Тепловой поток криолитозоны Сибири Девяткин, Виктор Николаевич

Введение к работе

Актуальность работы. Изучение распределения внутриземного теплового потока в мерзлой толще литосферы является актуальной проблемой в геологии и геокриологии. От состояния ее разработки во многом зависит формирование общей концепции эволюции криолитозоны (КЛЗ) ирешение прикладных задач геолого-поискового я горнопромышленного назначения.

Интенсивность выноса тепла из недр Земли характеризуется плотностью внутриземного теплового потока (q). Встречая на своем пути геологическое тело в виде толщи мерзлых пород, часть потока д (при :оответствующих климатических и геолого-гектонических условиях) эасходуетсяна прогревание ипротаивание мерзлых толщ, что приводит с изменению и перераспределению величины теплового потока д_и в мерзлой части литосферы. Соотношение между тепловыми потоками д_и и #на границе раздела мерзлых и талых пород служит показателем зинамики геотемпер атурного поля КЛЗ.

Для решения проблем эволюции мерзлых толщ, динамики и реакции -еотемпературного поля КЛЗ на изменение климатической обстановки геобходимо иметь комплекс сведений о метео- и мерзлотно-геотермичес-дах параметрах и теплофизических свойствах пород, геолого-геофизи-геских и гидрогеологических особенностях исследуемого региона.

Объектом изучения является дифференциация теплового потока в яерзлой толще литосферы с разным составом пород с учетом влияний юверхностныхусловий (климата, рельефа, рек, озер и др.) иискажений геотермического градиента в скважине в процессе бурения, наличия :вободной тепловой конвекции заполнигеляи обсадных труб в ее стволе.

Необходимость получения новой достоверной и представительной {формации о тепловом потоке в криолитозоне исходит из потребностей «шерально-сырьевых ресурсов для народного хозяйства, значительная гасть которых расположена на территории Сибири, занятой шоголетнемерзлыми породами.

Цель исследований. Выявить основные закономерности тспределения теплового потока в мерзлых толщах литосферы Западносибирской плиты, Сибирской платформы и Верхояно-Чукотской жладчатой области.

Для выполнения этой цели были решены следующие зада чи.

- оценены величины теплового потока в криолитозоне различных еоструктурных блоках Сибири;

выявлены соотношения между тепловыми потоками в мерзлых и подстилающих немерзлых толщах литосферы;

установлена различная интенсивность деградации мерзлых толщ в платформенных регионах Сибири;

составлены карты: теплового потока в толщах литосферы Сибири с отрицательной и положительной температурами, изолиний кровли и подошвы КЛЗ с 0С и температуры пород на глубинах 0.02; 0.5; 1; 2; 3 и 5 км ;

- подготовлен к публикации совместно с соавторами
"Геотермический Атлас Сибири";

- выявлены особенности изменения геотемпературного поля над
кимберлитовыми трубками и углеводородными месторождениями и
показаны перспективы их использования для прогноза алмазных и
нефтегазоносных залежей.

Фактический материал и методы исследования. Основой для диссертации послужили первичные экспериментальные материалы о температуре, геотермическом градиентеи мощности КЛЗ Сибири, полученные автором и совместно с коллегами в последние 25 лет при проведении геотермических измерений на 500 участках месторождений полезных ископаемых. Дополнительно привлечены опубликованные данные и обобщения геокриологов игеотермиков, посвященные геотермическим и тегшофизическим параметрам Земли.

Интерпретация геотермических данных проводилась с учетом основных положений теории теплопереноса в мерзлых и талых горных породах, методикирасчетатеплового потока по значениям геотермического градиента итеплопроводностипород, особенностейрегиональных и локальных возмущений геотемпературного поля, дегазации Земли, образования и разрушения газогидратов под влиянием длиннопе-риодных климатических колебаний и миграции газа по субвертикальным зонам деструкции из продуктивных горизонтов, отраженные в работах В.И.Вернадского, А.Н.Тихонова, Г.Карслоу, F.Birch, Д.Егера, Е.А.Любимовой, В.А.Кудрявцева, С.А.Красковского, Н.С.Иванова, Н.А.Огильви, Я.Б.Смирнова, Б.Г.Поляк, В.И.Иванова, М.М.Митника, А.Д.Фролова, В.Т.Балобаева, С.И.Сергиенко, Н.Н.Романовского, А.Д.Дучкова, В.И.Бгатова, А.Р.Курчикова, Р.М.Бембеля и др. Для регистрации температуры, геотермического градиента и мощности КЛЗ использовались полупроводниковые терморезисторы, основные параметры, методика тарировкииработыскогорымиприводятсяв руководствах, подготовленных автором совместно с коллегами (Балобаев и др.,

1977, 1985). При расчетах теплового потока привлечены данные Р.И. Гаврильева о теплофизических характеристиках мерзлых и талых пород Сибири (ИМЗ СО РАН).

