Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Дизъюнктивная тектоника и новейшее напряженное состояние геопространства Кольской сверхглубокой скважины

ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Автореферат диссертации по теме "Дизъюнктивная тектоника и новейшее напряженное состояние геопространства Кольской сверхглубокой скважины"

кк^

ииа4Б72

На правах рукописи

ЗАЙЦЕВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИЗЪЮНКТИВНАЯ ТЕКТОНИКА И НОВЕЙШЕЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГЕОПРОСТРАНСТВА КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ

специальность 25.00.03 - геотектоника и геодинамика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

2 3АПР22:3

Москва 2009

003467215

Работа выполнена на кафедре динамической геологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: Доктор геолого-минералогических наук, зав. лаб.

Гончаров Михаил Адрианович

Официальные оппоненты: Доктор геолого-минералогических наук, профессор

Лобусев Александр Вячеславович Кандидат геолого-минералогических наук Зыков Дмитрий Сергеевич

Ведущая организация: Институт геологии Карельского научного центра РАН

Защита состоится 12 мая 2009 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д.501.001.39 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, Главное здание МГУ, геологический факультет, аудитория 825.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (Главное здание, корпус А, 6-й этаж)

Автореферат разослан 10 апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геол.-мин. наук, профессор

А.Г. Рябухин

Введение

Актуальность темы. В современных представлениях о характере структурообразования в земной коре особое значение придается тому, что ответственные за это тектонические процессы реализуются через иерархическую систему полей напряжений и деформаций, воздействующих на неоднородную, структурированную среду. Под структурированностью среды понимается наличие в ней разномасштабных, часто иерархически соподчиненных, разного рода структурно-вещественных неоднородностей, типа первичной расслоенности толщ, внедрившихся геологических тел (даек, силлов, интрузий), разрывных нарушений, кливажа, трещиноватости и так далее. Учитывая направления сжатия и растяжения в такой среде, можно более точно представить себе как формируется структура, где возникают области концентраторов напряжений, а где фиксируются области «тектонического покоя».

Однако классические методы тектонофизического моделирования дизъюнктивных структур земной коры, как правило, недоучитывают тектоническую расслоенность геологической среды, концентрируя внимания главным образом на субвертикальных разрывах. Изучение геопространства Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3), о которой речь пойдет ниже и которое послужило предметом данного исследования, показало, что важную роль в Печенгской структуре, в пределах которой расположена (СГ-3), играют как раз именно пологие надвиги, в то время как субвертикальные разрывы носят подчиненный характер.

Недоучет или игнорирование тектонической расслоенности геологической среды имеет своим следствием стремление при тектонофизическом моделировании ограничиться двумерной (20) постановкой задачи реконструкции поля напряжений и деформаций только в горизонтальной плоскости. Это особенно характерно для физического моделирования с применением эквивалентных материалов, когда имеется возможность четко зафиксировать то, что происходит на поверхности модели, без возможности «заглянуть внутрь» модельного образца.

Учет же тектонической расслоенности геологической среды, наличия в ней полого наклонных нарушений, принципиально невозможно без трехмерного (30) подхода к тектонофизическому моделированию. Наличие в исследуемом районе

глубокой и хорошо задокументированной скважины СГ-3 позволяет сопоставить результаты моделирования с природной картиной деформаций и напряжений. Учитывая направления сжатия и растяжения можно более точно представить себе, как формируется тектоническая структура, где возникают области концентраторов напряжений, а где фиксируются области «тектонического покоя».

Цель и задачи исследований. Целью работы является анализ новейшего напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:

1. Изучить тектоническую делимость геопространства Кольской сверхглубокой скважины.

2. Провести структурно-парагенетический и кинематический анализ геологических объектов.

3. Разработать методику построения моделей напряженного состояния для полого-надвиговых структур.

4. Создать трехмерную тектонофизическую модель напряженного состояния Печенгской структуры и ее обрамления.

Методика исследования. В данной работе использовался комплекс методов, включающий в себя полевые исследования структурно-вещественных неоднородностей, данные, полученные дистанционными методами, и результаты тектонофизического моделирования. Помимо этого, проводилось сопоставление результатов моделирования с наблюдениями напряженного состояния в стволе скважины на глубину до 12 километров.

Фактический материал. В основу диссертационной работы положены полевые материалы, полученные автором в составе Кольской геологической партии ИФЗ РАН с 2000 по 2007 год. Помимо этого, в диссертацию включены материалы, собранные в результате проведения хоздоговорных и госбюджетных работ по темам: «Природа разномасштабных структурно-вещественных неоднородностей земной коры на примере геопространства Кольской СГС», «Структурно-геодинамическое районирование площадей (с применением геоинформационных технологий), с выделением зон, перспективных для добычи метана из угольных пластов в Кузбассе (структурно-кинематические и тектонофизические критерии прогнозирования зон, перспективных для добычи

метана из угольных пластов в пределах Таллинского и Нарыкско-Осташкинского месторождений южного Кузбасса)», «Создание тектонодинамической модели формирования нефтегазоносности Долганского вала» на кафедре динамической геологии за период с 2000 по 2008 год. Они включают как авторские полевые и камеральные исследования, так и результаты специальной обработки и анализа фондовых и литературных данных.

Научная новизна. Впервые построена трехмерная модель современного напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины. Данная модель созданна на основе детального изучения разноранговых дизъюнктивных нарушений, а также кинематического анализа борозд скольжения. Показано, что трещиноватость является наложенной и относительно молодой. По бороздам скольжения с помощью кинематического метода, морфоструктурного анализа и решения очагов землетрясений установлено север-северо-восточное сжатие. Предложена новая методика создания моделей напряженного состояния полого-надвиговых структур с использованием оптически активных материалов.

Защищаемые положения

1. Выявлен характер тектонической делимости Печенгской структуры и ее обрамления. Показано, что трещиноватость является наложенной и относительно молодой. По бороздам скольжения с помощью кинематического метода, морфоструктурного анализа и решения очагов землетрясений установлено север-еверо-восточное сжатие.

2. Предложена новая методика моделирования напряженного состояния геологических объектов, имеющих полого-надвиговую структуру, заключающаяся в моделировании с помощью оптически активных материалов серии вертикальных срезов-сечений, параллельных направлению сжатия. Результаты моделирования с помощью специального программного обеспечения экстраполируются на весь изучаемый объем.

3. Впервые построена трехмерная модель новейшего напряженного состояния Печенгской структуры (до глубины 15 км.), благодаря которой выявлены области с повышенными значениями напряжений, приуроченные, главным образом, к зонам пересечения крупных разрывных нарушений.

4. Наличие на изучаемой территории уникального объекта - "Кольская сверхглубокая скважина", - позволило провести сопоставление результатов

моделирования с данными по упругой анизотропии и напряженному состоянию по стволу скважины и показать, что имеет место хорошая сходимость между вышеперечисленными параметрами. Это позволяет утверждать, что условия моделирования выбраны правильно и данная модель верно отражает современное распределение полей напряжений.

Практическая значимость работы. Для района Кольской сверхглубокой скважины построена трехмерная модель напряженного состояния. Модель позволяет выявить участки повышенных значений касательных напряжений, с которыми могут быть связаны различные опасные геологические процессы (сейсмичность, горные удары и т.д.).

При бурении глубоких скважин возникает проблема искривления ствола скважины, которое может быть связано с характером напряженного состояния среды. Так, в Кольской сверхглубокой скважине при бурении ствол имел тенденцию к искривлению, сохраняя перпендикулярность пластам. Все четыре аварии, произошедшие во время бурения, были связаны с зонами максимального искривления траектории бурения, которые, в свою очередь, связываются с резким изменением напряженного состояния среды.

Предложенная методика построения моделей напряженного состояния, может использоваться для моделирования газовых и нефтяных месторождений с трещиноватыми коллекторами. Так, данная методика использовалась при построении геолого-технологической модели Долгинского нефтяного месторождения, а также учитывалась при разработке метаноугольных месторождений Кузбасса.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на международной научной конференции «Ломоносов 2006» и «Ломоносов 2007», XL Тектоническом совещании «Фундаментальные проблемы геотектоники» (Москва, 2007), XLI Тектоническом совещании «Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики» (Москва, 2008), конференции молодых ученых и специалистов ОАО "Промгаз" (Новокузнецк, 2006), симпозиуме «Неделя горняка-2006» (Москва, 2006), рабочем совещании «Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана» (С.-Петербург, 2007).

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 12 печатных

работах, из них 8 в соавторстве, а также в 5 научно-производственных отчетах.

Структура работы. Работа состоит из введения, 3 глав и заключения, общим объемом 160 страниц машинописного текста, содержит 74 иллюстрации в виде 71 рисунка и 3 таблиц. Список использованной литературы включает 103 названия.

Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю, доктору геол.-мин. наук, заведующему лабораторией тектонофизики и геотектоники им. В. В. Белоусова Михаилу Адриановичу Гончарову за постоянную и разностороннюю помощь в ходе подготовки диссертации. Особую благодарность автор выражает начальнику Кольской геологической партии ИФЗ РАН доктору геол.-мин. наук Ю.А. Морозову, научному руководителю темы доктору геол.-мин. наук В.Н. Шолпо, а также всем геологам этого отряда: М.С. Фельдману, A.JI. Кулаковскому, A.B. Мараханову и всем друзьям и коллегам, принимавшим участие в полевых работах.

Слова признательности за постоянное внимание к работе и ценные консультации автор выражает заведующему кафедрой динамической геологии геологического факультета МГУ профессору Н.В. Короновскому и профессорам кафедры М.Г. Ломизе, А.Г. Рябухину, H.A. Божко, а также сотрудникам и преподавателям кафедры Г.В. Брянцевой, А.И. Гущину, Л.И. Деминой, В.А. Зайцеву, B.C. Захарову, Н.В. Лубниной, Н.В. Макаровой, A.A. Наймарку, Л.В. Паниной, А.И. Полетаеву, А.Н. Стафееву, Н.С. Фроловой. Автор искренне благодарен М.А. Романовской за внимание, проявленное во время всего обучения.

Оотдельную благодарность автор выражает всем сотрудникам НПЦ «Кольская сверхглубокая», директору НПЦ Д.М. Губерману, главному геологу Ю.Н. Яковлеву и заместителю главного геолога Ю.П. Смирнову.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Краткий очерк геологического строения геопространства Кольской сверхглубокой скважины Под геопространством Кольской сверхглубокой скважины понимается территория, на которой обнажаются породы, пробуренные скважиной. В эту территорию входят отложения Печенгской структуры раннепротерозойского возраста и подстилающие их комплексы архейского фундамента, обнажающиеся, главным образом, вдоль побережья Баренцева моря. Помимо этого, в рассмотрении

принимают участие наиболее молодые рифейские отложения полуостровов Рыбачий и Средний.

Полевые наблюдения производились на отдельных ключевых участках, которым были присвоены соответствующие наименования. Архейский фундамент изучался на «Прибрежном» участке, на участках «Спутник», «Луостари» и «бухта Амбарная». Участок «Прибрежный» отражает тип строения и состав архейских толщ, предположительно вскрытых скважиной СГ-3 на глубинах 10-12 км (IX толща) (Кольская сверхглубокая, 1998). Участок «Спутник», а также южная часть «Прибрежного» могут характеризовать VIII толщу разреза скважины. Участок «Луостари» и территория к северу от г. Заполярный, в общих чертах дают представление о составе и строении толщ непосредственно подстилающих породы печенгского комплекса. Для характеристики особенностей строения и эволюции раннепротерозойского печенгского вулканогенно-осадочного комплекса проводилось картирование и структурно-вещественное изучение пород трех небольших по площади участков. Участок «Заполярный», характеризующий вторую вулканогенную толщу (Кольская сверхглубокая, 1984). Участок «Кучин-тундра» - характеризующий строение третьей и четвертой вулканогенных толщ и разделяющей их ждановской свиты печенгского комплекса и участок «СГ-3», характеризующий строение четвертой вулканогенной толщи свиты матерт непосредственно вокруг забоя скважины СГ-3. Рифейский этап развития геопространства, привнесший многие существенные элементы в его строение, как в архейской части, так и в раннепротерозойской, изучался на территории полуостровов Рыбачий и Средний. В работе детально изложено геологическое строение всех вышеперечисленных участков.

В пределах геопространства Кольской сверхглубокой скважины существует система разновозрастных, разномасштабных и разнотипных структурно-вещественных неоднородностей, в которых запечатлена ее многоэтапная эволюция от раннего архея до настоящего времени. При этом на каждом из крупных этапов тектогенеза была сформирована своя самостоятельная система таких неоднородностей, обусловленная вполне определенными деформационно-метаморфическими процессами. При этом неравномерность развития в объеме деформационно-метаморфических событий каждого этапа приводит к тому, что в комплексе пород сохраняются элементы структуры и продукты вещественных

преобразований практически всех стадий эволюции.

Архейский этап тектогенеза характеризуется, в первую очередь, региональным проявлением процессов гранитизации, сопровождавших деформационные преобразования нескольких последовательных стадий. На этом этапе была создана сложная разрывно-складчатая структура с преобладанием северо-западных простираний ее элементов.

Раннепротерозойский этап тектогенеза резко дискордантен по отношению к архейским структурам. Он выражен системами базитовых даек северо-восточного и субмеридионального простирания, вулканитами печенгского комплекса и интенсивно развитыми зонами сдвигового рассланцевания, формировавшимися на фоне зеленосланцевого диафтореза.

Рифейский этап тектогенеза представлен редкими зонами хрупкого разрывообразования, обычно наследующими отдельные структурные неоднородности предшествующих этапов.

Раннепалеозойский этап тектогенеза запечатлен системами разрывных зон и отдельных поверхностей, выраженных либо грубым развальцеванием пород и их брекчированием, либо только зеркалами скольжения на поверхностях сместителей, северо-восточного простирания в основном правосдвиговой кинематики. Кроме этого к данному этапу относятся дайки долеритов северо-восточного простирания, с которыми связаны кварц-галенитовые и барит-кальцитовые жилы и сопутствующая рудная минерализация.

Девон-четвертичный этап тектогенеза представлен разноориентированными спрямленными трещинами с бороздами скольжения, редко с кварцевой минерализацией. Относительно молодой возраст подобных трещин был установлен еще в работах П.Н. Николаева (Николаев, 1992).

Особое внимание в реферируемой главе уделено геодинамике новейшего этапа, которая связана с тектоническими движениями, денудацией, оледенениями, гляциоизостазией и эрозией. В результате совокупного влияния этих факторов сформировался современный рельеф поверхности северо-восточной части Балтийского щита (Николаев, 1988, Короновский и др., 1993). Влияние оледенений и гляциоизостазия были ведущими факторами в рельефообразовании в течение четвертичного периода, охватывающего последние 1,8 млн лет. Но, несмотря на то, что регион неоднократно перекрывался ледниковыми покровами, основные черты

рельефа обусловлены доледниковыми процессами. Тектоника и эрозия действовали постоянно и их значение особенно велико в объеме всего неотектонического этапа (35 млн. лет) (Геоморфология..., 1977).

Говоря о рельефообразующей роли новейших тектонических движений на раннем этапе их проявления, выделяются три поверхности денудационного выравнивания (Кошечкин, 1969). Наиболее древнюю из них можно отнести к донеогеновому этапу (палеоген, возможно поздний мезозой), среднюю можно считать неогеновой, а самую молодую — позднеплиоценово-четвертичной. Большая часть территории Кольского полуострова принадлежит наиболее древней — донеогеновой поверхности, в частности, к ней относятся четко выраженные вершинные поверхности выравнивания Печенгских тундр. Разница высот донеогеновой поверхности на равнинных пространствах и в горах позволяет определить амплитуду суммарного новейшего поднятия горных массивов, которая составляет 400-500 метров. Значительные амплитуды вертикальных смещений донеогеновой поверхности выравнивания заставляют большинство современных исследователей высказываться в пользу блокового характера новейших движений.

Интенсивное дифференцированное поднятие, вызвавшее орографическое оформление горных массивов Печенгских тундр, обусловило также активное проявление процессов денудации. При этом наибольшая дифференциация рельефа за счет денудации, проявившейся избирательно по отношению к горным породам, возникла в пределах тех возвышенных массивов, в строении которых принимают участие породы, резко отличающиеся по прочности или степени трещиноватости. Особенно показательны в этом отношении районы, где в геологическом разрезе имеет место чередование эффузивных и осадочных образований.

Рассматриваемая территория несет значительные, разнообразные и несомненные следы мощного покровного материкового оледенения в виде экзарационных и аккумулятивных форм. Древнейшим ледниковым покровом был Баренцевоморско-Новоземельский, распространявшийся на Кольский п-ов с севера и северо-востока. На западе и в центре Кольского полуострова имеются также непосредственные, хотя и малочисленные следы двух ледниковых эпох -московской и валдайской. Ледниковое воздействие на рельеф не было существенным, а лишь сглаживающим, моделирующим. По данным A.A. Никонова средняя величина экзарации составляет 10-15 м, преобладающая величина

аккумуляции в котловинах - 10-20 м Ориентировочное выравнивание рельефа в ледниковый период можно оценить в 20-40 м (Никонов, 1964).

Глава 2. Неотектоническая активизация Печеигской структуры и ее обрамления

С целью изучения этапов неотектонической и современной активизации древних комплексов геопространства проводилось дешифрирование картографических материалов, космо- и аэроснимков разного масштаба с полевым обследованием элементов морфоструктуры, а также осуществлялись массовые замеры трещиноватости и борозд скольжения практически по всей изучаемой территории. Составлены карты разрывно-линеаментной системы с элементами морфоструктуры (поднятые и опущенные участки, уступы, обрывы, озерные впадины, поверхности выравнивания и т.д.) для всего геопространства и для отдельных участков.

