Геотермические исследования Урала

Щапов, Владислав Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геотермические исследования Урала
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Геотермические исследования Урала"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ

На правах рукописи

Щапов Владислав Анатольевич

ГЕОТЕРМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УРАЛА

Специальность 25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора геолого-минералогических наук

Екатеринбург - 2006

Работа выполнена н Институте геофизики Уральского отделения Российской Академии Наук

. Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук

A.M. Виноградов (ИГФ УрО РАН, г. Екатеринбург);

доктор физико-математических наук, профессор Ю.А. Попов (МГГРУ, г. Москва);

доктор геолого-минералогических наук, профессор М.Д. Хуторской (ГИН РАН, г. Москва)

Ведущая организация: Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится 13 октября 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 004.009.01 в Институте геофизики УрО РАН по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 100

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «_» августа 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор физ.-мат. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение теплового состояния недр — одна из важнейших задач геофизики.

Уральский ороген, образованный за счёт сближения трёх континентов: Европейского, Сибирского и Казахстанского, прошёл длительную эволюцию. Изучение распределения теплового потока на Урале имеет важное значение для построения наиболее точной геодинамической модели региона. Все физические свойства горных пород зависят от температуры. Температура недр определяется распределением теплогенерирующих элементов. Температура является определяющим фактором в реалогиче-ских свойствах горных пород. Параметры физических характеристик минерального вещества при воздействии высоких температур и давлений, соответствующих глубинным слоям Земли, необходимы для решения фундаментальных и прикладных вопросов геофизики. Возрастание температуры с глубиной определяет изменение с глубиной плотности пород, магнитных свойств, всех физико-химических процессов взаимодействия флюидов с веществом, процессов растворимости и массопереноса. Такой благородный металл, как золото, встречающийся в самородном виде, при температуре выше 105 °С и наличии иона хлора, превращается в легко мигрирующее соединение. Тектоника, магматизм, метаморфизм, нижняя граница магнитоактивного слоя, глубина до границы Мохо, лик нашей планеты -все эти процессы управляются температурой недр. Тепловое поле «инерционно», и выравнивание температуры в слое мощностью 50 км происходит за миллионы лет, и на сегодняшний день оно хранит память прошедших тектонических событий.

Цель работы. Изучение распределения теплового потока и глубинных температур на Урале и прилегающих регионов. Выяснение природы выявленных низких тепловых потоков. Построение карты теплового потока. Разработка аппаратуры для измерений градиентов темЛературы и температуры в скважине.

Защищаемые положения:

1. На основе разработанной автором скважинной аппаратуры для геотермических исследований и обширном уникальном экспериментальном материале (более 250 скважин глубиной.1-2 км и сверхглубоких скважин) с привлечением результатов измерений теплового потока по опубликованным литературным данным, составлена карта теплового потока значительной территории (48-72° с.ш. 48 -72° в.д.), наиболее полно отражающая особенности теплового режима в Уральском регионе.

2. Установлено, что в пределах Тагильской и Магнитогорской вулканогенных мегазон Урала наблюдается аномально низкий тепловой поток (менее 30 мВт/м2), в то время, как в области пространственно совпадающей с Верхнее-Уфалейским синклинорием, выявлено увеличение его значения до 38 мВт/м2, что свидетельствует о различии в глубинном строении в пределах этой территории.

3. На основании прямых скважинных спектрометрических измерений содержания теплогенерирующих элементов урана, тория, калия в областях с пониженным тепловым потоком, автором рассчитана удельная теплоге-нерация пород и охарактеризован наиболее характерный диапазон низких содержаний урана, тория, калия для пород Тагило-Магнитогорской мега-зоны. Эти результаты позволяют более обоснованно полагать, что основной причиной низких тепловых потоков является низкая теплогенерация пород земной коры на всю сс мощность.

Научная новизна:

1. Созданы кварцевый термометр и термоградиентометр для скважинных измерений температуры.

2. Разработан, создан термометр и получен патент на способ реггерной калибровки термометров в скважине.

3. Создана аппаратура для измерения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для метода бесконтактного сканирования.

4. Проведены систематические измерения плотности теплового потока по 250 скважинам, которые расположены во всех структурно-тектонических зонах Урала, а также на Восточно-Европейской и ЗападноСибирской платформах.

5. Проведены скважинные спектрометрические измерения содержания радиоактивных элементов урана, тория и калия на месторождениях, расположенных в осевой зоне Урала. Рассчитана удельная теплогснсрация по разрезу скважин.

6. Построена детальная карта теплового потока Урала и сопредельных территорий.

Практическая ценность. Карта теплового потока, полученная в результате исследований, проведённых в работе, является важнейшей основой для построения геолого-геофизических и геодинамических моделей развития Уральского региона.

Геотермические характеристики тектонических структур Урала могут быть использованы при изучении глубинного строения региона, уточнения температурных моделей Земной коры и верхней мантии. Данные по тепловому потоку в сочетании с полученными данными о тепловых свойствах горных пород и содержанием теплогенерирующих элементов могут служить основой для прогноза температурного режима в Земных глубинах. Соответствующим геологоразведочным организациям переданы сведения о геотермическом режиме отдельных месторождений, которые используются при составлении проектов разработки и их эксплуатации.

Разработанная автором аппаратура для геотермических измерений используется для геофизических исследований в скважинах.

Разработана и создана аппаратура для измерения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для метода бесконтактного сканирования.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на Всесоюзном геотермическом

совещании (Свердловск, 1980); на региональной конференции «Геотермия и её применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях» (Свердловск, 1989); Международной геофизической конференции и выставки SEG-EAGO (Санкт-Петербург, 1995); Warming in the Northern Urals in 18th Century Inferred From Geothermal Measurements (IUGG XXI General Assembly, Boulder, USA, 1995); III Международной конференции ¿Тепловое поле Земли и методы его изучения» (Москва, 1997); Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» (Москва, 2000); Научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (Екатеринбург, 2001, 2003, 2005); Международных конференциях «The Earths Thermal field and related research methods» (Москва, 2000, 2002); VHI Научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового потенциала Ханты-Мансийского автономного округа» (Берёзово, 2004); IV Международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Астана, 2006).

Результаты исследования теплового потока Уральского региона и расчёт температур вошли в три монографии, посвященные вопросам изучения глубинного строения Урала, и в научно-производственные отчеты' Института геофизики УрО РАН. По теме диссертации опубликовано 42 печатные работы, получен патент.

Исходные данные и личный вклад автора. Исследования выполнены в период с 1972 по 2006 год в Институте геофизики УрО РАН. Автором поставлены задачи, решение которых представлено в данной работе. Автор принимал личное участие на всех этапах исследования, начиная от организации и проведения экспедиционных работ до подготовки публикаций и представления докладов на Российских и международных конференциях. Первые работы выполнены под руководством члена-корреспондента РАН Ю. П. Булашевича. Вся созданная и используемая в полевых исследованиях аппаратура разработана автором. Весь фактический материал по измерению температур в скважинах (более: 250 на 54 месторождениях) и теп-'

лофизических характеристик керна получен автором при проведении полевых работ в ходе выполнения программы исследования плотности тепловых потоков основных уральских структур. Карта теплового потока построена автором.

При проведении комплексных исследований скважин все работы по измерению концентрации гелия и аргона в подземных водах выполнены А.К. Юрковым и В.В. Николаевым.

Акустические измерения по Гежскому месторождению проведены А.К. Трояновым.

Автором проведена обработка полевого материала по спектральному анализу распределения радиоактивных элементов в земной коре Урала, при полевых измерениях использован скважинный спектрометр, разработанный Ю.Б. Бурдиным и В.А. Больщиковым.

Построение геотермического разреза по профилю ГРАНИТ проведено совместно с д.ф-м.н. Ю.В. Хачаем.

Палеоклиматические исследования проведены совместно с ДЛО. Демежко, Д.Г. Рыбкиным и А.К. Юрковым.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, приложения и заключения. Общий объём работы, включая 124 рисунка, три таблицы и списка литературы из 138 наименований, составляет 216 страниц.

Работа выполнена в лаборатории ядерной геофизики Института геофизики УрО РАН.

Автор с благодарностью и уважением вспоминает своего Учителя член-корреспондента РАН Юрия Петровича Булашевича, искренне благодарен своим коллегам: Юркову А.К., Николаеву В.В., Хачаю Ю.В., член-корреспонденту РАН Уткину В.И., Ладовскому И.В., Демежко Д.Ю., Бур-дину Ю.Б., Больщикову В.А., Головановой И.В., Рывкину Д.Г., Дергачё-ву В.В., Троянову А.К., в соавторстве с которыми был получен ряд научных результатов, вошедших в диссертацию.

Автор благодарит за многолетнее плодотворное сотрудничество Баш-ту К.Г., Васильева Г.П. и Шахторину Л.Н.

Глава 1. ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ УРАЛА

В главе описаны результаты труда геологов и геофизиков, которые привели к современному представлению о глубинном строении Урала.

Раздел 1.1 посвящен описанию результатов изучения Урала геолого-геофизическими методами, а также приведена история геотермических исследований в СССР и России, которая связана с именами: Баучидзе Г.И., Гаирбеков Х.А., Глико А.О., Голубев В.А., Гордиенко В.В., Дергунов И.Д., Дорофеева Р.П., Дучков А.Д., Есипко O.A., Завгородняя О.В., Зуй В.И., Казанцев С.А., Коболев В.П., Кононов В.И., Курчиков А.Р., Кутас Р.И., Лебедев Т.С., Левашкевич В.Г., Левин Л.Е., Липаев A.A., Любимова Е.А., Макаренко Ф.А., Милановский С.Е., Моисеенко У.И., Парфенюк О.И., Пименов В.П., Подгорных Л.В., Поляк Б.Г., Попов Ю.А., Сардаров С.С., Смирнов Я.Б., Смыслов A.A., Соколова Л.С., Сугробов В.М., Суетное A.A., Фирсов Ф.В., Ходырева Э.Я., Христофорова H.H., Хуторской М.Д., Цыбу-ля Л.А., Шварцман Ю.Г. и др.

На Урале геотермические исследованиями занимались ученые: Булашевич Ю.П., Голованова И.В., Демежко Д.Ю., Любимова Е.А., Огари-нов И.С., Сальников В.Е., Уткин В.И., Фирсов Ф.В., Хачай Ю.В., Хуторской М.Д.

Первое обобщение по термометрии скважин по нефтяным и угольным районам на Урале было сделано Ю.А. Ежовым в докладе на первой Уральской сессии Научного совета по комплексным исследованиям земной коры и верхней мантии в 1966 г. (Ежов, 1968).

Ю.П. Булашевич и В.Н. Башорин в работе (Булашевич, Башорин, 1971) опубликовали результаты измерений концентрации гелия, растворённого в подземных водах по Валерьяновской зоне Тюменско-Кустанайского прогиба. В работе авторы делают вывод: «Пересечения раз-

ломов, которым соответствуют аномалии гелия, являются наиболее проницаемыми участками земной коры. Вероятно, такие участки являются теми каналами, по которым происходил наиболее интенсивный транспорт глубинного вещества».

В 1973 году выходит работа этих же авторов (Булашевич, Башорин,

1973), в заключение которой они пишут: «Радиогенное тепло и радиогенные стабильные газы имеют в земной коре и мантии одни и те же источники. Для гелия это - торий и изотопы урана, для аргона — калий. Геотермические измерения необходимо комплексировать с определениями концентрации гелия, а может быть и аргона».

Ю.П. Булашевич и Ю.В. Хачай рассмотрели совместно тепловую и га-

т ,238 т т235 тч.232 v40

зовую задачи, так как изотопы U U , Ih , К являются источниками Не4, Лг40 и источниками внутреннего тепла Земли (Булашевич, Хачай,

1974). В работе авторы показали, что единственным механизмом доставки благородных газов к поверхности может быть проплавление.

Эти три указанные работы и привели к началу систематических геотермических исследований на Урале.

