Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Краткая геолого-геофизическая характеристика японо-охотоморского региона 13
ГЛАВА 2. Изучение теплового потока японо-охотоморского региона 39
2.1.. Теоретические основы геотермических исследований 39
2.2. Методика и аппаратура для геотермических исследований 41
2.2.1. Геотермические измерения в скважинах 42
2.2.2. Геотермические измерения на море 43
2.3. Введение поправок при интерпретации геотермических измерений 46
ГЛАВА 3. Анализ значений теплового потока японо-охотоморского региона 52
3.1. Геотермическое ноле дальневосточной активной окраины 52
3.1.1. Теплопроводность горных пород Японо-Охотоморского региона 54
3.1.2, Результаты геотермических измерений вЯпоно-Охотоморском регионе...61
3.2. Оценка радиогенной составляющей глубинного теплового потока Японо-
Охотоморского региона . 69
3.3. Распределение теплового потока по структурным элементам региона 87
ГЛАВА 4. Геотермические модели глубоководных впадин японо-охотоморского региона 105
4.1.0 тепловом потоке и возрасте тектоно-магматической активизации впадин охотского моря 105
4.1.1, Вероятная природа тепловых аномалий глубоководных впадин дна Охотского моря 108
4.1.2. Температурная модель формирования аномально высокого теплового потока Южно-Охотской впадины 114
4.2. Модель тепловой эволюции земной коры дальневосточных морей в кайнозое на примере впадины Уллындо (Цусимской) 121
4.2.1. Магматизм и его эволюция для Японского моря на протяжении кайнозоя 122
4.2.2. Моделирование 125
4.2.3. Интерпретация результатов моделирования , 130
ГЛАВА 5. Геотермические методы оценки перспектив нефтегазоносности недр региона 135
5.1. Температуры и их градиенты в осадочном чехле , 137
5.1.1. Схема расчета и теплофизические параметры осадочного чехла 137
5.1.2. Карта глубин изотерм 70, 140, 220с и термические параметры Охотоморских осадочных бассейнов 138
5.1.4. Термическая структура осадочных бассейнов дна Охотского моря 147
5.2. Газовые гидраты Охотского моря 149
Заключение 165
Литература
- Методика и аппаратура для геотермических исследований
- Теплопроводность горных пород Японо-Охотоморского региона
- Вероятная природа тепловых аномалий глубоководных впадин дна Охотского моря
- Схема расчета и теплофизические параметры осадочного чехла
Введение к работе
Геотермия — наука о внутри планетарных тепловых процессах и термическом поле Земли. Её экспериментальная основа — изучение температуры в верхних горизонтах литосферы и теплопроводности среды. Измерения температуры на суше проводятся в глубоких скважинах и горных выработках, на океанах она изучается с помощью специальных зондов — термоградиентометров, а также в скважинах глубоководного бурения или в скважинах, пробуренных на шельфе с целью поисков нефти и газа. На основании измерений температуры вычисляется важнейшая характеристика поля - геотермический градиент (g):
g= grad Т= (дТ/дх) Ї + (дТ/ду) J + (dT/dz) .
Или, когда речь идёт о вертикальном градиенте,
g = grad 71 = дТ/dz .
Теплопроводность среды определяется обычно в лабораторных условиях на небольших образцах керна из скважины или донных трубок, реже она измеряется in situ. Произведение градиента температуры на теплопроводность даёт кондуктивный тепловой поток g = - A. grad Т, где g — вектор плотности теплового потока, выражающий потери внутриземного тепла через единицу поверхности в единицу времени.
В общем случае для определения теплового потока решается уравнение теплопроводности
дТ д (,ЪТ\ , д (,дТЛ д(.дТ\ .. ,, , ~ at ox У ox J dyy oy J c=\ oz)
где с, p, Л - теплоёмкость, плотность и теплопроводность среды.
В конкретных случаях решаются различные модификации уравнения теплопроводности, учитывающие конвективный теплоперенос, генерацию тепла и т.п. (Карслоу, Егер, 1964; Тихонов, Самарский, 1966).
-4-В практике геотермических исследований обычно употребляются следующие основные единицы измерений:
температура (7) - С в системе СГС; К - градусы Кельвина в системе СИ;
геотермический градиент(g, у, Г)— С/см, С/100 м, С/км (СГС); К/м, К/100 м, К/км (СИ);
коэффициент теплопроводности (X, К) - 10' кал/см с С, мкал/см С (СГС); Вт/(м-К) (СИ);
коэффициент теплоёмкости (с) — кал/г С; Дж/(кг- К);
коэффициент температуропроводности (тепловой диффузии) (к,а) - см /с; м7с, равный к = Х/ср;
плотность теплового потока (q) — 10" кал/см~с = мккал/см~с (единица теплового потока; аббревиатура етп, ЕТП, HFU- heat flow unit) в системе СГС;
10"3 Вт/м2 в системе СИ (1 етп = 1 10"6 кал/см2с = 41,868 мВт/ м2);
7) генерация тепла (А) - 10" кал/см с (единица генерации тепла; аббревиатура
егт, ЕГТ, HGU- heat generation unit, HPU - heat production unit) — в системе
СГС; l О"6 Вт/м3 - в системе СИ.
Согласно классификации данной в работе "Методические и экспериментальные основы геотермии" (1983), современная геотермия подразделяется на ряд сравнительно самостоятельных направлений, отличающихся объектами и методами исследований.