Анализ морфоструктуры поверхности геопространства. Кроме традиционного анализа были изучены закономерности в пространственном распределении всех элементов морфоструктуры и дана оценка кинематики движений с помощью методов традиционного структурно-парагенетического анализа.

В результате проведенных исследований было установлено, что в пределах всего геопространства наблюдается весьма существенная активизация элементов структуры на неотектоническом этапе. При этом закономерный характер расположения многих элементов морфоструктуры указывает на вполне определенные кинематические условия неотектонической активизации. В пределах Печенгской структуры и ее обрамления отмечено, что впадины выстраиваются в явный правосдвиговый кулисно-эшелонированный ряд вдоль разломов север-северо-западного простирания и, наоборот, левосдвиговый ряд вдоль нарушений восток-северо-восточной ориентировки. Помимо этого фиксируется надвиговый характер новейших нарушений, протягивающихся вдоль побережья Баренцева моря и имеющих отчетливую южную вергентность. В совокупности эти факты позволяют сделать вывод о проявлении здесь на новейшем этапе север-северовосточного - юг-юго-западного сжатия.

Это подтверждается результатами морфоструктурного анализа, выполненного для отдельных участков («Прибрежный», «Заполярный», «Кучин-тундра» и «Южный») по аэрофотоснимкам масштаба 1:38 ООО.

Результаты изучения линеаментно-разрывной сети геопространства СГ-3 по материалам космо- и аэрофотосъемки. Использование разномасштабных фотографических изображений земной поверхности является весьма ценным и емким источником информации, значительно обогащающим возможности решения многих теоретических и практических задач геологии. В частности, такой подход оказывается исключительно важным при изучении вопросов, связанных с тектоническими исследованиями в свете рангово-иерархического строения земной коры. Было выполнено дешифрирование разномасштабных космо- и аэрофотоснимков территории геопространства Кольской сверхглубокой скважины и проведена статистическая обработка выявленных линеаментов, а именно: анализ распределения разрывных нарушений по длинам, анализ плотности разрывных нарушений разного ранга и анализ простирания разрывных нарушений разной длины. В результате проведенных исследований было установлено, что существуют явные различия в характере нарушенности на разных масштабных уровнях, а также отчетливая межранговая гетерогенность проявления деформационных процессов. Построенные розы-диаграммы простираний надрегиональных линеаментов (для всего Кольско-Норвежского мегаблока), более мелких разрывных нарушений разной длины (для двух ранговых уровней -регионального и подрегионального), а также трещиноватости (для комплексов архея, раннего протерозоя и рифея раздельно), замеряемой непосредственно в обнажении, показывают заметные изменения от ранга к рангу в доминирующих направлениях нарушений. Смена доминирующих направлений от одного масштабного уровня к другому отражает явление межранговой неоднородности проявления дислокационных процессов. Помимо этого, из общих закономерностей можно отметить тенденцию к ослаблению в целом доминантной направленности при переходе от низких (мелкомасштабных) рангов к более высоким (крупномасшабных) - розы-диаграммы становятся более «лучистыми», так как проявляется все большее количество направлений. Кроме этого в распределении плотности линеаментов выделяется единая закономерность: участки предпочтительного развития разрывов одного из направлений практически не

перекрываются с участками доминирования другого направления, оставаясь сопряженными друг с другом. Это наводит на мысль о существовании между ними парагенетических взаимосвязей, предполагающих их синхронное и взаимообусловленное формирование в едином деформационном поле и геодинамической обстановке. Подобным образом, например, могут быть сопряжены парные сколы при чистом сдвиге или же синтетические и антитетические сдвиги Риделя при простом сдвиге.

Статистический анализ трешиноватости. Методика проводимых исследований заключалась в изучении характера смещений по трещинам на фоне статистического изучения распределения трещиноватости в структурно-однородных объемах (Гзовский, 1971, Гзовский, 1975, Расцветаев, 1982, Рац и др., 1970). Подобный подход позволяет оценить объемный характер структурных неоднородностей, основываясь на принципе самоподобия, определить кинематику смещений для некоторых из выделенных неоднородностей и, наконец, дать динамическую интерпретацию кинематической картине перемещений. Специфика данной работы заключалась в том, что проводилась предварительная разбраковка выявленных смещений на системы, являющиеся заведомо одновозрастными. Для каждой из этих систем определялась ориентировка осей сжатия и растяжения, и лишь затем проводилась интерпретация полученных систем перемещений, либо как одноактных, если они увязываются в общую кинематическую схему, либо как разновременных. Такой подход является принципиально новым, который можно называть «дифференцированным». Работы по статистическому анализу трещиноватости проводились практически по всей территории геопространства, с тем, чтобы охарактеризовать все структурно-вещественные комплексы, принимающие участие в его строении, и различные части общей структуры.

Распределение трещиноватости в комплексе архейского кристаллического фундамента изучено на отрезке побережья Баренцева моря от Печенгской губы до бухты Долгая Щель. Сводные стереограммы плотности трещин показывают, что в целом по рассматриваемому району преобладают системы крутых (субвертикальных) трещин и система горизонтальных трещин. Характер распределения трещин достаточно сложный. На каждой стереограмме можно выделить от 6 до 10 максимумов плотности трещин, причем местоположение этих максимумов индивидуально для каждой стереограммы. Такой вид графиков

свидетельствует о значительных блоковых деформациях после образования трещин. Анализ ориентировки полей напряжений, реконструированных по бороздам скольжения, свидетельствует о преобладающем северном или северовосточном направлении максимальных сжимающих напряжений (а3). Ось максимального растяжения (о^) лежит также в горизонтальной плоскости и имеет субширотную или северо-западную ориентировку.

В пределах участка «Центральный», охватывающего обширное пространство вокруг скважины СГ-3 и г. Заполярный, оценивался характер трещиноватости в раннепротерозойском вулканогенно-осадочном комплексе Печенгской структуры. В целом можно отметить, что диаграммы распределения трещиноватости в пределах раннепротерозойских отложений Печенгской впадины заметно отличаются от характера распределения в архейском фундаменте, что свидетельствует о принципиально различной геодинамической обстановке в момент их образования. Результаты кинематического анализа борозд скольжения позволяют говорить, как о наиболее типичном для Печенгской впадины, сдвиговом характере поля напряжений, с предположительно активным растяжением северовосточной ориентировки и относительным сжатием в северо-западном направлении при вертикальном положении промежуточной оси. В целом, картина соответствует кинематической ситуации правого объемного сдвига в субширотной полосе между линеаментом Колмозеро-Воронье на севере и Порьиташским разломом на юге.

Участок «Кучин-тундра» позволяет охарактеризовать проявление трещиноватости в наиболее измененных частях раннепротерозойского печенгского комплекса на границе с архейским фундаментом. Диаграммы распределения трещиноватости в вулканитах свиты матерт и в сланцах ждановской свиты показывают довольно простые и однотипные картины ограниченного количества максимумов. Наличие такого малого количества максимумов трещиноватости, располагающихся в виде пояса по большой дуге стереограммы, свидетельствует об отсутствии блоковых перемещений внутри участка. Напряженное состояние участка «Кучин-тундра» подобно выявленному на участке «Прибрежный», что свидетельствует о том, что внешнее по отношению к Печенгской структуре поле напряжений характеризуется северо-восточным или субмеридиональным сжатием.

На полуостровах Средний и Рыбачий замеры трещиноватости проводились в отложениях рифейского возраста. В системах трещиноватости этих полуостровов можно уловить дивергентно-веерный характер распределения, созвучный разрывно-линеаментной системе. Общим является взбросово-сдвиговый тип кинематики перемещений при северо-восток - юго-западной ориентировке оси максимального сжатия. Кинематическая ситуация в целом близка условиям транспрессии. Выявленная обстановка растяжения в северной части п-ова Средний может отражать переиндексацию осей напряжения при смене знака смещения по магистральной шовной зоне разрыва Тролфиорд- Рыбачий-Кильдин.

Сейсмотектонические аспекты новейшей активизации объема геопространства. Современное субмеридиональное сжатие подтверждается данными по решению фокальных механизмов очагов землетрясений. Ближайшее землетрясение, по которому имеется решение очага, расположено восточнее рассматриваемой территории, где оно приурочено к крупному разлому Карпинского северо-западного простирания. По этому разлому устанавливается правосдвиговое смещение, которое могло быть вызвано только общим субмеридиональным сжатием.