В 1972 году под редакцией Ф.А. Макаренко была опубликована карта теплового потока (Геотермическая карта ..., 1972), на которой Урал выделялся положительными аномалиями потока, исходя из высоких концентраций растворённого в воде гелия на Урале.

В 1977 г. В.Е. Сальниковым и И.С. Огариновым из Института геологии Башкирского научного центра АН СССР опубликована работа (Сальников, Огаринов, 1977), в которой приведены результаты вычисления значений глубинного теплового потока для различных структурно-тектонических зон Южного Урала, восточной окраины Русской платформы и Тургайского прогиба. Более детально была изучена Магнитогорская мегазона.

В 1978 г. вышла работа (Булашевич, Щапов, 1978), где приводятся определения плотности теплового потока по пяти тектоническим структу-

рам первого порядка Уральской геосинклинали: Западно-Уральской зоне складчатости, Тагильскому и Магнитогорскому синклинориям, Восточно-Уральскому поднятию и Тюменско-Кустанайскому прогибу.

С 70-х годов к геотермическим исследованиям Южного Урала и Му-годжар подключился М. Д. Хуторской из Геологического института АН СССР (Хуторской, 1985).

С 80-х годов геотермические исследования на Южном Урале продолжила И.В. Голованова, которая по этой тематике в 2003 году успешно защитила диссертацию (Голованова, 2003).

Начиная с 70-х годов и до сегодняшнего дня, геофизиками был накоплен богатый фактический материал, который характеризует температуру недр Урала.

Раздел 1.2 описывает становление сейсмических исследований на Урале, охватывая период с 1936 года до сегодняшнего дня.

В результате исследований, проведённых на Урале большим коллективом геофизиков и геологов в течение более 40 лет, удалось изучить особенности глубинного строения Урала. Эти исследования связаны с именами Халевина Н.И., Хрычёва Б.А., Автонеева C.B., Дружинина B.C., Алейникова А.Л., Рыбалка В.М., Золоева К.К., Кашубина С.Н. и др.

Основой всех исследований является информация по профилям ГСЗ, количество которых по Уралу превысило 20, а их протяжённость составила более 15 тыс. км.

. В результате этих работ было исследовано глубинное строение земной коры и верхней мантии Урала и установлена аномальность строения земной коры Уральской складчатой системы по отношению к коре соседних областей. Это выражается в:

1) увеличении мощности земной коры до 55 - 60 м;

2) наличии значительной по мощности (до 20 км) и сложной по строению переходной зоны в низах коры с промежуточными между корой и мантией значениями продольных волн (7,2 - 7,8 км/с);

3) увеличении значений скоростей упругих волн и плотности в консолидированной коре по сравнению с соседними структурами, соответственно, на 0,3 - 0,5 км/с и 0,10 - 0,15 г/см3;

4) повышенной тектонической раздробленности, проявляющейся в характере распределения отражателей;

5) наличии зон пониженной скорости в консолидированной коре;

6) повышенной расслоённости верхней мантии до глубин 120-150 км.

1.3 Гравитационное поле Урала

В поле глобальных аномалий силы тяжести Урал приурочен к северному его сегменту (Рудные ..., 1996), в котором более широко, чем в южном, проявлена субмеридиональная ориентировка аномалий. При этом Урал попадает в крупнейшую градиентную зону, приуроченную к границе блока с преимущественно положительными аномалиями силы тяжести, отвечающего восточной части Восточно-Европейской платформы, и блока с относительно низкими значениями Дg, отвечающего Западно-Сибирской плите и Западно-Сибирской платформе.

Эта градиентная зона, разделяющая Евроазиатский материк на две части, имеет огромную протяженность и прослеживается на юг в пределы Африканского континента до Персидского залива и южнее. Однако по простиранию она неоднородна и осложняется крупной поперечной зоной на фанице с Туранской плитой, структурами Тетиса. Южнее это поперечное осложнение соответствует положению Карпатско-Тяньшанской складчатой системы. Л.В.Витте по этой границе делит глобальные аномалии силы тяжести Евразии на два сегмента — северный и южный.

Гравитационное поле Урала резко дифференцировано, оно контрастно по интенсивности и знаку аномальных зон. Резкая дифференциация аномалий по интенсивности поля обуславливает большую его градиентность. В силу контрастности и чёткости аномальных зон гравитационное поле Уральского складчатого пояса весьма информативно и при региональных исследованиях, вероятно, не требует трансформации. Смена знака и значе-

ния интенсивности аномалий, как правило, происходит по границам крупных блоков или зон, где и фиксируются мощные градиентные зоны. Характерной особенностью является закономерное чередование с запада на восток, а на отдельных участках и с севере на юг, крупных зон повышенных и пониженных значений силы тяжести. В плане они отвечают «синк-линорным». и «антиклинорным» структурам. Суммарная площадь повышенных значений аномалий больше, чем пониженных, что подтверждает преимущественно фемический характер разреза земной коры Урала.

Осевая зона Урала в гравитационном поле выделяется интенсивной положительной аномалией, которая объясняется породами повышенной плотности, слагающими верхнюю часть Земной коры.

1.4 Магнитное поле Урала

Общие границы Уральского складчатого пояса в магнитном поле выделяются уверенно по контуру аномальных полей с преимущественно субмеридиональной и северо-восточной ориентировкой локальных аномалий.

Измерения аномального магнитного поля модуля полного вектора Т. и вертикальной составляющей Z, полученные по спутниковым измерениям 1979-1980 гг. и приведённые к высоте 400 км для Урала, позволяют судить о низкой суммарной намагниченности пород земной коры Урала в целом, при сосредоточении локальных магнитоактивных масс преимущественно в верхних частях разреза земной коры (Рудные ..., 1996).

При изучении магнитного поля Урала была выделена длинноволновая составляющая аномального поля, основной особенностью которой является протяжённая "отрицательная аномалия (Фёдорова и др., 1989; Shapiro et al., 1986). Минимум этой аномалии прослежен вдоль всего Урала над Тагильской и Магнитогорской зонами, а западный фланг располагается над восточной границей Восточно-Европейской платформы.

Магнитное поле «открытой» части Уральского складчатого пояса (Центрально Уральское поднятие и Тагило-Магнитогорская зона) характе-

ризуется полным отсутствием магнитоактивных масс на глубинах более 10 км, наличием огромного количества различных по форме и интенсивности положительных аномалий, которые созданы локальными объектами в верхней коре. Основной источник ферромагнетизма в низах магнитоактив-ного слоя - магнетит с температурой Кюри 580 °С; в верхних частях разреза может присутствовать титаномагнетит, возможно также присутствие гематита, маггемита.

При зеленосланцевом метаморфизме происходит вынос магнитных минералов (они не устойчивы в восстановительных условиях). Поэтому, чем сильнее (и часто неравномернее) блок пород подвергся метаморфизму, тем магнитное поле над ним имеет изменчивый слабо переменный характер, и часто контуры блока и аномалии не совпадают. Слабо метаморфизо-ванные блоки базитов, габброидов, диоритов уверенно выделяются в магнитном поле. Гранитные и гнейсовые комплексы в основном не магнитны, но картируются по ореолам повышенных магнитных аномалий в зонах контактов с другими породами.

Данные о петрологии верхней мантии по результатам изучения ксенолитов показывают, что нормальная мантия не магнитна (Пашкевич и др., 1994).

В разделе 1.5 реферативно описаны палеомагнитные исследования на Урале, проведённые Свяжиной И.А., Пучковым В.Н., Ивановым К.С. и Петровым Г.А. (Свяжина и др. 2003).

1.6 Палеогеография '

На основе анализа литературных данных, описано развитие Уральского складчатого пояса.

В позднем ордовике на северном и среднем Урале началось заложение Тагильской папеодуги. Авторы (Свяжина и др., 2003) приходят к заключению, что надсубдукционные офиолитовые комплексы основания Тагильской островодужной системы формировались относительно недалеко от Восточно-Европейского континента. Об образовании осадков в пределах

неширокого океана свидетельствуют геологические данные: наличие двух источников сноса континентального на западе и вулканического на востоке и отсутствие типичных океанических осадков - кремнистых илов, пелагических известняков и метабазальтов MORB типа.

В течение палеозоя Уральские блоки сместились из южного полушария в северное. Движение на север сопровождалось поворотом региона против часовой стрелки на угол около 60°, постепенным сближением континентальных блоков Восточно-Европейского и сформировавшегося Казахстанского, что, в конечном счете, выразилось в косонаправленной коллизии. При этом происходило проскальзывание азиатской части Урала относительно Восточно-Европейского палеоматерика. К концу палеозоя взаимное положение структур становится сходным с современным.

В.И. Уткин в работе (Уткин, 2003) проанализировал современные амплитуды и направления движения континента по данным спутниковой геодезии (GPS-мониторинг).

11а основании данных мировой сети GPS были построены вектора движения основных блоков Евро-Азиатского континента, которые показывают, что генеральным направлением движения Европейской части континента является северо-восточное.

В.И. Уткин делает вывод, что наблюдается вращение и относительное смещение Европейского и Азиатского континентов, относительно друг друга и вокруг точки, расположенной в пределах Гималая-Тибета. Возможно это продолжение смещения, которое началось и продолжается с Триаса.

Раздел 1.7 представляет обзор двух работ, проливающих свет на па-леотемпературные условия формирования Урала. Первая - опытно-методическая работа «Изучить эволюцию флюидных палеосистем Тагильского прогиба на основе минералого-геохимических, петрологических и термобарогеохимических исследований пород и минералов Уральской

СГ-4» (Докучаев, 1998) и вторая - «Минералы и парагенезисы минералов» (Минералы и ..., 2000). ......

В первой работе авторы, используя различные геотермометры (хлоритовый, кобальтовый сульфидный, гомогенизации газово-жидких включений в кварце и кальците, витринитовый и др.), установили процессы проявления регионального метаморфизма с температурой 250-270 °С на ранней и 120-150 "С — на поздней стадиях, а также локального гидротермаль-но-метасоматического - 170-270 СС. Авторы приходят к следующим выводам: «Геотермальная эволюция формирования пород Тагильского прогиба и разреза Уральской СГ-4 происходила под воздействием теплового потока около 26-42 мВт/м2 в раннем силуре в обстановке глубоководного желоба над фронтальной зоной погружающейся океанической плиты, с последующим кратковременным (ранний-поздний силур) его возрастанием до 88-193 мВт/м2 и стабилизацией до 70 мВт/м2 при интенсивном вулканизме в позднем силуре-раннем девоне. Завершающие синколлизионные события сопровождались в позднем девоне-перми низкими значениями теплового потока-до 20-30 мВт/м2».

В работе (Минералы и ..., 2000) авторы пишут: «Большая часть сульфидов является эпигенетической по отношению к вмещающим породам и образовалась в результате регионального метаморфизма в условиях прени-то-пумпеллитовой фации. При этом химического равновесия между минералами не достигалось. Источником метаморфизующих растворов являлась морская вода, а температура минералообразования составляла 150-220 °С».

Скорее всего, все рассмотренные палеотермометрические исследования следует рассматривать как обзорные, но свидетельствующие о том, что высоких значений теплового потока, начиная с девона-перми, на Урале не наблюдалось.

Глава 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ВЫЧИСЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Общепринятая методика определения теплового потока включает в себя измерение температуры или градиентов температуры по скважинам и коэффициентов теплопроводности горных пород, пересечённых данной скважиной. При этом полагается, что среда горизонтально слоистая и существует только вертикальная компонента теплового потока. При достаточном опыте и совместном рассмотрении термограммы, градиентограммы и геологической колонки многие особенности поведения термограммы можно объяснить. К таким особенностям относятся искажения термограмм, вызванные движением вод, сменой литологических разностей горных пород пересечённых скважиной.

