Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Тектоническое строение и геотермическая изученность Южного Урала и прилегающей части Восточно-Европейской платформы 13
Глава 2. Методика определения теплового потока 37
Глава 3. Теплопроводность горных пород 43
3.1. Методы определения теплопроводности горных пород 44
3.2. Результаты определения теплопроводности горных пород 58
3.3. Зависимость теплопроводности горных пород от температуры 71
Глава 4. Распределение теплового потока на Южном Урале и в Предуралье 77
Глава 5. Возможные причины возникновения минимума теплового потока на Урале 93
Глава 6. Вертикальные вариации геотермических параметров на Южном Урале и палеоклимат 97
6.1. Вертикальные вариации геотермических параметров 97
6.2. Влияние палеоклимата 109
Глава 7. Радиогенная теплогенерация на Южном Урале 115
Глава 8. Термический режим литосферы на Южном Урале 127
Глава 9. Реконструкция изменений климата на Южном Урале по геотермическим данным 135
9.1. Восстановление температуры поверхности Земли за последние столетия 135
9.2. Реконструкция послеледникового потепления на Южном Урале 170
Заключение 178
Литература
- Результаты определения теплопроводности горных пород
- Зависимость теплопроводности горных пород от температуры
- Влияние палеоклимата
- Реконструкция послеледникового потепления на Южном Урале
Введение к работе
Изучение теплового состояния недр - одна из важнейших проблем геофизики. Предыдущими исследованиями в пределах Урала выявлена региональная аномалия теплового потока - менее 30 мВт/м , в то время как по мировым данным тепловой поток герцинид состав-ляет порядка 55 мВт/м . Уточнение представлений о распределении теплового потока и о природе геотермических аномалий на Урале имеет важное значение для построения обоснованной геолого-геофизической модели этого региона. Урал является зоной контакта между двумя континентами и изучение распределения теплового потока и глубинных температур в зоне коллизии дает важную информацию для понимания особенностей эволюции земной коры в процессе ее преобразования.
Одним из источников искажения распределения температур и теплового потока под поверхностью Земли являются изменения климата. Распределение температур в верхней части земной коры (первые километры) содержит информацию об изменениях температуры земной поверхности за последние несколько десятков тысяч лет. Если исключить влияние других искажающих факторов, можно получить из скважинных температур сведения об истории изменения климата на изучаемой территории, оценить масштабы предполагаемого потепления и возможное влияние антропогенных факторов. В последнее десятилетие к традиционным способам оценки параметров естественных колебаний климата добавился метод реконструкции его изменений по измерениям температуры в скважинах. Геотермический метод занимает особое место среди известных методов изучения палеоклимата и является весьма перспективным для климатических исследований. В отличие от других методов, в которых оценка палеоклимата осуществляется по косвенным данным, геотермический метод является прямым, Эти исследования являются составной частью фундаментальной проблемы прогнозирования климата и оценки влияния антропогенных факторов на современные климатические изменения. Решение указанных проблем во многом зависит от знания характеристик "нормального" климата и его естественной изменчивости. Длительность существующих радов инструментальных измерений, как правило, не превышает ста лет, что не позволяет оценивать долговременные изменения. Геотермический метод позволяет оценить временные и пространственные изменения температуры поверхности Земли на Южном Урале, начиная с вюрмского оледенения (80-10 тыс. лет назад) и заканчивая текущим столетием. Реконструкция изменений климата по геотермическим данным на Южном Урале составляет важное направление исследований в рамках указанной проблемы.
Цель работы. Изучение закономерностей распределения и природы аномалий теплового потока на Южном Урале и прилегающих территориях. Реконструкция палеоклимата вюрма-голоцена Южного Урала по геотермическим данным.
Основные задачи исследований.
1. Получение теплофизической характеристики основных литолого-стратиграфических толщ Южного Урала и восточной окраины Восточно-Европейской платформы. Определение тепловых свойств горных пород при температурных условиях, характерных для региона.
2. Существенное увеличение числа определений теплового потока в различных структура о формационных зонах Южного Урала и прилегающих территорий для уточнения границ Уральской зоны аномально низких тепловых потоков и, возможно, выявления других достаточно крупных аномалий.
3. Анализ возможных причин возникновения минимума теплового потока на Урале, что в свою очередь требует:
- анализа вариаций теплового потока с глубиной и влияния палеоклимата;
- изучения распределения радиогенных элементов в земной коре Южного Урала, в первую очередь вдоль сейсмического профиля УРСЕЙС-95; - составления варианта геотермической модели разреза литосферы Южного Урала.
4. Реконструкция изменений климата на Южном Урале по геотермическим данным.
Научная новизна работы отражена в следующих положениях.
1. Разработан способ градуировки приборов на изучаемый диапазон тепловых сопротивлений при измерении теплопроводности горных пород в режиме монотонного нагрева на измерителе ИТ-Л-400 и сравнительным методом.
