Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Осадочные бассейны в обстановке сжатия

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Коротаев, Максим Валерьевич, Москва



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра исторической и региональной геологии

УДК: 551.244.2.001.57

КОРОТАЕВ МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ОСАДОЧНЫЕ БАССЕЙНЫ В ОБСТАНОВКЕ СЖАТИЯ -МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАЗ БЫСТРОГО ПОГРУЖЕНИЯ

Специальность: 04.00.04 - Геотектоника.

диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

ЧАСТЫ. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ 7 Глава 1. Основы компьютерного моделирования осадочных бассейнов

7

1 .Методы моделирования осадочных бассейнов 10

2.История метода погружения осадочного бассейна 10

3.Одномерное моделирование погружения осадочного бассейна 10

3.1. Исходные данные для моделирования 11

3.2. Геохронологическая схема 11

3.3. Переразбивка. Анализ перерывов 11

3.4. Литология. Пористость. Законы уплотнения 14

3.5. Учет палеоглубин 17

3.6. Расчет погружения фундамента с учетом уплотнения пород 17

3.7. Тектоническое погружение. Региональная и локальная изостазия 18

3.8. Скорость тектонического погружения фундамента, скорость 20 осадконакопления

3.9. Конечная одномерная модель. 20

3.10. Ошибки одномерной модели 23 3.11 .Сопоставление одномерных моделей 23

4. Двухмерное моделирование 25

4.1. Двухмерная модель по скважинам 25

4.2. Анализ сейсмических профилей 25

4.3. Сопоставление сейсмических границ с геологическими границами и абсолютным возрастом геологических границ 27

4.4. Разломы 27

4.5. Анализ перерывов, несогласий. Восстановление съэродированной части

и времени эрозии 27

4.6. Палеоглубина. Определение палеоглубины по сейсмическому профилю 30

4.7. Построение модели 30

4.8. Преимущество двухмерной модели перед одномерной 33

4.9. Двухмерная модель тектонического погружения 33

4.10. Усредненная одномерная модель по профилю 33

5. 1 Трехмерное моделирование истории погружения. Погрешность метода 34 5.2. Моделирование теплового режима и флюидопотоков 34

6. Пакет программ для моделирования погружения осадочных бассейнов 35

7. Моделирование реологии литосферы.

7.1. Обзор строения и физических свойств литосферы 35

7.2. Тепловой поток, источники тепла в литосфере 39

7.3. Распределение теплового потока 39

7.4. Причины погружения осадочных бассейнов 40

7.5. Экспериментальное определение физических свойств

пород.Действующие законы 40

7.6.Вязкая и пластическая деформация 41

7.7. Построение профиля критического напряжения 45 7.&. Понятие об ЭСП. Влияние неоднородностей литосферы на ЭУТ и ЭСП 45

Глава 2. Моделирование деформаций усредненного осадочного бассейна с

переходной корой 48

ЧАСТЬ 2. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ 68

Глава 3. Черноморский бассейн 68

История геологического изучения 68

Изученность и карты фактического материала 70

Тектоническое районирование 70

Глубинное строение черноморского региона 75

Осадочный чехол впадины 75

Верхняя кора 78

Нижняя кора 78

Гравитационное поле 78

Магнитное поле 78

Тепловое поле 78

Сейсмичность черноморского региона 80 Современная геодинамическая обстановка. Движение плит. Современные

