектив авторов
скважин (ниже уровня многолетнемерзлых пород, равного ~ 250 м), на которых проведены термометрические и опытно-фильтрационные работы (Шадрин и др., 2015).
Термометрические исследования скважин
Для термометрических исследований использовался скважинный прибор КСКА-10. Изначально температуры измерялись сразу же после окончания бурения. Термокаротаж выполнялся при спуске скважинного термометра со скоростью не более 100 м/час. Контроль показаний термокаротажа осуществлялся при подъеме после проведения основного каротажа. Погрешность измерений температуры электротермометром определялась путем сравнения его измерений с показаниями ртутного термометра. Абсолютное значение расхождений при сравнении не превышало ±0,5° С.
По всем скважинам ниже интервала глубин 40-70 м получены отрицательные температуры. Исключением являлась скважина СГ-1, но повторная термометрия, проведенная через три дня, также показала мерзлые породы на глубине более 30 м. Как показал опыт повторных замеров в скважине СГ-1, температура в ней уменьшается во времени, вплоть до полного замерзания скважины. Это связано с тем, что за счет экзотермического эффекта при бурении скважины и постоянной циркуляции бурового раствора, температура в прискважинной зоне увеличивалась до положительных температур. После окончания бурения температура постепенно возвращается к естественному температурному фону.
Естественно, измерение отрицательных температур ниже -2°С - -3°С в скважине невозможна даже при закачке рассола, так как ствол скважины замерзает. Поэтому термокаротаж, проведенный сразу после бурения, фиксирует
^ШШ GEORESOURCES www.geors.ru
Восстановление палеотемпературы земной поверхности.
Д.С. Никитин, В.Р. Ахмедзянов, Д.Ю. Демежко, М.Д. Хуторской
Рис. 1. Схема расположения месторождения Павловское в пределах Безымянского рудного полиметаллического узла. 1 - Четвертичные отложения нерасчлененные 2 - Рейская свита (D1-2rs). Базальты, туфы; 3 - Тайнинская свита (D1-2tn). Аргиллиты, глинистые известняки, алевролиты; 4 - Грибовская свита нерасчлененная (D1gr). Известняки глинистые и доломитистые, осадочные брекчии; 5 - Паньковская свита (¡2^1рп3). Верхняя пачка. Сланцы филлитовидые, песчаники кварцевые; 6 - Паньковская свита (52^1рп2). Средняя пачка. Песчаники кварцевые, алевролиты; 7 - Паньковская свита (S2-D1pn1). Нижняя пачка. Песчаники кварцевые; 8 - Дайки долеритов(D3ks); 9 - Выход рудных тел на поверхность; 10 - Устья скважин; 11 - Разрывные нарушения; 12 -Безымянский рудный полиметаллический узел.
завышенные температуры и дает лишь общие представления о температурном поле и его изменении с глубиной. В связи с этим, три скважины (СГ-4, СГ-6, СГ-9) были специально оборудованы 250-метровыми герметичными сухими колоннами под длительные инженерно-геокриологические наблюдения. Измерения температуры производились с использованием портативного контроллера цифрового датчика ПКЦД-1/100, предназначенного для считывания результатов измерения с цифровых датчиков температуры, и многозонных цифровых датчиков температуры МЦДТ 0922 (термокоса).
Наблюдения за температурой по термокосам в скважинах СГ-4, СГ-6, СГ-9 продолжались от 7 до 21 дня. За это время было произведено по два-три замера на разные даты. В результате, были измерены температуры, приближенные к природному фону. Обработав результаты наблюдений по термокосам, удалось получить обобщенную схему мерзлотных условий Павловского месторождения (рис. 2). На глубинах ниже 150 м прослеживается четкий геотермический градиент, который с достаточной точностью можно оценить как 20 мК/м. Полученное значение градиента можно распространить и на другие скважины в исследуемом районе, при моделировании теплового потока.
В 2018 году по кернам из двух гидрогеологических скважин СГ-5 (глубина 493,1 м) и СГ-3 (глубина 175,0 м)
авторами статьи были изучены основные теплофизиче-ские свойства 165 образцов керна (Никитин, Хуторской, 2018). Полученные данные позволили впервые охарактеризовать плотность теплового потока арх. Новой Земли и рассчитать его глубинное значение в условиях структурно-теплофизических неоднородностей.