Измерение температуры для целей определения теплового потока требует длительного времени выстойки скважины и оценку доли конвективной составляющий теплового потока. При недостаточном времени выстойки скважины в призабойной зоне наблюдается увеличение градиентов температуры, а также увеличена температура устья, относительно температуры массива на соответствующих глубинах. Для косвенной оценки движения вод в массиве ранее применялся метод сравнения теплового потока, определённого по разным интервалам глубин, а мы дополнительно применили гелиевый каротаж, комплексированию с которым посвящен раздел 3.1. ••

В разделе 2.1 приведено описание созданной автором термометрической аппаратуры, с помощью которой проведены все полевые измерения температуры и лабораторные измерения теплопроводности образцов керна.

Описан термометр на однопереходном транзисторе с датчиком температуры, которым является терморезистор.

Зависимость температура-частота хорошо описывается полиномом пятого порядка, который позволяет проводить дальнейшую компьютерную обработку. Температурный коэффициент частоты (ТКЧ) ~500 Гц/"С.

Дальнейшая необходимость получения долговременной стабильности при долговременных наблюдениях температуры привела к применению в качестве датчиков термосопротивления из платины, являющимся лидером в долговременной стабильности, и кварцевого терморезонатора.

Автором созданы термометр с датчиком из платины и термоградиентометр на кварцевых датчиках температуры.

Скважинньш термоградиентометр

Проведённый анализ имеющихся данных и лабораторных градуировок свидетельствует о том, что кварцевые датчики температуры по важнейшим показателям — диапазону измеряемых температур, абсолютной и относительной погрешности, тепловой инерции и габаритам не уступают лабораторным и образцовым термометрам, реализованным на других физических принципах, и, как правило, значительно превосходят технические термометры промышленного типа. По быстродействию кварцевые датчики проигрывают термисторам и термопарам и, примерно, эквивалентны многим типам платиновых и медных термометров. Чувствительность кварцевых термодатчиков намного выше, чем у подавляющего большинства существующих термометров, в том числе и у платиновых термометров сопротивления.

Приведено описание схемы и работы прибора, а также проанализированы и рассчитаны различные причины влияющие на долговременную стабильность прибора. Энерговыделение в кристалле кварцевого датчика составляет 0,02 мкВт и соответствует вносимой ошибке 4,0 • 10"6 "С.

Описаны экспериментальные работы при спуске в скважину по определению постоянной времени датчика и времени выравнивания температуры системы прибор-скважина.

На изменении сопротивления платиновых датчиков температуры основана международная практическая температурная шкала (МПТШ). Именно этот факт побудил создать скважинный термометр с платиновым датчиком температуры. Мы использовали платиновые тонкопленочные датчики температуры фирмы YUMO.

Прибор собран на элементной базе микросхем Analog Devices.

Для того чтобы оценить искажения, вносимые каналом измерения, и оперативно контролировать измеряемую величину, в лаборатории был предложен способ высокоточного контроля измерения температуры, и получен патент № 2100595 от 08.04.96 г.

Сущность изобретения: скважинный термометр содержит термочувствительный элемент, расположенный во внутренней из трёх, вложенных одна в другую, капсул, заполненных легкоплавкими материалами, имеющими различную температуру плавления.

Принцип работы скважинного термометра с автоматической калибровкой состоит в следующем. При проведении температурных исследований в скважинах измерения проводят последовательно при спуске термометра. Температура флюида в скважине с глубиной увеличивается и, наконец, достигает величины, равной температуре фазового перехода вещества (температуре плавления), расположенного, например, в первой (внутренней) капсуле. Вещество начинает плавиться, и термометр фиксирует первую реперную точку. На термограмме появляется «ступенька», соответствующая плавлению эталонного вещества, которую видно на термограмме. Таким образом, можно проконтролировать все искажения, которые может внести канал передачи информации от скважинного датчика температуры до регистратора.

Методы и Приборы для измерения теплопроводности образцов керна

Методы определения теплопроводности, применяющиеся в настоящее время, делятся на две группы, в зависимости от задаваемых в эксперименте граничных условий.

Первая группа - стационарные методы, при которых градиент температуры по времени принимается равным нулю. Они подробно описаны в работах (Петухов, L952; Кондратьев, .1957; Khan, Fatt, 1964) и других исследователей. В основе этих методов лежит использование системы нагреватель-образец-холодильник. Измерения проводятся при установившемся тепловом режиме. Эти методы требуют больших затрат на подготовку образцов и очень длительных измерений (8-10 часов) на один образец и довольно громоздкие установки. Основное достоинство этих методов состоит в том, что они являются абсолютными.

Вторая группа — нестационарные методы. Наиболее обширный класс, интенсивно развитый в последние годы. Методы основаны на процессах охлаждения или нагревания: импульсные, зондовые, температурных волн и методы бесконтактного нагрева и измерения температуры. Эта группа методов хорошо освещена в работах (Филиппов, 1984; Попов и др., 1983).

Автором создан предусилитель на чипе Analog Devices, для канала измерения остаточной температуры в методе подвижного источника, разработанного Ю.А. Поповым, который позволяет измерять остаточную температуру образца без модуляции теплового излучения, что существенно увеличивает разрешающую способность в инфракрасном (20-200 мкм) спектральном диапазоне.

В качестве эталонов, близких по своим характеристикам к горным породам, использовались образцы стекол, J1K, ТФ, плавленый кварц (X = 1,35 Вт/м ■ К) и кристалл кварца (Ха.„ = 6,5 и Хс= 10,6 Вт/м • К). Теплопроводность взята по паспорту ВНИИМ для температуры 20 °С.

2.2. Определение плотности теплового потока

Вычисление теплового потока проводилось классическим раздельным способом. Рассматривались термограммы по нескольким скважинам одного месторождения или разбуриваемой площади.

Такой обзор термограмм полезен для выбора интервалов вычисления теплового потока. Рассматриваются примеры термограмм с явно выражен-

ными искажениями температуры за счёт нисходящего и восходящего движения вод по скважинам.

При наличии многих термограмм по группе скважин, они рассматривались совместно, что позволило оценить представительность данных, а так же увязать градиенты температуры и литологию. Для иллюстрации этого в диссертации приведено сопоставление термограмм по скважинам Тюменско-Кустанайского прогиба.

На приведённых термограммах изменение градиента температуры с глубиной связано с изменением коэффициента теплопроводности пород мезокайнозойского чехла и палеозойского фундамента.

По участкам термограмм с постоянным градиентом температуры и по гелиограмме выбирались интервалы вычисления теплового потока. При измерении температур в НКТ в пределах нефтяных месторождений комплекс методов дополнялся акустическими исследованиями. Теплопроводность образцов керна измерялась в лабораторных условиях методом двух-температурных интервалов, а после 1983 г., методом подвижного точечного источника, разработанного Ю.А. Поповым.

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С ГЕЛИЕВЫМ И АКУСТИЧЕСКИМ КАРОТАЖОМ

3.1. Комплексирование температурных измерении с гелиевым каротажом

Общность источников потоков тепла и гелия из литосферы в атмосферу должна выполнятся в статистических закономерностях. В региональном плане была отмечена некоторая качественная прямая корреляция между плотностью тепловых потоков и придонными концентрациями гелия на озере Иссык-Куль (Распределения гелия ..., 1973). Повышенные значения обеих величин оказались тяготеющими к зонам разломов. Эта связь объяснима, если по разломам происходит вынос флюидов.

Миграция гелия осуществляется ниже уровня грунтовых вод в процессе массопереноса подземными флюидами. Поэтому наибольшая плотность потока гелия должна быть приурочена к участкам интенсивного массопереноса. Такими участками, в частности, являются зоны пересечения проницаемых разломов различного направления. Именно по этой причине зоны проницаемых разломов выделяются повышенными концентрациями гелия, растворённого в подземных водах. Соответственно, плотности потоков гелия через ненарушенные блоки будут наименьшими. Концентрация же гелия в таких блоках будет определяться количеством естественно радиоактивных элементов продуцирующих гелий (с учётом того, что время жизни гелия велико, изотоп стабилен), количеством гелия в поровом пространстве, коэффициентом диффузии и временем контакта подземных вод с породой.

А.К. Юрков (Юрков, 1984) показал, что «среди факторов, определяющих содержание гелия существуют следующие:

1. Степень дегазации и промытости горных пород.

2. Влияние кристаллического фундамента.

3. Влияние Мг-Кг осадочного чехла.

4. Абсолютная отметка устья скважины.

Ни один из указанных факторов не является доминирующим и в каждом конкретном случае играет большую или меньшую роль в конкретных геологических условиях».

Чаще всего проницаемые зоны, зоны разломов выделяются максимумом концентраций. Если скважина находится в зоне глубинного разлома, то по всей глубине концентрации гелия высокие. Наличие локальных минимумов свидетельствует о движении слабогелионосных приповерхностных вод. При сопоставлении с термограммой, если движение вод отличается от горизонтального, по изотерме можно решить вопрос о направлении движения.

Гелиограммы позволяют судить о наличии достаточно слабых вертикальных перетоков жидкости. Наиболее пригодными для определения тепловых потоков будут участки скважин, где вид гелиофаммы имеет изрезанную форму.

3.2. Температурные и акустические измерения в скважинах на примере Гежского месторождения

На Гежском месторождении углеводородов в обсаженных скважинах, использующихся как наблюдательные, Дергачёвым В.В. проведены измерения акустических шумов с целью выявления интервалов субгоризонтального движения флюида. Обработанные результаты предоставлены Трояновым А.К. для дальнейшего сопоставления с термофаммами.

Любое движение вещества (нефти, воды, газа) создаёт акустический шум. Частота шумов зависит от многих параметров вещества, в том числе и от вязкости. Движущиеся газ и вода создают аномалии в более высокочастотном диапазоне (экспериментально было установлено, что это полоса 500-2500 Гц), нефть и эмульсия, чаще всего, «шумят» в низкочастотном диапазоне 100-500 Гц.

Поскольку скважинный прибор не ориентирован в пространстве, использовалась для рассмотрения величина модуля горизонтальных компонент.

Повышенные значения вертикальной компоненты свидетельствуют о наклонном движении. Повышенные значения горизонтальных компонент свидетельствуют о горизонтальном движении, а по частотному диапазону определяется вязкость флюида.

Комплекс геотермии и акустики позволяет решать вопросы движения флюида в пределах месторождения, контролировать выработку и приток к добычным скважинам углеводородов (нефти и газа) в заколонном пространстве, является идеальным комплексом методов контроля за герметичностью НКТ.

Глава 4. КАРТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА НА УРАЛЕ ДЛЯ ГЛУБИН В 1 КМ

Многочисленные измерения плотности теплового потока, проведенные на Урале, Западной Сибири, восточной окраине Русской платформы, позволили построить карту теплового потока Урала и сопредельных территорий для глубины 1 км, так как максимальное число исследованных скважин, имеют глубину 1-1,5 км.

На рис. 4.1 показаны расположение и название 54 месторождений и рудопроявлений, на которых автором были проведены геотермические исследования в 250 скважинах.

На основании собственных измерений и всего доступного " опубликованного фактического а материала построена карта теплового потока Урала (рис. 4.2).

В системе уральских струк- м тур первого порядка традицион- и но выделяют чередующиеся

56-

поднятия й погружения. Среди них Тагило-Магнитогорская зона к занимает особое место, образуя западную зону Уральской эвгео-

синклинали. Ширина зоны меняется от 120-130 км в северных и ы южных частях до 5-8 км в средней части (в районе ст. Маук, Рис. 4.1. Расположение и название месторождений и рудопроявлений, г. Карабаш). Прогиб представля- на которых автором были проведены геотермические исследования

ет собой западную структурно-

фациальную зону Уральской палеозойской эвгеосинклинапи.

