Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Газогеохимические эффекты современной геодинамической активности платформенных структур

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Автореферат диссертации по теме "Газогеохимические эффекты современной геодинамической активности платформенных структур"

россшская академия наук объединенный институт физики земли им. о.ю.пэдта

На правах рукописи УДК 550.8:551.24

ГУСЕВ Андрей Петрович ГАЗОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ

активности ттфотаенных структур

(НА ПРИМЕРЕ ПГО-ВОСГОЧНОЛ БЕЛОРУССИИ) Специальность 04.00.04- "Геотектоника"

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-шнералогических наук

Москва 1997 г.

I и О,.

г ь нон

Работа выполнена в Гомельском государственном университете им. Ф.Скориш

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор И.Г.Киссин Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Е.А.Роговин

доктор геолого-минералогических наук Б.М.Валяев

Ведущая организация: Геологический институт РАН

Защита состоится "?£ "н*>лЦ*-з< 1997 г. в_чэсое

на заседании специализированного совета К.002.08.02 при Объединенном институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта по адресу: 123310, Москва Д-242, Б.Грузинская 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института физики Земли им. О.Ю.Шмидта

Автореферат разослан: " п " оу^л^/Л 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. фаз.-мат. наук

Э.А.Боярский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы определяется тем, что современные глубинные геодинамические процессы, протвкаицго в зонах разломов земной корн, являются мощным фактором, влияние которого может приводить к авариям технических систем и объектов. Постоянный рост анергонасыщенности техносферы, урбанизация, строительство и эксплуатация сложных технических сооружений влекут за собой увеличение опасности данных аварий, в ряде случаев превращают их в катастрофы с региональными и даш глобальными экологическими последствиями. Вследствие этого возникают важные задачи: выявление геоди-намически активных зон, контроль их состояния и прогнозирование возможного влияния глубинных гводинамических процессов на природ-но-твхнические системы и объекты, аварии которых сопряквны с тяжелыми экологическими последствиями (АЭС, предприятия химической промышленности, гидротехнические соорукэния, хранилища радиоактивных и токсичных отходов и т.д.).

Эти задачи решаются ?яногие десятки лет в сейсмоактивных областях. Разработаны и опробованы многочисленные геофизические, геохимические, гидрогеологические, геодезические и другие методы контроля современной геодинамики. Широко ведутся работы, связанные с прогнозом землетрясений и вулканических извержений. Исследования последних 20 лет показали, что современные геодинамяческиэ процессы в виде тектонических двивэний и флвдцопереноса, проявляются на территории асэйсмичных и слабосейсмячных регионов, каким, например, является Белоруссия.

Изучение геодинамической активности на территории Белоруссии является актуальным вследствие наличия в данном регионе большого числа объектов энергетики, химической и горнохимической промышленности, а также слабой защищенностью природных экосистем в случав аварий технических объектов.

Цель работы- Определение закономэрностей пространственно-временной структуры газогеохимических полей в приповерхностных отложениях, в связи с современной геодинамической активностью зон глубинных разломов юго-востока Белоруссии. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

-создание методик подпочвенной водородной съемки и водородного мониторинга в подпочвенном воздухе;

-оборудование наблюдательной сети на различных по геодинамической активности участках юго-востока Белоруссии;

-изучение пространственного распределения газогеохимических полей в приповерхностных отложениях и выявление газовых аномалий, связанных с геодинамикески активными разломами земной коры;

-выявление временных вариаций газогеохшических показателей, обусловленных современными тектоническими движениями и флшдомас-сопереносом в зонах разломов.

Методика исследований включала проведение площадных газогеохи-мичэских съемок, выбор и оборудование наблюдательной сети, осуществление решмных газогеохшических наблюдений, эксперименты в лабораторных и натурных условиях, а также комплексную интерпретацию результатов с использованием дополнительной геолого-геофизической информации.

Фактический материал получен автором диссертации в ходе площадных съемок и решшных наблюдений в течение 1993-1995 гг. В работе использовались результаты исследований кафедры геофизики ГГУ, в которых принимал участие автор, а также фондовые и опубликованные материалы по геологии, тектонике, гидрогеохиши и современной геодинамике юго-востока Белоруссии.

Научная новизна. 1. Впервые для юго-востока Белоруссии проведены исследования пространственно-временной структуры газовых полей в приповерхностных отложениях, позволившие выявить площадные газогеохимические аномалии, связанные с глубинными разломами и временные вариации газогеохимических показателей, обусловленные современными тектоническими процессами.