2. Впервые получены систематические данные о теплопроводности основных лито лого-стратиграфических толщ для восточной части Восточно-Европейской платформы и Предуральского прогиба. Существенно дополнены данные В.Е.Сальникова по теплопроводности основных типов горных пород Южного Урала.
3. Впервые изучено изменение теплопроводности в интервале температур 0 -г- 400 °С для магматических и метаморфических пород Южного Урала, что позволяет оценить теплопроводность различных слоев верхней части литосферы в изучаемом регионе.
4. Впервые получены 152 значения теплового потока в неизученных ранее районах во всех структурно-тектонических зонах Южного Урала и прилегающей части Восточно-Европейской платформы. Дана геотермическая характеристика основных структурно-тектонических зон региона. На основе вновь полученных данных уточнены границы южной части Уральской зоны аномально низких тепловых потоков, выявлен ряд локальных аномалий. По всем опубликованным данным об оценках теплового потока составлен Каталог данных теплового потока Урала по международной форме.
5. Впервые проанализированы вертикальные вариации теплового потока в глубоких скважинах на изучаемой территории. Показано, что распределение теплового потока в глубоких скважинах в общих чертах соответствует изменению расчетного профиля, учитывающего влияние климата прошлого, и осложнено вертикальными вариациями, имеющими другую природу.
6. Предложен способ и введены поправки на влияние палеоклимата в измеренный тепловой поток по скважинам, расположенным вдоль профиля УРСЕИС - 95. Результаты свидетельствуют о том, что искажающее влияние палеоклимата сильнее выражено в неглубоких скважинах, расположенных преимущественно на восточном склоне Урала, в зоне, пространственно совпадающей с зоной аномально низких тепловых потоков. Таким образом, наблюдаемый минимум теплового потока на Урале в какой-то мере усилен влиянием палеоклимата. Однако зона аномально низких тепловых потоков в Магнитогорской зоне четко выявляется и при внесении поправок, т.е. возникновение этой аномалии невозможно объяснить только влиянием палеоклимата.
7. Впервые получены систематические данные о содержании радиоактивных элементов и оценки радиогенной теплогенерации на Южном Урале. Охарактеризованы основные геологические комплексы в поперечном сечении Южного Урала от Зауральского поднятия на востоке до Восточно-Европейской платформы на западе.
8. Получен вариант геотермической модели в поперечном сечении Южного Урала вдоль профиля УРСЕИС - 95, позволяющий объяснить наблюдаемое распределение теплового потока и его аномально низкие значения в западной части Магнитогорского прогиба.
9. Новыми являются реконструкции изменений климата по измерениям температуры в скважинах на Центральном и Южном Урале на разные периоды времени: за последние несколько столетий и на период до 100 тыс. лет на зад и прямая оценка амплитуды послеледникового потепления по геотермическим данным для Южного Урала. Последний результат хорошо согласует ся с данными, полученными другими методами, и является независимой оценкой послеледникового потепления на Южном Урале. Исходные данные и личный вклад автора. Для изучения распределения температуры на западной части территории автором были отобраны и использовались пригодные материалы термометрических исследований, проводившихся трестом "Башнефтегеофизика". На восточной части территории использовались термограммы, полученные Башкирской геофизической экспедицией (Западно-Озерное месторождение) и Синеглазовской геофизической экспедицией (Магнитогорский участок, У вельская площадь, Светлин-ский участок, Полетаевская площадь). По двум скважинам - Хромтау 191 и Хромтау 639 - использованы данные В.Е.Сальникова. Лично автором записано 46 термограмм в скважинах на восточном склоне Южного Урала. Автором отобрана коллекция образцов для изучения теплофизических свойств пород по всем изученным скважинам, а также для характеристики основных лито-лого-стратиграфических толщ восточной части Восточно-Европейской платформы и Предуральского прогиба. Автором разработана новая методика градуировки приборов для измерения теплопроводности и выполнены измерения при комнатных температурах и в диапазоне O-j-400 °С. При обобщении данных по теплопроводности горных пород региона использованы также полученные ранее результаты В.Е.Сальникова. Автором выполнены 152 новых определения теплового потока. При создании коллекции для определения содержания теплогенерирующих элементов и оценки радиогенной теплогене-рации в горных породах региона значительная часть образцов отобрана А.М.Косаревым. Анализы содержания U, Th и К в породах выполнены в аналитическом центре ОИГГМ СО РАН и в Геологической службе Финляндии в рамках совместных геотермических исследований Института геологии УНЦ РАН и Геологической службы Финляндии. При обобщении данных учтены также результаты измерений, выполненных ранее в Невской экспедиции по 123 образцам из коллекции В. Е. Сальникова, составленной из пород Магнитогорского мегасинклинория (Сальников, 1984). Формулировка всех задач, связанных с изучением распределения теплового потока, причин возникно 9 вения минимума теплового потока на Урале, реконструкцией изменений климата, принадлежит лично автору. Программа для моделирования влияния палеоклимата на распределение теплового поля в скважине составлена Е.