Введение к работе
Объектом исследований настоящей работы являются вопросы разработки аппаратуры для геотермических работ на водоемах и создания методик их проведения, а также результаты применения этого аппаратурно-методического комплекса на примере Черного моря и Телецкого озера.
Актуальность темы. Глубинное внугриземное тепло, в большей степени радиогенное, определяет формирование, состояние и физические свойства вещества, слагающего недра Земли и обуславливает ее геологическое развитие. Основной информацией об энергетическом состоянии глубинных недр земли является тепловой поток, излучаемый путем теплопроводности через земную поверхность, поэтому разностороннее изучение этого потока в первую очередь и является предметом геотермических исследований.
Специфика измерений теплового потока на материках существенно удорожается необходимостью бурения для этого глубоких, более 100-200 м, скважин или проходкой шахт. При этом на величину теплового потока влияют многочисленные искажающие технологические и природные факторы, которые бывает трудно учесть.
Дно океанов и других акваторий на глубинах более 300 -500 м обычно рассматривается исследователями как идеальная лаборатория для тепловых измерений где температура воды постоянна в течение всего года. Большая часть океанического дна покрыта мягкими осадочными отложениями, допускающими внедрение вертикальных термозондов, опускаемых на дно с борта научных судов. Наблюдения на акваториях можно проводить вдоль наперед намеченных профилей, комплексировать их с данными топографии, сейсмическим и магнитным профилированием.
Поэтому повсеместно методика изучения тепловых потоков через дно глубоких водоемов находится в стадии интенсивного развития.
Основной трудностью в накоплении материала и развития метода является отсутствие промышленных специализированных приборов для изучения теплового потока.
Исследования по созданию инструментальной базы для геотермических измерений на акваториях были начаты в ИГиГ СО АН СССР (сейчас ОИГГМ СО РАН) в связи с насущной необходимостью постановки геотермических работ в глубоких озерах Сибири, а отсутствие промышленной аппаратуры для таких работ, поставило задачу разработки комплекса аппаратуры для геотермических исследований на акваториях, а так же совершенствования и развития методики ее применения.
Цель диссертационной работы:
- повышение информативности геотермических работ на водоемах за
счет совершенствования аппаратурно-методического обеспечения этих
исследований;
- экспериментальные работы по измерению вариаций теплового
потока через дно водоемов для решения научных и прикладных задач.
Задачи исследования.
-
Разработать и создать аппаратурно-методический комплекс (двухконтурную термостатирующую установку для калибровки термодатчиков, многоканальный термограф, цифровой измеритель теплопроводности, цифровую автономную станцию для температурного мониторинга, цифровой автономный термограф, а также методику их применения в конкретных региональных условиях) для геотермических исследований на акваториях.
-
На основе комплексных геотермических работ определить параметры теплового поля на акватории Черного моря; установить, на примере Телецкого озера, степень влияние климатической температурной волны на температурный режим донных осадков; оценить возможность определения глубинной составляющей теплового потока в таких условиях.
Аппаратура, методика исследований и фактический материал.
Основой диссертационной работы являются создание и совершенствование аппаратурно-методического комплекса для обеспечения геотермических исследований, а также экспериментальные материалы полевых геотермических работ: измерение теплопроводности донных осадков, температуры и геотермического градиента, расчеты теплового потока.
В качестве измерителя теплопроводности донных осадков использовался разработанный автором Полуавтоматический Цифровой Измеритель Теплопроводности «ПАЦИТ». Измерения температуры донных осадков и геотермического градиента в них, выполнялись различными модификациями автономных многоканальных термографов, режимные наблюдения Геотермическими Автономными Станциями «ГЕТАС» сконструированными автором. Надежность температурных измерений обеспечивалась контролем и периодическими градуировками датчиков и измерительной аппаратуры на специальном, разработанном и изготовленном автором, градуировочном стенде-термостате.
Большая часть экспериментальных материалов по Черному морю и по Телецкому озеру получены непосредственно автором при проведении полевых геотермических работ. Результаты температурного
мониторинга дна Телецкого озера получены автором благодаря содействию и поддержке сотрудников Телецкой озерной. Основные защищаемые научные результаты.
1. Разработан аппаратурно-методический геотермический комплекс
состоящий из:
- двухконтурного термостата для градуировки термодатчиков;
двух и трехканального термоградиентографа для измерения температуры и геотермического градиента на акваториях;
полуавтоматического цифрового измерителя теплопроводности "ПАЦИТ";
- геотермической автономной цифровой станции для температурного
мониторинга "ГЕТАС";
восьмиканального погружного цифрового термографа для измерения температуры, геотермического градиента и теплопроводности донных осадков в условиях их естественного залегания;
усовершенствована и адаптирована методика применения геотермической аппаратуры к конкретным объектам исследований: озеро Байкал, озеро Телецкое, Черное море.
2. На основе данных геотермических работ на Черном море,
соискателем совместно с коллегами, построена карта теплового потока
его дна. Определены закономерности формирования глубинного
теплового потока через дно Черного моря.