1 •+—• -

13 • га' 54

Ежоасия Г«ш Дя>м» Сукум Сарм Ми| 2-Семены! Твдамы Ноа.Ша«» Чврймужм СМ Кмсюфшьа Вотмсам Еюаш« Дагтвро« Учат С«а Ладолкша ПЧ1ММ101 М«пмг«герс( Магмпагвасааа Гай Ваынкао* Бушиаш Сафииаам КГУСЯ'МЧ роиеса» Т«стч»«еч< Маг макса* РМим< ■ • Качар Поимею! Та». руамкт Качямвасгаа ■ Минц» Ч-\-1-4-

5" » 15 14

;« — -

32 1Я! 7П

2 » ш • 2 38 ш 6 т;

3 4 8 * 9-; * 10 ,24 4

12 •_ 26* • 11 37 !5 39 • 40 42 и.1. 4

ЮГ 47 • >— --

27 28 •4

33 ' ^ —Р2_

В тектоническом'отношении прогйб представляет собой огромную сложноустроенную •" "*• ' • "■ структуру, н которой ' ■ ■ в целом устанавливается полный разрез палеозойских толщ от нижнеордовикских до среднекаменноуголь-ных. На западе и на востоке эти толщи прорваны интрузиями габбро - перидотито-вой магмы, при этом на западе они образуют Платиноносный пояс.

На карте выделяются:

- Пониженными до 30 мВт/м2 потока-

Рис. 4.2. Тепловой поток Урала: изолинии проведены через 5 мВт/м2

ми характеризуется Магнитогорская и Тагильская зоны с разрывами на широте городов Миасс и Оренбург. Зона низких потоков совпадает с осевыми линиями прогибов. На запад и на восток от оси прогибов тепловой поток возрастает.

— Повышенными потоками по изолинии 45 мВт/м2 выделяются омоложенные Печорская и Западно-Сибирская плиты.

- Восточная окраина древней Русской платформы со значениями 3540 мВт/м2 примыкает к Уралу по линии Предтиманский прогиб-Пермь-Миасс-Оренбург.

- Казахстанские структуры оконтуриваются по изолинии 40-45 мВт/м с юго-восточной стороны Магнитогорской мегазоны.

На Урале и в Зауралье изолинии потока и изотермы следуют субмерн-диональному простиранию основных палеозойских структур. В Печорской мульде и на Тимане изолинии характеризуются северо-западным простиранием. В остальной части Предуралья наблюдается тенденция к более субширотной ориентации, что вероятно соответствует тектонике допалео-зойского фундамента.

Температурные особенности Тагило-Магнитогорской мегазоны

Проанализированы возможные причины, влияющие на плотность теплового потока. Приведены термограммы по скважинам в трех различных геологических регионах: Русской платформе (Ново-Елховская 2009), Западно-Сибирской плите (Южно-Ягунское, Тевлино-Руссинское, Повховское месторождения) и СГ-4 500 (рис. 4.3). Температура на 1000

устье скважины СГ-4 в 1500 ~

" 8В

процессе бурения нарушена, поэтому для истинного значения температуры на

2000 2500 3000 3500

глубинах до 1 км при веде- 4000 ны термограммы по сква- 4500 жинам №№ 8802 и 7815, 5000

которые

расположены

вблизи, и их выстойка составляет более двух лет.

5500

6000

6500 ■ Н,м.

Температура в Тагильской Рис. 4,3. Сопоставление температур по скважинам мегазоне существенно ниже

и является определяющим фактором низких тепловых потоков в эвгео-

синклинали на Урале. Приведены все термограммы по сверхглубокой скважине измеренные с 1988 по 2004 гг. По термограммам, показанным на рис. 4.3, в табл. 4.1 приведены значения градиентов температур.

Таблица 4.1

Название скважины, месторождения Градиенты температур ниже 2 км, °С/км

Ново-Елховская 2009 28

Уральская СГ-4 15

Повховское месторождение 30

Южно-Ягунское 30

Тевлино-Руссинское месторождение 35

Далее рассмотрены термограммы по месторождениям, расположенным в Тагильской мегазоне, переходя всё к более северным широтам. Проанализированы температуры верхних интервалов глубин в зависимости от широты.

При измерении температуры в скважинах месторождений, расположенных во всё более высоких северных широтах, область минимальных значений температур перемещается на более низкие глубины. При движении на север влияние палеоклиматического охлаждения недр становится более интенсивным.

Верхне-Уфалейская моноклиналь Рассмотрены термограммы и значения теплового потока на Среднем Урале на широте г. Миасс. Ширина Тагило-Магнитогорской мегазоны здесь минимальна и составляет около 10 км. В этом районе эвгеосинкли-наль существенно отличается от Тагильской и Магнитогорской мегазон. Здесь нормальные гравитационное и магнитное поля, такие же, как на Русской платформе. Нет существенного повышения сейсмических скоростей с глубиной. Плотность теплового потока по скважине Ильменская 2000 возрастает до 38 мВт/м2, величина которого ближе к платформенным значениям, чем к уральским.

Приведена термограмма по скважине Ильменская 2000. Градиент температуры на глубинах 1600-1800 м составляет 22,14 °С/км. Коэффициент теплопроводности, измеренный по образцам керна, довольно низок и равен 1,71 ±0,36 Вт/м • К.

В связи с отличием в геофизических полях средней зоны Урала рассмотрены скважины, расположенные в непосредственной близости по широте и долготе.

Приведены термограммы по Тараташскому выступу древнейших пород Урала (участок Куватал) и по скважинам, пробуренным НПО Маяк, в Центрально-Уральском поднятии. Несмотря на разницу в градиентах температуры между указанными участками и Ильменской скважиной, расположенной на границе Тагильской и Магнитогорской мегазон, тепловые потоки по данным участкам одинаковы и составляют 35-40 мВт/м2, что существенно выше потоков в Тагило-Магнитогорской мегазоне на глубине 1 км

Термическое состояние древнейших на Урале пород - Тараташский массив

Тараташский массив дорифейских пород Урала выходит на современный эрозионный срез в южной части Уфимского амфитеатра на севере Башкирского мегасинклинория в пределах Центрально-Уральского поднятия. Это поднятие с востока примыкает к Тагило-Магнитогорской мегазоне, т. е. к западной части Уральской эвгеосинклинали. На западе Центрально-Уральское поднятие отделяется от Предуральского прогиба Западно-Уральской зоной складчатости. Породы Тараташского массива глубоко ме-таморфизованы. Наиболее древний компрекс пород с абсолютной датировкой 320 млн лет представлен инъекционными гнейсами, магматитами, амфиболитами, габбро-амфиболитами и гибридными породами. К низам протерозоя относится комплекс пород, представленных очковыми гнейсами, сланцами, дайками диабазов, железистыми кварцитами, изменёнными пи-роксенитами.

Породы, слагающие Тараташский массив, сопоставляют с породами Балтийского и Украинского щитов и с породами дорифейского фундамента Русской платформы. Поэтому возможно, что тепловой поток на Тараташ-ском массиве ниже, чем на Русской платформе, где вносят вклад породы, лежащие на древнем фундаменте. Впрочем, степень метаморфизма Тара-ташского массива и фундамента платформы может быть разной.

Измерения температуры и концентрации гелия были проведены в трёх необсаженных скважинах в северной части массива. Относительные превышения устьев скважин в пределах 30 м, при расстоянии между ними 35 км. Выстойка скважин превышала два года. Во всех скважинах, начиная с глубины 300 м, концентрация гелия довольно велика и составляет 1-2 мл/л, что указывает на отсутствие нисходящего движения вод. Первоначально предполагалось (Булашевич, Щапов, 1983), что возрастание градиентов температуры с глубиной связано с очень малыми скоростями (1 см/год) нисходящего потока вод. Был оценен интервал глубин 800-1100 м, как наиболее пригодный для вычисления потока, а в верхние интервалы введена поправка за движение вод. Величина вычисленного потока равна 40 мВт/м2. Позднее Д.Ю. Демежко объяснил увеличение градиентов температуры с глубиной влиянием палеоклимата (Демежко, 2001).

Оценка времени после окончания действия теплового источника

Оценено характеристическое время выравнивания температуры по критерию Фурье т ~ Ь2/4а, принимая величину Ь равную мощности коры в 60 км, коэффициент температуропроводности а = 2-'10'5 км2/год. Вычисления дают 45 млн лет, а это по геохронологической шкале - средина палеогена. Из геологии Урала известно, что к концу палеозоя (248 млн лет) вся тектоническая активность в эвгеосинклинали затихла. Дальнейшее развитие было связано с горизонтальными и вертикальными движениями.

В пределах Печорской плиты последние тектонические события относятся к концу перми началу триаса. В основании нижнего триаса присутствуют два или три покрова базальтов (возраст 200-245 млн лет).

Для Западно-Сибирской плиты отмечено, что перестройка земной коры, при которой огромные массы глубинного базальтового вещества был и излиты на поверхность, явилась одной из основных причин образования в мезозойско-кайнозойское время прогибания на территории ЗападноСибирской плиты. Эти события датируются 140 млн лет.

Время действия теплового источника завершилось на территории Печорской плиты 200 млн лет. Западно-Сибирской - 140 млн лет и в пределах Урала - 248 млн лет.

Приведённые оценки подтверждают обратную зависимость величины теплового потока и возраста провинции.

Измеренные значения плотности теплового потока позволяют сделать ещё одну важную оценку - оценить суммарную мощность теплогенери-рующих элементов. Это можно сделать с учётом вклада мантийного потока. На сегодняшний момент развития геотермии нет весомых аргументов для использования другого значением потока из мантии, как 16 мВт/м2.

Оценка суммарной мощности теплогенерирующих элементов

Оценим суммарную мощность теплогенерирующих элементов в земной коре Урала. Возьмем среднее значение теплового потока в Тагило-. Магнитогорской мегазоне — 30 мВт/м2. Допустим, что весь поток корового происхождения. Вкладом мантии пренебрежём. Мощность коры 60 км. Расчет даёт — 0,5 мкВт/м3. Сравнивая это значение с литературными данными, получим, что по теплогенерации на всю мощность коры Тагильская и Магнитогорская мегазоны сложены породами основного состава (габбро, базальты).

При учёте вклада мантии в суммарный тепловой поток основность коры должна быть немного выше.

Проведём следующие оценки с учётом сегодняшних знаний плотностей потока в эвгеосинклинали и теплогенерации пород. Наиболее вероятное значение глубинного потока по СГ-4 - 45 мВт/м2. За минусом вклада мантии в 16 мВт/м2, получаем — 29 мВт/м2. При мощности коры в эвгео-

синклинали 60 км, удельная теплогенерация пород на всю толщу коры будет 0,48 мВт/м3. Оценки в обоих вариантах оказались близки. Инструментально (спектрометрически по образцам) измеренная же величина удельной теплогенерации по СГ-4 в интервале глубин до 6 км оказалась 0,32 мкВт/м3. Это значит, что породы, лежащие на более глубоких горизонтах, имеют повышенную теплогенерацию.

Палеоклимат

Работами (Голованова, Селезнёва, Косарев, 1997), (Демежко, Голованова, Щапов, Селезнёва, 2001), (Демежко, 2001), (Демежко, Голованова, Щапов, Рывкин, 2003) показано, что похолодание малого ледникового периода (150-650 лет назад) сказывается до глубины 400 м, а Вюрмское оледенение (10 тыс. лет назад) до глубины 1,8 км. Палеоклиматические изменения имеют широтную зональность, что было продемонстрировано на примерах в данной главе, и могут быть корректно учтены. Палеоклимат является сильным фактором, нарушающим тепловое равновесие, что требует ввода поправок за палеотемпературы в данные малоглубинных измерений. При измерении температуры в скважинах глубиной более 2 км, палеоклиматический сигнал уменьшается до единиц процентов и не вносит искажения в измеренные температуры. Изменение знака палеоклиматического сигнала по СГ-4 наблюдается на глубинах около 1 км, поэтому карта теплового потока для глубин 1 км в дальнейшем не будет существенно изменена за счёт увеличения глубинности измерений.

