В последние годы наши представления о строении земной коры и о распределении в ней минеральных ресурсов быстро эволюционируют. Прогресс связан как с накоплением обширных сведений о геофизических и геохимических полях Земли, так и с бурением глубоких и сверхглубоких скважин и интепретацией новых данных на основе изучения глубинных пород в лабораторных условиях. В частности, результаты лабораторных исследований характера разрушения горных пород при разных температурах и давлениях позволили по-новому взглянуть на такие, казалось бы, хорошо известные образования, как глубинные разломы. Выяснилось, что эти крупные разрывы земной коры с глубиной постепенно отклоняются от вертикального направления и на глубине около 10 км рассыпаются на множество мелких трещин. Этим процессом можно объяснить появление в земной коре слоев с пониженными скоростями сейсмических волн, именуемых коровыми волноводами. Сейсмическая волна, попавшая в такой пологий слой, оказывается как бы в ловушке и распространяется с малым затуханием, отражаясь от бортов волновода. Но вернемся к истокам проблемы.
В 1978 г. у нас в институте зашел спор, на какую предельную глубину вода проникает в земную кору. Вызван он был лекцией американского профессора Дж. Раиса, утверждавшего, что в очагах землетрясений присутствует вода, которая «ослабляет» горную породу и в этом смысле управляет землетрясением. Некоторые из выступавших в дискуссии специалистов отвергали такую возможность, полагая, что высокие давления противоречат существованию раскрытых трещин в глубинах кристаллического фундамента. В связи с этим у меня возникла идея собрать все имеющиеся лабораторные данные о разрушении образцов горных пород при высоких температурах и давлениях и сопоставить их с характеристиками стандартного сейсмоскоростного разреза земной коры на глубинах, отвечающих этим же температурам и давлениям. Во-первых, бросилось в глаза, что давление и температура на нижней границе земной коры, называемой границей Мохоровичича (М), совпадают с давлением и температурой, при которых гранитогнейсы переходят в пластическое состояние. Этот факт чрезвычайно важен, поскольку в пластическом состоянии гранит почти непроницаем для флюидов, и прежде всего для воды и ее пара. Но мы знаем, что любая часть земной коры в момент разрушения и после него оказывается доступной потокам воды. Следовательно, можно предположить, что само существование границы М связано с переходом горных пород в «сухое» состояние.
Во-вторых, температуры и давления, соответствующие главным сейсмоотражающим горизонтам внутри самой коры, совпали с температурами и давлениями, при которых один тип разрушения пород сменяется другим. При тех параметрах, которые существуют в коре под границей Конрада (К), т. е. выше 0,5 ГПа и 400 °С, разрушение сводится к возникновению множества трещин, приводящих породы в ослабленное — катакластическое состояние. Подобное разрушение в лабораторных условиях происходит настолько плавно, что испытательная машина в момент разрушения образца не фиксирует удара. Следует напомнить, что в природных условиях очаги коровых землетрясений сосредоточены над границей К. В-третьих, выяснилось, что тот интервал давлений и температур, при которых в разрушаемых образцах создается максимально раскрытая сеть трещин (от 0,2 ГПа и 200 °С до 0,5 ГПа и 400 °С), характерен для глубинных зон пониженных скоростей сейсмических волн — волноводов. Проходят такие волноводы примерно по границе К, причем во многих случаях их «кровлю» можно отождествлять с границей Ki, a дно — с границей Кг, на которые часто разделяется граница К.
В-четвертых, при относительно малых давлениях и температурах, которые существуют в земной коре над волноводами, разрушаемые образцы пород распадаются вдоль отдельных магистральных трещин. Природный аналог этих трещин — разломы коры в обычном их понимании.