Моделирование температур геологического прошлого
В данной работе исследовалось восстановление палеотемпературы поверхности в районе скважины СГ-5. Для палеоклиматического анализа выбран интервал 70-415 м, исходная термограмма прорежена (оцифровка - через 5 м). На основании данных о распределении теплопроводности пород построены модели стационарного распределения температур:
Т стац = Тп - X! 1Т^ ; 2 = ^ Т = Т(2 = 2тах);
Л1
здесь q - тепловой поток на глубине zшax, ДА - интервал дискретизации, Х. - теплопроводность пород на интервале i ДА - (1+1) ДА. 1
Стационарная модель необходима для построения «опорного» геотемпературного градиента в неоднородной среде (рис. 3). Значением теплового потока принято равным 46 ± 4 мВт/м2 (Никитин, Хуторской, 2018).
www.geors.ru
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ МЯЧ^^Н
а)
Темпе ратура, С
б)
Аномалия температуры, К
Рис. 2. Термограммы из скважин Павловского месторождения
Пересечение стационарных кривых с земной поверхностью определяет величину Т0 - температуру поверхности до начала реконструируемых изменений. Температурные аномалии, обусловленные изменениями температуры земной поверхности в прошлом, рассчитывались как T = T. - T . Методика реконструкции температурной
i ан 1 i стац r rJ г j г
истории земной поверхности (GSTH - ground surface temperature history) подробно описана в (Demezhko, Shchapov, 2001; Демежко, 2001).
В полученных реконструкциях (рис. 4) можно узнать известные климатические эпизоды последнего тысячелетия: средневековый теплый период (СТП), малый ледниковый период (МЛП), современное потепление. Но все эти эпизоды сдвинуты в более поздние времена. Так, СТП обычно датируется 10-14 веками, МЛП - 16-19 веками. Причина, вероятно, связана с недостатком измеренных параметров. Временная шкала реконструкций определяется значением коэффициента температуропроводности (a). Мы использовали значение а = 110-6 м2/с. Если реально температуропроводность в два раза ниже, то все эпизоды будут иметь в два раза большую давность.
Изначально нами была дана оценка плотности теплового потока 46 ± 4 мВт/м2 (Никитин, Хуторской, 2018). Возможно, она является несколько заниженной по двум причинам. Во-первых, из-за недостаточной выстойки скважин, температурный градиент может быть недооценен. Возможно, температурный каротаж скважин надо было проводить дополнительно через 2-3 месяца после бурения. Во-вторых, эта оценка сделана для интервала 150-450 м. Здесь еще присутствует занижающее влияние плейстоцен / голоценового потепления примерно 10 тыс. лет назад (рис. 5). Отчасти оно компенсируется влиянием похолодания малого ледникового периода. Это можно рассчитать на модели, если задаться температурными
• \ 42
\\50
100
350
450 *к»0
4
щ
i i
ü
ч\ if
v.
Рис. 3. (а) Распределение измеренной температуры (синие кружки), теплопроводности (красная кривая) и стационарной температуры (черные кривые) при различных значениях теплового потока с глубины zшa =415 м (шифр кривых). (б) Температурные аномалии для трех значений теплового потока с глубины zшcí =415 м (шифр кривых).
1100 1300 Годы н.э.
Рис. 4. Реконструкции изменений температуры земной поверхности относительно Тд при различных значениях теплового потока из основания исследуемого интервала. Сглаженные температуры земной поверхности в «реальной» температурной шкале при а = 110-6 м2/с (сплошные линии) и а = 0,510'6 м2/с (пунктир).
амплитудами этих климатических событий. Единственная оценка амплитуды плейстоцен / голоценового потепления дана в работе (Fuchs et al., 2015).