Вертикальные движения '

Для Урала известны амплитуды неоген-четвертичных поднятий 350400 м, т. е. скорость поднятия составит приблизительно 0,1 мм/год. За период в 500 лет уровень поверхности поднимется на 5 см. Известны современные скорости поднятия до 2 мм/год, но они имеют знакопеременный характер. Из такой оценки следует, что вертикальные движения как фактор, нарушающий тепловое равновесие, может быть опущен.

Основность

Обобщённой характеристикой земной коры можно считать её основность.

где (1, - вертикальная мощность слоев коры со скоростями Ур> 6,5 км/с;

Н - мощность земной коры.

Термин был введён В.М. Рыбалка на основании расчёта скоростей упругих волн в сейсмоструктурных этажах по сейсмическим профилям, пересекающим Урал. Предуральский прогиб и Западно-Уральская зона складчатости характеризуются пониженной основностью. Максимальная основность — вся кора на всю глубину сложена породами со скоростями упругих волн более 6,5 км/с, соответствует осевой части Тагило- и Магнитогорской мегазон. Далее на восток Восточно-Уральскому и Зауральскому поднятиям (где широко развиты гранитоиды) соответствует пониженная основность, а погружениям — Восточно-Уральскому и Тюменско-Кустанайскому — повышенная основность. Высокие скорости упругих волн в Уральской эвгеосинклинали свидетельствуют о большой доле более плотных пород и являются дополнительным фактом в пользу низких содержаний радиогенных элементов. Это, вероятно, возможно благодаря большим относительным перемещениям Восточно-Европейской платформы, Сибирской платформы и Казахстанской плиты, в сочетании с эпизодами сжатия и растяжения.

Глава 5. ПРИЧИНЫ НИЗКОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА УРАЛЬСКОЙ ГЕОСИНКЛИНАЛИ

До недавнего времени минимум теплового потока на Урале объяснялся разными причинами: высокотеплопроводными изверженными горными породами, охлаждением недр нисходящим движением метеогеиных вод.

Для оценки доли конвективного выноса тепла мы все геотермические исследования комплексировали с гелиевым каротажом. Во всех исследо-

ванных скважинах для выявления зон водопритоков и качественной оценки циркуляции подземных вод применялся гелиевый каротаж. Концентрация гелия весьма чувствительна к проницаемости пород и резко возрастает в зонах разрывных нарушений. После этих исследований стало ясно, что движение вод возможно на любой глубине.

На большом количестве примеров рассмотрено влияние движения вод и соответствующие искажения, вносимые в термограммы. Показаны примеры термограмм по скважинам в отсутствие всякого движения вод. Имеется достаточно большое количество причин, вызывающих измеиение формы термограмм: конвективный перенос, изменение А. (Р,Т), палеокли-мат, эрозия и осадконакоплсние, влияние структурно-морфологического фактора, нестационарное тепловое состояние исследуемого массива горных пород из-за малого времени, прошедшего после цикла последней активизации. Естественно, что в каждом конкретном случае должны анализироваться все причины, с учетом известных данных о геологическом строении и истории развития интересующих нас регионов. В нашем случае очевидна разнонаправленность меотектонических процессов на Урале и Западной Сибири. Полопозалегающий платформенный чехол, сложенный чередованием континентальных и морских осадков и субширотная направленность палеоклиматических процессов позволили сделать вывод о преимущественном влиянии на термограммы собственного нестационарного теплового состояния недр Урала и Западной Сибири.

Анализ данных распределения плотности теплового потока и геологического строения фундамента Западно-Сибирской плиты по схеме (Журавлев, 1986) показал полное совпадение аномально-высоких значений плотности поверхностного теплового потока с офиолитовыми поясами, контролирующими рнфтогенные структуры. Такая связь еще раз говорит о незавершённости энергетических процессов в Западной Сибири.

Глава 6. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОРНЫХ ПОРОД С ГЛУБИНОЙ

Увеличение градиента температур с глубиной при исследовании сверхглубоких скважин привело автора к рассмотрению вопроса об изменении коэффициента теплопроводности при одновременном воздействии давления и температуры. Ранее считалось, что давление увеличивает теплопроводность, а температура уменьшает и происходит взаимная компенсация. При измерении коэффициента теплопроводности керна в лабораторных условиях и предположении, что эти величины соответствуют значениям в естественном залегании, практически во всех глубоких скважинах намечалась тенденция роста коэффициента теплопроводности с глубиной. Используя данные сейсмологии, оценим поведение коэффициента теплопроводности с глубиной. Такая возможность имеется, если использовать температуру Дэбая и формулы из работы (Жарков, 1983). При проведенных количественных расчётах в основу заложены параметры из физической модели Земли РЕМ-С (parametric earth model - continental). Коэффициент теплопроводности уменьшается от 5,24 до 0,94 Вт/м-К при увеличении глубины от 0 до 100 км

и соответствующая температу- Глубина, км.

„ Рис. 6.1. Изменение коэффициента тепло-

ра возрастает от 0 до 1500 С проводности в коре и верхах мантии

(рис. 6.1).

В работе (Лебедев, Шаповап, 1998) приведены результаты лабораторных измерений коэффициента теплопроводности при раздельном увеличении давления и температуры до величин, соответствующих глубинам до 25 км. Для

1 2 з А 5 Bl/"K

20 АО

80 100 120 140 160 180 200

разных пород возможно уменьшение X на 12-14%. Авторы приходят к выводу, что зависимость теплопроводности горных пород от температуры обусловлена изменением структурно-текстурных особенностей породы, а также нарушением контактов между зёрнами минералов.

Качественно вопрос о распределении коэффициента теплопроводности и температуры в коре и мантии можно считать решённым, а детальное распределение является важнейшей задачей современной геофизики.

Глава 7. СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СОДЕРЖАНИЯ I), ТЬ, К НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ УРАЛА

Плотность теплового потока из недр Земли обусловлена содержанием теплогенерирующих элементов в коре и мантии. Измерения концентраций урана, тория и калия проводят многочисленные организации на образцах, отобранных с поверхности, и образцах керна, но измерения непосредственно по стволу скважины ранее не проводились.

В Институте геофизики УрО РАН был разработан и изготовлен сква-жинный гамма-спектрометр оригинальной конструкции с цифровыми окнами и системой стабилизации (Булашевич и др., 1989). Концентрация калия, урана и тория определялась по энергиям гамма-квантов 1,46; 1,76; 2,62 МэВ соответственно. За прошедшие годы скважинные спектрометрические определения концентраций естественно радиоактивных элементов (ЕРЭ) были проведены на ряде месторождений, расположенных вдоль Та-гило-Магнитогорской мегазоны от Подольского рудного поля (~52° с.ш.) до Шемурского 60° с.ш.). Измерения проводились в открытом стволе скважин с шагом 10 м (рис. 7.1). Средние значения удельной теплогенера-ции по стволу скважин, приведенные в диссертации, сведены в табл. 7.1.

Все исследованные скважины находятся в пределах месторождений. Распределение радиогенных элементов по месторождению, которое является уникальной точкой в структуре, скорее всего не всегда соответствует среднему распределению в тектонической структуре. Уральская сверхглу-

бокая скважина СГ-4 расположена вне зоны какого-либо месторождения, поэтому значения удельной теплогенерацин следует считать близкими к таковым в Тагильской мегазоне.

О -

О 0.1 0.2 0.3 0.40 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.01 0.02 0.03 0 0.04 0.08 Рис. 7.1. Новый Шемур, скважина 315. Аср =0,044 ± 0,008 мкВт/м3

Таблица 7.1

Название месторождения Средняя удельная теплогенерация, мкВт/м3

Подольское рудное поле. Скв. 588 0,083 ±0,017

592 0,52 ±0,10

529 0,81 ±0,14

721 1,07 ±0,18

723 0,60 ±0,15

Учалинское м-ие скв. 2531 0,20 ± 0,02

■2354 0,74 ±0,14

Магнитогорск, скв. 1 0,314 ±0,087

7 0,48 ± 0,08

1.0 1,29 ± 0,18

21 0,61 ±0,10

Н-Петропавловка, 64 1,07 ±0,20

Н-Шемур, 270 0,050 ±0,011

315 0,044 ±0,008

2101 "'>■■■■■ 0,026 ± 0,004

2051 ..' ' 0,033 1 0,009 '

СГ-4 ...... .....- ' 0,325 ± 0,052.....

Распределение естественных радиоактивных элементов в разрезе Уральской сверхглубокой скважины по данным гамма-спектрометрии керна опубликовано в статье (Игумнов и др., 2002). Используя эти данные, автором была рассчитана удельная теплогенерация (рис. 7.2).

Результаты исследований по СГ-4 дают средние значения теплогегне-рации Ас|> = 0,325 ± 0,052 мкВт/м3 и плотности пород р = 2,81 г/см3.

0.3 0.5

1 1Г (г 1г 2 г» з 1г «1 4 5 (~1 ГТ-1^

1? |г В= в! »< 1=1 Г 1» о п- и

[Р виги 7 XXX О ПО -1-1-1- 8 Л1Р л л 9 -1-1-1-1-1-1- 10 «= и 1г и 11 чг Г.-

«1 гч

Г~1. .Г»

п. .п

д- ^

Рис. 7.2. Уральская сверхглубокая скважина СГ-4. Аср = 0,325 ± 0,052 мкВт/м3; I - афировые базальты; 2 - порфировые базальты; 3 - слоистые базальтовые туфы; 4 - базальтовые туфы; 5 - глыбово-агломератовые туфы; 6 — кристаллотуфы; 7 - краснообломочные туфы; 8 - туфогравипесчаники дацитовые; 9 - псаммитовая вулканогенна-осадочная толща; 10 - Павдикская тонкослоистая толша; 11 - ритмич нослоистые туфы и тефронды; 12 - туффиты смешанного состава; 13 - туфы и лавы андезнтобозальтов; 14 - тонкослоистая пачка туфов; 15 - кабанская свита

Отмеченное значение 0,32 мкВт/м3 существенно (а именно на 0,62 м кВт/м3) меньше, чем для щитов и платформ. Это экспериментально полученное значение на основе проанализированного материала позволяет подтвердить первоначальные значения теплогенерации, которые были использованы для моделирования теплового режима Уральской геосинклинали.

Прямые инструментальные измерения ЕРЭ и их тенлогенерации дают существенно более низкую оценку вклада радиогенных источников в измеренный тепловой поток, возможно более глубокие горизонты имеют большую удельную теплогенерацию.

Приведённые данные показывают значительные изменения величины удельной теплогенерации, как по глубине, так и от месторождения к месторождению. Непосредственное, определение ЕРЭ в скважинном пространстве позволяет получить наиболее представительные оценки величины удельной теплогенерации по глубине скважины.

В Заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований, которые сводятся к следующему:

1. На Урале обнаружена и детально исследована зона аномально низких тепловых потоков (менее 30 мВт/м3), приуроченная к Тагильской и Магнитогорской мегазонам. На контакте Тагильской и Магнитогорской зон в Верхне-Уфалейской антиклинали тепловой поток увеличен до 38 мВт/м2, что выделяет эту зону из общей закономерности распределения теплового потока в осевой зоне Урала.

2. На основе геотермических измерений по 250 скважинам на 54 месторождениях, детально исследованы тепловые потоки в геосинклинали. Построена карта теплового потока Урала. На основе фактического материала детально исследованы тепловые потоки в эвгеосинклинали, что позволило провести расчёт глубинных температур на Урале.

3. На основании прямых спектрометрических измерений содержания теплогенерирующих элементов в скважинах охарактеризован наиболее характерный диапазон содержаний и, ТЬ, К для пород эвгеосинклинали. Эти результаты позволяют предполагать, что основной причиной низких тепловых потоков является низкая теплогенерация пород земной коры Урала на всю её мощность.

4. Полученный фактический материал вошёл в уральскую часть геотермического разреза в транссекте ГРАНИТ и в Геотермический Атлас Евразии.

Полученный обширный материал используется для палеоклиматиче-ских реконструкций в Уральском регионе.