Таким образом, традиционным представлениям о том, что на сейсмоотра-жающих границах внутри земной коры мы имеем дело с изменением состава горных пород, противопоставляется новая идея о происходящей на этих границах смене физико-механического состояния пород одного и того же состава. Разрушение земной коры, о котором здесь идет речь, не следует понимать буквально как утрату ее целостности. Оно состоит в появлении пор, трещин и разломов. Более того, все время идут встречные физико-химические процессы «залечивания» коры, правда, более медленные, чем разрушение. В лабораторных условиях подобное разрушение достигается за счет больших тангенциальных напряжений т (порядка 0,2 ГПа), которые равны полуразности вертикального и горизонтального давлений. Если таких напряжений нет, то трещины могут закрыться. Чем же вызываются высокие тангенциальные напряжения? С одной стороны, в горном массиве имеются существенные различия между вертикальным и горизонтальным давлениями. Грубые оценки их свидетельствуют о разрушающих значениях уже на глубине 6—10 км. Еще большие тангенциальные напряжения должны существовать в местах столкновения литосферных плит, о чем говорит повышенная сейсмо-активность соответствующих зон. С другой стороны, накопление упругой энергии в литосфере ограничивается прочностью самой коры: максимальное тангенциальное напряжение, которое выдерживает кора, составляет 0,2—0,3 ГПа. При более высоких значениях т появляется множество мелких и крупных нарушений — трещин, пор, разломов, ограничивающих дальнейший рост величины тангенциального напряжения. Ниже границы М прочность пропорциональна скорости нагружения, а потому накопление упругой энергии невозможно.
РАЗЛОМЫ И ВОЛНОВОДЫ
Реальные замеры в скважинах и шахтах показывают, что с глубиной горизонтальное давление нарастает несравнимо быстрее вертикального, направленного вдоль силы тяжести. В самом верхнем слое коры относительная роль горизонтального давления невелика. Когда в подобных условиях оказываются лабораторные образцы, небольшие трещины и лоры в них оказываются максимально раскрытыми и из них «прорастают» крупные вертикальные трещины. На глубине 3—5 км горизонтальное давление становится достаточно большим, чтобы неровности бортов трещин сомкнулись и между ними начали действовать силы трения. Здесь растут и достигают размеров разломдр преимущественно те трещины, которые наклонены к оси максимального сжатия под углом меньше 45°. Если учесть, что в областях тектонического сжатия с глубиной ось максимального сжатия постепенно переходит от вертикального положения к горизонтальному, то становится понятным, почему в этих случаях разломы коры становятся более пологими с увеличением глубины. В областях растяжения ось сжатия всегда вертикальна, следовательно, и разломы здесь должны быть близки к вертикальным. Поскольку прочность горных пород при растяжении намного меньше, чем при сжатии, можно думать, что в условиях растяжения разломы глубже проникают в кору и литосферу, буквально разрывая их. Подобные структуры известны в геологии как рифты. Угол, под которым трещины и разломы наклонены к оси максимального сжатия, зависит от внутреннего трения и дилатансии (разуплотнения) горной породы. Дилатансия — характерное свойство среды, сложенной из жестких блоков или гранул, которое заключается в особой кинематике деформаций. При сдвиге таких частиц среда из плотной превращается в рыхлую, и объем ее резко возрастает. Следует помнить также, что с глубиной вместе с давлением увеличиваются и силы трения скольжения. В результате породы бортов разлома разрушаются и они оказываются заполненными обломками, разуплотняющимися при сдвиге. Поэтому разлом не может быть узкой щелью. Более того, чем глубже разлом, тем он шире. Это справедливо для всех разломов земной коры.
Итак, вертикальный разлом с глубиной становится наклонным и расширяющимся. Кто же смог это увидеть? Видели многие, имевшие дело с записями отраженных сейсмических волн. Но впервые В. И. Шаров и Г. А. Гречишников осознали, что именно видно на сейсмических профилях. Сейсмические взрывы, произведенные по системе взаимно перпендикулярных профилей, позволили им выделить на фоне общей «мутности» полосы сгущения сейсмоотражающих элементов и отождествить их со скоплениями трещин, составляющих «тело» разлома. Более того, на глубинах, отвечающих границе Конрада, разлом оказался почти горизонтальным. Последнее означает, что на этих глубинах ось наибольшего сжатия занимает горизонтальное положение, а разлом как бы прижимается к ней. Тщательное изучение подвижек, происходящих в очагах коревых землетрясений, показало, что аналогичным образом изменяются наклоны «приращений» разломов: с глубиной новообразованные участки разломов становятся все более пологими.