2. Рекимные наблюдения за содерЕаниями водорода и радона в подпочвенном воздухе позволили изучить влияние на поведение этих газов основных факторов, таких, как: температура, атмосферное давление, влавность, земнопршшвные силы, современные тектонические движения. Обнаружены 12 и 24 часовые вариации водорода, связанные с земноприливными деформациями. В ходе исследований установлено, что появление в спектре колебаний водорода данных гармоник зависит от тектонического строения участка наблюдений.

3. Впервые для слабосейсмичной территории обнаружены газогеохимические эффекты современных тектонических движений, выражавшиеся в значительных аномалиях содержаний водорода и радона в подпочвенном воздухе длительностью от нескольких суток до первых недель.

4. В ходе изучения пространственной структуры водородного поля установлено, что ряд тектонических нарушений северо-восточной части Приютского прогиба и юго-западного склона Воронеяской антекли-зы трассируется аномалиями повышенного содернания водорода в подпочвенном воздухе. При сопоставлении результатов водородной съемки с результата»® водногелиевой съемки получена хорошая корреляция мэзду этими показателями.

Защищаемые полокенид.

1. Современные тектонические процессы в пределах платформенных областей отражаются во временных изменениях подпочвенных газов, что позволяет использовать газогеохимические методы при геодинамическом мониторинге земной коры на участках АЭС, горнохимических комбинатов и других технических объектов, аварии которых сопряяены с масштабными экологическими катастрофами.

2. Взаимосвязь газовых полей с тектоническим строением позволяет выявлять зоны глубинных геодинашчески активных разломов и учитывать их при размещения слошых технических систем.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования показали, что газогеохимический метод в комплексе с другими методами (геофизическими, гидрогеологическими, гндрогеохшическими, геодезическими) мокет использоваться для изучения современных геодинамических процессов и контроля напрягенно-деформированного состояния земной коры. Обнаруженные газогеохимические эффекты современных тектонических двияешй необходимо учитывать при сейсмопрогнос-тических исследованиях. Выявленные в данной работе особенности водородного поля приповерхностных отлокений и разработанные методики наблюдений могут использоваться при геоэкологическом мониторинге геодинамических процессов. Обнаруженные техногенные аномалии подпочвенного водорода являются индикатором коррозионных процессов, что позволяет применять водородную съемку при контроле состояния подземных технических систем.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались в 1993-1997 гг на научных семинарах геолого-географического факультета ГТУ ем. ф.Скорины и ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, международной научно-технической конференции "Экологическое моделирование и оптимизация в условиях техногенеза" (Минск, 1996), научно-технической конференции "Устойчивость щяфодной среды в условиях техногенеза" (Минск, 1997), научно-практической конференции

молодых ученых "Ыолодекь и экологические проблемы современности'* (Гомель, 1997), научно-технической конференции колодах ученых "Проблемы экологии и экологической безопасности" (Липецк, 1997); отражены в 3 научно-исследовательских отчетах и опубликованы в 12 научных статьях.

Автор искренне благодарит научного руководителя доктора геолого-минералогических наук И.Г.Киссина, за поддержу и постоянное внимание, а также доктора геолого-минералогических наук Г.И.Войто-ва и доктора физико-математических наук В.П.Рудакова, чья помощь и сотрудничество сыграли значительную роль при выполнении работы. Автор глубоко признателен за поддержку и ценные советы кандидатам геолого-минералогических наук А.М.Гумену и А.П.Пинчуку.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит стр. машинописного текста, 26 рисунков, 10 таблиц, а такие список литературы из 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дано краткое изложение вопросов, определяющих содержание диссертации, актуальность решаемых задач, цель и задачи исследований, научную новизну и практическую ценность работы.

Глава 1. Геолого-геофазическая характеристика и современная геодинамическая активность юго-востока Белоруссии.

Район исследований расположен в зоне сочленения Припятского прогиба, Воронежской антеклизы и Кюбинской седловины. Сейсмические и геоэлектрические исследования обнарукили наличие в северной части Припятского прогиба локальных аномалий, интерпретируемых как волноводы, связанные с зонами разуплотнения вещества коры. Данные аномалии, располокенные на глубинах 14-20 км и 75-80 км, характеризуются пониженными значениями сейсмических скоростей и повышенными значениями электропроводности. По заключению Р.Г.Гарецкого и др. здесь находится сквозная субвертикальная зона, представляющая собой систему взаимосвязанных участков плавления и разуплотнения вещества, насыщенная флюидами. Поток глубинного тепла через ослабленную область обуславливает геотермические аномалии северной части прогиба. Здесь происходит увеличение теплового потока до 70-90

мВт/м2 (при фоне 30-40 мВт/м2), определяемое значительным вкладом конвективной составляющей потока, вследствие высокой геодинамической мобильности.

