Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Источники локальных аномалий силы тяжести в осадочном чехле Воронежской антеклизы

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Воронова, Татьяна Александровна, Воронеж

Воронежский государственный университет

На правах рукописи

Воронова Татьяна Александровна

Источники локальных аномалий силы тяжести в осадочном чехле Воронежской антеклизы

(юго-восточная часть)

Специальность 04.00.12 геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных

ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Воронеж -1999

т

I

Содержание

Введение.................................................................................4

Глава 1. Геолого-геофизическая характеристика Воронежской антеклизы..............................................................................13

1.1. Основные черты геологического строения района......................13

1.1.1. Докембрий......................................................................13

1.1.2. Фанерозой.....................................................................15

1.1.3. Верхний мел...................................................................18

1.2.Физические свойства............................................................21

Глава 2. Методика интерпретации аномалий силы тяжести................29

2.1. Характеристика источников аномалий силы тяжести в осадочном чехле.....................................................................29

2.2. Основные положения методики обнаружения источников аномалий силы тяжести в осадочном чехле....................................31

2.3. Выделение локальных аномалий силы тяжести от осадочного

чехла....................................................................................32

Глава 3. Проявление карстовых образований в гравитационном

поле.....................................................................................45

3.1. Выделение аномалий силы тяжести от карстовых образований

из наблюденного поля...............................................................51

3.2. Анализ фактического материала по выявлению карста................60

Глава 4. Влияние кор выветривания на аномалии силы тяжести..........68

4.1. Остаточная кора выветривания..............................................68

4.2. Преобразованная кора выветривания.......................................69

4.3. Наложенно-инфильтрационная кора выветривания.....................71

Глава 5. Другие источники гравитационных аномалий в

осадочном чехле......................................................................75

Заключение.........................................................................81

Список литературы...............................................................83

Введение.

До настоящего времени интерпретация гравитационного поля на территории Воронежской антеклизы проводилась с учетом таких гравити-рующих факторов как внутреннее строение, состав и рельеф кровли фундамента, залегающего на глубине от нескольких десятков метров до одного километра. При этом считалось, что породы осадочного чехла, в силу почти горизонтального залегания, не создают существенных аномалий силы тяжести. Однако при более подробном рассмотрении строения осадочного чехла обнаруживается его неоднородность по плотности, особенно в верхней части разреза. Такая неоднородность и является источником достаточно хорошо выраженных локальных аномалий Дg и ^Яъъ.

Гравитационный эффект, вызванный плотностными неоднородностя-ми осадочного чехла, с одной стороны, необходимо учитывать и исключать из наблюдений при изучении строения фундамента, с другой стороны его можно использовать в том случае, когда объектом изучения является сам осадочный чехол, в особенности его верхняя часть.

На основе имеющихся данных по геологии, литологии, тектонике, а также практического опыта можно попытаться определить природу всевозможных источников гравитационных аномалий в осадочном чехле Воронежской антеклизы и оценить интенсивность их проявления на картах локальных аномалий силы тяжести. Геологическая интерпретация аномалий, обусловленных влиянием источников, расположенных в осадочном чехле, представляет собой непростую задачу. Ее решение предполагает всестороннее изучение условий залегания, морфологии, вещественного состава и физических свойств аномалеобразующих объектов. Также необходимо оценить интенсивность, форму и размеры в плане ожидаемых аномалий силы тяжести.

Во многих случаях аномалии силы тяжести или ее вертикального градиента, обусловленные осадочными породами, сопровождаются достаточно контрастными изменениями кажущегося сопротивления в разрезе, изучение которых позволяет определить геологическую природу наблюдаемой гравитационной аномалии.

В предлагаемой работе решаются следующие задачи.

1. Разработка методики разделения аномалий силы тяжести от плот-ностных неоднородностей осадочного чехла и кристаллического фундамента.

2. Установление основных закономерностей проявления карстовых образований осадочного чехла в гравитационном поле.

3. Оценка влияния кор выветривания, фосфоритов и угленосных отложений и способы их выделения с помощью градиентометриче-ских измерений.

Решение поставленных задач проводилось на основе анализа гравиметрических, магнитных и частично электроразведочных съемок с учетом данных по геологии осадочного чехла Воронежской антеклизы и бурению. Вся территория Воронежской антеклизы покрыта съемками масштаба 1:50000 и частично съемками масштаба 1:100000. Кроме того, были привлечены детальные исследования кафедры геофизики по измерению вертикального градиента силы тяжести.

В качестве примера, показывающего эффективность использования гравиметрических измерений для изучения осадочного чехла, была взята территория юго-восточной части Воронежской области (лист М-37-ХХП). На данном участке была опробована предложенная методика изучения осадочного чехла с помощью гравиразведки и разделения аномалий силы тяжести от фундамента и осадочного чехла.

На основе разработанной методики создана эффективная и простая

технология определения источников локальных аномалий силы тяжести в

осадочном чехле. Геологическая эффективность доказана на ряде практических примеров.

В диссертации защищаются следующие основные положения.

