Введение к работе
Объектом исследований является земная кора платформенных областей Сибири (область сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы), а также Яно-Колымской складчатой области на предмет определения их сейсмогеологического строения методом преломленных волн.
Несмотря на большие объемы геолого-геофизических исследований, проведенных в шестидесятые-восьмидесятые годы прошлого столетия, земная кора значительных территорий России, таких как Сибирская платформа, в том числе ее область сочленения с Западно-Сибирской плитой, Яно-Колымская складчатая область, остаются все еще недостаточно или совсем не изученными глубинными сейсмическими методами. Достоверные данные о сейсмогеологическом строении земной коры необходимы для понимания общей структуры этих регионов и могут быть использованы для установления закономерностей размещения полезных ископаемых. Поэтому необходима более точная информация о строении поверхности кристаллического фундамента (на уровне вьщеления структур второго и третьего порядка) и Мохо, их районирование по значениям граничной скорости. Знание скоростной характеристики земной коры может быть использовано для формирования представлений о ее вещественном составе. Учитывая сложность изучения земной коры методом отраженных волн, связанную с рядом причин, в том числе широким развитием пород трапповой формации на Сибирской платформе и интрузий различного состава в Яно-Колымской складчатой области, труднодоступностью этих территорий, необходима разработка методических приемов (в т.ч. использование невзрывных источников, автономной цифровой аппаратуры) для изучения этого объекта, в том числе методом преломленных волн, эффективность которого была показана многочисленными исследованиями, а также совершенствование технологии их обработки и интерпретации с использованием сейсмической томографии, позволяющей с достаточной достоверностью и полнотой извлекать сейсмическую информацию из волновых полей. На основе вышесказанного, актуальность исследований определяется необходимостью совершенствования сейсмических методов регионального изучения земной коры платформенных и складчатых областей в труднодоступных регионах с использованием преломленных волн и способов обработки и интерпретации данных на основе способа сейсмической томографии.
Цель работы — повышение достоверности данных о сейсмогеологическом строении земной коры платформенных и складчатых областей в труднодоступных регионах Сибири, увеличение полноты извлечения информации и разрешающей способности метода преломленных
волн путем разработки и применения новой технологии региональных сейсмических исследований и методов обработки и интерпретации. Научные задачи.
-
Разработать методические приемы полевых работ для труднодоступных районов Сибири и интерпретации данных преломленных волн при детализации строения земной коры в зоне широкого распространения траппов.
-
Определить скоростные характеристики земной коры для западной части Сибирской платформы и Яно-Колымской складчатой системы в сечении опорного геофизического профиля 2-ДВ.
-
На основе обобщения имеющихся и полученных данных определить сейсмогеологическую структуру земной коры области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы.
Фактический материал, методы исследования и аппаратура.
Теоретической основой решения поставленных задач являются идеи и алгоритмы известных сейсморазведчиков, а именно корреляционный метод преломленных волн, разработанный под руководством академика АН СССР Гамбурцева Г.А., метод точечных (дифференциальных) сейсмических зондирований, разработанный под руководством академика РАН Пузырева Н.Н., сейсмическая томография на временных задержках волн в первых вступлениях, разработанная под руководством члена-корреспондента РАН Крылова СВ., идеи интерпретации годографов преломленных волн, высказанные членом-корреспондентом АН СССР Ризниченко Ю.В.
При изучении поверхности фундамента и Мохо на территории площадью около одного миллиона квадратных километров был использован метод точечных (дифференциальных) сейсмических зондирований, адаптированный автором для сеисмогеологических условий запада Сибирской платформы в зоне интенсивного развития пород трапповой формации, а при исследовании на опорном геофизическом профиле 2-ДВ на северо-востоке России (протяженностью более 1000 км) были применены 40-тонный передвижной виброисточник и автономные цифровые регистрирующие станции, в разработке которых автор принимал непосредственное участие.
При построении карт рельефа основных поверхностей земной коры (кристаллического фундамента, поверхности Мохо) и районирования их по значениям граничных скоростей были использованы сейсмические данные, полученные, в том числе, лично автором при проведении региональных сейсмических исследований осадочного чехла и консолидированной коры в зоне сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы.