Наличие ослабленной субвертикальной зоны определяет современную геодинамическую активность северо-восточной части Припятского прогиба и соседней территории. Современная геодинамическая активность проявляется в виде интенсивных вертикальных движений земной поверхности (до 20-30 мм/год), пространственно-временных вариациях гравитационного и геомагнитного полей- соответственно до 0,15-0,2 мГал/год и 8-12 нТл/год (В.А.Сидоров, 1989). Исследования показывают, что максимальные аномалии вертикальных двинений земной поверхности и геофизических полей приурочены к узким (шириной 1-2 км) зонам, соответствующим разрывным нарушениям, светодальномерные наблюдения выявили существенные горизонтальные движения, при которых относительные дефорлации достигают 10_5/год (В.А.Сидоров, 1389).

Процессы, связанные с миграцией глубинных флюидов в зонах разломов, определяют водногелиевые и гидрогеохимические аномалии северо-восточной части Припятского прогиба. Опробование сквакин первых напорных горизонтов позволило выявить в них значительные концентрации водорастворенного гелия при приближении к зонам разрывных нарушений. Изучение изотопного состава гелия северной части прогиба установило присутствие мантийного компонента (И.И.Прасо-лоз, 1990). Области разгрузки глубинных флюидов в верхние слои осадочного чехла характеризуются такае аномальным увеличением минерализации грунтовых вод до 12 г/л, при фоновых значениях 0,2-0,5 г/л (В.А.Сидоров, 1989). Изучение временных изменений гелиенасы-щенности и химического состава подземных вод выявило их нестабильность, свидетельствующую о неустойчивости во времени флюидной разгрузки по зонам разрывных нарушений (В.А.Сидоров, 1989).

Прецизионные уровнеметрические измерения в скванинах, располо-кэнных в пределах северо-восточной части Припятского прогиба и юго-западного склона Воронежской антеклизы, выявили гидрогеологические эффекты современных геодинамических процессов. Эти исследования показали, что геодшамически активными зонами являются не только участки на территории Припятского прогиба, но некоторые участки Воронежской антеклизы (А.М.Гумен, 1993).

Глава 2. Методика газогеохимических исследований и обработки результатов

В данной главе рассмотрены методические и аппаратурные аспекты площадных и реюшных газогеохиыических исследований, дано обоснование критериев выбора участков для рекимных наблюдений и изложены основы обработки газогеохимических наблюдений.

Приводится методика приповерхностной водородной съемки. Для измерения концентрации молекулярного водорода в подпочвенном воздухе использовался водородный газоанализатор, действие которого основано на зависимости электрической емкости структуры металл-диэлектрик-проводник (81-3102-Ра) от объемного содержания водорода. Аппаратура разработана в МИФИ (Ю.А.Быковский, В.П.Козленков, И.Н.Николаев, О.А.Уточкин, 1991) и опробована при газогеохимических исследованиях в ОШЗ (Г.И.Войтов, В.П.Рудаков, 1995). Водородный газоанализатор состоит из чувствительного элемента на водород с выносным преобразователем и электронного блока. Диапазон измерения объемного содержания водорода в воздухе- от 1СГ® до 1СГ* об.Ж. Предельная чувствительность 1СГ6 о0.%. При выполнении съемки измерение концентрации водорода в подпочвенной атмосфере производилось на глубине 0,5-1 метра.

Водногвли8вая съемка выполнялась по методике разработанной в лаборатории гелиевой съемки ВШСа (И.Н.Яницкий, 1979). В ходе съемки опробовались колодцы и мелкие скважины. Гелиенасыщенность проб воды определялась посредством индикатора ИНП&1-1.

С целью выбора участков для проведения рекимных наблюдений был выполнен анализ структурно-тектонических и геодинамических данных, а также результатов площадных газогеохимических съемок.Для изучения особенностей режима подпочвенных газов, формирующегося под воздействием, преимущественно, приповерхностных факторов (метеорологических, биогенных, техногенных), были выбраны геодинамически пассивные участки, находящиеся в пределах консолидированных блоков земной коры (Гомель, Ченки) на территории юго-западного склона Воронежской антеклизы. С целью выявления влияния на временной режим газогеохимических шлей в приповерхностных отложениях глубинных геодинамических процессов были выбраны участки, обладающие современной тектонической активностью (Цыкуны, Костюковка). Для наблюдения временных изменений газогеохимичвских показателей оборудовались установки для измерения содержаний водорода и радона в под-

почвенном воздухе. Для определения концентрации водорода использовался вышеописанный водородный газоанализатор. Регистрация выходного сигнала производилась на аналоговый самописец К3012. Для наблюдения временных вариаций радона применялся датчик со сцинтиля-ционным детектором, помещенный в "насыщенный по гамма-излучению слой", разработанный и опробованный В.П.Рудаковым (В.П.Рудаков, 1993). Измерение вариаций радона в этом случае осуществляется по гамма-излучению продуктов его распада с помощью радиометра СРП-88Н, детектор которого через обсадную трубу вводится в середину "насыщенного по гамма-излучению слоя". "Слой" создавался в шурфе глубиной 2 м н диаметром 1,5 м из слаборадиоактивного крупнозернистого песка. Погрешность измерений составляла не выше 10% от местного фона.

Обработка результатов площадных газогеохимических исследований заключалась в вычислении концентраций молекулярного водорода в подпочвенном воздухе и растворенного в воде гелия, построении графиков изменений газовых полей по профилям, нанесении результатов на карты, сопоставлении площадного распределения газовых полей с результатами исследований другими методами (сейсморазведка, электроразведка, бурение, космо- и аэросъемки и т.д. ).

Важным этапом являлась обработка и интерпретация временных рядов вариаций подпочвенных газов: водорода и радона. Основная часть обработки осуществлялась на ПЭВМ с использованием статистических методов (корреляционного, регрессионного, спектрального анализов, цифровой фильтрации). Широко использовались: процедуры снятия трендов и сглаживания, построение спектров, расчет коэффициентов корреляции и другие.

Глава 3. Основные факторы формирования пространственно-временной структуры газогеохимических полей в приповерхностных от-локениях

В главе рассмотрены основные факторы, влиящие на пространственное распределение и временной реши газов (водорода, радона, гелия) в приповерхностных отложениях.

Дается характеристика гелия и радона. Рассмотрены основные гипотезы происхождения этих газов. Особое внимание уделяется взаимосвязи их с тектоническими факторами, которые во многом определяют структуру газовых полей в приповерхностных отложениях.

Рассмотрено лроисхоадение молекулярного водорода в литосфере. Водород может возникать в результате химических взаимодействий в высокотемпературных магматических системах, при радиолизе воды, при процессах метаморфизма, генерироваться тектоническими движениями. Наиболее вероятным считается возникновение водорода при высоких температурах (сотни-первые тысячи °С) в результате реакций взаимодействия воды с железом, с железистыми силикатами, с углеродом и его соединениями. Данная гипотеза объясняет высокие концентрации водорода в вулканических газах (В.¿.Соколов, 1971). Ряд исследователей (H.wakita, 1980, c.Y.King, 1978) считает, что аномалии потока водорода в гонах разломов обусловлены генерацией f£> в результате химических реакций вода со свежеобразованными поверхностями пород, возникавшими при тектонических подвижках. Вероятно, что наблюдаемый в тех или итплг случаях поток водорода может иметь сложный генезис: на его более глубинную мантийную составляющую (водород, возникающий при высоких температурах) может накладываться коровая составляющая (водород, выделяющийся при механической активации в условиях относительно низких температур, при термокатализе органики, при радиолизе воды). Миграция водорода глубинного генезиса происходит по гонам разломов, в то же время разломы сами могут быть источником водорода (за счет механической активации пород тектоническими деформациями), поэтому аномалии повышенного содержания водорода в осадочном чехле приурочены к зонам глубинных разломов.

В верхней части осадочного чехла глубинный поток водорода может искажаться под воздействием биогенных и техногенных факторов. Известны различные виды бактерий, способных выделять или потреблять водород: водородпродуцирующие, водородокислящие, метанообра-зупцие и другие (М.А.Глазовская, Н.Г.Добровольская, 1984). Ощутимое влияние на водородное поле в подпочвенном воздухе указанные микроорганизмы способны оказывать в теплых климатических условиях. В умеренном климате их влияние, как правило, незначительное. Значительные водородные аномалии могут возникать в связи с деятельностью человека. Обнаружены повышенные концентрации водорода вблизи стоков и отходов животноводческих ферм. На городских территориях выделением водорода сопровождается коррозия металлических подземных технических систем (трубопроводов). Выполненные автором лабораторные и натурные исследования выявили особенности формиро-