направления стрессов 80

Стратиграфия 80

Основные отражающие границы и сейсмические комплексы 84

История геологического развития черноморской впадины 86

Моделирование 89

Одномерное моделирование 89

Двухмерное моделирование 91

Реология литосферы 94 Моделирование изгиба балки с параметрами полученными при

реологическом моделировании 94

Сводка по результатам всего моделирования 97

Геологическая модель по результатам моделирования 97

Глава 4. Южно-Каспийский осадочный бассейн 99

История геологического изучения 99

Изученность и карты фактического материала 102

Глубинное строение 102

Гравитационное поле 106

Магнитное поле 106

Тепловое поле 106

Сейсмичность 108

Движение плит 108

Тектоническое районирование 108

Стратиграфия 109

Сейсмостратиграфия 110

Основные отражающие границы 110

Особенности строения осадочного чехла по сейсмическим данным 114

История геологического развития южно-каспийского региона 115

Моделирование 116

Одномерное моделирование 116

Двухмерное моделирование 121

Реология литосферы и моделирование деформаций литосферы 124

Сводка по результатам моделирования 126

Глава 5. Восточно-Баренцевоморский осадочный бассейн 128

История геологического изучения 128

Изученность и карты фактического материала 128

Тектоническое районирование 128

Глубинное строение 128

Гравитационное поле 134

Магнитное поле 134

Тепловое поле 135

Стратиграфия 135

Магматические образования 143

Сейсмостратиграфия 144

Неотектоника 147

История геологического развития региона 149

Моделирование 150

Одномерное моделирование 150

Двухмерное моделирование 154

Реология литосферы 154

Профиль срединной линии литосферы 154

Моделирование изгиба балки 154 Определение граничных условий геологической модели, полученные в

результате моделирования 158 Геологическая модель по результатам моделирования и анализу данных

палеогеографии, тектоники и геологии 159

Глава 6. Прикаспийский осадочный бассейн 160

История геологического изучения 160

Глубинное строение 160

Мощность коры 162

Верхняя кора 162

Нижняя кора 162

Гравитационное поле 165

Магнитное поле 165

Стратиграфия и палеогеография 165

Сейсмостратиграфия 171

Неотекгонические движения 173

Моделирование 173

Одномерное моделирование 173

Реология литосферы 177 Определение граничных условий геологической модели, полученные в

результате моделирования 178

Геологическая модель по данным моделирования 178

Заключение 180

Литература 181

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерное моделирование является новым направлением в геологических исследованиях. Оно позволяет более точно восстановить историю осадочных бассейнов и дать количественный анализ вероятных моделей их истории и геодинамики.

Исследования, проведенные автором, являются одними из первых в России в области количественного моделирования истории осадочных бассейнов с океаническим и субокеаническим типом коры и деформаций неоднородной литосферы. В качестве объекта исследований выбраны осадочные бассейны окраин Восточно-Европейской платформы, заложенные на океанической коре или коре переходного типа, развивающиеся в отдельные эпохи в обстановке сжатия и достаточно хорошо изученные как бурением, так и геофизическими методами: Восточно-Баренцевоморский, Черноморский, Прикаспийский и Южно-Каспийский бассейны. Актуальность работы обусловлена прежде всего тем, что до сих пор нет ясности в причинах крупномасштабного погружения этих бассейнов.

Целью диссертационной работы являлась разработка методики количественного моделирования истории осадочного бассейна, моделирование деформации неоднородной литосферы в обстановке сжатия и применение разработанной методики для моделирования реальных бассейнов: Восточно-Баренцевоморского на неотектоническом этапе, Черноморского в плиоцен-четвертичное время, ЮжноКаспийского в раннем-среднем плиоцене и Прикаспийского на неотектоническом этапе.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• обобщение данных по геологическому строению и истории развития Восточно-Баренцевоморского, Черноморского, Южно-Каспийского и Прикаспийского осадочных бассейнов;

• разработка методики моделирования бассейнов;

• одно- и двухмерное восстановление истории погружения исследуемых осадочных бассейнов;

• анализ результатов моделирования и выделение с их учетом этапов истории развития осадочных бассейнов;

• расчет деформаций литосферы осадочного бассейна типа Черноморского под воздействием напряжений сжатия, в рамках реологической модели литосферы, учитывающей структуру, минеральный состав и тепловой режим литосферы;

• моделирование эволюции Восточно-Баренцевоморского, Черноморского,

Южно-Каспийского и Прикаспийского осадочных бассейнов.

Усовершенствован и опробован метод одномерного и двухмерного моделирования геологической истории регионов с широким развитием слабодислоцированного и недислоцированного осадочного чехла. Для объяснения быстрого погружения бассейнов на отдельных этапах их развития построены модели синкомпрессионного вдавливания неоднородной литосферы для Черноморского, Южно-Каспийского, Восточно-Баренцевоморского и Прикаспийского осадочных бассейнов. Показана возможность значительного синкомпрессионного погружения глубокого бассейна шириной порядка 200-300 км при уровне сил, принятом в моделях тектоники плит, в результате наложения поля напряжений сжатия на существующую неоднородную структуру литосферы.