1. Разработана методика разделения аномалий силы тяжести от источников в осадочном чехле и кристаллическом фундаменте.

2. Погребенные карстовые формы создают наибольшие по амплитуде локальные аномалии силы тяжести и имеют широкое распространение на территории Воронежской антеклизы.

3. Существенный гравитационный эффект может быть связан с корой выветривания верхнемеловых пород, фосфоритами и угольными отложениями.

Диссертацию можно разделить условно на две части. В первой части (главы 1 и 2) дается описание осадочного чехла, приводятся физические свойства горных пород и на основе этого излагаются основные положения методики исследований. Во второй части (главы 3-5) приводятся практические примеры эффективного использования разработанной методики.

В первой главе "Геолого-геофизическая характеристика осадочных отложений Воронежской антеклизы" изложены основные черты геологического строения района и охарактеризованы физические свойства осадочных пород.

Воронежская антеклиза представляет собой крупный блок кристаллического фундамента, перекрытый осадочным чехлом мощностью от первых десятков метров до 1 км. Формирование кристаллического фундамента началось в архее и закончилось в конце раннего протерозоя.

На территории региона выделяются архейские, нижне- и верхнепротерозойские образования. Архейские и нижнепротерозойские породы слагают кристаллический фундамент антеклизы (нижний структурный ярус), а верхнепротерозойские представлены неметаморфизованными

отложениями, распространенными в северной части региона. Они совместно с фанерозойскими образованиями входят в состав осадочного чехла (верхний структурный ярус).

В пределах антеклизы развиты неметаморфизованные отложения палеозоя, мезозоя и кайнозоя мощностью от нескольких десятков метров в сводовой до 1.5 км в краевых частях региона. Палеозой представлен девонской и каменноугольной, мезозой - юрской и меловой, кайнозой -палеогеновой, неогеновой и четвертичной системами.

Воронежская антеклиза сформировалась в палеозое, причем ее северовосточный склон образовался в девонское, а юго-западный - в каменноугольное время. Выделяются сводовая часть, юго-западный, северозападный, северный, северо-восточный и юго-восточный склоны антеклизы, осложненные структурами более высоких порядков.

В отличие от магматических и метаморфических пород осадочные отложения имеют большую пористость. Поэтому плотность осадочных пород существенно зависит от пористости. Пористость одной и той же породы меняется в широких пределах. Пористость породы, а также ее плотность зависит, прежде всего, от условий образования породы и от воздействия геологических факторов, которому порода подвергается за весь период своего существования.

В условиях естественного залегания на породы давят вышележащие слои, что приводит к уменьшению пористости с глубиной. Этот процесс может сопровождаться частичной перекристаллизацией породы и увеличением ее плотности. Как правило, с глубиной скорость изменения пористости и плотности снижается.

Уменьшению пористости, а, следовательно, увеличению плотности способствует метаморфизм пород в процессе складкообразования.

Влияние отмеченных факторов приводит к тому, что плотность одних и тех же осадочных пород в различных геологических условиях неодинакова.

Во второй главе "Методика интерпретации аномалий силы тяжести" речь идет об основных положениях методики обнаружения источников гравитационных аномалий и их классификации.

Решая задачу разделения суммарного гравитационного поля на составляющие от осадочного чехла и фундамента, исходят из того, что

- большинство аномалий силы тяжести, связанных с фундаментом, совпадают в плане и по конфигурации с магнитными аномалиями, а породы осадочного чехла практически немагнитны;

- верхний предел глубины залегания гравитирующих объектов, связанных с осадочными породами, в силу быстрого затухания аномалий не превышает 50 метров, а нижний предел глубины залегания гравитирующих источников, расположенных в фундаменте составляет величину гораздо большую, что позволяет использовать для определения природы аномалий их градиентные характеристики;

- для большинства аномалий, обусловленных влиянием фундамента, в особенности если они связаны с раннепротерозойскими подвижными поясами, характерна ярко выраженная линейность, в то время как аномалии, вызванные источниками, расположенными в осадочном чехле, имеют неправильную амебообразную форму без выраженного простирания;

- почти все аномалии, обусловленные неоднородностями строения осадочного чехла, находят то или иное отображение в значениях кажущегося сопротивления;

- аномалии, вызванные геологическими объектами осадочного чехла, характеризуется, как правило, небольшой амплитудой (не более 0.5-1.5

мГал), в то время как аномалии, обусловленные влиянием фундамента, имеют иногда интенсивность до нескольких миллигал.

Следуя вышеизложенному, из множества наблюдаемых аномалий силы тяжести можно выделить те, которые своим возникновением обязаны плотностным неоднородностям осадочной толщи. Эти источники, в свою очередь можно разделить на региональные и локальные.

Третья глава "Проявление карстовых образований в гравитационном поле" посвящена изучению карстовых форм и их влиянию на поле силы тяжести. На территории Воронежской антеклизы карстовые формы приурочены к карбонатным образованиям девона, карбона и верхнего мела. Карст пользуется широким распространением в регионе, и проблема его изучения имеет два аспекта. Первый возникает в связи с необходимостью выявления и картирования карстовых форм при проведении инженерно-изыскательских работ для нужд крупного строительства. Со вторым приходится иметь дело при постановке гравиметрических съемок для изучения геологического строения кристаллического фундамента, и он заключается в необходимости выделения из суммарного гравитационного поля только тех аномалий, которые обусловлены объектами, расположенными в фундаменте.