А.Смородовым совместно с автором. Программа для численного моделирования распределения температуры и теплового потока вдоль сейсмического профиля составлена В.В.Гавриловым совместно с автором под руководством проф. В.П.Житникова. Автором проанализированы вертикальные вариации геотермических параметров и влияние палеоклимата, предложен способ введения поправки на влияние палеоклимата в тепловой поток и введены поправки в скважинах вдоль профиля УРСЕЙС-95. Обобщение данных по теплогенерации горных пород выполнено автором. Вариант геотермической модели вдоль профиля УРСЕИС - 95 составлен автором. Реконструкции изменений климата за последнее тысячелетие проводились автором совместно с Г.В.Селезневой, П.Штульцем (Институт геофизики Чешской Академии наук) и доктором Р.Н.Харрисом из университета штата Юта, США. Реконструкция на период до 100 тыс. лет назад и прямая оценка амплитуды послеледникового потепления по геотермическим данным для Южного Урала выполнена лично автором.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на Всесоюзном геотермическом совещании (Свердловск, 1980), на рабочем семинаре "Состояние геотермических исследований в Башкирии" (Уфа, 1982), на Втором рабочем совещании организаций - соисполнителей по этапу 0.50.01.02.05.Н 22в "Построить модели геотермического поля литосферы и распределения источников тепла по опорным профилям ГСЗ (геотраверзов) и скважинам глубокого и сверхглубокого бурения" (Ленинград, ВСЕГЕИ, 1988), на I Всесоюзной научной конференции "Геодинамические основы прогнозирования нефтегазоносности недр" (Москва, МИНГ, 1988), на региональной конференции "Геотермия и ее применения в региональных и поисково-разведочных исследованиях" (Свердловск, 1989), на конференции Башкирского отделения ВМО (Уфа, 1989), на научных сессиях Института геологии БНЦ УрО АН СССР "Шарьирование и геологические процессы" (Уфа, 1989) и "Шарьяжно-надвиговая тектоника и ее роль в формировании месторождений полезных ископаемых" (Уфа, 1991), Международном рабочем совещании "Температура в скважинах и изменение климата" (Прага, 1994), Международном совещании "Геология и глубинное строение Урала", (Европроба - 95), (Екатеринбург, 1995), Международного совещания "Урали-ды и варисциды" (Европроба), (Гранада, Испания, 1996), 4-го Международного совещания "Heat Flow and the Structure of the Lithosphere" (Трешт, Чешская Республика, 1996), Секции "Тепловое поле Земли и методы его изучения" II Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 1997), VI Уральского петрографического совещания "Магматизм, метаморфизм и глубинное строение Урала1 (Екатеринбург, 1997), Международного рабочего совещания ЕВРОПРОБЫ по проекту "Уралиды" (Москва, 1998), III Международной конференции "Тепловое поле Земли и методы его изучения" (Москва, 1998), Международного совещания по проекту IGCP Project 428 "Past climate change inferred from the analyses of the underground temperature field" (Синая, Румыния, 1999), Международного совещания "Geothermics at the turn of the Century" (Эвора, Португалия, 2000), Международной конференции "Ритмы природных процессов в криосфере Земли" (Пущино, 2000), Международной конференции "Тепловое поле Земли и методы его изучения" (Москва, 2000), Третьей Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика)" (Москва, 2001), Пятого Международного совещания "Heat Flow and the Structure of the Lithosphere" (Костелец, Чешская Республика, 2001), Первых научных чтений памяти Ю.П.Булашевича (Екатеринбург, 2001), Международной конференции "The Earth s Thermal Field and Related research Methods" (Москва, 2002). В качестве апробации работы можно рассматривать участие в конкурсах и получение автором грантов РФФИ (93-05-14040, 97-05-65123, 01-05-64776), гранта ИНТАС (INTAS-94-1857, подпро 11 ект "Geothermal modelling of the lithosphere in the Uralides" Международного проекта "The Uralide Orogen: A Key to Understanding Collisional Orogenesis.", 1995) и финансовую поддержку исследований от Международного проекта 1GCP Project 428 "Past climate change inferred from the analyses of the underground temperature field" (1996, 1999, 2000, 2001, 2002).
Основные результаты работы изложены в четырех научных отчетах и одной научной записке. По теме диссертации опубликовано 63 работы.
Защищаемые научные положения. На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Уральская зона аномально низких (менее 30 мВт/м2) тепловых потоков, прослеживающаяся с небольшими перерывами от Южной оконечности Мугоджар до 61° с.ш., локализована в западной части Тагило-Магнитогор ской зоны, и не захватывает, как это считалось ранее, прилегающие части Урала и Предуральского прогиба. Уральская область пониженных тепловых потоков (менее 40 мВт/м2) образует обширную зону северо-западного протирания, в которую входит часть Волго-Уральской антеклизы, Уральская складчатая область, юг Западно-Сибирской плиты. Участки резкой диффе ренциации теплового потока (от 23 до 58 мВт/м ) приурочены к зоне сочленения Восточно-Европейской платформы и Уральской складчатой системы.