/. Аппаратура и методика геотермических исследований. Главная задача в этом направлении - создание современной надежной и недорогой аппаратуры для высокоточных измерений температуры и теплопроводности горных пород различных горизонтов литосферы сущи, шельфа и глубоководных частей океанов; установления соответствия температуры, измеренной в скважинах, с температурой массива, не нарушенной процессами бурения (вычисление так называемого равновесного градиента); сравнение теплопроводности пород, определяемой в лабораторных условиях на маленьких образцах, сих теплопроводностью в условиях естественного залегания; исследование тепловых свойств горных пород при высоких Т— Р условиях.
2. Региональная геотермия. Это направление включает изучение простран
ственного распределения геотемпературного поля и теплового потока в различ
ных структурах Земли, а также вариаций этих параметров во времени, по пло
щади и по глубине в связи с климатическими, геоморфологическими, гидрогео
логическими, геолого-структурными и другими факторами, т.е. выяснение ге
незиса аномалий геотермического поля.
Физико-математическая теория интерпретации геотермических полей. В этом направлении рассматривается теория и даются решения уравнения теплопроводности, позволяющие количественно учесть искажающее влияние тех или иных факторов и установить величину фона и аномалий разного происхождения в конкретных пунктах измерения теплового потока (так называемая теория поправок).
Геотермические методы поисков, разведки и жсплуатагщи месторождений полезных ископаемых. Нередко аномалии геотермического поля связаны с месторождениями полезных ископаемых вследствие различия теплопроводности рудных дел и вмещающих пород, конвективного тепломассопереноса над нефтяными и газовыми залежами, выделения дополнительного тепла над окисляющимися месторождениями сульфидов и органики или над урановыми месторождениями и т. п. Поэтому геотермические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых могут успешно применяться в практике геолого-разведочных работ, особенно в комплексе с другими методами. Добавим, что геотермические измерения очень важны для гидрогеологических исследований; эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, в частности, методом движущегося очага пластового горения для повышения нефтеотдачи; разработки глубоких рудников и шахт и во многих других случаях. С успехом данные термокаротажа могут применяться и для корреляции литолого-стратиграфических горизонтов, зон притока вод в скважинах, обнаружения участков протекания физико-химических процессов с положительными или отрицательными тепловыми эффектами реакций и т. д.
Геотермия области отргщательных температур. Это один из основных методов мерзлотоведения, имеющий большое практическое значение для промышленного и гражданского строительства в мерзлых фунтах и эксплуатации нефтегазовых и других месторождений в многолетне мерзлых горных породах.
Планетарная геотермия. В этом направлении выделяется несколько проблем: а) термина Земли и планет земного типа; б) изучение механизмов теплопередачи в глубоких зонах Земли; в) тепловая история Земли при учете кон-дуктивной теплопроводности и при условии конвекции в ядре и мантии Земли; г) происхождение источников глубинного тепла; д) тепловой баланс Земли в настоящее время и в процессе эволюции планеты.
Тепловые процессы в тектоносфере. Как и в п.6, можно рассмотреть несколько основных проблем:
А. Исследование связей теплового потока с возрастом тектономагматиче-ской активности в различных структурах континентов, океанов и переходных зон. Задача такого исследования - выяснение энергетического баланса основных тектонических структур Земли и связей геотермического поля с другими геофизическими полями и геолого-геохимическими процессами в тектоносфере. Тектоносфера - это земная кора, верхняя часть мантии Земли, где происходят процессы, непосредственно обуславливающие вертикальные и горизонтальные неоднородности состава и физических свойств их вещества.
Б. Изучение глубинных температур в тектоносфере на основании геотермических данных. Проблема имеет общее значение для оценки Т-Р условий в литосфере и астеносфере, определяющих состояние и свойства глубинного вещества и физико-химические процессы в этих зонах. В частности, по Т-Р условиям вычисляются мощность и глубины залегания метоморфических фаций, глубины залегания зон фракционного плавления в коре и мантии и изотермы Кюри (потеря породами магнитных свойств) и мощность литосферы, оценивается возможность тех или иных фазовых переходов на разных глубинах, фазо-
_7-вое состояние воды, преобразование органического вещества, скорость физико-химических реакций и многие другие параметры.
Динамика тепловых процессов и изучение движущего механизма тектонических процессов. Основная проблема — разработка энергетических и геодинамических моделей развития активных зон: геосинклиналей и областей нетектонической активизации, зон перехода от континента к океану, континентальных и океанических рифов, глубинных разломов. Во всех случаях экспериментальные данные теплового потока служат исходным параметром для построения моделей и важнейшим ограничивающим условием.
Энергетика геологических npoifeccoe. Так как все геологические процессы протекают с выделением или поглощением тепла, то целесообразно перечислить только те процессы, энергетику которых необходимо изучать в первую очередь. Это магматизм, вулканизм и гидротермальная деятельность, с которыми связан конвективный вынос тепла к поверхности Земли; эпейрогенические движения, сопровождающиеся горообразованием и эрозией или прогибанием коры и седиментацией; пликативные и дизъюктивные деформации горных пород; образование шарьяжей, покровов и надвигов, движение по разломам, погружение литосферных плит в зонах субдукции и подъём астеносферы в осевых зонах срединно-оксанических хребтов; глубинные фазовые переходы с большими тепловыми эффектами, например, метаморфизм или переходы типа габб-ро-эклогит, оливин-шпинель, кварц-стишовит, оливин-серпентин и др. Отметим, что пункты 7, 8 и 9 тесно взаимосвязаны.