Возможный генезис новейшего поля напряжений с ЮЮЗ-ССВ ориентировкой оси максимального сжатия. В результате проведенных исследований, которые описаны выше, для геопространства Кольской сверхглубокой скважины для новейшего этапа установлена ориентировка оси максимального сжатия ЮЮЗ-ССВ. Возможной причиной субмеридионального сжатия арктических континентальных окраин является процесс, описанный М.А. Гончаровым (Гончаров, 2002, 2007). В северной полярной области ориентировка оси максимального горизонтального сжатия в новейшее время обусловлена взаимодействием двух факторов: главным и дополнительным. Главным является осесимметричная конвекция в мантии, поверхностный поток которой направлен к северу вдоль меридианов. При этом направление сжатия - ЮС. Дополнительным фактором может быть левосдвиговое смещение Северного полушария относительно Южного полушария. Направление сжатия - ЮЗ-СВ. Интерференция этих двух полей напряжений как раз и обеспечивает ССВ-ориентировку оси максимального сжатия в северной полярной области. Аналогичная (ЮЮЗ-ССВ) ориентировка оси новейшего максимального сжатия

установлена при обнаружении, методами 3D сейсморазведки, нового типа нефтегазоносных структур платформенного чехла Западно-Сибирской плиты -эшелонированных сбросо-сдвигов «пропеллерного» типа (Гогоненков и др.. 2007).

Глава 3.3D модель напряженного состояния геопространства СГ-3.

Работы по изучению напряженного состояния Печенгской структуры и ее обрамления в разное время проводили Г.А. Марков (1965, 1973, 1980, 1981), П.Н. Николаев (1977, 1992), Ф.Ф. Горбацевич, Ю.П Смирнов (1998) и Н.Ю. Васильев. В начале этой главы описан вклад каждого из этих ученых в данную проблему.

Общая идеология исследования и методические подходы. В отличие от предыдущих исследований, наша работа основывается на понимании того факта, что большинство деформаций в природе проходит в исходно структурированной среде, где их реализация принципиально отлична от таковой в однородном материале. Это определяет специфику обобщения первичного геологического материала и упрощения в приложении к задачам тектонофизического моделирования.

Структурированность среды подразумевает наличие в ней разномасштабных, различных, часто иерархически соподчиненных структурно-вещественных неоднородностей, например первичную расслоенность толщ, внедрившиеся геологические тела (дайки, силлы, интрузии), разрывные нарушения, трещиноватость и т.д. Для более полного представления о характере структурной организации объема геопространства Кольской сверхглубокой скважины были использованы материалы площадного геологического картирования, результаты бурения, сейсмологические данные и полевые наблюдения.

Методическую основу исследований составляет сочетание анализа структурно-геологических данных с результатами тектонофизического моделирования деформаций в структурированной среде на оптически активных материалах, проводившихся в Лаборатории тектонофизики и геотектоники им. В.В. Белоусова Геологического факультета МГУ. При этом в качестве исходной структурированности модельных образцов принималась их предельно упрощенная "нарезка" на блоки системой наиболее крупных разрывных нарушений, рассекающих объем геопространства.

Поляризационно-оптический метод исследования напряжений на прозрачных моделях (метод фотоупругости) основан на способности большинства прозрачных изотропных материалов (стекло, целлулоид, бакелит, отвержденные эпоксидные смолы, желатин, агарин и др.) под действием напряжений и вследствие возникших при этом упругих деформаций приобретать свойство двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления связана с величиной напряжения и может быть измерена оптическим методом. Экспериментальные исследования проводятся на прозрачных моделях путем просвечивания их поляризованным светом. Моделирование напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины проводилось с помощью желатин-глицеринового студня, физические свойства которого хорошо изучены. Кроме того, в многочисленных работах разработаны критерии применимости этого материала для тсктонофизического моделирования [Осокина, Бондаренко, 1989; Бондаренко, 1989, Осокина, 1989].

Модели с «площадным» типом нарезки. Модель состояла из прямоугольного образца желатина, нарезанного на разновеликие блоки «разрывными нарушениями» в соответствии с картиной блоковой делимости фундамента Печенгской впадины и ее обрамления. Сжатие встречное, двухстороннее, в направлении северо-восток - юго-запад. В результате моделирования выделяется несколько крупных зон с повышенными значениями напряжения, большая часть из них располагается в правом борту долины реки Печенга; также весьма сильно оказался нагружен блок, располагающийся в центре Печенгской структуры, и один блок с крупным концентратором располагается в правом борту реки Титовка, в зоне сочленения разломов Титовский и Колмозеро-Воронье. Проведенное сравнение результатов моделирования с картой плотностей линеаментов, построенной для этой территории, показало высокую степень их схожести. Это сходство объясняется тем, что земная кора, представляющая собой сложную иерархически построенную систему блоков, при приложении к ней внешней нагрузки перераспределяет напряжения. В результате этого перераспределения возникают участки концентраторов напряжений, которые проявляют большую тектоническую активность, чем соседние, и, следовательно, выраженность их строения в линеаментной сети представлена более ярко.

Моделирование напряженного состояния, выполненного таким способом, недоучитывает горизонтальную неоднородность геологической среды. Изучение геопространства Кольской сверхглубокой скважины показало, что важную роль для Печенгской структуры имеют пологие надвиги, в то время как вертикальные разрывы носят подчиненный характер. Поэтому предложена новая методика создания моделей напряженного состояния полого-надвиговых структур -моделирование на вертикальных разрезах.

Моделирование на вертикальных разрезах. Эксперименты проводились на нескольких моделях, имитирующих структурированные вертикальные срезы-сечения северо-восточного простирания (параллельно оси максимального сжатия) через Печенгскую впадину. В качестве основных элементов исходного структурирования модели были выбраны главные разрывные нарушения, включающие тектоническую границу проходящую по подошве ждановской свиты.

Моделирование проводилось путем поперечного (имитировавшего природное горизонтальное сжатие ЮЗ-СВ направления) сжатия желатиновых образцов с исходной "нарезкой", имевших длину и высоту, пропорциональную протяженности и глубине геологического профиля, а толщину около 2,5-3 см. На поверхность образца перед началом деформации наносились круглые маркеры, которые находились внутри блоков и в непосредственной близости от разрывов. Получающиеся картины напряженного состояния, выраженные распределением изохром нескольких порядков, фиксировались в поляризованном свете. Всего было выполнено шесть серий экспериментов на шести субпараллельных профилях.

Обобщение результатов моделирования на разрезах. Моделирование на серии вертикальных субпараллельных разрезов через Печенгскую структуру позволило не только составить представление о характере напряженного состояния в разных сечениях рассматриваемого пространства, но и построить объемную 3D-модель (до глубины 15 км) вариаций напряженного состояния. Эта модель, построенная с помощью программного продукта IRAP RMS, позволяет наглядно представить трехмерное распределение потенциальных зон концентраторов напряжений и объемов их предположительной разрядки. Модель дает возможность рассчитать карты напряженного состояния по горизонтальным сечениям любого уровня глубинности.

На ЗО-модели наиболее хорошо выраженная цепочка повышенных значений напряжений протягивается вдоль Порьиташского разлома. Эта зона приподнята в центральной части (в районе профиля № 4). Она расположена на глубинах от 1 до 6 км, постепенно погружается в западном и восточном направлении, достигая глубины 12 км. Крупный максимум находится в пределах профиля № 4 на глубине 13-15 км и приурочен к нижним частям Кириеджипорского и Луотинского разломов. Серия небольших по объему концентраторов четко трассируется по узлам пересечения Кириеджипорского и Телевинского разломов в пределах профилей № 2, 3, 4 и расположена на глубине 5-6 км. В пределах Луотинского разлома также наблюдаются небольшие зоны с повышенными значениями напряжений в местах его пересечения с подошвой ждановской свиты. Кроме того, встречаются отдельные зоны, не протягивающиеся вдоль разломов, а локализующиеся в каком-либо одном его сечении. Так, отмечается зона на участке пересечения Ламасского и Телевинского разломов (профиль № 5). Небольшой максимум фиксируется на профиле № 6 в зонах пересечения Телевинского и Кучимтундровского разломов и Олежарвинского с Кучимтундровским.

Эта территория была выбрана для моделирования еще и потому, что здесь находится уникальный объект - Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3), пробуренная до глубины 12 262 м, следовательно, есть возможность сравнить результаты моделирования с данными по упругой анизотропии и напряжениям по стволу СГ-3.

Изучение физических, в том числе упругих, параметров по разрезу Кольской сверхглубокой скважины открывает уникальную возможность представить реальную модель изменений свойств и состояния кристаллических пород верхней части земной коры до глубины 12 км. К настоящему времени получен сравнительно большой объем данных по всему разрезу, вскрытому скважиной СГ-3. Результаты, полученные в последнее время, позволяют составить общее представление об упруго-анизотропных свойствах кристаллических пород разреза и, соответственно, об исходных параметрах напряжений.