2. Анализ возможных причин возникновения Уральского минимума теплового потока и моделирование термического режима литосферы на новой, более широкой базе, позволяют детально обосновать вывод о том, что наиболее важной его причиной является низкая теплогенерация в Тагило-Магнитогорской зоне. Наблюдаемый минимум теплового потока в какой-то мере усилен искажающим влиянием палеоклимата, сильнее выраженным в неглубоких скважинах, по измерениям в которых установлено существование зоны аномально низких тепловых потоков.
3. Геологические условия на Урале позволяют оценить его как благоприятный регион для изучения глобальных изменений климата по геотерми 12 ческим данным. Реконструкция истории изменений температуры поверхности Земли, связанной с изменениями палеоклимата за последнее тысячелетие, выполненная несколькими методами, выявляет похолодание в 16 — 18 столетиях с кульминацией приблизительно в 1700 - 1750 г. н.э. ("малый ледниковый период" после "средневекового оптимума") и последующее повышение температуры на 1 - 1,5 °С. Реконструированная амплитуда послеледникового потепления составляет 8,3 °С на широте 55° с.ш., температура в оптимуме голоцена 5-6 тыс. лет назад примерно на 1,3 °С больше современной температуры. Результаты реконструкции хорошо согласуются с метеоданными за весь период наблюдений и с другими оценками палеоклимата.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из Введения, девяти глав, Заключения, списка литературы из 201 наименования и одного Приложения, изложенных на 228 страницах и содержит 49 рисунков и 14 таблиц.
Работа выполнена в лаборатории региональной геологии и геофизики Института геологии УНЦ РАН. Прежде всего, автор считает своим долгом вспомнить с глубокой благодарностью В.Е.Сальникова, под непосредственным руководством которого проводились до 1987 года исследования в лаборатории. Автор искренне благодарит В.Н.Пучкова, оказывавшего постоянное внимание и поддержку при выполнении работы; Г.В.Селезневу и А.М.Косарева, в соавторстве с которыми был получен ряд научных результатов, вошедших в диссертацию. Выполнению исследований помогало обсуждение отдельных вопросов с сотрудниками Института геологии УНЦ РАН и геологами и геофизиками других организаций. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность всем, кто принимал участие в обсуждении исследований, оказывал им поддержку и высказывал критические замечания, в том числе, М.Д.Хуторскому, Ю.А.Попову, Б.Г.Поляку, Ю.В.Хачаю, И.Т.Кукконену, В.Чермаку, В.А.Романову, В.П.Житникову, А.П.Черникову.
Результаты определения теплопроводности горных пород
На основе изучения более 5000 образцов были получены сведения о теплопроводности пород Южного Урала и прилегающих территорий. Впервые по более чем 1000 образцов дана детальная теплофизическая характеристика разреза востока Восточно-Европейской платформы и Предуральского прогиба (Башкирское Предуралье). Всего с учетом ранее опубликованных данных (Сальников, 1984) к настоящему времени изучено около 7000 образцов, отобранных из керна скважин. Все экспериментально полученные значения были подвергнуты статистической обработке по общепринятой методике (Пустыльник, 1968; Вентцель, 1969 и др.). С этой целью они группировались по петрографическому составу и приуроченности к определенным структурно-тектоническим зонам, а затем вычислялись показатели распределения в отдельных группах.
Результаты статистической обработки приведены в таблице 3.2 и на гистограммах (рис 3.7-3.9). При составлении таблицы использованы литературные данные по теплопроводности ангидритов Ишимбайского района (воздушно-сухие образцы) (Рубинштейн, 1950).
Статистический анализ показал, что наиболее значительная группа основных пород разделилась по региональному признаку, то есть образцы каждого из изученных районов характеризуются своим средним значением теплопроводности и стандартного отклонения, и различия между ними значимы. Вероятнее всего, это связано с различной степенью и характером вторичных изменений. Теплопроводность изменяется от 1,94 Вт/(мК) (Центрально-Уральская зона) до 3,03 Вт/(м-К) (Восточно-Уральская зона). Распределение теплопроводности соответствует нормальному закону не во всех выделенных группах, например, для основных пород по Мугоджарам, Тюменско-Кустанайскому прогибу и Магнитогорскому мегасинклинорию, для туфопесчаников и туфогенно-осадочных пород. Это, возможно, связано с включением в выборки образцов измененных пород.