10. Практическое использование глубинного тепла Земли (ГТЗ). Направле
ние практического освоения внутриземного тепла приобретает в последнее
время всё большее значение в связи с усиливающимся энергетическим кризи
сом и нецелесообразностью использования горючих ископаемых как топлива.
Сейчас в этом направлении разрабатываются следующие проблемы: а) методи
ка подсчёта запасов глубинного тепла, заключённого в термальных водах, па
ро гидротермах, "сухих" горных породах и промежуточных магматических оча
гах; б) методы и техника освоения ГТЗ с целью производства электроэнергии,
-8-теплоснабжения народнохозяйственных объектов; в) экономическая эффективность использования ГТЗ; г) экологические проблемы при использовании ГТЗ.
В исследованиях, проводимых автором данной работы с конца 60-х годов минувшего века до настоящего времени, затронуты в той или иной степени проблемы, связанные со всеми перечисленными направлениями за исключением геотермии области отрицательных температур. В представленной к защите работе описана та часть проведенных исследований, которая охватывает экспериментальные работы по определению теплового потока, измерению теплофи-зических характеристик горных пород, выявлению закономерностей распределения теплового потока, моделированию процессов термической эволюции земной коры в пределах Японо-Охотоморского региона, применению геотермических данных для создания моделей температурного распределения в осадочных бассейнах региона для нефтегазо по искового прогноза.
Цель работы - изучение особенностей распределения теплового потока (ТП), как индикатора тектономагматической активизации (ТМА) и геологической эволюции Дальневосточной зоны перехода от Азиатского континента к Тихому океану, а также представить решающее значение динамики геотемпературного режима недр при прогнозе зон оптимального нефтегазообразования и сохранения углеводородов (УВ) в седиментацію иных комплексах осадочно-породных бассейнов Японо-Охотоморского региона.
Для этого решались следующие задачи исследований:
выявление на основе представительного сбора и анализа геотермических данных главных закономерностей распределения ТП в российском секторе Японо-Охотоморского региона (Азиатско-Тихоокеанской активной окраины);
определение на базе математического моделирования основных взаимосвязей ТП и этапов ТМА в регионе;
выявление специфики распределения геотермических параметров (геотемпературного градиента, теплового потока и т.п.) в зонах образования и накопления У В.
_9-
Фактический материал и методика исследований. Основой диссертационной работы является экспериментальный материал экспедиционных и лабораторных определений величин геотермических параметров, результаты математического моделирования температурного режима недр в различных модельных представлениях, имитирующих реальную геологическую обстановку.
В работе рассматриваются около тысячи определений теплового потока, значительная часть которых получена при участии автора, сотни определений теплопроводности горных пород, содержания радиоактивных элементов (U, Th, К4о)- Фактический материал обработан по устоявшейся методике геотермических расчётов с учётом данных о строении определённых геологических структур.
Научная новизна. Установлены общие закономерности распределения теплового потока в регионе и причины локальных особенностей его распределения. Впервые определён вклад радиогенной составляющей теплового потока в Охотоморском регионе. Построены карта и схема теплового потока основных структурных элементов Азиатско-Тихоокеанской активной окраины. Выявлена связь между значениями ТП и этапностью тектоно-магматической активизации региона. Построены температурные модели недр как по отдельным региональным профилям, так и для ряда осадочных бассейнов региона., сделаны прогнозные оценки оптимальных зон нефте- и газообразования в осадочной толще бассейнов Охотоморского региона.
Практическая ценность работы. Результаты исследований использованы для составления ряда геотермических карт и геотраверсов, изданных в СССР и Росийской Федерации ("Геотермическая карта СССР", 1972; "Карты теплового потока и глубинных температур территории СССР", 1980; "Геолого-геофизический атлас Курило-Камчатской островной системы", 1987; "Геолого-геофизический атлас Тихого океана", 2002 и др.), для расчётов температур в земной коре и верхней мантии региона. Выводы автора учитываются при изучении термобарических условий в осадочных толщах ОПБ региона. Результаты
-10-исследований внедрены в производственные и научные организации (ПГО "Са-
халингеология", ОАО "Роснефть-Сахалинморнефтегаз", Институт "Сахалин-
НИПИморнефть", ФГУП "Дальморнефтегеофизика", ГУП "Дальинформгео-
центр", ОАО "Альянс-Хабаровск").
Основные защищаемые положении.
Тепловой поток Японо-Охотоморского региона, складывающийся как результат суммарного взаимодействия потока из мантии тепла радиогенных источников в земной коре и внедрившихся интрузивных масс, а также взаимодействия поверхностных факторов (нерегулярностей рельефа, временных вариаций приповерхностной температуры, гидрогеологических особенностей и др.), в основном определяется мантийной составляющей. Средняя величина ТП региона превышает подобную величину в сопредельных континентальных районах, что свидетельствует о повышенной энергетике происходящих в тектоносфере геологических процессов.
Дифференциация ТП дальневосточных морей и их континентального обрамления обусловлена различиями в энергетике глубинных процессов и отражает в распределении ТП степень тектоно-магматической активизации, масштаб вулканизма. Тектоно-магматическая активизация литосферы региона в неоген-четвертичное время привела к деструкции континентальной коры под впадинами Японского и Охотского морей, обусловленной подходом к подошве коры частично расплавленного астеносферного диапира. Локальные аномалии ТП созданы дополнительными источниками тепла в коре.