Для юго-запада Новой Земли она примерно равна 16 К. Малый ледниковый период проявился снижением температуры примерно на 3 К и последующим ростом на 7 К (согласно реконструкции по СГ-5). Соответствующее этой модели распределение аномального температурного градиента приведено на рис. 5. Поправка составляет 4,9 мК/м. Если наша оценка теплового потока (46 мВт/м2) была сделана, исходя из значения среднего градиента на интервале 150-450 м, равного 18 мК/м, то исправленная оценка будет равна q = 46(18+4,9)/18 = 58,5 мВт/м2. Однако, эта оценка сделана в предположении об отсутствии ледника в этой части Новой Земли (или его незначительной мощности и незначительного времени жизни -т.е. в предположении справедливости гипотезы «минимального распространения» евразийского оледенения
^ШШ GEDRESDURCES www.geors.ru
Восстановление палеотемпературы земной поверхности.
grVv
Д.С. Никитин, В.Р. Ахмедзянов, Д.Ю. Демежко, М.Д. Хуторской
грэдиент, К/м
-0,005 О 0,005
Рис. 5. (а) Две модели температурной истории для юго-западной части Новой Земли при отсутствии оледенения (1) и при наличии мощного оледенения (2); (б) соответствующие этим моделям распределения аномального градиента. Горизонтальные линии обозначают средние значения аномального градиента в интервале 150-450 м.
(Demezhko et а1., 2007)). В подтверждение этой гипотезы можно обратиться к геотермическим реконструкциям по скважинам на Кольском полуострове (Siegert et а1., 2001) и в Карелии (Глазнев и др., 2004; Демежко и др., 2013), которые указывают на очень низкие температуры земной поверхности в максимуме последнего оледенения - -18,0 и -14,5 °С, соответственно.
Но если все же предположить, что мощный (до 3-4 км, как в Канаде) ледник существовал здесь длительный период (> 20 тыс. лет), то по аналогии с Лаврентийским щитом можно ожидать разницы современных и поздне-плейстоценовых температур всего лишь 8 К (или 4 К по отношению к среднеголоценовой). Тогда похолодание малого ледникового периода почти полностью скомпенсирует влияние плейстоцен / голоценового потепления в интервале 150-450 м (рис. 6), и наша оценка 46 мВт/м2 будет близка к реальной.
Рис. 6. Модель пространственного распределения амплитуд плейстоцен /голоценового потепления ~10 тыс. л.н. (Demezhko et al., 2007)
Финансирование / Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке госбюджетной темы 0135-2019-0040, Программы Президиума РАН№П49 и госбюджетной темы 0394-2019-0002.
Литература
Глазнев В.Н., Кукконен И.Т., Раевский А.Б. Ёкинен Я. (2004). Новые данные о тепловом потоке в центральной части Кольского п-ова. Доклады Академии наук, 396(1), с. 102-104.
Демежко Д.Ю. (2001). Геотермический метод реконструкции пале-оклимата (на примере Урала). Екатеринбург: УрО РАН, 144 с.
0
я —7"
< 1—> \ 1 >V 4 \ \ / 0,3 мК/м
4 9 .
л
¡2
\
1
5000 Z, гп
Демежко Д.Ю., Горностаева А.А., Тарханов Г.В., Есипко. O.A. (2013). Реконструкция температурной истории земной поверхности за последние 30 000 лет по данным термометрии Онежской параметрической скважины. Геофизические исследования, 14(2), с. 38-48.
Никитин Д.С., Хуторской М.Д. (2018). Первые измерения теплового потока на архипелаге Новая Земля. Доклады Академии наук, 478(6), с. 692-696. https://doi.org/10.1134/S1028334X18020289
Хуторской М.Д., Ахмедзянов В.Р., Ермаков А.В. и др. (2013). Геотермия арктических морей. М.: ГЕос, 238 с.
Шадрин М.А. и др. (2015). Отчёт pre-feasibility study по освоению Павловского месторождения серебросодержащих свинцово-цинковых руд (архипелаг Новая Земля). Геология и оценка минерально-сырьевой базы месторождения Павловское с оценкой рисков. Гидрогеология. Горные работы. Москва: Фонды ЗАО «Лаборатория проекта».
Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Antipin A.N. (2019). Late Weichselian thermal state at the base of the Scandinavian Ice Sheet. Climate of the Past Discussions, 1-23, https://doi.org/10.5194/cp-2019-49.