Используя данные многолетнего температурного мониторинга и результаты геотермического зондирования, предложена методика оценки глубинной составляющей теплового потока через дно Телецкого озера и озер находящихся в подобных геологических и климатических условиях.
Научная повизна работы. Личный вклад.
1. В работе оригинально решены вопросы разработки и конструирования геотермической аппаратуры:
исходя из требований применения полупроводниковых термодатчиков, для их калибровки создана двухконтурная термостатирующая установка;
разработаны, изготовлены и прошли полевые испытания ряд модификаций многоканальных термографов с аналоговым способом регистрации;
исходя из требований температурного мониторинга, разработана режимная, автономная, цифровая геотермическая станция "ГЕТАС";
используя решение задачи для бесконечного нагревателя, автором разработан и изготовлен полуавтоматический цифровой прибор "ПАЦИТ" для измерения теплопроводности слабосцементированных пород;
разработан, изготовлен и прошел успешные полевые испытания многоканальный автономный цифровой термограф;
адаптированы методики применения геотермической аппаратуры к конкретным объектам исследований: озеро Телецкое, Черное море.
2. Детально определены параметры теплового поля донных осадков
Черного моря:
- используя автономный термограф, разработанный автором,
определен характер распределения температуры, геотермического
градиента и теплового потока;
применяя разработанный автором прибор "ПАЦИТ" (совместно с А.Д. Дучковым) проведено массовое определение теплопроводности образцов донных осадков; сопоставляя значения влажности осадков с их теплопроводностью, установлена оригинальная их взаимозависимость для Черноморских отложений, выявлено отличие теплопроводности осадков, измеренной в условиях их естественного залегания "in situ", от результатов измерений теплопроводности в лабораторных условиях;
интерпретируя распределение теплового потока и сейсмических данных о строении Черноморской впадины, соискателем, (совместно с коллегами), сделан вывод о природе области аномально низкого теплового потока. Она сформирована вследствие лавинного осадконакопления в плиоцен-четвертичное время.
3. На основе многолетних данных о температуре придонной воды, а
также используя данные, проведенного соискателем совместно с
работниками Телецкой озерной станции, двухгодичного мониторинга
температуры осадков Телецкого озера, разработан метод оценки
теплового потока в зоне климатических колебаний температуры
способом геотемпературного зондирования.
Практическая значимость работы.
Надежность аппаратурно-методического комплекса определяется широким его внедрением в научных и производственных организациях. Разработанные автором аппаратура и методика использовались при выполнении геотермических работ в Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедиции (акт внедрения от 06.08.90 г.), Комплексной сейсмологической экспедиции ИФЗ АН (акт внедрения от 12.12.88 г.), Новосибирской опытно-методической вибросейсмической экспедиции СО РАН (акт внедрения от09.11.89 г.), Иркутском Лимнологическом Институте СО РАН (акт внедрения от 15.08.90 г), Иркутском Институте Земной коры СО РАН (Байкальский прогностический полигон, акт внедрения от 09.11.89 г.), Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН (акт внедрения от 8.11.89 г.), Институте геофизики и инженерной сейсмологии АН Армении, Институте сейсмологии АН Казахстана (акт внедрения от 6.12.89 г.),
Комплексной геолого-геохимической экспедиции Казахского Главного координационно-геологического управления "Казгеология" (акт внедрения от 05.05.90 г.), Институте геологии и геофизики АН Узбекистана (акт внедрения от 17.01.90 г.).
Сведения о геотемпературных параметрах дна Черного моря, представленные в виде карт температуры поверхности дна и карт теплового потока, использовались при решении тектонических и геодинамических задач, могут быть применены при оценке перспектив нефтегазоносности, для оценки запасов и размещения месторождений геотермальных ресурсов.
Апробация работы и публикации.
Результаты исследований диссертанта докладывались на всесоюзном совещании "Применение геотермии в региональных и поисков разведочных исследованиях" (Свердловск, 1983); на III Тихоокеанской школе по морской геологии, геофизики и геохимии (Владивосток, 1987); на 1-ой Всесоюзной конференции по морской геофизике (Москва, 1987); на международных конференциях "Геология нефти и углеводородный потенциал (запасы) Черного моря" (Варна 1994) и "Геофизика твердой земли и природные катастрофы" (Новосибирск 1996).
По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 2 авторских свидетельства.
Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН. Исследования проводились в соответствии с планом общесоюзной комплексной научно-технической проблемы 0.50.01 (1970-1988 г.г.).
Автор выражает глубокую благодарность Дучкову А.Д. за многочисленные полезные обсуждения различных аспектов работы и постоянное внимание. Автор также искренне признателен сотрудникам Института геофизики Соколовой Л.С, Белинскому В.В., Манштеину А.К. и другим, содействовавшим на разных этапах выполнения исследований.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, всего 124 страницы машинописного текста, 25 рисунков. Библиография содержит 85 наименований.