Зоны оптимального формирования и накопления углеводородов в осадочных бассейнах Японо-Охотоморского региона определяются узким диапазоном значений геотемпературного градиента и теплового потока.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано свыше ста работ, в том числе 8 монографий (в соавторстве). Основные положения работы докладывались на IX сессии научного Совета по тектонике Сибири и Дальнего Востока (Южно-Сахалинск, 1972), III Советско-Японском симпозиуме по геодинамике и вулканизму зоны перехода от Азиатского континента к
Тихому океану (Южно-Сахалинск, 1976), Международном совещании по геодинамике западной части Тихого океана (Южно-Сахалинск, 1981), Втором Всесоюзном съезде океанологов (Ялта, 1982), 27-м Международном геологическом конгрессе (Москва, 1984), Геодинамическом симпозиуме по внутриплитовым деформациям (Техас, 1985), Второй Тихоокеанской школе по морской геологии и геофизике (Южно-Сахалинск, 1985), XV сессии Научного совета СО АН СССР "Тектоника Сибири и Дальнего Востока" (Южно-Сахалинск, 1985), Международном симпозиуме "Геодинамика глубоководных желобов Тихого океана" (Южно-Сахалинск, 1987), Международном совещании "Тепловой поток и структура литосферы"(ЧССР, Бехин, 1987), Международном симпозиуме "Глубинное строение Тихого океана и его континентального обрамления" (Благовещенск, 1988), Международном симпозиуме "Тепловая эволюция литосферы и её связь с глубинными процессами" (Моства, 1989), Международном симпозиуме "Геолого-геофизическое картирование Тихоокеанского региона" (Южно-Сахалинск, 1989), третьей Международной конференции по морской геологии Азии "Эволюция и динамика азиатских морей" (Южная Корея, Чеджудо, 1995), Международном научном симпозиуме "Строение, геодинамика и металлогения Охотского региона и прилегающих частей Северо-Западной Тихоокеанской плиты (Южно-Сахалинск, 2002) и др.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 194 страниц машинописного текста, 31 рисунок, 15 внутритекстовых таблиц, список литературы из 391 наименований. Общий объём работы 194 страницы.
Работа выполнена в лаборатории геодинамики Института морской геологии и геофизики ДВО РАН.
Автор выражает глубокую признательность д. г.-м.н. Гордиенко В.В. за научное шефство с 1984 г. Автор благодарит к.ф.-м.н. Соинова В.В., к. ф.-м.н. Кочергина А.В. - соавторов моделирования тепловой эволюции земной коры глубоководных впадин дальневосточных морей и славших товарищей по морским экспедициям; своих коллег по геотермическим исследованиями на суше и
-12-на море к.ф.-м.н. ВолковуН.А., Г.Д.Еремина, В.Н.Соловьева, А.А.Кочергина,
З.Е.Цвелую, без помощи которых не были бы получены многие данные по термическому состоянию недр Дальнего Востока. Автор с признательностью вспоминает д.г.-м.н. Туезова И.К. и к.г.-м.н. Тихомирова В.М., которые были инициаторами создания в СахКНИИ геотермического направления геофизических исследований и создавших творческую обстановку для активного многостороннего развития этих работ. Автор благодарен д.г.-м.н. Сычеву П.М. за воспитание творческого отношения к камеральной стороне научных исследований, член-корр., д.г.-м.н. Сергееву К.Ф. способствовавшего на протяжении многих лет проведению ИМГиГ геотермических исследований. Автор признателен своим коллегам к.г.-м.н. Андрееву А.А., к.г.-м.н. Сеначину В.Н., к.г.-м.н. Волгину П.Ф., к.г.-м.н. Патрикееву В.Н., к.г.-м.н. Жигулеву В.В., Семакину В.П., Паровышнему В.А., Лютой Л.М., к.г.-м.н. Ильеву А.Я., способствовавших своим доброжелательным отношением и готовностью помочь выполнению многих результативных проектов. Особая благодарность к.г.-м.н. Кочергипу Е.В., создавшему особо творческую обстановку в лаборатории геодинамики ИМГиГ и настойчиво подвигавшему автора к завершению защищаемого труда. За помощь в работе автор признателен своим коллегам к.г.-м.н. Куцову A.M., к.г.-м.н. Кононову В.Э., к.ф.-м.н. Тараканову Р.З., В.Н.Кириенко, Г.Ф. Ласточкин ой, Г.С.Кечайкиной, П.М.Кирьяновой, Т.И.Питиной, З.С.Поляковой. С благодарностью храню воспоминания о творческом сотрудничестве с коллегами из Института геофизики СО РАН д.г.-м.н. Дучковым А.Д., к.г.-м.н. Соколовой Л.С., Института "СахалинНИПИморнефть" Бычковым А.В., к.г.-м.н. Кобловым Э.Г., ГП "Дальинформгеоцентр"Тузовым В.П., Гуле-нок Р.Ю., Соколовой В.В., Ворониным Н.П., Прилуцкой И.В. Особо творческие отношения сложились с гл.геологом ГУП "Дальнефтегеофизика" Кудель-киным В.В. и д.г.-м.н. Исаевым В.И. (Томский политехнический университет).