При определении скоростной модели среды автором использован алгоритм сейсмической томографии на временных задержках волн в
первых вступлениях, разработанный под руководством члена-корреспондента РАН Крылова СВ., а при их визуализации и построении карт - Surface Mapping System «Surfer» version 8.0, Golden Software, Inc.
При сейсмотомографической интерпретации были использованы данные (полученные при личном участии автора) региональных сейсмических зондирований осадочного чехла и консолидированной коры территории Тунгусской синеклизы (около 30 профилей общей протяженностью более 11 тыс. км), экспериментальных работ ГСЗ, КМПВ и ОГТ, выполненных на опорном геофизическом профиле 2-ДВ (протяженностью более 1000 км), а также данные глубинных сейсмических исследований на геотраверсах (10 профилей общей протяженностью около 9 тыс. км), выполненных Центром «ГЕОН» в зоне сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы, и КМПВ (4 профиля общей протяженностью более 1.3 тыс. км), полученные при изучении доюрского фундамента Западно-Сибирской плиты.
Научное обоснование и разработка типовых моделей земной коры Сибири осуществлялись с помощью сравнительного анализа имеющихся геолого-геофизических моделей. Обоснование принципиального комплекса методических приемов изучения земной коры западной части Сибирской платформы в зоне широкого развития пород трапповой формации разработано при анализе составленных геологических моделей и результатов математического моделирования волновых полей отраженных и преломленных волн. При проведении полевых работ методом глубинных сейсмических зондирований на опорном профиле 2-ДВ была применена современная автономная цифровая аппаратура РОСА-А, которая была разработана и изготовлена в ФГУП «СНИИГГиМС» и по своим параметрам не уступает зарубежной модели Reftek фирмы REFRACTION TECHNOLOGY, Inc. (США).
Программы расчета годографов головных, рефрагированных и отраженных волн, а также алгоритм пересчета поля времен на уровень, близкий к первой жесткой границе, составлены на основе лучевого метода сейсмики. Оценка влияния исходных параметров обработки на детальность результативных скоростных разрезов, определение критериев выделения типовых структурных элементов в среде по характеру поведения изолиний скорости осуществлялось с использованием математического моделирования.
Проверка эффективности использованных автором алгоритмов сейсмотомографической интерпретации волн в первых вступлениях проведена математическим моделированием и подтверждена на практике при сопоставлении построенных скоростных разрезов с данными глубокого бурения.
Защищаемые научные результаты:
1. Для изучения глубинного строения труднодоступных районов
Сибири разработаны и использованы в производственном масштабе
методические и технологические приемы производства детальных поле
вых сейсмических наблюдений с взрывными и передвижным 40-тонным
вибрационным источниками в комплексе с автономными регистрирую
щими станциями в разнообразных сейсмогеологических условиях.
-
Систематизация и обобщение с единых методических позиций сейсмических данных, накопленных на протяжении нескольких десятков лет, представленных в виде томографических скоростных разрезов и геолого-геофизических моделей строения земной коры области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы вдоль опорных и региональных профилей ГСЗ.
-
Область сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы представляется в виде субмеридиональной зоны шириной около 150 км, ограничивающей структуры коры Сибирской платформы, контрастность сейсмических аномалий в которой проявляется в грани-то-гнейсовом, гранулитовом и базитовом слоях коры, увеличивается с глубиной, находя отражение и в рельефе поверхности Мохо.
4. Земная кора складчатых областей (Алтае-Саянской, Яно-
Колымской, Олойской) и выступов фундамента (Анабарская антеклиза,
Енисейский кряж) отличается от регионов с развитым платформенным
осадочным чехлом увеличенной мощностью гранулитового слоя и
сложным рельефом его кровли, поднимающейся вплоть до поверхности
фундамента.
Новизна работы. Личный вклад.
1. Разработана и применена технология региональных сейсмических исследований для труднодоступных регионов с взрывным и передвижным вибрационным источниками и с автономными регистрирующими станциями для разнообразных сейсмогеологических условий:
доказана целесообразность использования для изучения земной коры в западной части Сибирской платформы метода преломленных волн, научно обоснован теоретическими расчетами и экспериментальными работами новый комплекс методических приемов при полевых наблюдениях и обработке сейсмических данных, направленный на изучение земной коры;
разработаны технические требования (количество каналов, интервал дискретизации, мгновенный динамический диапазон, потребляемая мощность на канал, масса регистратора, диапазон рабочих температур, длительность регистрации и т.д.) к автономным регистрирующим станциям, которые рационально использовать при проведении работ методом глубинных сейсмических зондирований в труднодоступных районах;
-составлены на основе анализа и обобщения всех геолого-геофизических разрезов земной коры сейсмогеологические модели осадочного чехла и консолидированной коры области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы.