Анализ данных свидетельствует о значительной изменчивости тепловых свойств горных пород, особенно терригенных и магматических, вызванных вариациями минерального состава, структуры и характера метаморфизма. Более высокие значения получены для пород, содержащих заметное количество минералов с высокой теплопроводностью. По данным Horai (1971), из основных породообразующих минералов, присутствующих в изученных образцах, высокую теплопроводность (в ВтУ(м-К)) имеют пироксе-ны - от 3,56 до 6,65, кварц - 7,7, хлорит - ЪХ акгинолит - 3,8, низкую - плагиоклазы - от 2,31 до 1,53 и 1,73 в ряду альбит-лабрадор-шсртит, микроклин - 2,40. К увеличению теплопроводности приводит сульфидная минерализация (пирит: Я = 19,18, халькопирит: X = 8,19), гематитизация (гематит: Л = 11,26). По другим данным (Попов и др., 1987), тепло-проводность этих минералов еще выше и доходит до 41,4 и 10,7 Вт/(м-К) для пирита и халькопирита и 19Д Вт/(мК) для гематита Серпентинизация резко снижает теплопроводность породы, что связано с низкой теплогіроводностью минералов, входящих в состав серпентинитов. Если для глубинных неизмененных пфидогитов получено среднее значение теплопроводности 4,41 Вт/(м-К), то для серпентинизированных перидотитов и дуни-тов оно составляет 2,34 и 1,98 Вт/(м-К) ахггветственно. Этот факт также находит объяснение в рамках теории фононноЙ теплопроводности (Петрунин, Попов, 1981).
Перспективность развития этого направления отмечалась в связи с необходимостью оценки теплопроводности пород глубоких горизонтов коры и мантии (Глубинный..., 1974). Кроме того, такой подход помогает объяснить изменения теплопроводности при вторичных изменениях пород. Однако автор присоединяется к заключению Ю.А.Попова и др. (1987) о том, что имеющихся в литературе сведений о теплопроводности породообразующих, рудных и акцессорных минералов, минеральных агрегатов, об анизотропии далеко недостаточно для того, чтобы считать исчерпывающими наши знания о возможных диапазонах изменения теплопроводности и анизотропии даже для наиболее изученных минералов, и необходимо продолжить широкое изучение теплопроводности минералов.
Существенное влияние на величину теплопроводности оказывают такие факторы, как структура и текстура породы. С уменьшением размеров зерен теплопроводность уменьшается из-за роста числа контактов между ними, а у аморфного вещества теплопроводность в несколько раз меньше, чем у кристаллов того же состава. Поэтому оценки теплопроводности породы по минеральному составу удовлетворительно сопоставляются с результатами измерений только для полнокристаллических пород, влияние структуры требует дополнительного изучения. Например, породы основного состава из скважин Медногорского месторождения (Центрально-Уральская зона) характеризуются низкими значениями теплопроводности, а расчет по минеральному составу дает завышенные значения. Мы связываем это с тем, что по сравнению с другими районами Южного Урала вулканогенные толщи Бля-винского района претерпели значительно менее интенсивное зеленокаменное перерождение (Медноколчеданные..., 1985), изученные образцы представляют породы типа гиалобазальтов, структура их слабо рас кристаллизована.
Другим примером может служить влияние окварцевания. Для ранее изученных образцов отмечалось, что окварцевание ведет к уменьшению теплопроводности (Шулепова, Сальников, 1975). Наши последние результаты и литературные данные (Галдин и др., 1986; Петрунин, Попов, 1983; Любимова, Старикова, 1966; Моисеенко и др., 1970 и др.) свидетельствуют об увеличении теплопроводности. Влияние окварцевания на теплопроводность, по-видимому, зависит от соотношения кристаллической и аморфной фаз, размеров зерен, наличия дефектов кристаллической решетки и, в зависимости от перечисленных факторов, может вести как к понижению, так и к повышению теплопроводности. Для монокристаллов кварца эффективное значение, полученное на основе результатов измерений главных значений теплопроводности на монокристалле, составляет 7,67 Вт/(м-К) (Попов и др., 1987), для плавленого кварца 1,35 Вт/(м-К). По нашим измерениям для 6 образцов природного минерального агрегата кварца белого, крупнозернистого, массивного из скважин Светлинского участка теплопроводность меняется от 2,96 до 5,04 Вт/(м-К) и в среднем составляет 3,92 Вт/(мК). Вероятнее всего, кварц, содержащийся в горных породах, имеет теплопроводность, близкую к этому значению, тогда как использование теплопроводности, полученной для монокристалла, при расчете по минеральному составу приводит к резко завышенным результатам.