Для определения теплового потока и мощности КЛЗ в районах со сложным горным рельефом, изучения влияний бурения, тепловой конвекции и обсадной трубына температуру в скважине привлекались методы физического, электрического ичисленного моделирований с использованием аналоговой машины УСМ-1, ЭВМ и соогветствующихкритериаль-ных соотношений (Девяткин, 1972, 1973,1993; Девяткин, Ходунов,1971,1976).

Обобщение и научный анализ результатов мерзлотно-геотермических исследований выполнены диссертантом.

Научная новизна и личный вклад. Новизна работы заключается в выявлении основных особенностей распределения теплового потока в мерзлых толщах литосферы Сибири.

1. На основе сопоставления фактических данных теплового потока в мерзлой и немерзлой толщах литосферы автором впервые установлена различная интенсивность деградации мерзлых толщ практически на всей территории Западной Сибири, а также в синеклизах и прогибах Восточной Сибири.

2.На основе геотермических данных автором впервые построена схематическая карта теплов ого потока в мерзл ой толще Сибири, а с учетом материалов других исследователей - карты залегания подошвы КЛЗ и распределения температур для срезов глубин 0.02,0.5, 1, 2, 3 и 5 км.

1. С учетом сопоставления результатов геотермических измерений и сейсмического зондирования подтверждена зависимость повышения внутриземного потока q при уменьшении толщины земной коры, что является одной из причин сокращения мерзлых толщ вплоть до полного их исчезновения (например в средней части Предверхоянского прогиба).

2. На основе результатов геотермических измерений в двух скважинах впервые установлена максимальная мощность криолитозоны (1500 м) на южном склоне Анабарского массива, а последующими исследованиями выявлен самый холодньш геоструктурный блок Сибири - Анабарская антеклиза - Ботуобинская седловина.

3. На основе натурных наблюдений, результатов математического и физического моделирований (с использованием соответствующих критериев подобия) получены аналитические выражения для введения поправок в измерения температуры и ее вертикального градиента в скважинах, в которых существует свободная тепловая конвекция жидкости или газа и влияние обсадных труб из металла и полиэтилена.

6. Путем анализа результатов измерений температуры пород на
глубине 20 м выявлены температурные аномалии, приуроченные к
кимберлитовым трубкам Сибири.

7. Анализ распределения фактических и расчетных температур ниже
подошвы КЛЗ на глубинах 3-5 км, выполненный совместно с коллегами,
показал, что основная зона нефтегазообразования в центральной и
западной частях Западно-Сибирской плиты достигает 5-6 км. На востоке
плиты (Приенисейская моноклиналь и смежные структуры) эта зона
проникает еще глубже. Здесьв благоприятных для формирования углево
дородных залежей температурных условиях длительное время находятся
не только мезозойские, но и палеозойские отложения. Вразныхрайонах
Сибири на глубинах 3-5 км сосредоточены геотермальные ресурсы с
температурами 80-160С и выше, которые могут быть использованы
для теплоснабжения промышленных, коммунальных и других хозяйств.

Полученные в процессе выполнения работы результаты позволили сформулировать следующие защищаемые научные положения:

1. На величину и распределение внутрнземного теплового потока в толще многолетнемерзлых пород платформенных геоструктур существенное влияние оказывают палео- и современные климатические изменения (т.е. временные и пространственные вариации температуры поверхности Земли), а также фазовые переходы вода^лед в горных породах. В горноскладчатых регионах к этим факторам добавляетсяразновысотный рельеф земной поверхности.

2. Соотношение тепловых потоков в мерзлой и подстилающей немерзлой толщах литосферы, установленное натурными исследованиями, позволяет выявить стационарный или нестационарный характер геотемлературного поля криолитозоны.