Из всего этого следует, что близкие к горизонтальным корни разломов и составляют волновод. Тем самым мы получаем объяснение некоторым непонятным прежде наблюдениям. Например, прерывистость границы К может быть обусловлена удалением друг от друга глубинных разломов. А расщепление этой границы на К| и Кг может быть связано с отражением сейсмических волн от двух бортов разлома, точнее, близкой к горизонтальной его части. Наоборот, значительная ширина волновода говорит нам, что близкая к горизонтальной часть разлома у границы К включает километры дробленой породы. Подтверждением этому служит совмещение гравитационных аномалий и волноводов. Коровые волноводы — это мощные трещиновато-пористые пласты, создаваемые за счет хрупкого разрушения пород при сильных землетрясениях. Их дальнейшее «прорастание» в земной коре сопровождается более слабой, но также повышенной сейсмоактивностью. Поскольку сейсмологами отмечена приуроченность повышенной сейсмоактивности к большим градиентам гравитационных аномалий, можно заключить, что фронт сейсмоактивности оконтуривает волновод в плоскости его простирания. Недавно на глубине 6—8 км обнаружена зона низких сейсмических скоростей, примыкающая к калифорнийскому разлому Сен-Андреас. Мощность этой зоны оценивается в 3 км. Именно в ней наиболее высока сейсмическая активность и отмечена характерная для корней разломов фильтрация воды. В этой связи можно высказать предположение, что разлом Сан-Андреас вовсе не «протыкает» границу М и не уходит в неведомые глубины мантии. Ведь только в этом случае становятся понятными наблюдаемые систематические несовпадения эпицентров землетрясений и выходов разломов на поверхность земли. Правда, на 27-м Международном геологическом конгрессе, проходившем в Москве в 1984 г., английский сейсмолог Д. Мэтьюз продемонстрировал сейсмопрофили с разломами ниже границы М. Вблизи самой границы такие разломы горизонтальны, а глубже становятся почти вертикальными. Не свидетельствуют ли эти данные еще об одной переориентации главных напряжений? По крайней мере, мы можем говорить о независимом движении геомасс выше границы К и ниже границы М, между которыми расположен ослабленный — катакластический слой. В зарубежной литературе его именуют «внутрикоровой астеносферой». Таким образом, разломы как индикаторы напряженного состояния" подтверждают идею А. В. Пейве о существовании литосферных пластин, перемещающихся по ослабленному слою внутри самой коры. Появление в земной коре обширных участков с пустотами и трещинами должно приводить к «выдавливанию» избытка геомассы за пределы коры. При этом возможны скачкообразные изменения положения границы М (своеобразные ступеньки), которые обычно рассматривают как результат пересечения этой границы вертикальными глубинными разломами. Однако эти скачки границы М могут быть и не связаны непрерывными разломами с нарушениями наверху, лае на поверхности кристаллического фундамента возникают такие структуры, как горсты и грабены, а вслед за ними — искажения и разломы более мягкой осадочной толщи. Окончательно удостовериться в существовании подземных пористых пластов можно с помощью бурения. Так, на Украинском щите скважина, внедрившаяся на 3 км в породы фундамента, пересекла мощный 300-метровый разлом. И как раз в этом месте акустический каротаж показал резкое падение скорости звука, что свидетельствует о раздробленности пород. Следовательно, разлом представляет собой мощный пласт разрушенной и химически переработанной породы. Интереснейшие результаты дала Кольская сверхглубокая скважина. На глубине 6 км ею был вскрыт слой повышенной трещиноватости и пониженных акустических скоростей, т. е. волновод. Образцы пород, поднятые с этих глубин, были пронизаны многочисленными трещинами, существовавшими еще до бурения. Таким образом, коровые волноводы, которые вводились Н. И. Павленковой, А. В. Егоркиным и другими геофизиками с тем, чтобы избежать противоречий в интерпретации картины распределения скоростей сейсмических волн, оказались реальными физическими объектами. Кольская сверхглубокая преподнесла нам еще один сюрприз. Оказалось, что в зоне бурения смена состава горных пород происходит по наклонным границам (около 45 °), в то время как точки отражения сейсмических волн сосредоточены вдоль плоскостей, близких к горизонтальным. Интересно, что с этими горизонтальными плоскостями связана трещиноватость пород и их последующая гидротермальная переработка. Так получила наглядное подтверждение гипотеза о том, что сейсмические границы внутри коры соответствуют смене разных типов разрушений пород, а не смене их состава. Только попадание мантийных пород внутрь коры может исказить эту картину.
