Главная задача исследований геофизических профилей — изучение принципиальных различий в строении и состоянии вещества литосферы в регионах с разными геодинамическими режимами. Профили прокладываются в пределах однородных тектонических блоков или их систем, а также в разграничивающих блоки зонах (например, разломах). Внутри зон, разграниченных профилями первого и второго класса, также ведутся исследования верхних горизонтов коры, разломов и других зон контактов различных блоков. Главное назначение этих работ — прогнозирование и поиски месторождений полезных ископаемых. Для этого также используют также данные космической и аэрофотосъемки, что позволяет создать объемные геолого-геофизические модели строения разных районов страны. При комплексной обработке материалов получены важные результаты: прослежены положение и рельеф границы Мохоровичича, отделяющей земную кору от мантии, обнаружена серия промежуточных границ в консолидированной (уплотненной) коре, а также в осадочном чехле. В отдельных районах существенно уточнена глубина залегания фундамента платформ, установлены зоны разломов, границы и структура многих тектонических элементов, и в частности окраин древних и молодых плит, с которыми связываются перспективы открытия месторождений полезных ископаемых, в том числе нефти и газа. Собраны новые материалы о строении и физических параметрах верхней мантии в пределах Восточно-Европейской и Сибирской древних платформ и обрамляющих их горных конструкций. Составлены разрезы скорости прохождения сейсмических волн до глубин около 400 км, выяснены поглощающие свойства сред, выполнена геологическая интерпретация аномалии скорости прохождения продольных сейсмических волн, возбужденных крупными промышленными взрывами. Получены данные о горизонтальной и вертикальной зональности литосферы и ее отдельных слоев. Для ряда регионов и территории России в целом впервые составлены глубинные и объемные тектонические и геодинамические модели строения верхних слоев земной коры и верхней мантии и уточнены глубинные критерии прогнозирования и поисков полезных ископаемых
РЕЗУЛЬТАТЫ КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ
Скважина вскрыла разрез, характеризующий интервал геологической истории от 3 до 1,6 млрд лет назад и представленный двумя комплексами — протерозойским и архейским. Впервые в одном разрезе детально изучена зональность метаморфизма — процесса изменения пород — и установлено влияние на эту зональность их состава, глубины формирования и температуры. На этом общем фоне выявлены закономерные изменения кислотности и щелочности пород в зависимости от исходного состава и происходящих в породах процессов. Впервые в глубинных зонах континентальной земной коры обнаружены минерализованные подземные трещинные воды и определена их вертикальная гидрогеологическая зональность: с глубиной хлоридно-кальциевые воды сменяются гидрокарбонатно-натриевыми. Результаты бурения доказали высокую насыщенность континентальной земной коры полезными ископаемыми на всем вскрытом интервале глубин и позволили объяснить распределение разных типов минерализации последовательной сменой осадочных магматических, метаморфических и гидротермальных процессов. В интервале 1540—1800 м скважина вскрыла ранее неизвестный горизонт ульт-рабазитов с сульфидными медно-никелевыми рудами. Вскрыты также железистые кварциты, метаморфизованные магматические железотитановые руды, установлена сульфидная медно-никелевая минерализация.. В сочетании с другими геологическими данными зоны трещиноватости, обнаруженные в Кольской скважине глубже 8 км, позволяют утверждать, что из-за вертикальных и горизонтальных перемещений даже на больших глубинах могут возникать тектонические блоки, разрывные и складчатые структуры, благоприятные для отложения руд. Более того, Кольская скважина предоставила исследователям реальные данные о высокой проницаемости горных пород на глубине более 10 км. В скважине выполнен широкий круг геофизических исследований, что позволило выяснить характер и природу физических полей — электромагнитного, акустического, радиационного, а также их зависимость от состава, структурных особенностей и термодинамического состояния горных пород. Пологие сейсмические границы нижней части разреза не являются границами геологических тел, так как на глубине эти тела залегают обычно под углом около 60 . Эти пологие сейсмические границы не могут быть и границами метаморфических фаций, потому что на таких глубинах метаморфическая зональность носит пятнистый характер. Пологие сейсмические границы нижней части разреза, по-видимому, сопряжены с зонами физических переходов вещества пород. Пересеченный Кольской сверхглубокой скважиной разрез не охватывает весь докембрий. Тем не менее фактические данные позволяют оценить достоверность альтернативных гипотез о строении глубинных зон континентальной земной коры.