Методика и аппаратура для геотермических исследований
Геотемпературный градиент вычисляется по значениям температур, измеряемым в отдельных точках скважины через определенные интервалы глубин. В большинстве скважин Дальнего Востока нами проведены точные измерения температур термисторными термометрами (погрешность измерения Т не более 0.05 К). По 22 скважинам использовались данные производственного термокаротажа, полученных с помощью стандартных электротермометров типа ТЭГ-5, ЭТС-2у, ТР-7, комплексов ТЕСТ-4, ТСУ-256 и т.п. (погрешность измерения Т около 0,5 К), а также приняты для определения геотемпературного градиента (ГТГ) измерения ртутными термометрами, проведенные на нескольких горизонтах в трех скважинах гидротермального участка Кипящий (о-в Итуруп). Данные производственного термокаротажа, пригодные для определения ГТГ, были получены от сотрудников Сахалинской и Охинской геофизических экспедиций по исследованию скважин (СахГЭИС и ОЭГИС), геофизической службы ПГО "Приморгеология".
Термисторы помещаются в корпуса каротажных термометров типа ТЭГ-36 или ЭТС-2у, имеющих наружный диаметр 36 мм, что позволяет производить измерения даже в скважинах с насосно-компрессорными трубками. Измерения осуществляются по мостовой схеме с помощью в основном стандартных каротажных кабелей типа КГЗ-59-90 и КГЗ-67-180. В качестве измерителя применяется мост постоянного тока типа МО-62. По методике, принятой в ИМГиГ, при спуске в скважину электротермометра проводятся точечные измерения через 25-50 м и при подъеме - непрерывная запись при скорости подъема примерно 500 м/ч. Запись производится с помощью самопишущих миллиамперметров постоянного тока типа Н37 в комплекте с усилителем постоянного тока И37, электропитание которого и синхронного двигателя ДСМ-220 самописца осуществляется от аккумулятора каротажного подъемника через преобразователь П39.
Непрерывная запись изменения температуры вдоль ствола скважины точно привязывается к разрезу, вскрытому бурением, по замерам температуры, сделанным при спуске и служащим реперными точками. Запись позволяет более детально выделить участки постоянного градиента температур, локальные аномалии и т. д.
Теплопроводность горных пород - второй физический параметр для определения ТП, определялась в лабораторных условиях несколькими способами. В геотермической группе ИМГиГ использовались методы мгновенно линейного источника, двух температурно- временных точек, и сравнительный (Волкова, 1975; Определение..., 1976; Соинов, Веселов, 1979). Установка , основанная на нестационарном методе цилиндрического зонда ("игольчатый зонд"), применялась для определения коэффициента теплопроводности рыхлых отложений, рассланцованных и сильно трещиноватых пород. Метод характеризуется простотой подготовки образцов к измерениям и кратковременностью самого измерения. Погрешность измерения не превышает 5%. Методы двух температурно-временных точек и сравнительный требуют подготовки образцов в виде пластин толщиной 4-5 мм при диаметре не менее 40 мм. Пластины должны обладать параллельностью плоскостей и быть отшлифованными для лучшего контакта. Погрешности установок, как правило, находятся в пределах 10%. Сравнительным методом было проведено большинство определений теплопроводности. Описанными методами исследованы на теплопроводность более 1000 образцов из скважин Сахалина, Кунашира, Итурупа, Шикотана, Приморья, Хабаровского края и Амурской области (Волкова и др., 1981; Веселов, Соинов, 1977).
Геотермические измерения на море Определение величины теплового потока через дно акваторий производилось традиционным раздельным методом, т. е. измерением геотемпературного градиента в верхнем, придонном слое осадочной толщи и определением теплопроводности донных осадков на борту судна. Места постановки станций выбирались по эхограмме или ленте НСП и представляли собой сравнительно ровные, протяжённые до 2-3 миль, участки морского дна, покрытые рыхлыми оса дочными отложениями. Для определения местоположения судна на станции и глубины моря использовались штатаные спутниковые навигационные системы и глубоководные эхолоты. Для спуско-подъемных операцийиспользовались судовые кабельные электрические или гидравлические лебедки. В качестве кабеля применялся стандартный геофизический кабель типа КГ.
Для измерения геотемпературного градиента применялся кабельный кварцевый термоградиентометр КТГ-36, разработанный ИМГиГ ДВО АН СССР, основу которого представляют первичные преобразователи температуры в виде кварцевых термочувствительных резонаторов с ТКЧ 200 ГцС и номинальной частотой 5 мГц, КТГ-36 состоит из двух частей: погружаемого на кабеле термозонда и переходного блока с регистратором. Электронная схема погружаемого зонда состоит из 2-х термозависимых кварцевых генераторов, активные элементы (датчики) которых разнесены на расстоянии порядка 1 м, опорного кварцевого генератора, смесителя, усилителя резональной частоты, коммутатора генераторов и стабилизатора напряжения. Схема размещена в герметичном контейнере диаметром 36 и длиной 1500 мм, навешиваемом на прямоточную геологическую трубку диаметром 80 и длиной 4000мм, служащую для отбора образцов донных осадков. Сигнал разносной частоты, прямо пропорциональный измеряемой температуре или её разности между двумя датчиками, поступает по кабелю через коллектор токосъемника кабельной лебедки на переходной блок, содержащей стабилизированный усилитель-формирователь информационного сигнала.