Зависимость теплопроводности горных пород от температуры
Необходимость прогноза температурных условий в глубоких горизонтах осадочного чехла и консолидированной коры при региональных геолого-геофизических исследованиях, поскольку многие свойства горных пород сильно зависят от температуры, побуждает к изучению зависимости теплопроводности от температуры. Известно немного работ, освещающих температурную зависимость тепловых свойств горных пород (Моисеенко и др., 1970; Сакварелидзе, 1973; Ткач, Юрчак, 1972; Петрунин, Попов, 1981, 1988 и др.; Birch, Clark, 1940 и др.). Особенно скудны сведения о тепловых свойствах основных и ультраосновных пород, предположительно слагающих нижние горизонты земной коры. Нами получена зависимость теплопроводности от температуры для ряда магматических и метаморфических пород Южного Урала (Голованова, 1989; 19936). Изученная коллекция составлена из образцов кернового материала в основном из скважин Мугоджарской зоны. Кроме того, в нее входит небольшое количество образцов из Магнитогорского мега-синклинория (андезито-базальтовые порфиритьт), Центрально-Уральской зоны (серпентинизированные дуниты и перидотиты), Тараташского массива (кристаллические сланцы и гнейсы). В коллекции представлены несколько групп горных пород: ультраосновные (слабоизмененные перидотиты и серпентинизированные перидотиты и дуниты); основные (габбро-диабазы, базальты, базальтовые и диабазовые порфириты, туфоподобные порфириты основного состава); средние (диорит, андезито-базальтовые порфириты); кис 72 лые (липарито-дацитовый порфир, грано диорит-порфир); метаморфические (метасоматиты, кристаллические сланцы, гнейсы, роговики и т.д.).
75 других образцов, имеющих низкое начальное значение, теплопроводность практически не меняется с температурой, а в некоторых случаях даже слабо возрастает. Наибольшими значениями теплопроводности характеризуются слабоизмененные перидотиты, липарито-дациты, минимальными - серпен-тинизированные дуниты, Широк спектр значений теплопроводности для ме-таморфизованных пород, однако из-за недостаточной представительности их в данной коллекции, мы ограничиваемся лишь иллюстрацией полученных результатов. Выявление взаимосвязи теплопроводности с характером и степенью вторичных изменений требует дополнительного изучения. Во всех случаях разброс значений, максимальный при О С, уменьшается с ростом температуры. Независимо от типа породы к 400 С интервал изменения сужается, и среднее значение для всех образцов составляет 2,33 Вт/(мК).
Измерения проводились при естественной влажности. Изучались плотные, практически непористые образцы. Специально проведенные повторные эксперименты, показавшие хорошую сходимость результатов, и плавный ход кривых X(t) говорят о незначительном влиянии влаги на теплопроводность изученных образцов.
По средним значениям методом наименьших квадратов рассчитаны зависимости теплопроводности от температуры для отдельных типов пород в интервале 0-400 С: Ультраосновные (слабоизмененные): А = 4,31-7Д8 10 3ґ + 8,6340 6 2; (3.23) основные: А = 3,08-3,63-10 + 4,55-Ю-6 г2; (3.24) средние: A=2,72-l,86-10_3f + l,69-10-6/2; (3.25)
Зависимость теплопроводности от давления не изучалась. Немногочисленные экспериментальные данные о влиянии и температуры, и давления на теплопроводность горных пород и минералов позволяют предположить, что диапазон давлений в земной коре недостаточен для заметного влияния на параметры, определяющие решеточную теплопроводность минерального вещества Земли (Петрунин, Попов, 1994). Однако вопрос о влиянии давления на данном этапе остается открытым.
В заключение отметим следующее. Тепловой режим недр Урала отличается пониженными значениями геотермических параметров (Сальников, 1984), и полученные зависимости "h(i) могут быть использованы для оценки температурных условий на глубинах вплоть до границы Мохоровичича и ниже.
Исследование теплового потока позволяет охарактеризовать глубинные теплопотери основных геологических структур Урала и его обрамления. Имеющиеся к настоящему времени данные использованы нами при составлении карты теплового потока (рис. 4.1). В распределении теплового потока на Урале четко выявляется субмеридиональная зона аномально низких значений теплового потока, приуроченная к западной части Уральской эвгео-синклинали, структурно совпадающая с Тагило-Магнитогорской зоной. При составлении карты, кроме упоминавшихся ранее работ, учтены данные по Западной Сибири, приведенные в Каталоге данных по тепловому потоку Сибири (1985). Нами выполнены новые определения теплового потока по 152 скважинам во всех структурно-тектонических зонах Южного Урала и прилегающей части Восточно-Европейской платформы (Сальников, Голованова, 1990; Geothermal Atlas..., 1992; Голованова, 1993а, 1995, 1996). Это позволило уточнить границы Уральской зоны аномально низких тепловых потоков, выявить ряд локальных аномалий и охарактеризовать неизученные ранее районы. После выхода в свет в 1994 году Каталога данных по тепловому потоку Урала (1994) появилось довольно много новых определений теплового потока. В последнее же время возможности для получения новых данных по тепловому потоку резко ограничены в связи с практическим отсутствием глубокого бурения. Поэтому автор считает необходимым дополнить опубликованный ранее Каталог новыми данными и привести его в Приложении как завершение определенного этапа работ. В целом, данные по тепловому потоку, использованные при построении карты и составлении Каталога имеют следующие характеристики.