2. Получены новые региональные данные о распределении скоро
сти продольных волн в земной коре, заключающиеся в следующем:
систематизированы и обработаны по единой методике данные по геотраверсам и региональным профилям ГСЗ, составлены сейсмотомогра-фические разрезы земной коры, основанные на временных задержках волн в первых вступлениях;
верхняя часть земной коры Западно-Сибирской плиты отличается от Сибирской платформы наличием толщи низкоскоростных осадочных пород, практически полностью выклинивающихся к р. Енисей;
в пределах Камовского свода Сибирской платформы по характеру распределения скорости в верхней части земной коры выявлены зоны распространения нефтегазоперспективных рифейских отложений;
в районе п. Тычаны выявлен аномальный характер распределения скорости - «подъем» высокоскоростных пород к дневной поверхности, совпадающий в плане с аномальным поведением верхней и нижней границ консолидированной коры и внутримантийной границы;
3. Обоснованы и составлены структурные карты рельефа кровли
и подошвы консолидированной коры, выполнено районирование их по
значениям граничной скорости; схемы рельефа кровли гранулитового и
базитового слоев и на их основе выявлены глубинные сейсмические
характеристики зоны сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибир
ской платформы и охарактеризовано глубинное строение крупных тек
тонических областей:
установлено различие Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы по характеру и амплитуде изменения глубины до кровли и подошвы консолидированной коры, изменения глубины залегания, мощностей и структуры выделенных слоев;
вдоль р. Енисей выявлена узкая (шириной 120-150 км) линейная зона сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы меридионального простирания, в пределах которой происходят основные изменения в структуре земной коры;
на основе сопоставления установленных зон нефтегазонакопления с особенностями строения, а также со скоростными параметрами земной коры и верхней мантии, выявлены глубинные критерии прогноза нефте-газоносности платформенных областей.
4. Установлена связь приповерхностных структур юго-восточной
части Яно-Колымской и Кони-Мургальской складчатой систем и пере
крывающего их Охотско-Чукотского окраинно-континентального вул
каногенного пояса с глубинными аномальными особенностями, выра-
жающимися в изменениях мощности и глубине залегания слагающих земную кору слоев и в рельефе Мохо:
Кони-Мургальской складчатой области соответствует блок, в котором породы гранулитового и базитового слоев занимают довольно высокое положение, наблюдается существенный подъем границы Мохо при существенном увеличении средней скорости до нее;
Охотско-Чукотский вулканогенный пояс, дважды пересекаемый профилем, характеризуется блоком с увеличенной мощностью консолидированной коры за счет утолщения базитового слоя и, соответственно, погружением границы Мохо на глубину до 43 и более километров, понижением граничных и пластовых скоростей.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработанная технология (методика полевых работ и программно-алгоритмическое обеспечение) сейсмических зондирований преломленными волнами внедрена в практику геологоразведочных работ в Красноярском крае (ОАО «Енисейгеофизика»). С ее применением детализирован рельеф поверхности кристаллического фундамента западной части Сибирской платформы, выявлены в пределах Камовского свода зоны выхода пород кристаллического фундамента под нижнекембрийские отложения, области распространения и выклинивания нефтегазо-перспективных рифейских отложений, Нижнее-Тохомское, Юрубчен-ское и другие поднятия третьего порядка, что важно для обоснования практических рекомендаций по направлению геолого-разведочных работ на поиски нефти и газа.
Обоснованное построение сейсмотомографических разрезов земной коры по волнам в первых вступлениях и выработанные критерии распознавания геологических объектов по характеру двумерного распределения скорости повышают информативность геолого-геофизической интерпретации данных. Показано, что для повышения точности восстановления скоростного разреза ниже границы раздела I рода следует использовать плотные системы наблюдений и пересчет поля времен на эту границу. Это позволяет повысить надежность и точность построения сейсмического разреза даже при значительном скачке скоростей (3.0 - 4.0 км/с), когда нарушается условие линеаризации, необходимое для томографических алгоритмов.