Теплопроводность горных пород Японо-Охотоморского региона
Передача тепла в минеральном веществе земной коры зависит главным образом от теплопроводности. Основная масса образцов, обследованных на теплопроводность, отбирались в скважинах, где в процессе геотермических исследований проводились температурные наблюдения, и в донных отложениях грунтовыми трубками при морских измерениях. Исследованные образцы характеризуют в основном теплопроводность осадочной толщи. Кроме того, была определена теплопроводность нескольких образцов магматических пород, что позволяет оценить теплопроводность фундамента. Скважины расположены на островах Сахалин, Монерон, Итуруп, Кунашир, в Приморье и Хабаровском крае. Большая часть определений выполнялась сравнительным методом по варианту, разработанному в лаборатории геотермии СахКНИИ ДВНЦ АН СССР (Волкова и др., 1981) (Табл.2). Кроме этого использовались методы мгновенного линейного источника и двух температурно-временных точек в разных модификациях (Определение..., 1976; Соинов, Веселов, 1979).
В целом были выполнены определения теплопроводности более 1000 образцов вулканогенно-осадочных, осадочных и коренных пород островов Сахалин, Монерон и Курильских , магматических пород с месторождения Восток-2 Приморского края, морских осадков.
Осадочные породы представлены алевролитами, аргиллитами, песчаниками и небольшим количеством глинистых образцов. На большей части площадей алевролиты характеризуются значениями теплопроводности близкими к средним для алевролитов континентальной коры - 1,21 -г 1,59 Вт/м-град при преобладании относительно пониженных значений. Более высокая теплопроводность отмечена у алевролитов ПоронайскоЙ и Южно-Лугове кой площадей Южного Сахалина-1,99, 2,33 и 2,05 Вт/м-град. При этом образцы с ПоронайскоЙ площади показали зависимость теплопроводности от возраста пород. Теплопроводность в палеогеновых алевролитах в 1,5 раза выше, чем в среднемио-ценовых.
Значительные различия в теплопроводности отмечаются для аргиллитов.
Образцы, отобранные на Северном Сахалине, а также на Анивской площади Южного Сахалина, характеризуются теплопроводностью близкой к средним значениям для аргиллитов континентальной коры - 1,26 и 1,47 Вт/м-град. У образцов с северо-востока Южного Сахалина (Поронайская, Окружная, Южно-Луговская площади) теплопроводность значительно выше - 1,73-2,31 Вт/м-град.
Так же как и алевролиты, более молодые нижнемиоценовые аргиллиты имеют теплопроводность в 1,3 раза ниже, чем палеогеновые - 1,73 и 2,27 Вт/м-град.
Неоднородны по теплопроводности и песчаники из различных районов Сахалина. Близкую к средним для континентальной коры теплопроводность имеют песчаники Северного Сахалина (1,34 Вт/м-град) и несколько более низкую - песчаники с о-ва Монерон (1,19 Вт/м-град). Повышенные значения теплопроводности характерны для песчаников Поронайской площади Южного Сахалина-2,35 Вт/м-град.
Теплопроводность глин Северного Сахалина близка к средним значени-ямдля континентальной коры - 1,40 Вт/м-град.
Вулканогенно-осадочный комплекс представлен различными туфами, ту-фопесчаниками, туфоалевролитами, лаво- и туф о брекчиями. Они характеризуются пониженными по сравнению со средними показателями теплопроводности аналогичных пород континентальной коры. Наиболее низкие значения теплопроводности имеют туфы с о-ва Кунашир — 0,96, Анивской площади - 1,05-1,14 Вт/м-град, наиболее высокие - туфы с Поронайской и Лермонтовской площадей - 1,87-1,70 Вт/м-град.
Магматические породы представлены образцами гранодиорита с Вальзин-ского интрузива (Южный Сахалин), гранодиоритом и кварцитом из Приморья (Восток-2), эффузивами с Курильских островов, диабазом, порфиритами, анде-зито-базальтами и базальтами с о-ва Монерон. Все образцы, кроме образца с о ва Итуруп, характеризуются пониженной по сравнению со средней континентальной корой теплопроводностью (табл. 2, 3).
Для характеристики анизтропии из образцов выпиливались пластины перпендикулярно оси скважины (Xj.) и параллельно ей (к\ j). Сравнение теплопроводности этих пластин (табл. 4) показало, что тепловая анизотропия осадочных и магматических пород о-ва Сахалин не превышает 20%. На месторождении Восток-2 она изменяется в более широких пределах— 10-50%.
Для образцов магматических пород, отобранных из обнажений Вальзин-ского интрузива, с шельфа Курильских островов и бортов Курильской котловины, практически невозможно определить их естественную пространственную ориентацию. Однако следует отметить, что теплопроводность пластин, вырезанных из одного образца во взаимно перпендикулярных направлениях, также характеризуется анизотропией, не превышающей 30%.
Приведенные результаты определения теплопроводности позволяют сделать некоторые выводы. Так, осадочный комплекс о-ва Сахалин неоднороден по теплопроводности. На большей части его территории теплопроводность осадочных пород близка к средним значениям теплопроводности континентальной коры. На Южном Сахалине, в районе Окружной, Южно-Луговской и Поронай-ской площадей, преобладают осадочные породы высокой теплопроводности. Имеющиеся данные позволяют оценить среднюю теплопроводность осадочного слоя большей части Сахалина величиной 1,3 ± 0,28, а аномальных участков Южного Сахалина- 2,13 + 0,43 Вт/м-град.