Одной из задач бурения Кольской скважины было пересечение так называемого «гранитного» слоя, т. е. верхней части консолидированной коры, и продолжение бурения в «базальтовом» слое, который, по геофизическим данным, должен подстилать первый, так как фиксируемые геофизическими исследованиями резкие изменения скоростей сейсмических волн на больших глубинах обычно связывают именно с такой сменой одного слоя другим. Это представление базировалось на том, что при увеличивающемся с глубиной метаморфизме происходит удаление воды из пород, уменьшается пористость и проницаемость, что вызывает закономерное увеличение скорости распространения упругих волн. Отсюда следовало, что в метамор-физованных комплексах решающее влияние на скорость распространения упругих волн оказывает плотность пород, тесно связанная с их химическим составом.
Однако результаты бурения, не встретив «базальтового» слоя, показали, что эти соображения справедливы только при метаморфизме пород в «открытой» системе. Кольская же скважина вскрыла результаты метаморфизма в «закрытой» системе, из которой водные флюиды (газы и вода) не могли быть удалены. Средний состав пород ниже границы скачка скоростей оказался примерно таким же, как и выше ее. Проведенные исследования показали, что резкое изменение скоростей распространения волн связано не с изменением химического состава пород, а с имеющим место на больших глубинах разуплотнением горных пород. Это явление обусловлено тем, что в процессе метаморфизма из минеральных гидратов (хлорита, эпидота, слюд и т. д.) выделяется свободный флюид. Поскольку суммарный объем воды и новообразованных минералов больше, чем объем исходных минералов, происходит разуплотнение пород. Поэтому при входе сейсмических волн в зону таких пород их скорость уменьшается, а при выходе из нее — увеличивается. Интересными оказались и данные непосредственных измерений температуры на больших глубинах, заставившие пересмотреть представления об изменении температуры в недрах Земли в наше время и в геологическом прошлом. Не так давно считали, что рост температуры с глубиной в тектонически спокойных районах незначителен. Одни исследователи среди древнейших кристаллических сланцев выделяют фрагменты анортозитов и базальтов. Другие считают, что первичная кора представлена породами, образовавшимися в результате плавления мантийного вещества,— базитами-гипербазитами и тоналитами. Третьи отводят главную роль в формировании земной коры процессам седиментации (накопления осадков) и выветривания, которые почти полностью уничтожили ранее существовавшую оболочку магматического происхождения. Иными словами, вопрос о химическом составе первичной коры континентов до сих пор остается открытым. Исследования на Кольской сверхглубокой, а также на других глубоких скважинах, пробуренных в кристаллическом фундаменте восточной части Русской плиты, дали возможность составить единый условный глубинный разрез докембрия восточной части Восточно-Европейской платформы. Нельзя не отметить, что добиться таких результатов мы не смогли бы без создания принципиально новых технических средств бурения, а также высокоэффективной геофизической аппаратуры. Уникальная скважинная магнитометрическая аппаратура дала возможность непрерывно регистрировать значения магнитного поля. Разработанная советскими учеными методика изучения земных недр с помощью протяженных профилей глубинного сейсмического зондирования, опирающаяся на сеть глубоких и сверхглубоких скважин, нашла признание и за рубежом. В США объединением, в которое вошли специалисты 23 американских университетов, была разработана рассчитанная на 5—10 лет программа бурения в различных районах континентальной части страны скважин глубиной 10,5— 15 км, которая является своеобразным продолжением известной программы глубоководного бурения в океанах. Основные объекты исследований — фундамент коры в пределах глубоких осадочных бассейнов, зоны развития активных разломов, гидротермальные районы. На основе этих исследований предполагается решать задачи по использованию подземного тепла, разработке методов предупреждения разрушительных землетрясений, изучению закономерности распределения полезных ископаемых. В США ведутся также обширные геофизические исследования глубинного строения земной коры в верхней мантии в основном в зонах сочленения континента и шельфа, особенно богатых полезными ископаемыми.Следует также сказать несколько слов о проекте бурения в Швеции скважины глубиной 5 км, которую заложат в крупном метеоритном кратере, расположенном в центральной части страны. В основу проекта положена гипотеза абиогенного происхождения нефти. В районе бурения на поверхности залегают кристаллические породы, представленные гранитами. Эта скважина, кроме целого ряда научных вопросов, сходных с теми, которые удалось решить на Кольской сверхглубокой, должна помочь выяснить проблему происхождения нефти и газа.