Ф.Ф. Горбацевичем и Ю.П. Смирновым в разрезе СГ-3 были выделены 10 структурно-анизотропных этажей [Кольская сверхглубокая, 1984]. Сопоставление выделенных этажей с изменением напряженного состояния, полученного в

результате моделирования, позволило установить их тесную корреляцию. Так, величина напряженного состояния меняется на границах между вторым и третьим, четвертым и пятым, пятым и шестым, шестым и седьмым, седьмым и восьмым структурно- анизотропными этажами. Анизотропия пород, слагающих разрез СГ-3, и зоны повышенной кавернозности ствола скважины хорошо соотносятся с зонами повышенных напряжений. Таким образом, сопоставление данных, полученных геофизическими методами, с данными, полученными в результате моделирования, дает косвенное подтверждение того, что условия моделирования выбраны правильно и модель верно отражает современное распределение поля напряжений в геопространстве Кольской сверхглубокой скважины.

Заключение

Таким образом, выполненные для района геопространства Кольской сверхглубокой скважины комплексные исследования, включающие морфоструктурный анализ рельефа, дешифрирование топографической карты, космо- и аэроснимков, изучение полевыми тектонофизическими методами характера трещиноватости и борозд скольжения, позволили построить трехмерную модель напряженного состояния. Эта модель подтверждена независимыми исследованиями упруго-анизотропных свойств кристаллических пород разреза Кольской сверхглубокой скважины и позволяет выявить участки повышенных значений касательных напряжений, локализованные, главным образом, в местах пересечения пологих региональных надвигов с относительно более крутыми взбросами. Именно с этими участками могут быть связаны различные опасные геологические процессы (сейсмичность, горные удары и т.д.).

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Зайцев А.В. Создание трехмерной модели напряженного состояния Таллинской площади Кузбасса, по данным моделирования на оптически активных материалах. //Тезисы доклада на конференции молодых ученых и специалистов ОАО "Промгаз", Новокузнецк, 2006. С. 25-28.

2. Зайцев В.А., Секретов С.Б., Зайцев А.В. Детальная 3D геологическая модель участка проведения экспериментальных работ по добыче метана из угольных пластов скважиной УМ-1 (Южный Кузбасс). // Метан: Сборник научных трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка-2006». М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2006. С. 337-344.

3. Зайцев В.А., Зайцев А.В. Изучение напряженного состояния земной коры методами тектонофизического моделирования на оптически активных материалах. // Бюл. Моск. о-ва испытателей природы. Отд. геол. 2006. Т. 81., Вып. 5. С. 84.

4. Зайцев А.В. Изучение напряженного состояния земной коры методами тектонофизического моделирования с целью выделения зон перспективных для добычи метана из угольных пластов в Кузбассе. II Тезисы доклада на международной научной конференции «Ломоносов 2006». М.: МГУ, 2006.

5. Зайцев В.А., Зайцев А.В. Опыт разномасштабного структурного 3D моделирования Таллинской синклинали (Южный Кузбасс). // Фундаментальные проблемы геотектоники. Материалы XL Тектонического совещания. Том 1. М.: ГЕОС, 2007. С.255-258.

6. Зайцев В.А., Секретов С.Б., Зайцев А.В. Структурно-геологические особенности строения участка проведения экспериментальных работ по добыче метана из угольных пластов скважиной УМ-1 (Южный Кузбасс). // Материалы рабочего совещания «Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана». СПб.: ВНИМИ, 2007. С. 185-191.

7. Зайцев А.В. Изучение фрактальной размерности линеаментной сети Печенгской структуры. // Тезисы доклада на международной научной конференции «Ломоносов 2007». М.: МГУ, 2007.

8. Зайцев В.А., Зайцев А.В. Использование тектонофизического моделирования на оптически активных материалах для прогноза

нефтегазоносное™ краевых и внутренних морей. // Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики. Материалы XLI Тектонического совещания. Том 1. М.: ГЕОС, 2008. С.317-319.

9. Вовк B.C. Дзюбло А.Д. Холодилов В.А. Дмитриевская Т.В. Рябухина С.Г. Зайцев A.B. Прогноз нефтегазоносности Долганской площади по результатам моделирования на оптически активных материалах. // Геология нефти и газа. 2008, №3, С. 2-5.

10. Зайцев A.B. 3D модель напряженного состояния района Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 2008. С. 20-25.

11. Васюков В.Н., Рощина И.В., Зайцев A.B., Сторонский А.Н. Влияние геологической структуры на распределение дебитов метаноугольных скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2009 (в печати).

12. Зайцев В.А., Зайцев A.B., Гершаник С.Ю., Карасев П.С., Гудымов A.B. Особенности построения 3-х мерных геологических моделей метаноугольных месторождений (на примере Распадской площади, Кузбасс) // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2009 (в печати).

Подписано в печать 07.04.09 Формат 60x88 1/16. Объем 1.5 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 828 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Зайцев, Алексей Владимирович

Введение.

Глава

Краткий очерк геологического строения геопространства Кольской сверхглубокой скважины.

Строение участка «Прибрежный».

Строение района бухты Амбарная.

Строение района заложения района КСГ-3.

Строение п-овов Средний и Рыбачий.

Неотектонические исследования для Балтийского щита.

Глава

Неотектоническая активизация

Печенгской структуры и ее обрамления.

Анализ морфоструктуры поверхности гсопространства.

Обсуждение возможного времени формирования наблюдаемой морфоструктуры.

Результаты изучения линеаментно-разрывной сети геопространства СГпо материалам космо- и аэрофотосъемки.

Анализ результатов дешифрирования космо-аэрофотофотоснимков разных масштабов.

Анализ распределения разрывных нарушений по длинам.

Анализ плотности разрывных нарушений разного ранга.

Анализ простираний разрывных нарушений разной длины.

Статистический анализ трещиноватости.

Сейсмотектонические аспекты новейшей активизации объема геопространства.

Возможный генезис новейшего поля напряжений с ЮЮЗ-ССВ ориентировкой оси максимального сжатия.

Глава

3D модель напряженного состояния геопространства СГ-3.

История изучения напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины.

Общая идеология исследования и методические подходы.

Методика.

Описание экспериментов и результаты моделирования.

Модели с « площадным» типом нарезки.

Сравнение результатов площадного моделирования полей напряжений с картой плотностей линеаментов.

Моделирование на вертикальных разрезах.

Обобщение результатов моделирования на разрезах.

Сравнение результатов моделирования с данными по упругой анизотропии и палеонапряжениях в разрезе СГ-3.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Дизъюнктивная тектоника и новейшее напряженное состояние геопространства Кольской сверхглубокой скважины"

Актуальность темы. В современных представлениях о характере структурообразования в земной коре особое значение придается тому, что ответственные за это тектонические процессы реализуются через иерархическую систему полей напряжений и деформаций, воздействующих на неоднородную, структурированную среду. Под структурированностью среды понимается наличие в ней разномасштабных, часто иерархически соподчиненных, разного рода структурно-вещественных неоднородностей, типа первичной расслоенности толщ, внедрившихся геологических тел (даек, силлов, интрузий), разрывных нарушений, кливажа, трещиноватости и так далее. Учитывая направления сжатия и растяжения в такой среде, можно более точно представить себе как формируется структура, где возникают области концентраторов напряжений, а где фиксируются области «тектонического покоя».

Однако классические методы тектонофизического моделирования дизъюнктивных структур земной коры, как правило, недоучитывают тектоническую расслоенность геологической среды, концентрируя внимания главным образом на субвертикальпых разрывах. Изучение геопрострапства Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3), о которой речь пойдет ниже и которое послужило предметом данного исследования, показало, что важную роль в Печенгской структуре, в пределах которой расположена (СГ-3), играют как раз именно пологие надвиги, в то время как субвертикальные разрывы носят подчиненный характер.

Недоучет или игнорирование тектонической расслоенности геологической среды имеет своим следствием стремление при тектонофизическом моделировании ограничиться двумерной (213) постановкой задачи реконструкции поля напряжений и деформаций только в горизонтальной плоскости. Это особенно характерно для физического моделирования с применением эквивалентных материалов, когда имеется возможность четко зафиксировать то, что происходит на поверхности модели, без возможности «заглянуть внутрь» модельного образца.

Учет же тектонической расслоенности геологической среды, наличия в ней полого наклонных нарушений, принципиально невозможно без трехмерного (ЗБ) подхода к тектонофизическому моделированию. Наличие в исследуемом районе глубокой и хорошо задокументированной скважины СГ-3 позволяет сопоставить результаты моделирования с природной картиной деформаций и напряжений. Учитывая направления сжатия и растяжения можно более точно представить себе, как формируется тектоническая структура, где возникают области концентраторов напряжений, а где фиксируются области «тектонического покоя».

Цель н задачи исследований. Целью работы является анализ новейшего напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:

1. Изучить тектоническую делимость геопространства Кольской сверхглубокой скважины.

2. Провести структурно-парагенетический и кинематический анализ геологических объектов.