Вероятная природа тепловых аномалий глубоководных впадин дна Охотского моря
Выше уже отмечалось, что такие крупные депрессии дна Охотского моря, как впадины Дерюгина, ТИНРО, Южно-Охотская и Северный прогиб характеризуются повышенными высокими и сравнительно устойчивыми по площади значениями ТП, сокращённой мощностью земной коры и увеличенной мощностью осадочных отложений, достигающих 5-6 км и более. Поскольку осадкона-копление является фактором, снижающим результирующий ТП на поверхности, то необходимо найти такой динамический процесс, который бы не только нивелировал влияние седиментации на ТП, но и приводил бы к его возрастанию. На основе анализа распределения изостатических аномалий и аномалий Фая ряд авторов (Аномальные гравитационные..., 1974) предложили, что образование впадин в Охотском и Японском морях в значительной мере компенсировалось изменением положения границ раздела в коре мантии и изменением плотностей слагающего их вещества. В нашем случае уменьшение со временем мощности земной коры в термическом отношении должно приводить к возрастанию вертикальной составляющей геотермического градиента (ГТГ) и, как следствие, к возрастанию ТП на поверхности морского дна. Если в первом приближении предположить, что прогибание поверхности земной коры происходит одновременно с процессами осадко накопления и поъёма границы Мохоровичича, то количественный расчёт теплового эффекта сводится к решению нестационарного уравнения теплопроводности для среды с движущимися границами (Тихонов, Самарский, 1973). Для однородной среды в виде плоскопараллельного слоя толщиной "Iм, одна из границ которого перемещается с постоянной скоростью, запишем уравнение теплопроводности: dU d2U ,,„ . (1) - = a7z-f+/M, где f — внутренние источники тепла (Вт/м ); а — коэффициент температуропроводности среды (м7с).
Принимая температуру на одной из поверхностей за постоянную величину С, на другой - равной нулю и задавая начальное распределение внутри слоя ф (), краевые условия задачи запишем в виде:
Выражение (4) использовалось для расчёта относительного роста градиента температуры, вызванного уменьшением мощности однородного слоя. Температуропроводность среды принята равной 5-Ю 7 м2/с, мощность слоя - 15 км, -скорость перемещения границы задавалась соответственно 0, 1; 0, 2; 0, 3; 0, 4; О, 6 мм/год, амплитуда прогибания Z = 3-8 км, U(0,r) = 0C; U(21,r) = 1200C; С-С,; U(l,r) = 600C = Ca Результаты расчёта представлены на рис. 13, из которого следует, что предполагаемое прогибание кристаллического фундамента, со ответствую щее наблюдаемому ГТГ для впадин, равному 40-60С/км, соответствует 4-6 км. Если принять, что мощность неогенового осадочного чехла составляет во впадинах ТИНРО около 5 , Дерюгина - около 4, в Южно-Охотской - 3 км, то предполагаемый возраст этих осадочных бассейнов - 12, 20, 25 млн. лет соответственно. Можно сделать вывод, что с увеличением длительности процесса уменьшения мощностн кристаллической части коры геотемпературный градиент уменьшается и наоборот.
На основании закона Фурье q = -X — были вычислены плотности ТП при dZ различных коэффициентах теплопроводности X (1,5; 1,69; 1,84; 2,078; 2,51 Вт/(м-К)). Временная зависимость ТП дана на рис. 14. Из графика следует, что наблюдаемым ТП при коэффициентах теплопроводности от 1,5 до 2,078 Вт/(м-К) соответствуют скорости прогибания поверхностей кристаллического фундамента порядка 0,3-0,5 мм/год. Также следует вывод об увеличении ТП при сокращении длительности процесса утонения мощности коры. Для наблюдаемого ТП во впадине Дерюгина наиболее оптимальными, согласно рис. 14, являются следующие параметры: средняя теплопроводность пород коры 1,9 Вт/(м-К), амплитуда прогибания кровли кристаллического фундамента около 8 км, скорость прогибания не более 0,4 мм/год за период около 20 млн. лет. Можно также предположить, что процесс сокращения мощности кристаллической коры во впадине ТИНРО происходил за более короткий период и с большей скоростью, чем во впадине Дерюгина и Южно-Охотской котловине. Вероятная разница в длительности этих процессов может достигать 10 млн. лет. Из представленных выше расчётов можно сделать вполне достоверный вывод, что высокий ТП окраинных морей обусловлен подъёмом границы Мохоровичича при одновременном поъёме мантийных изотерм и прогибании кровли кристаллического фундамента. Предполагая подобный процесс как один из вероятных для объяснения аномальных областей высокого теплового потока, расположенных по обрамлению Охотоморской плиты, можно сделать вывод об интенсивном прогибании (обрушении) краёв плиты от среднего миоцена до настоящего времени, что привело к возрастанию ТП от 60-70 до 80-100 мВт/м2.
Отмечая совпадение многих геолого-геофизических характеристик периферийных впадин и прогибов Охотского моря, в том числе таких, как высокий ТП, сокращённая мощность кристаллического фундамента, высокие амплитуды неогеновых опусканий кровли этого фундамента, сопровождаемых некомпенсированным осадконакоплением, а также уменьшение глубин залегания поверхности Мохоровичича, наличие пониженных аномалий гравитационного поля, из которого устроен эффект влияния границы Мохоровичича, характерное простирание морфоструктур и пр., можно сделать вывод о существовании термической эрозии низов коры, подъёме изотерм под прогибами, переработке "гранитного" слоя и тому подобных признаков, присущих структурам образовавшимся в результате утонения мощности блоков земной коры. Таким образом, процессами активного сокращения мощности земной коры и подъёма изотерм, начавшихся, по-видимому, не позже середины миоцена, характеризуются периферийные тектоно-структурные элементы Охотского моря, такие как впадины ТИНРО, Дерюгина, Южно-Охотская, прогибы Северный, Западно-Камчатский, Голыгинский, Восточно-Сахалинский и др.