Влияние палеоклимата
Анализ распределения геотермических параметров по глубине в ряде глубоких скважин на изучаемой территории выявил значительные вертикальные вариации, информация о которых терялась при использовании стандартной методики определения теплового потока. Для объяснения этих вариаций было выполнено прямое моделирование влияния палеоклимата за последние 250 тыс. лет на распределение теплового поля в скважине. При моделировании использованы данные по нескольким самым глубоким скважинам на изучаемой территории (до 5000 м и более).
Решалось одномерное нестационарное уравнение теплопроводности для неоднородной среды с границами х = 0 и х = L: рс д (х%Г\ = 0 (6Л) (6.2) (6.3) (6.4) ot дх { дх ) ч с начальным условием Т(х,0) = Т (х) и граничными условиями T(0,t) = T, (t) дх 0 где T=T(x,t) - температура земной коры, рс = С (х) - теплоемкость единицы объема среды, Х Х(х) - коэффициент теплопроводности.
Задача решалась методом конечных разностей. Программа для расчетов составлена Е.А.Смородовым. Использовались данные о распределении тепловых свойств по разрезам конкретных скважин, полученные в результате собственных измерений. В качестве граничных условий использовались температура поверхности Земли и тепловой поток на наибольшей глубине, для которой имеются надежные данные.
Данные о региональном палеоклимате (температуре поверхности Земли) получены на основе литературных данных о среднеглобальной температуре северного полушария (рис. 6.6) с учетом современной среднегодовой no температуры и коэффициента, учитывающего возрастание амплитуды колебаний температуры с ростом широты местности (Пименов и др., 1996).
Так как граничным условием на поверхности Земли должна быть температура горной породы на глубине затухания годовых колебаний температуры, использована схематическая карта температур на глубине 25 м для Южного Урала и сопредельных территорий (Сальников, 1984). Отметим, что температуры слоя годовых теплооборотов, приведенные на этой карте, хорошо согла суются с расчетными, которые можно получить, используя графики, приведенные в работе (Пименов, Попов, 1997). В этой работе теоретически учтено влияние сезонного промерзания / протаивания почвы и наличия снежного покрова на разность температур на глубине нейтрального слоя и на поверхности.
Градиент температуры на нижней границе G0 определялся по тепловому потоку на наибольшей глубине, для которой имеются надежные геотермические данные. Начальный профиль температуры в скважине рассчитывался по тепловому потоку, теплопроводности пород разреза и начальной температуре поверхности.
Обычно в литературе при проведении расчетов влияния палеоклимата начальная температура поверхности Земли принимается равной современной. Однако, известно, что начальная температура поверхности Земли имеет большое значение при расчете влияния палеоклимата по относительно небольшому временному интервалу (меньше 200 — 300 тыс. лет) (Пименов и др., 1996). Разность между начальной и современной температурой будет заметно сказываться на результатах расчетов. Поэтому начальный профиль температуры в скважине рассчитывался для двух случаев. В первом варианте предполагалось, что температура поверхности в начальный момент времени была равна современной (как это обычно делается в литературе). Во втором варианте - усредненной за последний миллион лет температуре поверхности Земли (Пименов и др., 1996).
На рис. 6.7 приведена расчетная зависимость плотности теплового потока от глубины для разреза скважины Ильменская 1. Моделирование выполнялось до глубины 7000 м, Предполагалось, что массив горных пород ниже забоя скважины однороден по теплофизическим свойствам и является продолжением вскрытого в нижней части скважины. Геофизические исследования в районе скважины подтверждают правомерность такого предположения.
Реконструкция послеледникового потепления на Южном Урале
Метод реконструкции изменений климата по измерениям температуры в скважинах широко применяется для изучения колебаний климата за последние несколько столетий, однако существует возможность получить информацию и о более отдаленных событиях.
Благодаря механизму теплопроводности, изменения температуры на поверхности проникают вглубь Земли, искажая температурное поле. С увеличением глубины короткопериодные искажения температуры затухают, и преобладает термически осредненный ясно выраженный сигнал от длиннопериод-ных вариаций температуры поверхности Земли. Чем глубже проникает возмущение температуры, тем больший промежуток истории изменения температуры на поверхности оно представляет. Следовательно, реконструированная температура поверхности Земли в какой-либо момент времени в прошлом является средневзвешенной температурой за определенный период времени, при этом интервал осреднения увеличивается по мере удаления в прошлое. Например (Rajver et al., 1998), при реконструкции истории ТПЗ на 3 тыс. лет назад интервал осреднения простирается примерно на период 4-2 тыс. лет назад, при реконструкции на 10 тыс. лет назад он составляет 15-5 тыс. лет назад, и на 30 тыс. лет назад - уже 50-10 тыс. лет назад. Так как холодный период во время последнего (Вюрмского) оледенения преобладал в период 80-10 тыс. лет назад, существует возможность получить среднюю температуру поверхности Земли для него, несмотря на значительные интервалы осреднения.