3. Разработать методику построения моделей напряженного состояния для полого-надвиговых структур.

4. Создать трехмерную тектонофизическую модель напряженного состояния Печенгской структуры и ее обрамления.

Методика исследования. В данной работе использовался комплекс методов, включающий в себя полевые исследования структурно-вещественных неоднородностей, данные, полученные дистанционными методами, и результаты тектонофизического моделирования. Помимо этого, проводилось сопоставление результатов моделирования с наблюдениями напряженного состояния в стволе скважины на глубину до 12 километров.

Фактический материал. В основу диссертационной работы положены полевые материалы, полученные автором в составе Кольской геологической партии ИФЗ РАН с 2000 по 2007 год. Помимо этого, в диссертацию включены материалы, собранные в результате проведения хоздоговорных и госбюджетных работ по темам: «Природа разномасштабных структурно-вещественных неоднородностей земной коры на примере геопространства Кольской СГС», «Структурно-геодипамическое районирование площадей (с применением геоинформационных технологий), е выделением зон, перспективных для добычи метана из угольных пластов в Кузбассе (структурно-кинематические и тектонофизические критерии прогнозирования зон, перспективных для добычи метана из угольных пластов в пределах Таллинского и Нарыкско-Осташкинского месторождений южного Кузбасса)», «Создание тектоподинамической модели формирования нефтегазоносности Долгинского вала» на кафедре динамической геологии за период с 2000 по 2008 год. Они включают как авторские полевые и камеральные исследования, так и результаты специальной обработки и анализа фондовых и литературных данных.

Научная новизна. Впервые построена трехмерная модель современного напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины. Данная модель создана на основе детального изучения разноранговых дизъюнктивных нарушений, а также кинематического анализа борозд скольжения. Показано, что трещиноватость является наложенной и относительно молодой. По бороздам скольжения с помощью кинематического метода, морфоструктурного анализа и решения очагов землетрясений установлено север северо-восточное сжатие. Предложена новая методика создания моделей напряженного состояния полого-надвиговых структур с использованием оптически активных материалов.

Практическая значимость работы. Для района Кольской сверхглубокой скважины построена трехмерная модель напряженного состояния. Модель позволяет выявить участки повышенных значений касательных напряжений, с которыми могут быть связаны различные опасные геологические процессы (сейсмичность, горные удары и т.д.).

При бурении глубоких скважин возникает проблема искривления ствола скважины, которое может быть связано с характером напряженного состояния среды. Так, в Кольской сверхглубокой скважине при бурении ствол имел тенденцию к искривлению, сохраняя перпендикулярность пластам. Все четыре аварии, произошедшие во время бурения, были связаны с зонами максимального искривления траектории бурения, которые, в свою очередь, связываются с резким изменением напряженного состояния среды.

Предложенная методика построения моделей напряженного состояния, может использоваться для моделирования газовых и нефтяных месторождений с трещиноватыми коллекторами. Так, данная методика использовалась при построении геолого-технологической модели Долгинского нефтяного месторождения, а также учитывалась при разработке метаиоугольных месторождений Кузбасса.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на международной научной конференции «Ломоносов 2006» и «Ломоносов 2007», ХЬ Тектоническом совещании «Фундаментальные проблемы геотектоники» (Москва, 2007), ХЫ Тектоническом совещании «Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики» (Москва, 2008), конференции молодых ученых и специалистов ОАО "Промгаз" (Новокузнецк, 2006), симпозиуме «Неделя горняка-2006» (Москва, 2006), рабочем совещании «Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана» (С.-Петербург, 2007).

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 12 печатных работах, из них 8 в соавторстве, а также в 5 научно-производственных отчетах.

Структура работы. Работа состоит из введения, 3 глав и заключения, общим объемом 170 страниц машинописного текста, содержит 74 иллюстрации в виде 71 рисунка и 3 таблиц. Список использованной литературы включает 103 названия.

Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю, доктору геол.-мин. наук, заведующему лабораторией тектонофизики и геотектоники им. В. В. Белоусова Михаилу Адриановичу Гончарову за постоянную и разностороннюю помощь в ходе подготовки диссертации. Особую благодарность автор выражает начальнику Кольской геологической партии ИФЗ РАН доктору геол.-мин. наук Ю.А. Морозову, научному руководителю темы доктору геол.-мин. наук В.Н. Шолпо, а также всем геологам этого отряда: М.С. Фельдману, A.JL Кулаковскому, A.B. Мараханову и всем друзьям и коллегам, принимавшим участие в полевых работах.

Слова признательности за постоянное внимание к работе и ценные консультации автор выражает заведующему кафедрой динамической геологии геологического факультета МГУ профессору Н.В. Короновскому и профессорам кафедры М.Г. Ломизе, А.Г. Рябухину, H.A. Божко, а также сотрудникам и преподавателям кафедры Г.В. Брянцевой, А.И. Гущину, Л.И. Деминой, В.А. Зайцеву, B.C. Захарову, Н.В. Лубниной, Н.В. Макаровой, A.A. Наймарку, Л.В. Паниной, А.И. Полетаеву, А.Н. Стафееву, Н.С. Фроловой. Автор искренне благодарен М.А. Романовской за внимание, проявленное во время всего обучения.

Отдельную благодарность автор выражает всем сотрудникам НПЦ «Кольская сверхглубокая», директору НПЦ Д.М. Губерману, главному геологу Ю.Н. Яковлеву и заместителю главного геолога Ю.П. Смирнову.

Заключение Диссертация по теме "Геотектоника и геодинамика", Зайцев, Алексей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, выполненные для района геопространства Кольской сверхглубокой скважины комплексные исследования, включающие морфоструктурный анализ рельефа, дешифрирование топографической карты, космо- и аэроснимков, изучение полевыми тектонофизическими методами характера трещиноватости и борозд скольжения, позволили построить трехмерную модель напряженного состояния. Эта модель подтверждена независимыми исследованиями упруго-анизотропных свойств кристаллических пород разреза Кольской сверхглубокой скважины и позволяет выявить участки повышенных значений касательных напряжений, локализованные, главным образом, в местах пересечения пологих региональных надвигов с относительно более крутыми взбросами. Именно с этими участками могут быть связаны различные опасные геологические процессы (сейсмичность, горные удары и т.д.).

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выявлен характер тектонической делимости Печенгской структуры и ее обрамления. Показано, что грещиноватость является наложенной и относительно молодой. По бороздам скольжения с помощью кинематического метода, морфоструктурного анализа и решения очагов землетрясений установлено север северо-восточное сжатие.

2. Предложена новая методика моделирования напряженного состояния геологических объектов, имеющих полого-надвиговую структуру, заключающаяся в моделировании с помощью оптически активных материалов серии вертикальных срезов-сечений, параллельных направлению сжатия. Результаты моделирования с помощью специального программного обеспечения экстраполируются на весь изучаемый объем.

3. Впервые построена трехмерная модель новейшего напряженного состояния Печенгской структуры (до глубины 15 км.), благодаря которой выявлены области с повышенными значениями напряжений, приуроченные, главным образом, к зонам пересечения крупных разрывных нарушений.

4. Наличие на изучаемой территории уникального объекта - "Кольская сверхглубокая скважина", - позволило провести сопоставление результатов моделирования с данными по упругой анизотропии и напряженному состоянию по стволу скважины и показать, что имеет место хорошая сходимость между вышеперечисленными параметрами. Это позволяет утверждать, что условия моделирования выбраны правильно и данная модель верно отражает современное распределение полей напряжений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Зайцев, Алексей Владимирович, Москва

1. Зайцев A.B. Создание трехмерной модели напряженного состояния Таллинской площади Кузбасса, по данным моделирования на оптически активных материалах. Тезисы доклада на конференции молодых ученых и специалистов ОАО "Промгаз", Новокузнецк, 2006.

2. Зайцев В.А., Зайцев А.В.Изучение напряженного состояния земной коры методами тектонофизического моделирования на оптически активных материалах.//Бюл. Моск. о-ва испытателей природы. Отд. геол. 2006, Т.81, вып.5. с.84.

3. Зайцев В.А., Зайцев A.B. Опыт разномасштабного структурного 3D моделирования Талдинской синклинали (Южный Кузбасс). // Фундаментальные проблемы геотектоники. Материалы XL Тектонического совещания. Том 1.-М.: ГЕОС, 2007. с.255-258.

4. Зайцев A.B. Изучение фрактальной размерности липеаментной сети Печенгской структуры.// Тезисы доклада на международной научной конференции «Ломоносов 2007». МГУ, 2007.

5. Вовк B.C. Дзюбло А.Д. Холодилов В.А. Дмитриевская Т.В. Рябухина С.Г. Зайцев А.В Прогноз нефтегазоносности Долгинской площади по результатам моделирования на оптически активных материалах. // Геология нефти и газа. 2008, №3, с. 2-5.