5. Разработаны и созданы кварцевый термометр и термоградиентометр для скважинных измерений температуры.

6. Разработан и создан макет термометра и получено авторское свидетельство на способ реперной калибровки термометров в скважине.

7. Разработана и создана аппаратура для измерения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для метода бесконтактного сканирования.

Карта теплового потока, построенная в результате исследований, проведённых в работе, является важнейшей основой для построения геодинамических моделей развития Уральского региона.

В Приложении приведена модель распределения температур по профилю ГРАНИТ, составленная Ю.В. Хачаем и В.А. Щаповым.

Основные результаты диссертации изложены в публикациях:

Монография;

1. Глубинное строение Урала по геофизическим данным // Глубинное строение территории СССР / Отв. ред. В.В, Белоусов, Н.И. Павленкова, Г.Н. Квятковская. М.: Наука, 1991. С. 55-71. (Соавторы: Автонеев C.B., Ананьева Е.М., Башта К.Г., Беллавин О.В., Булашевич Ю.П., Дружинин B.C., Дьяконова А.Г., Золоев К.К., Колмогорова В.В., Коротеев В.А., Никонова Ф.И., Попов Б.А., Пучков В.Н., Рапопорт М.С., Рыбалко В.М., Рыжий Б.П., Семенов Б.Г., Таврин И.Ф., Тиунова A.M., Федорова Н.В., Хачай Ю.В., Чурсин A.B., Шапиро В.А.).

2. Радиоактивные беды Урала. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 94 с. (Соавторы: Уткин В.И., Чеботина М.Я., Евстигнеев A.B., Екидин A.A., Рыбаков E.H., Трапезников, Юрков А.К.).

3. Геотермические исследования // Геотраверс «ГРАНИТ»: ВосточноЕвропейская платформа-Урал-Западная Сибирь (строение земной коры по результатам комплексных геолого-геофизических исследований) / Под ред. С.Н. Кашубина. Екатеринбург: ИРА УТК, 2002. С. 215-224. (Соавтор: Хачай Ю.В.).

4. Скважинный термометр. Патент РФ № 2100595, 1996. (Соавторы: Уткин В.И., Юрков А.К., Николаев В.В.).

Рецензируемые научные журналы, перечисленные в перечне ВАК:

5. Геотермические особенности Уральской геосинклинали // Доклады АН СССР, 1978. Т. 243, № 3. С. 715-718. (Соавтор: Булашевич Ю.П.).

6. Термика Тараташского массива дорифейских пород Урала // Доклады АН СССР, 1979. Т. 249, № 3. С. 670-673. (Соавтор: Булашевич Ю.П.).

7. Термогелиевая характеристика Шадринских минеральных вод // Доклады АН СССР, 1983. Т. 272, № 4. С. 832-834. (Соавторы: Булашевич Ю.П., Юрков А.К.).

8. Геотермические особенности рудных месторождений Урала // Известия АН СССР. Физика Земли, 1984. № 6. С. 103-107. (Соавтор: Булаше-вич Ю.П.).

9. Новые данные об аномально низком тепловом потоке Тагильского синклинория //Доклады АН СССР, 1986. Т. 290, № 1. С. 173-176. (Соавтор: Булашевич Ю.П.).

10. Палеотемпературные реконструкции для Северного Урала по данным термометрии скважин // Геология и геофизика, 1996. Т. 37, № 12. С. 108-113. (Соавторы: Хачай Ю.В., Демежко Д.Ю., Рывкин Д.Г.).

11. Влияние палеоклимата на геотемпературное поле Уральской сверхглубокой скважины//Доклады АН СССР, 1997. Т. 356, № 1. С. 102104. (Соавторы: Булашевич Ю.П., Демежко Д.Ю., Юрков А.К.).

12. Low geothermal heat flow of the Urals fold belt — implication of low heat production, fluid circulation or palaeoclimate? // Tectonophysics, 1997. V. 276. P. 63-85. (Joint authors: Kukkonen I.T., Golovanova I.V., Khachay Yu.V., Druzhinin V.S., Kosarev A.M.).

13. 80,000 years ground surface temperature history inferred from the temperature-depth log measured in the superdeep hole SG-4 (the Urals, Russia) // Global and Planetary Change, 2001. V. 29. P. 219-230. (Joint authors: Demez-hko D.Yu).

14. Геотермический разрез литосферы вдоль геотраверса «ГРАНИТ» // Литосфера, 2002. № 3. С. 38-45. (Соавторы: Хачай Ю.В., Голованова И.В., Гордиенко В.В., Дучков А.Д., Кашубин С.Н., Кашубина Т.В., Кутас Р.И.)

15. Surface temperature trends in Russia over the past five centuries reconstructed from borehole temperatures // J. Geophys. Res., 2003. V. 108, N B4. P. 2180. (Joint authors: Pollack H.N., Demezhko D.Yu., Duchkov A.D., Golovanova I.V., Huang Jasson S.H., Smerdon E.).

16. Изменение температуры Земной поверхности на Урале за последнее тысячелетие по геотермическим данным // Доклады АН СССР, 2005.

T. 402, №6. С. 815-817. (Соавторы: Демежко Д.Ю., Уткин В.И., Голованова И.В.).

По теме диссертации опубликованы следующие статьи в других российских и зарубежных изданиях.

17. Геотермическая характеристика некоторых структур Урала // Исследования гелиевых и тепловых полей Урала. Свердловск, 1980. С. 17-23. (Соавтор: Булашсвич Ю.П.).

18. Распределение температуры и концентраций гелия на некоторых структурах Урала // Исследования гелиевых и тепловых полей Урала. Свердловск, 1980. С. 3-16. (Соавтор: Юрков А.К.).

19. Геотермическая характеристика Урала // Применение геотермин в региональных и поисково-разведочных исследованиях. Свердловск, 1983. С. 3-17. (Соавтор: Булашевич Ю.П.).

20. Об аномально низком тепловом потоке в Тагильском синклинории // Ядерно-геофизические и геотермические исследования. Свердловск, 1987. С. 4-12. (Соавтор: Булашевич Ю.П.).

,21. Термогелиевые исследования Уральской сверхглубокой скважины // Региональные геотермические исследования. Свердловск, 1992. С. 15-17. (Соавторы: Булашевич Ю. П., Юрков А. К.).

22. Тепловое поле и геотермические модели литосферы Урала // SEG-EAGO: Международная геофизическая конференция и выставка. СПб, 1995. Т. 2, 9.7. (Тезисы доклада). (Соавторы: Хачай Ю.В., Демежко Д.Ю., Дружинин B.C., Рывкин Д.Г., Юрков А.К., Голованова И.В.).

23. Warming in. the Northern Urals in 18th Ccntury Inferred From Geo-thermal Measurcments / 1UGG XXI. General Assembly. Boulder, 1995. P. A263. (Joint authors: Demezhko D, Ryvkin D, Khachay Yu.).

24. Геотермические исследования Уральской сверхглубокой скважины II Тепловое поле Земли и методы его изучения: Сб. научных трудов. М., 1997. С. 195-198. (Соавторы Юрков А.К., Демежко Д.Ю., Николаев В.В.).

25. Аномальный геотермический градиент как результат климатических изменений прошлого. ИГ УрО РАН. Екатеринбург, 1998. — Рукопись деп. в ВИНИТИ № 933-В98. 9 с. (Соавторы: Демежко Д.Ю., Юрков А.К., Башта К.Г.).

26. О соотношении глубинного и поверхностных факторов в тепловом потоке Урала // Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы: Материалы международной конференции. Екатеринбург, 1998. С. 57-59. (Соавтор: Демежко Д.Ю.).

27. Paleoclimate reconstruction in the Urals inferred from temperature measurement in deep hole SG-4 // Proc. Int. Conf. "The Earth's thermal field and related research methods". M., 1998. P. 62-63. (Joint authors: Demez-hko D.Y., Yurkov A.K.).

28. Low geothermal heat flow of the Urals fold belt H Proc. fnt. Conf. "The Earth's thermal field and related research methods". M., 1998. P. 137-139. (Joint authors: Kukkonen I.T., Golovanova I.V., Khachay Yu.V., Druzhinin V.S., Kosarev A.M.).

29. Character and reason of thermograms curvature change in Ural-West-Siberias region // Proc. Int. Conf. "The Earth's thermal field and related research methods". M., 1998. P. 244-247. (Joint authors: Yurkov A.K., Ladovskiy I.V.).

30. Характер и причины изменения кривизны термограмм в Урало-Западно-Сибирском регионе. Екатеринбург, 1998. (Соавторы: Юрков А.К., Ладовский И.В.).

31. Структура теплового поля Урала // Тепловое поле Земли и методы его изучения: Сб. научных трудов. М., 2000. С. 116-120.

32. Реконструкция температурной истории земной поверхности на Среднем и Южном Урале по геотермическим данным // Проблемы региональной геофизики: Материалы конференции 5-7 декабря 2001 г. Новосибирск: СО РАН, 2001. С. 43-44. (Соавторы: Демежко Д.Ю., Голованова И.В., Селезнёва Г.В.).

33. Вариант геотермического разреза литосферы вдоль геотраверса «ГРАНИТ» // Первые научные чтения памяти Ю. П. Булашевича. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2001. С. 102, 103. (Соавторы: Хачай Ю.В., Голованова И.В., Гордиенко В.В., Дучков А.Д., Кашубин С.Н., Кашубина Т.В., Кутас Р.И.). . . . ■ .

34. Paleoclimatic analysis of geothermal data // Proc. Int. Conf. "The Earth's thermal field". M., 2002. P. 41-48. (Joint authors: Demczhko D.Yu., Gotovanova I.V., Selesneva G.V.).

35. Paleoclimatic analysis of geothermal data in the Urals. Different approaches. II // Proc. Int. Conf. "The Earth's thermal field and related research methods". M., 2002. P. 79-81. (Joint authors: Demezhko D.Yu., Golovanova I.V., Selesneva G.V.).

36. The lithosphere's geothermal crossecction along geothravers "GRANIT" // Proc. Int. Conf. "The Earths thermal field". M., 2002. P. 141-147. (Joint authors: Khachay Yu.V., Golovanova I.V., Duchkov A.D.).

37. Геотермия и глубинное строение Урала // Вторые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2003. С. 244-247.

38. Исследование климатических изменений, происходивших на Урале за последнее тысячелетие, в свете проблемы глобального потепления // Региональный конкурс РФФИ «Урал» Свердловская область: Результаты научных работ, полученных за 2002 г. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. С. 401-407. (Соавторы: Демежко Д.Ю., Голованова И.В., Рыбкин Д.Г.).

39. Исследование климатических изменений, происходивших за последнее тысячелетие, в свсте проблемы глобального потепления // Региональный конкурс РФФИ «Урал» Свердловская область: Результаты научных работ, полученных за 2003 г. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. С. 536540. (Соавторы: Демежко Д.Ю., Голованова И.В., Рыбкин Д.Г.).

40. Радиогенная теплогенерация пород Уральской эвгсосинклинали // Уральский геофизический вестник, 2004. № 6. С. 116-121. (Соавторы: Бур-дин Ю.Б., Болыциков В.А., Хачай Ю.В., Юрков А.К.).

41. Физические поля и глубинное строение Уральской эвгеосинклина-ли // Третьи научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2005. С. 105-106.

42. Экологические последствия подземных ядерных взрывов на нефтяных месторождениях Пермской области // Четвертая Международная конференция: Мониторинг ядерных испытаний и их последствий. Астана: Научный центр PK, 2006. С. 104-107. (Соавторы: Уткин В.И., Рыбаков E.H.).

Подписано в печатьДО. 07. 2006. Формат 60x84 1/16. Бумага типографская. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2.0. Тираж 100 экз. Заказ 100 .

Размножено с готового оригинал-макета в типографии «Уральский центр академического обслуживания» 620219, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Щапов, Владислав Анатольевич

Введение.

Глава 1. Геофизическая изученность Урала.