Схема расчета и теплофизические параметры осадочного чехла
Расчёт температур по вертикальному разрезу осадочного чехла проводится на основе решения стационарного уравнения теплопроводности, имеющего вид: где Т0 — температура на поверхности, qi — тепловой поток, А; — теплогенерация осадочных пород, -теплопроводность, Zj- глубина.
Для определения глубины залегания заданной изотермы "Тиз" использовалось модифицированное уравнение:
Исходными данными для расчёта являлись экспериментальные величины ТП и построенная карта распределения ТП в изолиниях, карта-схема мощностей I, II, III региональных структури о-стратиграфических комплексов и суммарной мощности осадков (Бабошина и др., 1985), а также физические параметры осадочных пород (Веселое, Волкова, 1981; Волкова и др., 1981), представленные в табл. 12.
Для оценки глубин температур главных зон нефтегазообразования построена с использованием соотношения (6) номограмма (рис.21), позволяющая по известному ТП на поверхности осадочной толщи определить глубину залегания изотерм 70, 140, 220С (табл. 14). При её построении тепл ore нерация осадков независимо от типа сейсмокомплекса принята равной 1 мВт/м , что практически не влияет на точность расчётов. Схемы глубин залегания указанных изотерм изображены соответственно на рис.22. В таблице 13 дана зависимость глубины изотерм 70, 140, 220С от величины теплового потока и теплопроводности осадочных комплексов. Сопоставление этих схем показывает, что к районам с распределением температур от 70 до 220С в осадочном чехле относятся северо-восточный шельф о-ва Сахалин и прилегающая к нему западная часть впадины Дерюгина, ряд областей Северо-Охотского прогиба и впадина ТИНРО, центральная часть Южно-Охотской впадины и Голыгинский прогиб. Для них интервалы глубин изотермы 70С составляют 0,8-1,3 км при ТП равном 80-100 мВт/м2, 1,4-2,2 км для ТП 50-60 мВт/м2. Соответственно для изотермы 140С расчёты дают 1,95-2,7 км при ТП 80-100 мВт/м2 и 2,8-4,5 км при 50-60 мВт/м ; для изотермы 220С при ТП 80-100 мВт/м интервал глубин лежит в пределах 3,35-4,7 км и при 50-60 мВт/м2 равен 5,2-7,9 км.
Пример расчёта термических параметров разреза осадочного чехла на основании выше приведённых расчётов представлены для двух бассейнов: Ли-сянского и Охотского (табл. 14 ).
По соотношению (5) были рассчитаны температуры на поверхности кристаллического фундамента, средние температурные градиенты по сейсмоком-плексу, покрывающему его, и построена схема (рис.23). Как и следовало ожидать, распределение температур на поверхности фундамента преимущественно прямо соответствует распределению теплового потока на поверхности осадочного чехла, но более дифференцированно по интенсивности. Изолиниями температур 250С выделены области в Северо-Охотском прогибе и впадине ТИН-РО с минимальной глубиной фундамента 5 км. Внутри этих областей на глубинах 7-8 км, согласно расчётным данным, возможны температуры от 350 до 400-450 С. Температуры в диапазоне 180-220С характерны для обширных площадей Южно-Охотской впадины, Голыгинского прогиба и западной части впадины Дерюгина, в последней также выделены области с температурой 250С, но для глубин фундамента от 3 до 4 км. Наиболее низкие температуры, порядка 40С, определены для Охотского свода и южной части Охотоморской плиты. Указанные структуры характеризуются и низкими значениями температурного градиента, лежащего в пределах 10-30С/км. Поле геотемпературных градиентов на поверхности фундамента по отношению к распределению температур имеет свои особенности. Так, для Южно-Охотской впадины величины 40-50С/км отражают высокий ТП и его сравнительно равномерную плотность по площади. Для впадины Дерюгина эти величины, скорее всего, связаны с характером изменения мощности осадочного чехла по горизонтали, локальными аномалиями ТП и более представительной оценкой градиента для впадины является средняя величина 30С/км. Такой же величиной охарактеризован на глубине 5 км темп нарастания температуры вблизи поверхности фундамента Севе-ро-Охотских прогибов и впадины ТИНРО, хотя на отдельных участках расчётные значения внутри этих областей достигают 75С/км.
В целом, рассматривая особенности распределения температур и их градиентов на поверхности кристаллического фундамента дна Охотского моря, можно сделать вывод, что температуры прогибов фундамента с амплитудой 4-5 км при ТП с его поверхности, равном 80-100 мВт/м2, лежат в диапазоне 200-250С и при 7-8 км достигают 400-450С. Подобные температуры при ТП 50-60 мВт/м и глубине 5-7 км находятся в пределах 150-180С. Независимо от величины ТП средняя оценка температурного градиента на подошве осадочного чехла равна 30-40С/км, хотя для ряда областей типа впадины ТИНРО она может составлять порядка 70С/км.