Разработана и опробована методика моделирования осадочных бассейнов с большой мощностью осадочного чехла. Результаты моделирования позволяют реконструировать палеогеологические разрезы на заданные моменты времени с учетом декомпакции осадков. Разработанная методика может быть применена и для других подобных бассейнов, многие из которых являются важнейшими источниками углеводородного сырья. Разработана геодинамическая модель быстрого синкомпрессионного погружения. В осадочных бассейнах именно с фазами быстрого погружения связано формирование огромных запасов углеводородов (например, Южно-Каспийский бассейн).

Автором были использованы материалы НИИМоргеофизика (Мурманск), НИИ Геологии Арктики (С-Петербург), фонды Геологической библиотеки МГУ, материалы Университета Пьера и Марии Кюри (Париж). Часть материалов была собрана автором в ходе полевых работ в Крыму в 1996 году.

Для одномерного и двухмерного моделирования были использованы 80 скважин и сводных разрезов и 12 сейсмических профилей по Баренцеву морю, Черному морю, Прикаспию и Южному Каспию.

Пакеты компьютерных программ для моделирования истории погружения осадочных бассейнов и реологии литосферы написаны A.B. Ершовым (Геологический факультет МГУ). Тестирование программ и написание отдельных модулей проводилось автором.

Основные положения диссертации докладывались на Дне научного творчества молодых ученых МГУ (1995); Международном рабочем совещании по проекту EUROPROBE раздел "Внутриплитная тектоника и динамика бассейнов" (Москва, 1995), конференции "Ключевые проблемы геологии Баренцево-Карского шельфа и

прилегающей зоны" (С-Петербург, 1997); ХХ\/Ш-ом и ХХ1Х-ом Всероссийских Тектонических совещаниях (Москва 1995, 1996); на 5-ом и 6-ом Международных совещаниях по тектонике плит памяти Л.П.Зоненшайна (Москва, 1995, 1998); рабочих встречах по Международному проекту "РЕШ-ТЕТНУв" (Москва, 1996, 1997); международной научной конференции "Молодежь и наука в Третье тысячелетие" (Москва, 1996); 9-ом совещании ИР "Тектоника, геоморфология и динамика осадочных бассейнов" (Барселона, 1998). Результаты исследований докладывались и обсуждались на кафедре исторической и региональной геологии Геологического факультета МГУ.

По теме диссертации опубликовано и находится в печати 31 работа, результаты работы вошли в 5 отчетов по различным научным проектам и были использованы при создании 2 новых учебных курсов для студентов.....

ЧАСТЫ. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ

БАССЕЙНОВ

ГЛАВА 1.0СН0ВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ

БАССЕЙНОВ.

Особенностью осадочного чехла осадочных бассейнов является его слоистое строение. Это не только характерная черта геологического тела, но и своеобразная запись его образования и последующего изменения. В ней отражаются как процессы образования - собственно слоистое строение осадков, так и процессы изменения - размывы и перерывы в осадочном чехле. Моделирование истории осадочных бассейнов применяется для расшифровки этой записи (геоисторического анализа по Van Hinte (Van Hinte, 1993)) и последующего повторения всех процессов, приведших к образованию осадочного чехла, но уже в компьютерном варианте.

В данной главе приведен обзор методов моделирования осадочных бассейнов. Конкретные примеры приводятся во второй части диссертации. Математические аспекты построения моделей описаны Ю.И. Галушкиным (1998) и A.B. Ершовым (1997) . Здесь будут рассмотрены только те аспекты моделирования , которые связаны с работой специалиста-геолога.

1. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ.

Можно привести следующие методы моделирования осадочных бассейнов: моделирование истории погружения осадочного бассейна, термической истории осадочного бассейна, истории созревания органического вещества в осадочном бассейне, миграции флюидов в осадочном бассейне (рис. 1-1). Все перечисленные методы моделирования могут быть одно-, двух- и трехмерными. Кроме того, имея данные о составе, возрасте литосферы и физико-химических свойствах входящих в нее пород, можно провести моделирование физических свойств литосферы и моделирование реакции литосферы на действующие на нее силы. В конечном итоге, решение прямой задачи (например, расчет истории погружения осадочного бассейна из имеющегося разреза) должно соответствовать решению обратной задачи (расчет деформаций литосферы данного строения, состава и возраста при данном тепловом потоке и заданных силах). Решение прямой и обратной задач при моделировании позволяет наложить определенные физические ограничения на \ геологические модели, которые предполагается построить. Следует отметить, что —■ моделирование осадочного бассейна невозможно без широкого привлечения