1.1. Тепло Земли и исторический обзор геотермических исследований.

1.2. Исторический обзор сейсмических исследований и ГСЗ на Урале.

1.3. Гравитационное поле.

1.4. Магнитное поле.

1.5. Палеомагнитные исследования.

1.6. Палеогеография Урала.

1.7. Палеотермометрия.

1.7.1. Палеотермометрия Тагильского прогиба.

1.7.2. Тепловой поток разлома Сан-Андреас.

Глава 2. Методика измерения температуры, теплопроводности и вычисления плотности теплового потока.

2.1. Аппаратура.

2.1.1. Измерение температуры.

2.1.2. Кварцевый термометр и термоградиентометр.

2.1.3. Скважинный термоградиентометр.

2.1.4. Канал измерения температуры.

2.1.5. Термометр с автоматической калибровкой.

2.1.6. Методы и приборы для измерения теплопроводности образцов керна.

2.2. Определение плотности теплового потока.

Глава 3. Комплексирование температурных измерений с гелиевым и акустическим каротажом.

3.1. Комплексирование температурные измерения с гелиевым каротажом.

3.2. Температурные и акустические измерения в скважинах на примере Гежского месторождения.

Глава 4. Карта распределения теплового потока на Урале для глубин 1 км.

4.1. Каталог геотермических данных.

4.2. Карта теплового потока.

4.3. Температурные особенности Уральской Складчатой

Системы.

4.3.1. Магнитогорский прогиб.

4.3.2. Месторождения Тагильского прогиба.

4.3.3. Верхне-Уфалейская моноклиналь.

4.4. Термическое состояние древнейших на Урале пород

Тараташский массив.

4.5. Оценка времени после окончания действия теплового источника.

4.5.1. Оценка суммарной мощности теплогенерирующих элементов.

4.5.2. Палеоклимат.

4.5.3. Вертикальные движения.

4.5.4. Основность.

Глава 5. Причины низкого теплового потока Уральской геосинклинали.

Глава 6. Изменение теплофизических параметров горных пород с глубиной.

6.1. Расчет коэффициента теплопроводности.

6.2. Моделирование температурного разреза.

Глава 7. Спектрометрические исследования содержания U, Th,

К на месторождениях Урала.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геотермические исследования Урала"

Актуальность проблемы. Изучение теплового состояния недр - одна из важнейших задач геофизики. Все физические свойства горных пород зависят от температуры. Температура недр определяется распределением теплогенерирующих элементов, что прямо связано с основностью пород плотностью, с гравитационной аномалией. Температура является определяющим фактором в реалогических свойствах пород пластической или разрывной деформации. Отсюда следует возможность определения глубин очагов возможных землетрясений. Изменение физических характеристик минерального вещества при воздействии высоких температур и давлений, соответствующих глубинным слоям Земли, необходимо для решения фундаментальных и прикладных вопросов геофизики. Возрастание температуры с глубиной определяет изменение с глубиной плотности пород, магнитные свойства, все физико-химические процессы взаимодействия флюидов с веществом, процессы растворимости и массопереноса. Такой благородный металл, как золото, встречающийся в самородном виде, при температуре выше 105 °С и наличии иона хлора, превращается в легко мигрирующее соединение. Тектоника, магматизм, метаморфизм, нижняя граница магнитоактивного слоя, глубина до границы Мохо, лик нашей планеты - все эти процессы управляются температурой недр. Тепловое поле «инерционно», и выравнивание температуры в слое мощностью 50 км происходит за миллионы лет, и на сегодняшний день оно хранит память прошедших тектонических событий.

Изучение распределения теплового потока на Урале имеет важное значение для построения наиболее точной геолого-геофизической модели этого региона. Урал, как структура, образованная за счёт сближения трёх континентов Европейского, Сибирского и Казахстанского, прошёл длительную эволюцию земной коры в процессе её становления преобразования.

Цель работы. Изучение распределения теплового потока и глубинных температур на Урале и прилегающих регионов. Выяснение природы выявленных низких тепловых потоков. Построение карты теплового потока. Разработка аппаратуры для измерений градиентов температуры и температуры в скважине.

Основные задачи исследований

1. Детальное исследование распределения теплового потока на Урале:

- измерение температур в скважинах, расположенных во всех структурно-тектонических зонах первого порядка на Урале и прилегающих регионах;

- измерение теплофизических свойств кернового материала и вычисление плотности теплового потока.

2. Создание аппаратурного комплекса и методики определения теплового потока. Комплексирование температурных измерений с гелиевым и акустическим каротажом.

3. Анализ факторов, влияющих на температуру недр Урала.

Прямое спектрометрическое измерение распределения радиогенных элементов в скважинах осевой зоны Урала.

4. Построение геотермических моделей литосферы.

Научная новизна

1. Созданы кварцевый термометр и термоградиентометр для сква-жинных измерений температуры.

2. Разработан, создан термометр и получено авторское свидетельство на способ реперной калибровки термометров в скважине.

4. Проведены систематические измерения плотности теплового потока по 250 скважинам, которые расположены во всех структурно тектонических зонах Урала, Русской платформы и Западно-Сибирской платформы.

5. Проведены скважинные спектрометрические измерения содержания U, Th, К на месторождениях, расположенных в осевой зоне Урала и рассчитана удельная теплогенерация разреза.

6. Построена карта теплового потока Урала и сопредельных территорий в программе GMT.

Исходные данные и личный вклад автора

Исследования выполнены в период с 1972 по 2005 год в Институте геофизики УрО РАН. Автором поставлены задачи, решение которых представлено в данной работе. Автор принимал личное участие на всех этапах исследования, начиная от организации и проведения экспедиционных работ до подготовки публикаций и представления докладов на Российских и международных конференциях. Первые работы автора выполнены под руководством члена-корреспондента РАН Ю. П. Булашевича. Вся созданная и используемая в полевых исследованиях аппаратура разработана автором. Весь фактический материал по измерению температур в скважинах (более 250 на 54 месторождениях) и теплофизических характеристик керна получен автором при проведении полевых работ в ходе выполнения программы исследования плотности тепловых потоков основных уральских структур. Карта теплового потока построена автором. При проведении сква-жинных измерений определения концентрации гелия в подземных водах выполнены А. К. Юрковым.

Автором проведена обработка полевого материала по спектральному анализу распределения радиоактивных элементов в земной коре Урала, при полевых измерениях использован скважинный спектрометр, разработанный к.т.н. Ю. Б. Бурдиным и В. А. Больщиковым.

Построение геотермического разреза по профилю ГРАНИТ проведено совместно с д.ф-м.н. Ю. В. Хачаем.

Палеоклиматические исследования проведены совместно с Д. Ю. Демежко, Д. Г. Рыбкиным и А. К. Юрковым.

В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежит планирование эксперимента, наблюдённые данные и обсуждение результатов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на Всесоюзном геотермическом совещании (Свердловск, 1980); на региональной конференции «Геотермия и её применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях» (Свердловск, 1989); Международной геофизической конференции и выставки SEG-EAGO (Санкт-Петербург, 1995); Warming in the Northern Urals in 18th Century Inferred From Geothermal Measurements (IUGG XXI General Assembly, Boulder, USA, 1995); III Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» (Москва, 1997); Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» (Москва, 2000); Научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича (Екатеринбург, 2001, 2003, 2005); Международных конференциях «The Earths Thermal field and related research methods» (Москва, 2000, 2002); VIII Научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового потенциала Ханты-Мансийского автономного округа» (Берёзово, 2004).

Основные результаты работы внесены в три научных отчета. По теме диссертации опубликовано 41 работа и получен патент.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие научные положения:

1. На основе разработанной автором скважинной аппаратуры для геотермических исследований и обширном уникальном экспериментальном материале (более 250 скважин глубиной 1-2 км и сверхглубоких скважин) с привлечением результатов измерений теплового потока по опубликованным литературным данным, составлена карта теплового потока значительной территории(48 - 72° с.ш. 48 - 72° в.д.), наиболее полно отражающая особенности теплового режима в Уральском регионе.

2. Установлено, что в пределах Тагильской и Магнитогорской вулканогенных мегазон Урала наблюдается аномально низкий тепловой поток л менее 30 мВт/м ), в то время, как в области пространственно совпадающей с Верхнее-Уфалейским синклинорием, выявлено увеличение его знал чения до 38 мВт/м , что свидетельствует о различии в глубинном строении в пределах этой территории.

3. На основании прямых скважинных спектрометрических измерений содержания теплогенерирующих элементов U, Th, К в областях с пониженным тепловым потоком, автором рассчитана удельная теплогенерация пород и охарактеризован наиболее характерный диапазон низких содержаний U,Th,K для пород центральных зон Урала. Эти результаты позволяют более обоснованно полагать, что основной причиной низких тепловых потоков является низкая теплогенерация пород земной коры на всю её мощность.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 138 наименований, включая 124 рисунка и 3 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Щапов, Владислав Анатольевич

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему.

1. На Урале обнаружена и детально исследована зона аномально низких тепловых потоков (менее 30 мВт/м ), приуроченная к Тагильскому и Магнитогорскому синклинориям. На границе Тагильского и Магнитогорского синклинория в Верхнее-Уфалейской антиклинали тепловой поток увеличен до 38 мВт/м2, что выделяет эту зону из общей закономерности распределения теплового потока в эвгеосинклинали.

2. На основе геотермических измерений по 250 скважинам на 54 месторождениях детально исследован тепловой поток Урала. Построена карта теплового потока Урала для глубины 1 км. На основе фактического материала детально исследованы тепловые потоки в эвгеосинклинали, что позволило провести расчёт глубинных температур на Урале.

3. На основании прямых спектрометрических измерений содержания теплогенерирующих элементов в скважинах охарактеризован наиболее характерный диапазон содержаний U, Th, К для пород эвгеосинклинали. Эти результаты позволяют предполагать, что основной причиной низких тепловых потоков является низкая теплогенерация пород земной коры Урала на всю её мощность.

Полученный обширный материал используется для палеоклиматиче-ских реконструкций в Уральском регионе.

5. Разработаны и созданы кварцевый термометр и термоградиентометр для скважинных измерений температуры.

Геотермические характеристики тектонических структур Урала могут быть использованы при изучении глубинного строения региона, уточнения температурных моделей земной коры и верхней мантии. Данные по тепловому потоку в сочетании с полученными данными о тепловых свойствах горных пород и содержанием теплогенерирующих элементов могут служить основой для прогноза температурного режима в земных глубинах.

Восточно-Европейская платформа dE

Западно-Сибирская плита

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Щапов, Владислав Анатольевич, Екатеринбург

1. Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Геотермические особенности Уральской геосинклинали //Доклады АН СССР, 1978. Т. 243, № 3. С. 715-718.

2. Булашевич Ю. П. Информативность геотермии при изучении земной коры Уральской эвгеосинклинали // Известия АН СССР. Физика Земли, 1983. №8. С. 76-78.

3. Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Геотермическая характеристика Урала // Применение геотермии в региональных и поисково-разведочных исследованиях. Свердловск, 1983. С. 3-17.

4. Булашевич Ю. П., Щапов В. А., Юрков А. К. Термогелиевая характеристика Шадринских минеральных вод // Доклады АН СССР, 1983. Т. 272, № 4. С. 832-834.

5. Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Геотермические особенности рудных месторождений Урала // Известия АН СССР. Физика Земли, 1984. № 6. С. 103-107.

6. Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Новые данные об аномально низком тепловом потоке Тагильского синклинория // Доклады АН СССР, 1986. Т. 290, № 1.С. 173-176.

7. Булашевич Ю. П., Щапов В. А. Об аномально низком тепловом потоке в Тагильском синклинории // Ядерно-геофизические и геотермические исследования. Свердловск, 1987. С. 4-12.

8. Гайский ГОК. Геология Гайского и Подольского медно-цинковых колчеданных месторождений на Урале. Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2000. Геология СССР. М.: Недра, 1969. Т. 12. Ч. 1. Пермская, Свердловская, Челябинская и Курганская области. 304 с.