РЕЗУЛЬТАТЫ КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ
Скважина вскрыла разрез, характеризующий интервал геологической истории от 3 до 1,6 млрд лет назад и представленный двумя комплексами — протерозойским и архейским. Впервые в одном разрезе детально изучена зональность метаморфизма — процесса изменения пород — и установлено влияние на эту зональность их состава, глубины формирования и температуры. На этом общем фоне выявлены закономерные изменения кислотности и щелочности пород в зависимости от исходного состава и происходящих в породах процессов. Впервые в глубинных зонах континентальной земной коры обнаружены минерализованные подземные трещинные воды и определена их вертикальная гидрогеологическая зональность: с глубиной хлоридно-кальциевые воды сменяются гидрокарбонатно-натриевыми. Результаты бурения доказали высокую насыщенность континентальной земной коры полезными ископаемыми на всем вскрытом интервале глубин и позволили объяснить распределение разных типов минерализации последовательной сменой осадочных магматических, метаморфических и гидротермальных процессов. В интервале 1540—1800 м скважина вскрыла ранее неизвестный горизонт ульт-рабазитов с сульфидными медно-никелевыми рудами. Вскрыты также железистые кварциты, метаморфизованные магматические железотитановые руды, установлена сульфидная медно-никелевая минерализация.. В сочетании с другими геологическими данными зоны трещиноватости, обнаруженные в Кольской скважине глубже 8 км, позволяют утверждать, что из-за вертикальных и горизонтальных перемещений даже на больших глубинах могут возникать тектонические блоки, разрывные и складчатые структуры, благоприятные для отложения руд. Более того, Кольская скважина предоставила исследователям реальные данные о высокой проницаемости горных пород на глубине более 10 км. В скважине выполнен широкий круг геофизических исследований, что позволило выяснить характер и природу физических полей — электромагнитного, акустического, радиационного, а также их зависимость от состава, структурных особенностей и термодинамического состояния горных пород. Пологие сейсмические границы нижней части разреза не являются границами геологических тел, так как на глубине эти тела залегают обычно под углом около 60 . Эти пологие сейсмические границы не могут быть и границами метаморфических фаций, потому что на таких глубинах метаморфическая зональность носит пятнистый характер. Пологие сейсмические границы нижней части разреза, по-видимому, сопряжены с зонами физических переходов вещества пород. Пересеченный Кольской сверхглубокой скважиной разрез не охватывает весь докембрий. Тем не менее фактические данные позволяют оценить достоверность альтернативных гипотез о строении глубинных зон континентальной земной коры.
ЧТО ФИКСИРУЮТ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ГРАНИЦЫ
Одной из задач бурения Кольской скважины было пересечение так называемого «гранитного» слоя, т. е. верхней части консолидированной коры, и продолжение бурения в «базальтовом» слое, который, по геофизическим данным, должен подстилать первый, так как фиксируемые геофизическими исследованиями резкие изменения скоростей сейсмических волн на больших глубинах обычно связывают именно с такой сменой одного слоя другим. Это представление базировалось на том, что при увеличивающемся с глубиной метаморфизме происходит удаление воды из пород, уменьшается пористость и проницаемость, что вызывает закономерное увеличение скорости распространения упругих волн. Отсюда следовало, что в метамор-физованных комплексах решающее влияние на скорость распространения упругих волн оказывает плотность пород, тесно связанная с их химическим составом.