Demezhko D.Yu., Shchapov V.A. (2001). 80,000 years ground surface temperature history inferred from the temperature-depth log measured in the superdeep hole SG-4 (the Urals, Russia), Global and Planetary Change, 29(1-2), pp. 219-230. https://doi.org/10.1016/S0921-8181(01)00091-1
Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Tarkhanov G.V., Esipko O.A. (2013). 30,000 years of ground surface temperature and heat flux changes in Karelia reconstructed from borehole temperature data. Bulletin of Geography. Physical Geography Series, 6, pp. 7-25, https://doi.org/10.2478/ bgeo-2013-0001
Demezhko D.Yu., Ryvkin D.G., Outkin V.I., Duchkov A.D. and Balobaev V.T. (2007). Spatial distribution of Pleistocene/Holocene warming amplitudes in Northern Eurasia inferred from geothermal data. Climate of the Past, 3, 559-568, http://www.clim-past.net/3/559/2007/cp-3-559-2007.html
Fuchs S., Balling N., Förster A. (2015). Calculation of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat capacity of sedimentary rocks using petrophysical well logs. Geophysical Journal International, 203(3), pp. 1977-2000. https://doi.org/10.1093/gji/ggv403
Siegert M.J., Dowdeswell J.A., Hald M., Svendsen J.-I. (2001). Modelling the Eurasian ice sheet through a full (Weichselian) glacial cycle. Global and Planet. Change, 31, pp. 367-385. https://doi.org/10.1016/ S0921-8181(01)00130-8
Сведения об авторах
Дмитрий Сергеевич Никитин - кандидат геол.-мин. наук, старший научный сотрудник лаборатории тепломассопереноса
Геологический институт РАН
Россия, 119017, Москва, Пыжевский переулок, д. 7
E-mail: [email protected]
б
а
НАУЧНО-ТЕХНтЕСКИЙ ЖУРНАЛ
www.geors.ru ГЕйРЕСУРСЫ
Виталий Раульевич Ахмедзянов - кандидат геол.-мин. наук, старший научный сотрудник лаборатории тепло-массопереноса, Геологический институт РАН
Россия, 119017, Москва, Пыжевский переулок, д. 7
Дмитрий Юрьевич Демежко - доктор геол.-мин. наук, ведущий научный сотрудник, Институт геофизики УрО РАН Россия, 620049, Екатеринбург, ул. Первомайская, д. 91
Михаил Давидович Хуторской - доктор геол.-мин. наук, профессор, заведующий лабораторией тепломассопереноса Геологический институт РАН Россия, 119017, Москва, Пыжевский переулок, д. 7
Статья поступила в редакцию 14.03.2019; Принята к публикации 26.07.2019;
Опубликована 01.09.2019
The reconstruction of the paleotemperature of the Earth's surface on Yuzhny Island (Novaya Zemlya archipelago) according to geothermal data
D.S. Nikitin1*, V.R. Akhmedzianov1, D.Yu. Demezhko2, M.D. Khutorskoi1
'Geological Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation
2lnstitute of Geophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russian Federation *Corresponding author: Dmitry S. Nikitin, e-mail: [email protected]
Abstract. According to the complex geothermal investigation results (thermal conductivity, rocks thermal heterogeneity measurements as well geothermal gradient and heat flow calculation) on Yuzhny Island of Novaya Zemlya archipelago (Pavlovskoye lead-zinc field), the paleotemperature on the surface in the historical past are modeled. The results of the climatic history reconstruction in this region are discussed. An earlier heat flow estimate on on Yuzhny Island of Novaya Zemlya archipelago (46 mW/m2) could be underestimated if we assume the glacier absence during the "Pleistocene / Holocene warming". In this case, the calculated heat flow will be 55 mW/m2. If during the "small glacial period" the glacier existence lasted for 20 thousand years, then the first heat flow estimate is more likely.
Keywords: paleotemperature, Earth's surface, reconstruction, Novaya Zemlya, geothermy, heat flow
Recommended citation: Nikitin D.S, Akhmedzianov V.R., Demezhko D.Yu., Khutorskoi M.D. (2019). The reconstruction of the paleotemperature of the Earth's surface on Yuzhny Island (Novaya Zemlya archipelago) according to geothermal data. Georesursy = Georesources, 21(3), pp. 136140. DOI: https://doi.org/10.18599/grs.2019.3.136-140
References
Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Antipin A.N. (2019). Late Weichselian thermal state at the base of the Scandinavian Ice Sheet. Climate of the Past Discussions, 1-23, https://doi.org/10.5194/cp-2019-49.