9. Геотраверс «ГРАНИТ»: Восточно-Европейская платформа-Урал- Западная Сибирь / Под ред. С. Н. Кашубина. Екатеринбург: ГУПР России по Свердловской обл. и ФГУГП «Баженовская геофизическая экспедиция», 2002.312 с.

10. Гидрогеотермические критерии нефтегазоносности. М.: Недра, 1992. 231 с.

11. Глубинное строение и геодинамика Южного Урала (проект Уралсейс). Тверь: изд-во ГЕРС, 2001. 286 с.

12. Голованова И. В. Геотермические исследования в Ильменской скважине 1 // Ежегодник-1994. Уфа: ИГУфНЦРАН, 1995. С. 129-131.

13. Голованова И. В. Тепловой поток и радиогенная теплогенерация на Южном Урале // Тепловое поле Земли и методы его изучения: Сб. научных трудов. М., 1997. С. 110-114.

14. Голованова И. В. Тепловое поле Южного Урала: Автореф. дис. . док. физ.-мат. наук. Объединенный институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН. М., 2003.

15. Дружинин В. С., Рыбалка В. М., Соболев И. Д. Связь тектоники и магматизма с глубинным строением Среднего Урала по данным ГСЗ. М.: Недра, 1976. 158 с.

16. Дружинин В. С., Каретин Ю. С., Рыбалка В. М., Халевин И. И. Новые данные о глубинном строении Урала (по результатам исследований на Красноуральском профиле ГСЗ) // Доклады АН СССР, 1981. Т. 258, № 1. С. 173-176.

17. Дружинин В. С., Егоркин А. В., Кашубин С. Н. Новые данные о глубинной структуре Урала и прилегающих к нему областей по данным ГСЗ // Доклады АН СССР, 19906. Т. 315, № 5. С. 1086-1090.

18. Егоркин А. В. Строение земной коры по сейсмическим геотраверсам. Глубинное строение территории СССР / Под ред. В. В. Белоусова и др. М.: Наука, 1991. С. 118-135.

19. Журавлев Е. Г. Тектоника фундамента Западно-Сибирской плиты // Геотектоника, 1986. №5. С. 107-115.

20. Карта аномального магнитного поля (ДТ)д территории СССР и некоторых прилегающих акваторий М-б 1:10 000 000 / Под ред. 3. А. Макаровой и Н. П. Шмияровой. М.: Мингео СССР, 1975.

21. Каталог данных по тепловому потоку Урала / Сост. И. В. Голованова. Уфа: Препринт УфНЦ РАН, 1994. 30 с.

22. Кашубин С. Н., Дружинин В. С. Развитие метода ГСЗ на Урале // Известия АН СССР. Физика Земли, 1999. № 7. С. 30-43.

23. Клёмин В. П. Признаки гидротермально-осадочного оруденения в над-рудных толщах Подольского колчеданного месторождения // Доклады АН СССР, 1978. Т. 238. С. 422-425.

24. Кузнецов А. А., Таврин И. Ф. Глубинное геологическое строение Магнитогорского синклинория на Южном Урале по данным геофизических методов // Геология и полезные ископаемые Оренбургской области. Оренбург-Свердловск, 1960. С. 12-19.

25. Любимова Е. А. Термика Земли и Луны. М.: Наука, 1968. 279 с. Магакьян И. Г. Рудные месторождения. М.: Гос. научно-техн. изд. лит. по геологии и охране недр, 1955.

26. Минералы и парагенезисы минералов / Ф. П. Буслаев, А. А. Гараева, Т. Я. Гуляева и др. // Записки Всероссийского минералогического общества, 2000. Ч. СХХ1Х. № 4.

27. Нечеухии В. М., Берлянд Н. Г., Пучков В. Н., Соколов В. Б. Глубинное строение, тектоника, металлогения Урала. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1986. 106 с.

28. Петухов Б. С. Опытное изучение процессов теплопередачи. М.; JL: Гос-энергоиздат, 1952.

29. Полеты межпланетных станций и научных спутников // Земля и Вселенная, 2004. № 3. (Материалы сайта http://epizodsspace.testpilot.ru). Поляк Б. Г. О геотермическом градиенте Русской платформы // Вопросы гидрогеологии и геотермии. Мм 1962. С. 23-35.

30. Поляк Б. Г. Тепловой поток и «средний возраст» термальных событий в земной коре // Тепловое поле Земли и методы его изучения: Сб. научных трудов. М., 2000.

31. Попов Ю. А., Березин В. В., Семёнов В. Г., Коростелёв В. М. Комплексные детальные исследования тепловых свойств горных пород на основе подвижного точечного источника // Известия АН СССР. Физика Земли, 1985а. № 1.С. 88-96.

32. Попов Ю. А., Березин В. В., Семёнов В. Г. Об определении теплопроводности анизотропных металлов и горных пород // Известия АН СССР. Физика Земли, 19856. № 7. С. 105-112.

33. Попов Ю. А., Ромушкевич Р. А., Попов Е. Ю., Башта К. Г. Геотермические характеристики разреза СГ-4 // Результаты бурения и исследований Уральской сверхглубокой скважины (СГ-4):Сб. научных трудов. Вып. 5. Ярославль, 1999. С. 77-88.

34. Прокин В. А., Буслаев Ф. П. Изучение морфологии рудных тел и структуры Подольского месторождения с целью изучения дополнительных данных для проектирования подземного рудника: Отчёт. Свердловск, 1988. (Фонды ИГГ им. Заварицкого).

35. Пучков В. Н. Образование Урало-Ново-земельского складчатого пояса -результат неравномерной косоориентированной коллизии континентов // Геотектоника, 1996. № 5. С. 66-75.

36. Пучков В. Н. Палеодинамика Южного и Среднего Урала. Уфа: Даурия, 2000. 146 с.

37. Радиоактивные беды Урала / В. И. Уткин, М. Я. Чеботина,

38. A. В. Евстигнеев и др. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 94 с. Радиогенная теплогенерация пород Уральской эвгеосинклинали /

39. B. А. Щапов, Ю. Б. Бурдин, В. А. Болыциков и др. // Уральский геофизический вестник, 2004. № 6. С. 116-121.

40. Распределение естественных радиоактивных элементов в разрезе Уральской сверхглубокой скважины по данным гамма спектроскопии керна /

41. C. А. Игумнов, 3. Р. Закиров, А. И. Минцев и др. // Известия Уральской

42. Сейсмичность и сейсмическое районирование Уральского региона. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 125 с.

43. Таврин И. Ф., Беллавин О. В. Размещение в земной коре Урала гранитных и гипербазитовых массивов // Тектоника и магматизм Южного Урала. М.: Наука, 1974. С. 79-83.

44. Тектоника Урала: Объяснительная записка к тектонической карте Урала масштаба 1:1000 000 / А. В. Пейве, С. Н. Иванов, В. М. Нечеухин и др. М.: Наука, 1977. 220 с.

45. Температура, криолитозона и радиогенная теплогенерация в земной коре Северной Азии / А. Д. Дучков, И. Т. Балобаев, Б. В. Володько и др. Новосибирск: СО РАН, 1994. 141 с.

46. Тепловое поле и геотермические модели литосферы Урала / Ю. В. Хачай, Д. Ю. Демежко, В. А. Щапов и др. // SEG-EAGO: Международная геофизическая конференция и выставка. СПб, 1995. Т. 2,9.7. (Тезисы доклада).

47. Теплопроводность твердых тел: Справочник / А. С. Охотин, Р. П. Боровикова, Т. В. Нечаева, А. С. Пушкарский. М.: Энергоатомиздат, 1984.320 с.

48. Уткин В. И., Юрков А. К., Николаев В. В., Щапов В. А. Скважинный термометр. Патент РФ № 2100595, 1996.

49. Уткин В. И. Новейшая геодинамика и наследованное движение ЕвроАзиатского континента // Уральский геофизический вестник, 2003. № 5. С. 78-82.

50. Фёдорова Н. В., Шапиро В. А., ТюрмипаЛ. О. Поля относимости при региональных аэромагнитных съемках и выделении длинноволновых геомагнитных аномалий на Урале // Известия АН СССР. Физика Земли, 1989. №4. С. 104-112.

51. Фёдорова Н. В. Модели намагниченности земной коры по геотраверсу Гранит // Уральский геофизический вестник, 2001. № 2. С. 88-93. Филиппов Л. П. Измерения теплофизических свойств веществ. М.: Энергоатомиздат, 1984.

52. Фор Гюнтер. Основы изотопной геологии. М.: Мир, 1989. 589 с. Формирование земной коры Урала / С. Н. Иванов, В. Н. Пучков, К. С. Иванов и др. М.: Наука, 1986. 248 с.

53. Халевин Н. И. Сейсмология взрывов на Урале (методики и результаты исследований). М.: Наука, 1975. 136 с.

54. Хуторской М. Д. Тепловой поток, модель строения и эволюция литосферы Южного Урала и Центрального Казахстана // Геотектоника. 1985. № 3. С. 50-61.

55. Хуторской М. Д. Введение в геотермию: Курс лекций. М.: РУДН, 1996. 156 с.

56. Щапов В. А., Юрков А. К. Распределение температуры и концентраций гелия на некоторых структурах Урала // Исследования гелиевых и тепловых полей Урала. Свердловск, 1980. С. 3-16.

57. Щапов В. А. Физические поля и глубинное строение Уральской эвгео-синклинали // Третьи научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2005. С. 105-106.

58. Юрков А. К. Методика и результаты изучения в скважинах полей гелия и радиогенного аргона на Урале: Дис. . канд. гео-мин. наук. Институт геофизики УрО РАН. Свердловск, 1984.

59. Bonner J.L., Blackwell D. D. The Earths thermal field and related research methods // Proc. Int. Conf. "The Earth's thermal field and related research methods". M., 1998. P. 41-46.

60. Continental break-ap and collision in the Neoproterozoic and Paleozoic a tale of Baltica and Laurentia / Т. H. Torsvik, M. A. Smethurst, J. G. Meert et al. // Earth Science Reviews, 1996. V. 40. P. 229-258.

61. Demezhko D, Ryvkin D, Khachay Yu, Schapov V. Warming in the Northern Urals in 18th Century Inferred From Geothermal Measurements / IUGG XXI. General Assembly. Boulder, 1995. P. A263.

62. Demezhko D. Y., Shchapov V. A., Yurkov A. K. Paleoclimate reconstruction in the Urals inferred from temperature measurement in deep hole SG-4 11 Proc.1.t. Conf. "The Earth's thermal field and related research methods". M., 1998. P. 62-63.

63. Demezhko D. Yu., Golovanova I. V., Selesneva G. V, Shchapov V. A. Paleocli-matic analysis of geothermal data // Proc. Int. Conf. "The Earth's thermal field". M, 2002a. P. 41-43.

64. Demezhko D. Yu., Golovanova I. V., Selesneva G. V., Shchapov V. A. Paleo-climatic analysis of geothermal data in the Urals. Different approaches. II // Proc. Int. Conf. "The Earth's thermal field and related research methods". M., 2002b. P. 79-81.

65. Demezhko D. Yu., Shchapov V. A. 80,000 years ground surface temperature history inferred from the temperature-depth log measured in the superdeep hole SG-4 (the Urals, Russia) // Global and Planetary Change, 2001. V. 29. P. 219-230.

66. Hideki Shimamura. Precision quartz thermometers for borehole observations // J. Phys. Earth, 1980. N 28. P. 243-260.

67. HondaS., UyedaS. Thermal process in subduction zones a review and preliminary on the origin of arc volcanism // Arc volcanism: physics and tectonics. Tokyo: Terrapub, 1983. P. 117-140.

Информация о работе

Щапов, Владислав Анатольевич
доктора геолого-минералогических наук
Екатеринбург, 2006
ВАК 25.00.10

Диссертация

Геотермические исследования Урала - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы