Строение и история развития литосферы
Шрифт:
Точность расчетов оценивалась по двум критериям: во-первых, по совпадению модельного и измеренного в скважинах теплового потока; во-вторых, по совпадению температур на пересечении профилей.
Построение трехмерной региональной геотермической модели производится с помощью пакета трехмерной графики «TECPLOT v.9.0» (Amtec Engineering Inc.), который позволяет провести объемную интерполяцию наблюденного поля (в нашем случае температуры, теплового потока, а также структурных сейсмотомографических границ) в координатах: «широта-долгота-глубина». Для подготовки файлов данных в формате «TECPLOT v.9.0» нами была написана специальная программа, которая при задании координат начала и конца профиля, а также интервала разбиения по глубине производит трансформацию текстового файла, содержащего результаты термического моделирования, в формат базы данных «TECPLOT». Программа «TECPLOT» предусматривает трехмерную интерполяцию по сетке любой конфигурации. Во всех случаях нами используется неравномерная сетка, «привязанная» к простиранию сейсмических профилей, вдоль которых выполнялись двумерные расчеты глубинных температур. Таким образом, уравнение (1) дополняется третьей недостающей производной
2. Термотомография Западно-Арктического бассейна
Нами проведено два «этапа» геотермического моделирования вдоль сети геотраверсов в Баренцевом и Карском морях с целью определения глубинных температур в земной коре, для оценки глубины залегания температурного интервала катагенетического преобразования органического вещества, а также для исследования характерных проявлений геотемпературного поля, контролирующих локализацию известных месторождений газа и газоконденсата.
На первом этапе нами использованы 123 сейсмических геотраверса, на которых строение геологического разреза определено только по геофизическим данным, т. е. на основе интерпретации положения отражающих (МОВ-ОГТ) и преломляющих (ГСЗ) границ. На втором этапе у нас была возможность по тому же региону построить термотомографическую модель по семи геотраверсам, на которых учтены не только сейсмические данные, но и результаты бурения глубоких поисково-разведочных скважин.
Геотермические исследования на шельфе Евразийского бассейна Арктики начались в 70-е годы с измерений погружными зондами ПТГ-3М в Баренцевом море (Методические…, 1983). Однако эти измерения были сделаны на шельфе при глубинах моря до 300 м и глубине внедрения одноканального зонда в осадки максимально на два метра. Полученные результаты продемонстрировали ожидаемое очень мощное влияние экзогенных термических полей на глубинный тепловой поток – сказывалось воздействие сезонных периодических колебаний температуры дна моря за счет инсоляции, а также придонных течений с большим дебитом, приносящих массы воды с контрастной относительно фоновой температурой. Особенно этот фактор заметен в южной и западной частях моря, где проявляется влияние Гольфстрима и его ответвления – Нордкапского теплого течения. В связи с этим зондовые измерения не позволяли получить кондиционные оценки фонового глубинного теплового потока, т. к. диапазон измеренных значений был очень велик – от 0 до более 500 мВт/м2, и не адекватно отражал распределение глубинных термических источников.
Начавшаяся в 80-е годы интенсивная разведка нефтегазовых месторождений на шельфе сопровождалась бурением на акватории и на островах глубоких скважин, в которых проводились каротажные исследования, в том числе и термокаротаж. К этому времени относятся и первые скважинные измерения теплового потока в южной части Карского моря. Обработка термических измерений позволила оценить значения градиентов температуры, а теплофизические исследования керна скважин – теплопроводность пород. Таким образом были получены первые кондиционные измерения теплового потока в регионе (Цыбуля, Левашкевич, 1992), которые после применения методики учета сезонных колебаний температуры были уточнены (Левашкевич, 2005) (рис. 1).
Рис. 1. Геотермическая изученность Баренцевского региона.
Тем не менее, скважинные геотермические измерения для такой обширной территории были редки и не позволяли составить картину распределения температур и тепловых потоков, а тем более рассчитать глубинные температуры в литосфере региона.
Обобщение имеющихся скважинных и зондовых измерений тем не менее позволяет говорить о тенденции повышения теплового потока в северо-восточном и северо-западном направлениях. Так, в зоне сочленения Кольской микроплиты и Балтийского щита среднее значение теплового потока составляет 54 мВт/м2, а в районах Северо-Баренцевской впадины и Центрально-Баренцевского поднятия – 70 мВт/м2. В первом приближении такую тенденцию тренда теплового потока можно объяснить приближением к Северо-Атлантическому центру спрединга, в котором возрастает термическая активность астеносферы. Однако полученные нами в 25-м рейсе НИС «Академик Николай Страхов» данные (подробное описание которых приведено в нашей другой статье) позволяют говорить о новейших геодинамических проявлениях в земной коре Баренцевской плиты. Мы ранее уже высказывали предположение о рифтогенном характере геодинамической активности на основании интерпретации геотермических данных (Хуторской и др., 2000).
Теплофизическая среда, т. е. конфигурация контрастных теплофизических слоев и значения тепло– и температуропроводностей, задавалась на основе соответствующей оцифровки выделенных по сейсмическим данным структурных комплексов вдоль 123 геотраверсов.
В качестве краевых условий на нижней границе профилей использовались значения теплового потока, измеренного в глубоких скважинах. В Баренцевом море 67 скважин, где проводились кондиционные определения теплового потока, были расположены так, что хотя бы одна скважина находилась в полосе каждого из профилей ГСЗ (ШГСП, МОВ-ОГТ). В Карском море три скважины в южной части моря лежат в зоне самого длинного из профилей.
При расчете использовались значения теплофизических свойств слоев коры, адекватные установленным граничным скоростям (табл.1).
Таблица 1. Теплофизические параметры, принятые для моделирования геотермического поля в земной коре.
Начальные условия при расчете температур на большинстве профилей нами задавались для времени 60 млн лет назад. В это время, как показано в работах по палеотектоническим реконструкциям Баренцевоморского бассейна (Верба, Шаров, 1988; Устрицкий, Храмов, 1984), уже сформировалась современная структура коры, поэтому эволюция теплового поля во времени, если она и наблюдалась, связана не с перестройкой структурно-теплофизических элементов, а с релаксацией начальных термических неоднородностей.
При такой постановке граничных условий температуры внутри области моделирования быстро приходят к стационарному состоянию, которое априорно было принято как критерий корректности расчетов. Продолжительность временных шагов составляла 10 млн лет. Таким образом, на временном интервале 60–0 млн лет нами проводились шесть контрольных этапов с целью проверки условий стационарности. Моделирование показало, что начиная с третьего шага, т. е. через 30 млн лет после начала расчета, для всех профилей наблюдалось стационарное тепловое поле.
Начальные условия моделирования принимались для возраста 300 млн лет назад (средний карбон), когда по геологическим данным (Устрицкий, Храмов, 1984; Эринчик, Мильштейн, 1995), в южной части Баренцева моря сформировался Южный рифтогенный прогиб северо-западного простирания, разрушивший протерозойскую континентальную кору. Уже начиная с рифея этот прогиб заполнялся терригенными и карбонатными осадками, отлагавшимися с прогрессирующей скоростью, достигшей к середине палеозоя скорости лавинной седиментации. Этот процесс в конечном итоге привел к становлению верхнего карбонатного палеозойского комплекса, выделенного по данным МОВ-ОГТ. Комплекс характеризуется сейсмическими скоростями 5,4–5,8 км/с и имеет максимальную мощность (до 12 км) в интервале 450–600 км от начала профиля (рис. 2). Ниже этого комплекса по данным МОВ-ОГТ интерпретируются блоки «гранитно-метаморфического слоя» с пластовыми скоростями 6,0–6,5 км/с и с мощностью 22–23 км, которые отождествляются с гранитоидами и вмещающими их породами архея-нижнего протерозоя Балтийского щита. Этот слой резко уменьшается в мощности в 500–600 км от побережья Кольского полуострова. Постепенно в северо-восточном направлении, судя по сейсмическому разрезу, увеличивается доля базальтов и гипербазитов по сравнению с гранитно-метаморфическими породами, а также мощность терригенных мезозойско-кайнозойских осадков. Толщина коры уменьшается с юга на север от 40 до 35 км (Поселов и др., 1996). Мощность литосферы по сейсмическим данным не определена, но из теоретических соображений и по аналогии с другими зонами перехода от континентальной к океанической коре, можно предположить, что в южной части профиля она составляла 150 км, а севернее уменьшалась до 100–120 км.
Рис. 2. Сейсмотомографический и температурный разрезы по профилям «Ковдор» и «ГСЗ-76» вверху – профиль теплового потока.
В термической модели для этого времени был принят разрез литосферы, состоящий из четырех теплофизических слоев (Подгорных, Хуторской, 1998): нижний слой – «верхняя мантия» с температуропроводностью 10– 6 м2/с и теплопроводностью 3,2 Вт/(мК). Мощность этого слоя составляла 100 км. Выше залегал слой «коро-мантийной смеси», или нижней коры (?) мощностью 15 км; для него была взята температуропроводность 810– 7 м2/с и теплопроводность 2,9 Вт/(мК). Гранитно-метаморфический слой имел температуропроводность 510– 7 м2/с и теплопроводность 2,5 Вт/(м•К). Такие значения характерны для перечисленных слоев и традиционно принимаются в термических моделях. Самый верхний слой – карбонатные консолидированные осадки – характеризовался в модели температуропроводностью 4•10– 7 м2/с и теплопроводностью 2,3 Вт/(м•К). В модели задавались граничные условия первого рода: температура на поверхности принималась 1°С (температура придонной воды), а на подошве литосферы – 1250°С. Внутри гранитно-метаморфического слоя учитывалось тепловыделение радиогенной природы, а в мантии для соответствующего интервала профиля – рифтогенной природы (Fi). Интенсивность источников задавалась нормированной по величине (с) вещества, т. е. Fi=Q/(с), где Q – интенсивность тепловыделения в единице объема (в мкВт/м3). Мощность радиогенного тепла была определена на основании измерений концентрации в породах Балтийского щита долгоживущих изотопов 238U,232Th и 40К (Смыслов и др., 1978), и ее нормированное значение Fi составляло 3,5•10– 13К/с. Нормированная мощность источника рифтогенной природы (астеносферного выступа) рассчитывалась из предположения, что в позднем палеозое она была такой же, как в современных континентальных рифтах, например в Байкале (Зорин, Осокина, 1981), в рифте Рио-Гранде (Crough.,Thompson, 1976) или в Кенийской зоне Восточно-Африканского рифта (Fairhead, 1976), и составляла 12•10– 13К/с. Начальные температуры в модели рассчитывались из решения одномерного стационарного уравнения Пуассона для слоистой модели с внутренними источниками только радиогенной природы и с указанными выше теплофизическими характеристиками и толщиной слоев. Термический источник рифтогенной природы «включался» на первом этапе моделирования. Шаг временной дискретизации на первом этапе моделирования составлял 50 млн лет, т. е. в результате выполнения первого шага была зафиксирована термическая структура литосферы для времени 250 млн лет тому назад. Полученные температуры в разрезе литосферы считались начальными для следующего этапа расчета нестационарного процесса, продолжительность которого была также 50 млн лет, но на этом этапе был «выключен» источник рифтогенной природы, т. к. известно, что время жизни континентальных рифтовых систем не превышает 40 млн лет (Милановский, 1976), а вероятнее всего – меньше 30 млн лет. После выполнения второго шага модель отражала термический режим для 200 млн лет назад (граница среднего и позднего триаса).
На этом шаге было произведено изменение параметров модели. Если на первых двух временных шагах разрез включал всю литосферу, то для возраста 200 млн лет нижняя граница разреза была ограничена глубиной 70 км, установленной по данным ГСЗ. На этой глубине задавался тепловой поток, определенный на предыдущем этапе расчета. Он изменялся вдоль профиля от 34 до 40 мВт/м2.
На разрезе коры после изменения геометрии модели геологическое строение отражено более детально. В модели учитывалась блоковая структура разреза, выраженная в наличии субвертикальных изгибов пластов на контакте пород гранитно-метаморфического комплекса с метаморфизованными осадочными отложениями палеозоя и базальтов с гипербазитами в юго-западной части профиля (интервал 100–200 км). Эти блоки контактируют по разломным или флексурным зонам, возникшим, судя по возрасту осадочных пород, не позже среднего палеозоя. Такой возраст дислокаций позволяет предположить отсутствие в них современных проницаемых зон, по которым осуществляется тепломассоперенос, поэтому разломы и флексуры моделировались только как границы контрастных теплофизических сред.