Однако результаты бурения, не встретив «базальтового» слоя, показали, что эти соображения справедливы только при метаморфизме пород в «открытой» системе. Кольская же скважина вскрыла результаты метаморфизма в «закрытой» системе, из которой водные флюиды (газы и вода) не могли быть удалены. Средний состав пород ниже границы скачка скоростей оказался примерно таким же, как и выше ее. Проведенные исследования показали, что резкое изменение скоростей распространения волн связано не с изменением химического состава пород, а с имеющим место на больших глубинах разуплотнением горных пород. Это явление обусловлено тем, что в процессе метаморфизма из минеральных гидратов (хлорита, эпидота, слюд и т. д.) выделяется свободный флюид. Поскольку суммарный объем воды и новообразованных минералов больше, чем объем исходных минералов, происходит разуплотнение пород. Поэтому при входе сейсмических волн в зону таких пород их скорость уменьшается, а при выходе из нее — увеличивается. Интересными оказались и данные непосредственных измерений температуры на больших глубинах, заставившие пересмотреть представления об изменении температуры в недрах Земли в наше время и в геологическом прошлом. Не так давно считали, что рост температуры с глубиной в тектонически спокойных районах незначителен. Одни исследователи среди древнейших кристаллических сланцев выделяют фрагменты анортозитов и базальтов. Другие считают, что первичная кора представлена породами, образовавшимися в результате плавления мантийного вещества,— базитами-гипербазитами и тоналитами. Третьи отводят главную роль в формировании земной коры процессам седиментации (накопления осадков) и выветривания, которые почти полностью уничтожили ранее существовавшую оболочку магматического происхождения. Иными словами, вопрос о химическом составе первичной коры континентов до сих пор остается открытым. Исследования на Кольской сверхглубокой, а также на других глубоких скважинах, пробуренных в кристаллическом фундаменте восточной части Русской плиты, дали возможность составить единый условный глубинный разрез докембрия восточной части Восточно-Европейской платформы. Нельзя не отметить, что добиться таких результатов мы не смогли бы без создания принципиально новых технических средств бурения, а также высокоэффективной геофизической аппаратуры. Уникальная скважинная магнитометрическая аппаратура дала возможность непрерывно регистрировать значения магнитного поля. Разработанная советскими учеными методика изучения земных недр с помощью протяженных профилей глубинного сейсмического зондирования, опирающаяся на сеть глубоких и сверхглубоких скважин, нашла признание и за рубежом. В США объединением, в которое вошли специалисты 23 американских университетов, была разработана рассчитанная на 5—10 лет программа бурения в различных районах континентальной части страны скважин глубиной 10,5— 15 км, которая является своеобразным продолжением известной программы глубоководного бурения в океанах. Основные объекты исследований — фундамент коры в пределах глубоких осадочных бассейнов, зоны развития активных разломов, гидротермальные районы. На основе этих исследований предполагается решать задачи по использованию подземного тепла, разработке методов предупреждения разрушительных землетрясений, изучению закономерности распределения полезных ископаемых. В США ведутся также обширные геофизические исследования глубинного строения земной коры в верхней мантии в основном в зонах сочленения континента и шельфа, особенно богатых полезными ископаемыми.Следует также сказать несколько слов о проекте бурения в Швеции скважины глубиной 5 км, которую заложат в крупном метеоритном кратере, расположенном в центральной части страны. В основу проекта положена гипотеза абиогенного происхождения нефти. В районе бурения на поверхности залегают кристаллические породы, представленные гранитами. Эта скважина, кроме целого ряда научных вопросов, сходных с теми, которые удалось решить на Кольской сверхглубокой, должна помочь выяснить проблему происхождения нефти и газа.