3. Мерзлые толщи Сибири, с учетом их теплового состояния, делятся на два вида:

а) с нестационарным (деградационного типа) геотемлературным
полем (тепловой лоток q_u в КЛЗ менее величины внутриземного q
или равен О). К ним относится КЛЗ Западно-Сибирской плиты,
Вилюйскойсияеклизы, Чульманскойвпадины, Енисей-Хатангского,
Лено-Анабарского и Предверхоянского прогибов Сибирской
платформы,

б) со стационарным геотемпературным полем (величины
внутриземного потока q и в КЛЗ на границе раздела пород с
положительной и отрицательной температурами практически равны
между собой). К ним относится КЛЗ В ерхоян о -Колымской

складчатой системы, Ана барской, Непско-Ботуобинской и, частично, Алданской антеклиз.

Практическая ценность работы. Сведения о тепловом поле КЛЗ, представленные в виде карт, каталогов, схем, таблиц, геотермических разрезов распределения теплового потока, температуры и мощности мерзлых толщ, используются для решения инженерно-геокриологических, геотектонических и геодинамических задач, изучения морфологии и динамики КЛЗ, интерпретации геофизических материалов, поиска и разработки месторождений полезных ископаемых.

Материалы и результаты, составившие основу работы, получены в процессе выполнения заданий общесоюзной комплексной научно-технической проблемы 0.50.01 в 1970-1984 гг. по темам "Исследовать связи теплового потока со строением и развитием тектоносферы и геофизическими полями с составлением карт теплового потока и геотемпературного поля вразличных тектонических структурах СССР", "Выяснить роль теплового поля Земли в геодинамике в зонах глубокого промерзания земной коры" и "Разработать методы составления геотермической модели, построить геотермическую карту Северной Евразии масштаба 1:5 000 000".

В 1985-1995 гг. автором выполнялись НИР: по программам "Сибирь" и "Человек и Биосфера" - "Термодинамическая нестабильность мерзлоты в Сибири" (Госдепартамент США); проектам "Криолитозона и покровы Арктики", "Геотермическое поле, климат и криолитозона" (с составлением "Геотермического Атласа Сибири") ГНТП №18 "Глобальные изменения природной среды и климата" и "Потепление климата, криолитозона и эколого-социальное значение возможной деградации мерзлоты Западно-Сибирского региона" программы "Сибирь". С 1996г. проводятся работы по проекту 1.1.1. "Динамика теплового и фазового состояния криолитозоны России при глобальных изменениях природной среды и климата", включенного в проблему 1.1. "Геодинамические перестройки литосферы и природа длинных глобальных периодичностей" Направления 1 ГНТП "Глобальные изменения природной среды и климата". Результаты оценки теплового потока в Сибири вошли в крупные обобщения геотермических параметров. Так, диссертант является соавтором "Каталога данных по тепловому потоку Сибири" /ред. А.Д. Дучков, 1985 г., "Карты теплового потока территории СССР" /ред-ры: В.В.Гордиенко, У.И.Моисеенко, 1991г., пяти монографий (посвященных исследованию геотемпературного поля КЛЗ в различных геоструктурных блоках Сибири) и автором монографии "Тепловой поток криоли-

тозоны Сибири", 1993. Результатымерзлотно-геотермических исследований автора опубликованы также в 70 статьях и докладах в отечественных и зарубежных изданиях и представлены в 35 НТО.

Результаты исследований внедрены в практику работ геологи/ческих экспедиций ПГО Якутскгеология, Ленанефтегазгеология, Тюменского Газпрома, а также в Геологический институт РАН.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 8 международных симпозиумах по проблемам геокриологии и геофизики (Венгрия,1980;НорБегияД988;СССРиРоссш,1973Д985,1989, 1995;Китай,1993;Чехия, 1994), на 20 Всесоюзных, конференциях и 5 расширенных заседаниях Научного Советало криологии Земли РАН. Научные результаты автора с коллегами отмечены медалью ВДНХ (1981 г.) и дипломом 1-ой степени Президиума СО АН СССР на конкурсе фундаментальных раб от 1987 г. по теме "Исследование теплового поля недр Сибири".

Структура работы и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка используемой литературы. Обший объем диссертации 346 страниц, в том числе: текста - 212 стр., иллюстраций - 94, таблиц - 25, список использованной литературы -352 наименования.