Такие оценки были выполнены по данным измерения температуры в глубоких скважинах на территории Словении и Чехии (Rajver et al., 1998; Safanda, Ra-jver, 1999, 2001 и др.). Целью настоящей работы являлся анализ возможностей метода и реконструкция истории ТПЗ по данным из скважины Ильменская-1, расположенной в Ильменском заповеднике на Южном Урале.
Для реконструкции изменений климата решается обратная задача геотермии. В данной работе использовался метод инверсии в функциональном пространстве (Shen, Beck, 1991). Перед тем, как использовать метод для обработки скважинных данных, мы исследовали его разрешающую способность для реконструкции изменений климата за поздне- и послеледниковое время. Для этого выполнено моделирование влияния палеоклимата на распределение геотермического поля (прямая задача). Затем полученное распределение температуры с глубиной используется для инверсии (обратная задача). Все вычисления выполнялись для конкретной скважины Ильменская-1. Моделирование выполнялось до глубины 7000 м. Предполагалось, что массив горных пород ниже забоя скважины однороден по теплофизическим свойствам и является продолжением вскрытого в нижней части скважины. Геофизические исследования в районе скважины подтверждают правомерность такого предположения (Макагонов, 1994ф).
При решении прямой задачи рассчитано искажение температуры с глубиной, вызванное вариациями климата за последние 250 тыс. лет, методом, описанным в разделе 6.2. Расчеты выполнены для двух случаев. В первом варианте предполагалось, что температура поверхности в начальный момент времени была равна современной (как это обычно делается в литературе), во втором варианте - усредненной за последний миллион лет температуре поверхности Земли (Пименов и др., 1996). На рис. 9.14 приведены отклонения результирующего распределения температуры по скважине от исходного равновесного состояния для двух указанных случаев. Расчеты показали, что наиболее значительные отклонения вызваны потеплением примерно на 10 градусов, произошедшим в конце ледникового периода около 10 тыс. лет назад. Эффект от последующих вариаций климата выражен гораздо слабее. Они вызывают лишь незначительный всплеск на кривых рис. 9.14 в верхней части разреза, на глубинах до 1 - 1,5 км. Поэтому шансы для реконструкции послеледникового потепления гораздо лучше, чем для реконструкции последующих вариаций.
При одной и той же глубине скважины инверсия второго варианта температурного профиля дает несколько лучший результат по сравнению с первым. Однако, при глубине 2 км, соответствующей реальной глубине изученной скважины, это различие практически несущественно. В этом случае амплитуда реконструированного потепления составляет примерно 80 % от действительного.
Скважина Ильменская-1 была выбрана как наиболее глубокая на изученной части восточного склона Южного Урала и, кроме того, достаточно хорошо удовлетворяющая условиям задачи. В верхней части скважина вскрыла нижнепротерозойские отложения ильменогорской и вишневогор-ской толщ, в состав которых входят амфиболиты, плагиогнейсы, плагиогра-ниты, плагиосланцы. Глубже 500 м скважина прошла по миаскитовому массиву, довольно однородному по теплопроводности. По геофизическим данным положение нижней границы миаскитового массива в районе скважины оценивается в 3 - 4 км или глубже (Макагонов, 1994ф). Для инверсии были использованы результаты измерения температуры, выполненные автором через 6 месяцев после завершения бурения (Голованова, 1995) до глубины 1945 м по вертикали. Погрешность определения температуры оценивается в 0,02 -0,03 С, чувствительность термометра 0,01 С. Измерения теплопроводности проведены сравнительным методом на 95 образцах, отобранных через каждые 15-20 метров. Погрешность отдельного измерения не превышает 7 %. Геотермические параметры по скважине представлены на рис. 6.2. В предыдущих работах отмечалось некоторое увеличение теплового потока в нижней части скважины, связанное, вероятно, с влиянием палеоклимата (Голованова, 1995; Kukkonen et al., 1997).
Известно, что результат инверсии зависит от задаваемых априорных значений стандартных отклонений для входных параметров, в частности, для температуры и теплопроводности. Качество исходных геотермических данных по скважине позволяет использовать при инверсии значения стандарт ных отклонений для температуры стт = 0,02 С. Для теплопроводности принималось ох = 0,3 Вт / (м К) в интервале глубин 0 - 500 м, и ох — 0,1 Вт/(м К) ниже 500 м, где разрез становится достаточно однородным. Эти параметры использовались как при решении модельной задачи, так и при обработке реальных данных. Аналогичные низкие значения стандартных отклонений использовались ранее в работах (Rajver et al., 1998; Safanda, Rajver, 1999, 2001) для того, чтобы интерпретировать длинноволновое искривление термограммы в глубокой скважине как следствие удаленных во времени прошлых изменений температуры поверхности Земли.