Для оценки возможностей изучения карста с помощью гравиметрической съемки было выполнено моделирование гравитационных аномалий над карстовыми формами. В качестве геометрической модели карста использовалась бесконечная горизонтальная прямоугольная призма.

Результаты можно резюмировать следующим образом.

При небольшой глубине залегания (Ь не более 5 м) все даже небольшие по размерам формы в принципе могут быть выявлены при помощи съемки вертикального градиента силы тяжести (величина аномалии выше 47 этвеш) при условии , что густота съемочной сети

будет соответствовать размерам интересующих объектов. Практически

все аномалии этой группы за исключением самых маломощных могут быть выявлены при гравиметрической съемке масштаба 1: 10 ООО. Самые широкие формы (Ь =100 и более метров) будут проявляться при гравиметрической съемке масштаба 1: 50 000.

При средней глубине залегания (11=15) лишь наиболее крупные карстовые полости шириной не менее 50м и вертикальной мощностью более 35м получат отображение на результатах съемки вертикального градиента силы тяжести. Примерно такими же возможностями характеризуется гравиметрическая съемка масштаба 1:10 000. Съемка масштаба 1:50 000 сможет выявить только наиболее крупные по ширине формы при условии, что их вертикальная мощность будет достаточно большой (не менее 35 м).

При значительной глубине залегания (более 30 м) всеми вышеупомянутыми видами съемок могут быть выявлены только наиболее крупные (по ширине и вертикальной мощности) карстовые формы.

Таким образом, карстовые проявления на территории Воронежской антеклизы, представляющие определенную "помеху" при картировании кристаллического фундамента и строительстве инженерных сооружений, могут быть обнаружены с помощью гравиметрических наблюдений (измерения силы тяжести и ее вертикального градиента).

В четвертой главе "Влияние кор выветривания на аномалии силы тяжести" дается характеристика литогенетических типов коры выветривания верхнемеловых пород и оценивается гравитационный эффект, связанный с ними.

По составу, мощности, условиям залегания, площадному распространению указанная кора подразделяется на три литогенетических типа.

1. Остаточная кора выветривания, залегающая на выровненных или слегка наклонных поверхностях водораздельных пространств.

и

2. Преобразованная кора выветривания, залегающая на относительно крутосклонных участках эрозионно-денудационной поверхности.

3. Наложенно-инфильтрационная кора выветривания в карстовых полостях, куда она вовлекалась по мере роста полости с днища и склонов долин, балок, седловин, эрозионных впадин.

В зависимости от характера залегания, мощности и включений пород с высокой плотностью кора выветривания может вызывать существенный гравитационный эффект.

С корой выветривания мело-мергельных отложений связано образование кремнистых метасоматитов, получивших широкое развитие среди позднемеловых отложений Воронежской антеклизы. Это трепелы, опоки, кремни, трепеловидные глины и мергели. Гравитационный эффект, обусловленный кремнистыми метасоматитами, будет по разному проявляться на водораздельных плато и на склонах рельефа дневной поверхности. В первом случае над участками развития кремнистых метасоматитов будут наблюдаться понижения уровня аномального поля величиной до 0.5 мГал. Внутренняя структура этих понижений будет определяться, скорее всего, изменениями мощности и состава интересуемых образований. На склонах, где кремнистые породы выходят в современный эрозионный срез, будет наблюдаться аномалия типа гравитационной ступени с перепадом значений около 0.5 мГал.

В пятой главе "Другие источники гравитационных аномалий в осадочном чехле" предлагаются к рассмотрению такие источники как фосфориты, которые довольно широко распространены на территории Воронежской антеклизы и встречаются в основании многих горизонтов и ярусов, и бурые угли, имеющие незначительное распространение.

Ощутимый гравитационный эффект можно ожидать от нескольких сближенных базальных горизонтов, залегающих в основании киевской

толщи верхнего эоцена, сложенной глинами с подчиненными прослоями

мергелей. Перепад силы тяжести при пересечении края фосфоритосодер-жащего горизонта составит около 0.1 мГал, а амплитуда значений вертикального градиента - ±50 Е. Базальный горизонт фосфоритов, приуроченный к подошве бучакской толщи эоцена, вызовет аномалию силы тяжести в 0.02 мГал и градиента - ±40 Е. Небольшой гравитационный эффект можно ожидать от губкового и базального горизонтов сантона, а также от переотложенных фосфоритов, встречающихся в отложениях миоцена и четвертичных образованиях.

Бурые угли, встречающиеся на юге Воронежской области, приурочены к палеогену, пасековской свите. Они характеризуются низким качеством, высокой зольностью, наличием включений многочисленных пиритовых стяжений. В виду того, что бурые угли обладают низкой плотнос