6. Зайцев A.B. 3D модель напряженного состояния района Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). // Вестник МГУ, сер.4 геология. 2008, с. 20-25.

7. Васюков В.Н., Рощина И.В., Зайцев A.B., Сторонский А.Н. Влияние геологической структуры на распределение дебитов метаноугольных скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2009. (В печати).

8. Анохин В.М., Одесский И.А. Характеристики глобальной сети планетарной трещиноватости // Геотектоника. 2001. № 5. С. 3-9.

9. Архейский комплекс в разрезе СГ-3 / под ред. Ф.П. Митрофанова. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН СССР, 1991. 186 с.

10. Афанасьева Н.С. Башилов В.И Брюханов В.Н. и др. Космогеология СССР Недра, 1987.

11. Балашов Ю. А., Ветрин В. Р., Реконструкция геодинамических обстановок архейского магматизма и осадконакопления, В кн.: Архейский комплекс в разрезе СГ-3, с. 61-66, Изд. Кольского научного центра РАН, Апатиты, 1991.

12. Балашов Ю.А., Федотов Ж.А., Скуфьин П.К. Rb-Sr-адтирование нижней вулканогенной толщи печенгского комплекса (Кольский полуостров) // Геохимия. 1993. №12. С. 1769-1774.

13. Баркин Ю.В. Небесная механика ядра и мантии Земли: геодинамические и геофизические следствия // Тектоника земной коры и мантии. Тектонические закономерности размещения полезных ископаемых. Ред. Ю.В. Карякин. Т. 1. М.: ГЕОС, 2005. С. 30-33.

14. Батиева И. Д., Бельков И.В., Ветрин В.Р. и др. Гранитоидные формации докембрия северо-восточной части Балтийского щита. JL: Наука, 1978. 264 с.

15. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Приливное деформирование планет: опыт экспериментального моделирования // Геотектоника. 1991. № 6. С. 21-35.

16. Богданов H.A. Тектоника Арктического океана // Геотектоника. 2004. №3. С. 13-30.

17. Бондаренко П.М. Моделирование тектонических полей напряжений элементарных деформационных структур // Экспериментальная тектоника (методы, перспективы, результаты). М., «Наука», 1989. С. 126-162.

18. Вегенер А. Происхождение континентов и океанов. JL: Наука, 1984. 286 с.

19. Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление.- М.: Наука, 1991

20. Геоморфология Карелии и Кольского полуострова./Легкова В.Г., др. Л.: Недра, 1977 (ГККП1977).

21. Гзовский М.В. Математика в геотектонике. М.: Недра, 1971.240 с.

22. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Недра, 1975. 536 с.

23. Гогоненков Г.Н., Кашик A.C., Тимурзиев А.И. Горизонтальные сдвиги фундамента Западной Сибири. Геология нефти и газа. 2007. №3. С. 311.

24. Гончаров М.А. Компенсационная организация тектонического течения и структурные парагенезы// Геотектоника. 1993. № 4. С. 19-29.

25. Гончаров М.А. Западная и северная компоненты дрейфа континентов как результат вынужденной конвекции в мантии по «правилу буравчика» // Тектоника и геофизика литосферы. Ред. Ю.В. Карякин. Т. 1. М.: ГЕОС, 2002. С. 128-131.

26. Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. М.: Книжный дом «Университет», 2005. 496 с.

27. Гончаров М.А. Количественные соотношения геодинамических систем и геодинамических циклов разного ранга // Геотектоника. 2006. № 2. С. 323.

28. Гончаров М.А. Кинематическая модель северной компоненты дрейфа континентов как причины расширения Южного и сокращения Северного полушариев Земли // Ротационные процессы в геологии и физике. Отв. ред. Е. Е. Милановский. М.: КомКнига, 2007. С. 279-286.

29. Горбацевич Ф.Ф. Анизотрапия поглощения сдвиговых колебаний в горных породах // Изв. АН СССР. Сер.: Физика Земли. 1990. №5. С. 70-79.

30. Горбацевич Ф.Ф., Басалаев А.А. Опыт определения параметров палеонапряжений с применением акустополяризационного метода. // Изв. РАН. Сер.: Физика Земли. 1993. №7. С. 24-31.

31. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН СССР, 1995. 204 с.

32. Горбунов Г.И. Геология и генезис сульфидных медно-никелевых месторождений Печенги. М., Недра. 1968. 352 с.

33. Грушинский А.Н., Строев П.А., Корякин Е.Д. Строение литосферы Антарктики и ее изостатическое состояние // Отечественная геология. 2004. № 2. С. 30-36.

34. Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции полей тектонических напряжений. В кн. "Поля напряжений и деформации в литосфере". М.: 1979. С. 7-25.

35. Епинатьева A.M. Кольская сверхглубокая скважина и ее влияние на сейсмический метод исследований // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1989. №5. С. 35-46.

36. Жариков В.А. Некоторые аспекты проблемы гранитообразования. //Вестник МГУ. Геология. 1996. №4, с. 3-12

37. Зайцев В.А., Морозов Ю.А., Шолпо В.Н. Структурно-кинематический анализ деформаций рифейского комплекса полуостровов Рыбачий и Средний. В сб.: Тектоника неогея: общие и региональные аспекты. Материалы XXXIV Тектонического совещания. М.: ГЕОС, 2001 г.

38. Загородный В. Г., Радченко А. Т., Тектоника раннего докембрия Кольского полуострова (состояние изученности и проблемы). JL: Наука, 1983. 96 с.

39. Загородный В. Г., Радченко А. Т., Тектоника карелид северовосточной части Балтийского щита. JL: Наука, 1988. 111 с.

40. Казанский В.И., Кременецкий A.A., кузнецов Ю.И., Ланев B.C. Глубинное строение Печенгского рудного района по материалам сверхглубокого бурения // Глубинные условия эндогенного рудообразования. М.: Наука, 1986. С. 219-234.

41. Кольская сверхглубокая. Исследования глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. М: Недра, 1984. - 490 с.

42. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. -М: МФ «ТЕХНОНЕФТЕГАЗ», 1998. -260 с.

43. Короновский Н.В.,Сим Л.А.,Зайцев В.А. Новейшая тектоника и поля напряжений Европейского Севера России. // Геология. 4.1. Программа "Университеты России". М. Изд-во Моск. ун-та, 1993. С. 124-128.

44. Кошечкин Б.И. Рельеф Кольского полуострова. JL, 1969

45. Крапивнер Р.Б. Признаки неотектонической активности Баренцевоморского шельфа // Геотектоника. 2007. № 2. с. 73-89. с. 73.

46. Кременецкий A.A. Метаморфизм основных пород докембрия. М.: Наука, 1986. 262 с.

47. Кременецкий A.A., Овчинников JI.H. Геохимия глубинных пород. М.: Наука, 1986. 262 с.

48. Литвиненко И.В. Сейсмические границы земной коры Балтийского щита // Восточная часть Балтийского щита (геология и глубинное строение). Л.: Наука, 1975. С. 151-155

49. Лукк A.A., Дещеревский A.B., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. М.: ОИФЗ РАН, 1996. -210 с.

50. Любцов В.В., Предовский A.A. К стратиграфии верхнепротерозойских отложений Кольского побережья (Баренцевоморский регион) //Стратиграфия. Геологическая корреляция. 1998. Т.6, №3. С. 17-28

51. Магматизм, седиментогинез и геодинамика Печенгской палеорифтогенной структуры. Апатиты. 1995. 256с.

52. Марков Г. А., Савченко С. Н. О влиянии неровностей земной поверхности на распределение напряжений в массиве пород под действием горизонтальных сил.— В кн.: Разработка рудных месторождений Кольского полуострова. Изд. КФ АН СССР, 1973, с. 30—33.

53. Марков Г. А. О распространении горизонтальных тектонических напряжений вблизи поверхности в зонах поднятий земной коры —Инж. геол., 1980, № 1,с. 20—30.

54. Марков Г. А., Ловчиков А. В., Еремин В. И. Повышение устойчивости выработок в условиях влияния тектонических сил.— Цветная металлургия, 1980, № 16, с. 5—8.

55. Марков Г.А. О происхождении и закономерностях проявления горизонтального сжатия в массивах горных пород в верхней части земной коры // Геотектоника. № 3, 1983. -С.32-41.

56. Методические рекомендации по изучению напряженно-деформированного состояния горных пород на различных стадиях геологоразведочного процесса. М.: ВНИИгеоинформсистем, 1987. 116 с.

57. Милановский Е.Е., Никишин A.M. Западно-Тихоокеанский рифтовый пояс // Бюлл. Моск. о-ва испытателей природы. Отд. геол. 1988. Т. 63. Вып. 4. С. 3-15.

58. Митрофанов Ф.П., Яковлев Ю.Н., Смирнов Ю.П., и др. Архейский комплекс в разрезе СГ-3. Апатиты: изд. КНЦ РАН АН СССР, 1991. 186 с.

59. Морозов Ю.А., Гептнер Т.М. Сопоставление природных и экспериментальных воспроизведенных структурных ансамблей,сформированных в условиях транспрессии и транстенсии. // Проблемы эволюции тектоносферы. М. ОИФЗ РАН, 1997, с.219-258

60. Моссаковский A.A., Пущаровский Ю.М., Руженцев C.B. Крупнейшая структурная асимметрия Земли // Геотектоника. 1998. № 5. С. 318.

61. Мусатов Е.Е. Рубежи тектоно-магматической активизации в позднемезозойской кайнозойской эволюции Арктики // Тектоника, геодинамика и процессы магматизма и метаморфизма. Том II. М., 1999. С. 2629.

62. Негруца В.З. Стратиграфия гиперборейских отложений полуострова Рыбачего, Среднего и острова Кильдина. Проблемы геологии докембрия Балтийского щита и покрова Русской платформы. Тр ВСЕГЕИ Нов. сер. 1971. Т.175 С. 153-186.

63. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. М.: Недра, 1988. 491 с.

64. Николаев П.Н. Методика статистического анализа трещин и реконструкция полей тектонических напряжений. // Изв. вуз. Геол.и разв. 1977. № 12. С 113-127.

65. Николаев П.Н. Методика тектонодинамического анализа. М.: Изд. Недра. 1992. 294 с.

66. Никонов A.A. Развитие рельефа и палеогеграфия антропогена на западе Кольского полуострова. M. JL: Наука, 1964.

67. Осокина Д.Н. Моделирование тектонических полей напряжений, обусловленных разрывами и неоднородностями в земной коре // Экспериментальная тектоника (методы, перспективы, результаты). М., «Наука», 1989. С. 163 196.

68. Осокина Д-Н. Пластичные и упругие низкомодульные оптически-активные материалы для исследования напряжений в земной коре методом моделирования. М., Изд-во АН СССР, 1963. 196 с.

69. Петров В.П., Беляев O.A., Волошина З.М. и др. Метаморфизм супракрустальных комплексов раннего докембрия. Л.: Наука. 1986. 272 с.

70. Петрофизика// Справочник. В Зт. М.: Недра, 1992. 391с., 256с.,288 с.

71. Радченко А.Т., Балаганский В.В., Виноградов А.Н. и др. Докембрийская тектоника северо-восточной части Балтийского щита (объяснительная записка к тектонической карте масштаба 1:500 ООО). СПб.: Наука, 1992, 110с.

72. Радченко А.Т., Балаганский В.В., Басалаев A.A. и др. Объяснительная записка к геологической карте северо-восточной части Балтийского щита масштаба 1:500 000. Препринт. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1994. 95с.

73. Расцветаев Л.М. Структурные рисунки трещиноватости и их геомеханическая интерпретация // ДАН СССР. 1982. т. 267, № 4. С. 904-909.

74. Рац М.В., Чернышов С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1970. 164 с.

75. Рубинраут Г.С. Морфотектоника Кольского полуострова/ АН СССР. Апатиты, 1987

76. Сейсмологеологическая модель литосферы Северной Европы: Лапландско Печенгский район. Кол. Авт. Под ред. Шарова Н.В. Апатиты: изд. КНЦ РАН, 1997. 226 с.

77. Смолькин В.Ф., Митрофанов Ф.П., Аведисян A.A. Магматизм, седиментогенез и геодинамика Печенгской палеорифтогенной структуры. Апатиты, КНЦ РАН, 258 е., 1995.

78. Смолькин В.Ф., Скуфьин П.К., Митрофанов Ф.П., Мокроусов

79. B.А. Стратиграфия и вулканизм раннепротерозойской Печенгской структуры (Кольский полуостров) // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 1996. №1.1. C. 82-100.

80. Смыслов A.A., Дортман Н.Б., Ланев B.C., Магид М.Ш. Вещественный состав и петрофизическая характеристика земной коры поданным сверхглубокого бурения // Глубинные исследования недр в СССР. JL: Изд-во ВСЕГЕИ, 1989. С. 249-268.

81. Спиридонов A.B. О палеосейсмодислокациях в районе Печенгской структуры // Геофизические исследования: сб. науч. тр. / Институт физики Земли РАН. М., ИФЗ РАН, 2005. Вып. 4. С. 79-84.

82. Трифонов В.Г., Певнев А.К. Современные движения земной коры по данным космической геодезии // Фундаментальные проблемы общей тектоники. М.: Научный мир, 2001. С. 374-401.

83. Трумбачев В.Ф., Молодцова JI.C. Применение оптического метода для исследования напряженного состояния вокруг горных выработок. М., Изд-во АН СССР. 1963.95 с.

84. Федотов Ж.А., Федотова М.Г. Корреляция дайковых образований Печенгского и Центрально-Кольского районов // Рои мафических даек как индикаторы эндогенного режима (Кольский полуостров). Апатиты. КНЦ АН СССР. 1989. с. 5-16

85. Федотова М.Г. Региональная зональность гидротермальной минерализации, связанной с мафическими дайками на мурманском побережье. //Рои мафических даек как индикаторы эндогенного режима (Кольский полуостров). Апатиты. КНЦ АН СССР. 1989. с. 106-111.

86. Фрохт М. Фотоупругость. Т. 1 и 2. М., ОГИЗ, 1948, 1950.

87. Хаин В.Е. Тектоника континентов и океанов (год 2000). М.: Научный мир, 2001. 606 с.

88. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. 2-е изд. М.: Книжный дом «Университет», 2005. 560 с.

89. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука СО АН СССР, 1977. 102 с.

90. Шерман С.И. Активизация разломов // Структурные элементы земной коры и их эволюция. Новосибирск: Наука, СО, 1983. С. 115—118.

91. Шерман С.И. Днепровский Ю.И Поля напряжений земной коры и геолого-структурные методы их изучения Новсибирск: наука. Сиб. отд-ние1989.

92. Bayanova T., Smolkin V. F. U-Pb isotopic study of layered intrusions of the northen Pechenga area, Kola Peninsula // Program and Abstract IGGP Project 336 Symposium in Rovaniemi, Finland, August 21-23, 1996. University of Turku, Publ. 33.1996. P. 49

93. Balashov Yu.A., Bayanova T.B., Mitrofanov F.P. Isotope data on the age and genesis of layered basic-ultrabasic intrusions in the Kola Peninsula and northern Karelia, northestern Baltic Shield // Precambrian Res. 1993. V. 64. № 1-4. P. 197-205.

94. Geology of the Kola peninsula (Baltic shield) ed. Mitrofanov F.P.// Rus.Ac.Sci., Kola Sci.Centre, Apatity, 1995, 144 p.

95. Hanski E., Huhma II., Smolkin V.F. Vaasjoki M. The age of the ferropicritic volcanic and comagmatic Ni-bearing intrusions at Pechenga, Kola \ Peninsula, USSR// Bull. Geol. Soc. Finl. 1990. №62. 2. P. 123-133.

96. Mitrofanov F.P., Pozhilenko V.I., Smolkin V.F. et al. Geology of the Kola Peninsula. Apatity, 1995. 145 p.

97. Mitrofanov F.P., Balagansky V.V., Balashov Yu.A., Dokucheva V.S., Ganniball L.F., Nerovich L.L., Radchenko M.K., Ryungenen G.I. U-Pb age of gabbro-anorthosite massifs in the Lapland Granulite Belt // Nor. Geol. Unders. Special Publ. 7. 1995. p.179-183.

98. Peulvast J.-P. Post-orogenic morphotectonic evolution of the Scandinavian Caledonides during the Mesozoic and Cenozoic // The Caledonide

99. Orogen Scandinavia and Related Areas. Ed. D.G.Gee end B.A.Sturt. 1985. pp.979995

100. Roberts D. Principal features of the structural geology of Rybachi and Sredni peninsulas, Northwest Russia, and some comparisons with Varanger Peninsula, North Norway //Nor. geol. unders. Special Publ.7, 1995. P. 247-258.

101. Smith A.D., Lewis Ch. Differential rotation of lithosphere and mantle and the driving forces of plate tectonics // Journal of Geodynamics. 1999. Vol. 28. N2/3. P. 97-116.

102. Scotese C.R., Golonka J. PALEOMAP Paleogeographic Atlas, PALEOMAP Progress Record N 20. Department of Geology, University of Texas at Arlington. 1993. 28 maps.

103. Wahlstrom R., Assinovskaya B.A. Seismotectonics and Litospheric Stresses in the Northern Fennoscandian Shield.// Geophysica, 1998, v34, n.1-2, pp.

104. Walker, R.J., Morgan, J.W., Hanski, E.J. and Smolkin, V.F. The role of the Re-Os system in the study of magmatic sulfide ores: A tale of three ores. // Ontario Geological Survey Spec. Pub. №5, 1994. P. 343-355.51.61