Сейсмотомографические разрезы, составленные автором в результате переинтерпретации материалов региональных сейсмических исследований прошлых лет в области перехода от Западно-Сибирской плиты к Сибирской платформе, позволили без проведения затратных полевых работ получить новую геологическую информацию о строения земной коры, а именно использование модели трехслойной земной коры (деление на гранито-гнейсовый, гранулитовый, базитовый комплексы), позволило выявить основные параметры различия в строении земной
коры в области сочленения Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформы, а также охарактеризовать структуру земной коры Яно-Колымской и Кони-Мургальской складчатых областей и Охотско-Чукотского вулканогенного пояса.
Установлено, что по характеру распределения скорости земная кора Западно-Сибирской плиты резко отличается от Сибирской платформы что важно учитывать при определении перспектив поиска месторождений нефти и газа в области сочленения этих структур.
На региональном профиле ДСЗ п. Байкит - п. Тычаны выявлена аномалия скорости, напоминающая «трубку взрыва», выходящую на дневную поверхность и расположенную в пределах Тычанской алмазоносной провинции. Это повышает вероятность связи ее с основными и ультраосновными породами глубинного происхождения и является первым геофизическим материалом, дающим основание предполагать наличие зоны кимберлитового магматизма в этом регионе. Аналогичная аномалия повышенной скорости обнаружена на р. Подкаменная Тунгус-ска в пределах этого же района. Это целесообразно учитывать при поисках месторождений алмазов.
В области сочленения структур юго-восточной части Яно-Колымской (важнейшей золотоносной провинции северо-востока России) и Кони-Мургальской складчатой систем и перекрывающего их Охотско-Чукотского окраинно-континентального вулканогенного пояса получен ряд аномальных особенностей земной коры тесно коррели-рующихся с известными рудными узлами, что определяет возможность прогнозирования новых объектов для уточнения и поиска новых закономерностей размещения твердых (золото, серебро, олоео, медь) полезных ископаемых и оценки прогнозных ресурсов территории.
Разработанная технология сейсмотомографической интерпретации волн в первых вступлениях используется при интерпретации материалов ГСЗ и ДСЗ, проведенных на территории Западно-Сибирской плиты и Сибирской платформе и на опорном геофизическом профиле 2-ДВ (п-ов Кони - о. Врангеля) в ФГУП «СНИГГиМС», АСФ ГС СО РАН, ОАО «Енисейгеофизика».
Сравнение взрывных и вибрационных записей, полученных на опорном геофизическом профиле 2-ДВ на северо-востоке России на близких расстояниях при одних и тех же частотных диапазонах, в целом, показывает практическое совпадение волновых полей,, что является научным обоснованием принципиальной возможности использования в ГСЗ данной мобильной конструкции 40-тонного передвижного вибратора.
В результате производственного применения при проведения работ методом ГСЗ бескабельной пространственно распределенной сейс-моразведочной системы на основе автономных регистраторов РОСА-А
было доказано, что система обеспечивает регистрацию информации по свободному расписанию с взрывными и невзрывными источниками возбуждения упругих колебаний, исключает неработоспособность сети сбора из-за неисправности одного элемента (регистратора) и является экономически выгодной.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты исследований докладывались на международных конгрессах, симпозиумах и конференциях - 28 сессии Международного геологического конгресса «Поиски нефти и газа» (Вашингтон, 1989); 36-ом Международном геофизическом симпозиуме (Киев, 1991); Международной геофизической конференции и выставке SEG-ЕАГО (Санкт-Петербург, 1995); Международной геофизической конференции (Санкт-Петербург, 2000); Международной геофизической конференции и выставке SEG-ЕАГО (Москва, 2003); 32nd International Geological Congress (Florence, 2004); International Geological Congress «Metallogeny of the Pacific Northwest: tectonics, magmatism and metallogeny of active continental margins» (Vladivostok, 2004); 1-st International Workshop on Active Monitoring in the Solid Earth Geophysics (Mizunami, Japan, 2004); 68th EAGE Conference & Exhibition (Vienna, 2006); International Conference and Exhibition «Geosciences - To Discover and Develop» (Saint Petersburg, 2006); 69th EAGE Conference & Exhibition Incorporating SPE EUROPEC 2007 (London, 2007), 70th EAGE Conference & Exhibition (Roma, 2008); всероссийских совещаниях и семинарах - Всероссийском семинаре «Методы, технические средства, методика обработки и интерпретации геолого-геофизических исследований при создании государственной сети опорных геофизических профилей» (Новосибирск, 1999); Всероссийском семинаре «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001); Всероссийском совещании, посвященном 90-летию академика Н.А. Шило «Геодинамика, магматизм и минерагения континентальных окраин севера Папифики» (Магадан, 2003); региональных конференциях - VIII региональной научно-практической конференции «Поиск и разведка месторождений нефти и газа в Красноярском крае» (Красноярск, 1988); Второй региональной конференции «Проблемы недропользования на территории Эвенкийского автономного округа» (Красноярск, 1999); Региональной конференции геологов Сибири, Дальнего Востока и северо-востока России (Томск, 2000).