ввшйКй ^»{щ^^^й^^^рр^нйЖ®

Кинематическое восстановление истории погружения

бассейн, (Ш, 20, ЗЭ. балансированн ые разрезы)

История погружения и осадконакоплен ия осадочного бассейна

Статистический анализ полученных данных

Динамические модели процессов протекающих в ОБ

Граничные

условия

Процессы переноса:

теплоперенос миграция флюидов

локальные процессы::

уплотнение и литификация физ.-химические превращения созревпние углеводородов.

Выводы относительно тектонической истории

термическая история бассейна история созревания и миграции УВ эволюция ловушек во времени

Модели транспорта осадков и седиментации

Динамические модели поведения литосферы

растяжение

термальная активизация / релаксация

упругий изгиб под вертикальной нагрузкой

Рис. 1-1 Блок - схема методов моделирования осадочных бассеейнов (Ершов; 1997)

t- с

s -ï

,111 S -S fi I

> -c fy С

£ <t 3: «a

s !

•S e

S " .0

< .0 -V

<J к <13 il

S <3

.1; S

f 'S r

I s

X

E

oïk

-g с » £ S> ь

JS с S

; -о.? I i J S л ,3

Il i

t !" S

.. I

s -s;

î:

ClN X <à << О >- Hi ч

Jurassique

Crétacé

IU

с

■S e

S S I 2 i a

С TJ .S

,B L& H

с

•g

с

S Si I

" t 2

n g s I

î t' rïïSâ'E .2 '3 -S S Sv I .Я .» S ï

s I-Ü г Л s ПГ§ s I S 1 s *s à I I

J Miocene-Pliocene

Eocène ■ oligocène

200+

136

137

Рис. 1-2 Кривая погружения ддя Парижского бассейна (Lemoine, 1911)

CQ

полного спектра геологических данных, изначально накладывающих геологические ограничения на применяемую физическую модель.

2. ИСТОРИЯ МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОГРУЖЕНИЯ ОСАДОЧНОГО

БАССЕЙНА

Впервые анализ движений земной коры был осуществлен P.Lemoine в 1911 году для анализа истории погружения Парижского бассейна (рис. 1-2). В 30-х годах такие графики широко использовал в своих работах С.Бубнов. В нашей стране процесс построения подобных графиков был предложен Н С. Шатским в 1924 году и далее получил широкое развитие в работах М М. Тетяева(1934), В В. Белоусова (1948), Г.П. Леонова(1956) и др. Все эти построения носили чисто качественный характер, по причине отсутствия достаточно детальной абсолютной геохронологической шкалы. Впервые собственно одномерное моделирование истории погружения бассейна с использованием процедуры последовательного снятия слоев было проведено Steckler и Watts (1977) для моделирования погружения атлантического побережья Северной Америки. В настоящий момент проведено большое количество подобных работ для самых различных осадочных бассейнов мира, метод одномерного моделирования погружения осадочного бассейна стал стандартным методом исследования осадочного бассейна. Среди подобных работ последнего времени можно привести работы G.Spadirii,1996 (Черное и Тирренское море), P.Reemst,1995 (Западная часть Баренцева моря), С. Болотов, 1996 (Восточное Предкавказье), А.Ершов, 1997 (Предкавказье, Днепрово-Донецкая впадина).

3. ОДНОМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРУЖЕНИЯ ОСАДОЧНОГО БАССЕЙНА

Качественно, процесс моделирования погружения осадочного бассейна не отличается от построения эпейрогенической кривой: строится зависимость мощности накопившихся осадков от геологического времени. Однако, в модель внесены существенные количественные поправки - применяется не относительное геологическое, а абсолютное время в миллионах лет, введена поправка на уплотнение пород с глубиной, применяются точные количественные методы оценки перерывов и эрозии (например метод компакции глин, fission-track анализ для оценки эрозии). Кроме эпейрогенической кривой рассчитывается еще одна кривая -тектонического погружения бассейна, с устра^ненным фактором влияния веса отложившихся осадков.

В одномерном моделировании истории погружения осадочного бассейна можно выделить несколько этапов, от исходной скважины или разреза до конечных к