ГЛУБИННАЯ ГИДРОСФЕРА
Разломы, заполненные дробленым материалом и насыщенные водой, должны выделяться среди пород массива своими высокими электропроводящими свойствами. Есть ли такие образования в земной коре? Венгерский геофизик А. Адам обнаружил их в виде крутопадающих дайкообразных тел, примыкающих к разломам вблизи оз. Балатон. Удельное электросопротивление в таких аномальных участках составляет примерно 20 Ом.м, что намного меньше, чем в окружающих монолитных породах (порядка 1000 Ом.м), но больше, чем в породах, поры которых насыщены водой (менее 1 Ом.м). Адам счел, что падение электрического сопротивления здесь вызвано частичным плавлением пород, подобным тому, которое происходит в астеносфере на глубине около 100 км при температуре около 1000°С. Но внутри коры такие температуры возможны только вблизи вулканов. Поэтому, на наш взгляд, более убедительным выглядит предположение, что на картах Адама видны не дайки частично расплавленных пород, а насыщенные флюидами корни разломов. Наблюдаемое же уменьшение сопротивления может быть вызвано «пропитанностью» раздробленных пород водой с растворенными в ней газами. Нельзя исключить также возможность скопления в глубинных разломах залежей жидких или газообразных углеводородов. Идея о наличии нефти в волноводе первоначально была высказана советским геофизиком Л. П. Еланским. Однако его взгляды на природу волновода в корне отличались от наших. Еланский полагал, что волновод обязан своим происхождением распаду термодинамически неустойчивых пород, содержащих воду (например, серпентинитов), которые попали в земную кору в результате тектонической расслоенности и дрейфа континентов. Волновод, согласно Еланскому, изолирован от осадочной толщи своеобразной коркой металлов, вынесенных водами глубинного происхождения. Нам же представляется, что непроницаемая преграда для вод, циркулирующих внутри коры, имеется лишь на границе Мохоровичича. Изоляция волновода сверху неполная, так как он составлен из корней разломов, часть которых выходит в осадочную толщу. Действительно, исследования водного баланса осадочного чехла приводят к заключению о связи с кристаллическим фундаментом и даже мантией. Если по разлому снизу вверх движутся углеводороды с водой, то, достигнув осадочной толщи, углеводороды могут диффундировать в глинистые отложения. Часть газов при этом будет сноситься по латерали, часть поступит в стратификационные ловушки осадочной толщи непосредственно вблизи разломов, создавая газовые месторождения. Попутно будут идти реакции, приводящие к возникновению более тяжелых углеводородных молекул, соответствующих составу нефти. По мнению азербайджанского нефтяника Ш. Ф. Мехтиева, для генерации нефти наиболее подходят условия, существующие в разломах на глубине 10—12 км. Но ведь это как раз глубина, на которой находятся коровые волноводы. И, может быть, далеко не случайно волноводы обнаружены в Прикарпатье, Урало-Поволжской области, в Донецко-Донбасской и Прикаспийской впадинах, т. е. в известных нефтегазоносных провинциях. Может показаться, что автор ищет доводы в пользу теории неорганического происхождения нефти. Но это не так, жесткие породы фундамента именно на глубинах от 6 до 10 км в условиях активной тектонической обстановки могут разрушаться за счет дилатансии. В результате у нижней границы осадочного бассейна возникает «сито» разломов, сливающихся в волновод, через которое углеводороды выдавливаются из осадочной толщи вниз, в глубинную коровую гидросферу. Таким образом, традиционные представления о том, что вода и углеводороды сосредоточены исключительно в осадочном чехле земной коры, а расположенный ниже кристаллический фундамент лишен пористости и проницаемости, оказываются опровергнутыми. Нельзя отречься от множества фактов, указывающих на генерацию нефти из морских илистых образований, богатых рассеянной органикой, иными словами, говорящих в пользу органического генезиса нефти. Поэтому логичнее было бы предположить наличие круговорота углеводородов (естественно, с попутными физико-химическими преобразованиями) по общей гидродинамической системе, связывающей осадочный бассейн и волновод. Пусть углеводороды образуются в осадочной толще на глубине 3—4 км. В ходе геолого-тектонических преобразований они мигрируют из этих толщ в горизонтальном направлении и вверх. Но не следует исключать возможность миграции углеводородов вниз, хотя, на первый взгляд, этому препятствует уменьшение пористости и проницаемости осадочных пород на больших глубинах (на глубинах от 6 до 10 км породы становятся непроницаемыми). Обратим внимание на следующее обстоятельство. Породы в нижней части осадочной толщи метаморфизуются, превращаясь в часть жесткого фундамента. А ем, что и на больших глубинах могут существовать пористые коллекторы — волноводы.