Demezhko D.Yu. (2001). Geotermicheskii metod rekonstruktsii paleoklimata (na primere Urala) [The geothermal method of reconstructing the paleoclimate (on the example of the Urals)]. Ekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 144 p. (In Russ.)
Demezhko D.Yu., Shchapov V.A. (2001). 80,000 years ground surface temperature history inferred from the temperature-depth log measured in the superdeep hole SG-4 (the Urals, Russia), Global and Planetary Change, 29(1-2), pp. 219-230. https://doi.org/10.1016/S0921-8181(01)00091-1
Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Tarkhanov G.V., Esipko O.A. (2013). 30,000 years of ground surface temperature and heat flux changes in Karelia reconstructed from borehole temperature data. Bulletin of Geography. Physical Geography Series, 6, pp. 7-25, https://doi.org/10.2478/ bgeo-2013-0001
Demezhko D.Yu., Gornostaeva A.A., Tarkhanov G.V., Esipko. O.A. (2013). Reconstruction of the temperature history of the Earth's surface over the past 30,000 years according to thermometry data of the Onega parametric well. Geofizicheskie issledovaniya = Geophysical exploration, 14(2), pp. 38-48. (In Russ.)
Demezhko D.Yu., Ryvkin D.G., Outkin V.I., Duchkov A.D. and Balobaev V.T. (2007). Spatial distribution of Pleistocene/Holocene warming amplitudes
in Northern Eurasia inferred from geothermal data. Climate of the Past, 3, 559-568, http://www.clim-past.net/3/559/2007/cp-3-559-2007.html
Fuchs S., Balling N., Förster A. (2015). Calculation of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat capacity of sedimentary rocks using petrophysical well logs. Geophysical Journal International, 203(3), pp. 1977-2000. https://doi.org/10.1093/gji/ggv403
Glaznev V.N., Kukkonen I.T., Raevskii A.B. Ekinen Ya. (2004). New data on heat flow in the central part of the Kola Peninsula. Doklady Akademii nauk, 396(1), pp. 102-104. (In Russ.)
Khutorskoi M.D., Akhmedzyanov V.R., Ermakov A.V. et al. (2013). Geotermiya arkticheskikh morei [Geothermy of the Arctic seas]. Moscow: GEOS, 238 p. (In Russ.)
Nikitin D.S., Khutorskoi M.D. (2018). The first measurements of heat flow on the Novaya Zemlya archipelago. Doklady Akademii nauk, 478(6), pp. 692-696. (In Russ.)
Shadrin M.A. et al. (2015). Pre-feasibility study report on the development of the Pavlovsky deposit of silver-containing lead-zinc ores (Novaya Zemlya archipelago). Geology and assessment of the mineral resource base of the Pavlovskoye deposit with risk assessment. Moscow: Funds of CJSC Project Laboratory. (In Russ.)
Siegert M.J., Dowdeswell J.A., Hald M., Svendsen J.-I. (2001). Modelling the Eurasian ice sheet through a full (Weichselian) glacial cycle. Global and Planet. Change, 31, pp. 367-385. https://doi.org/10.1016/ S0921-8181(01)00130-8
About the Authors
Dmitry S. Nikitin - Researcher, Laboratory of Heat and Mass Transfer, Geological Institute of the Russian Academy of Sciences
7, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017, Russian Federation
Vitaly R. Akhmedzyanov - PhD (Geology and Mineralogy), Senior Researcher, Laboratory of Heat and Mass Transfer
Geological Institute of the Russian Academy of Sciences
7, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017, Russian Federation
Dmitry Yu. Demezhko - DSc (Geology and Mineralogy), Leading Researcher, Institute of Geophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
91, Pervomaysky st., Ekaterinburg, 620049, Russian Federation
MikhailD. Khutorskoi - DSc (Geology and Mineralogy), Professor, Head of the Heat and Mass Transfer Laboratory, Geological Institute of the Russian Academy of Sciences
7, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017, Russain Federation
Manuscript received 14 March 2019;
Accepted 26 July 2019;
Published 1 September 2019
GEDRESDURCES www.geors.ru