Научные результаты диссертации изложены в 56 публикациях, из них 22 - в ведущих рецензируемых журналах и изданиях по перечню ВАК (патенты - 2, ж. «Геофизический вестник» - 3, Изд-во «Наука» Сиб. отд. - 10, Изд-во «Дальнаука» ДВО РАН - 2, ж. «Вестник Новосибирского Государственного Университета» - 1, Изд-во СО РАН - 4).
Научные результаты получены в ФГУП СНИИГГиМС. Основой для написания работы послужили материалы, полученные лично авто-
ром или при его непосредственном участии в процессе работ по темам, выполненным в Отделе сейсморазведки в соответствии с планом научно-исследовательских работ института, проводимых согласно Межведомственной региональной научной программе развития сырьевой базы нефтяной и газовой промышленности Сибири на 1990 - 1995 гг. (Программа «Поиск»), Федеральной целевой программы «Развитие федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений на 1995-2000 гг.», пункту 10 «Научное обеспечение геологического изучения и воспроизводства минерально-сырьевой базы» подпрограммы «Минерально-сырьевые ресурсы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России» на 2002-2010 годы», утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации № 860 от 7 декабря 2001 г. и ряда других.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 301 наименования. Полный объем диссертации составляет 282 страницы, включая 54 рисунка, 7 таблиц.
Благодарности. Результаты получены при совместных исследованиях коллективов Сибирского научно-исследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья, ПГО «Енисейгеофизика», Института геофизики СО РАН, Алтае-Саянского филиала Геофизической службы СО РАН. Автор признателен руководителям отмеченных организаций за поддержку исследовательских работ и выражает искреннюю благодарность своим единомышленникам и коллегам: В.Л. Кузнецову, В.В. Тита-ренко, В.М. Маркову, Г.Ф. Бгатовой - за помощь в обработке и интерпретации полученных сейсмических материалов, АИ. Голуб - за их оформление, АВ. Липилину - за постоянную поддержку проводимых автором сейсмических исследований, ВА. Деткову, АС. Ефимову, В.Г. Сибгатуллину, Ю.Г. Зайцеву, AM Якимову, Р.М. Якимовой, Н.Н. Дашкевичу, СВ. Бормотовой - за всестороннюю поддержку автора при внедрении методики преломленных волн для изучения осадочного чехла, фундамента и всей земной коры Сибирской платформы, АИ. Варламову, Г.М Тригубовичу - за поддержку проводимых автором научных исследований, B.C. Селезневу, АФ. Еманову, В.М Соловьеву, В.Н. Кашуну, ИА. Данилову - за сотрудничество при изучении земной коры Алтае-Саянского региона и северо-востока России и обсуждение различных аспектов проводимой работы, В.Д. Суворову — за идеи в области интерпретации плошадных наблюдений преломленных волн, В.И. Самойловой — за неоценимую помощь при оформлении диссертации и многим другим.
Особо признателен автор своим идейным вдохновителям академику РАН B.C. Суркову и доктору геол.-мин. наук В.Л. Кузнецову, развитием работ которых считает данное исследование, а также геологам-нефтяникам B.C. Старосельцеву и АВ. Мигурскому, оказавшим неоценимую помощь при геологической интерпретации полученных сейсмических материалов.