К ПОИСКУ УГЛЕВОДОРОДОВ ФУНДАМЕНТА
Трещины и поры кристаллического фундамента связаны не только с зонами волноводов. Монолитность фундамента может быть нарушена и при ударах гигантских метеоритов о поверхность Земли. Полагая, что образовавшиеся в результате удара метеоритные кратеры могут заключать значительные запасы углеводородов, шведские геологи наметили бурение 8-километровой скважины в кратере Силиан. Этот проект инициирован не только отсутствием ресурсов природного газа в Швеции, но и теорией американского исследователя Т. Голда, согласно которой в глубинах Земли существуют огромные массы метана абиогенного происхождения. Кратер Силиан возник 360 млн лет назад, его воронка имеет диаметр 45 км и глубину 3—6 км. Удар метеорита, породившего этот кратер, должен был раздробить земную кору до глубины 30—40 км и тем самым интенсифицировать выход глубинного метана, если такой существует. Однако не все здесь так просто. Зона ударного разрушения кратера Силиан пересекает глубинные разломы, поэтому нельзя исключить миграции углеводородов из волноводных резервуаров под Северным морем в зону метеоритного удара. Причем происхождение углеводородных флюидов может быть смешанным или даже биогенным. Геохимическая разведка на площади кратера Силиан показала повышенное содержание углеводородных газов, а магнитно-теллурические изыскания — снижение электросопротивления на глубине 10 км до 70 Ом-м, что свидетельствует о появлении на этой глубине пор, насыщенных флюидами. Наверху, в чаше кратера находится оз. Силиан и несколько других озер поменьше. Если высокопроницаемые разломы, трещины и поры под кратером также заполнены водой, то существование углеводородных залежей на глубине невозможно без изолирующих перекрытий. Шведские специалисты считают, что роль изолятора в кратере Силиан играет расплав, возникший в результате самого метеоритного удара. Возможны и другие варианты. Так, в нашей стране в палеозойских гранитах найдено нефтяное месторождение Жага-Оймаша на Южном Мангышлаке. Покрышкой здесь служит верхняя часть фундамента, трещины в которой заполнены карбонатными, глинистыми и другими отложениями. В районе же Кольской сверхглубокой скважины выходы водонасыщенных разломов оказались перекрыты базальтовыми излияниями. Так или иначе, поиски углеводородов в кристаллическом фундаменте, как и в осадочной толще, следует начинать с выявления перспективных геологических структур. На картах размещения нефтегазовых залежей видно, что обычно они группируются «семействами» — газовыми, газоконденсатными, нефтегазовыми, нефтяными. Например, на Северном Сахалине к восточному разлому примыкают преимущественно нефтяные залежи, к центральному — нефтегазовые, к западному — газовые. С. М. Сапрыгин обратил внимание на то, что для газовых залежей характерны пониженные значения такого показателя, как начальное пластовое давление, а для нефтяных — аномально высокие его значения. Не свидетельствует ли само наличие таких аномалий о гидродинамической связи углеводородных месторождений с пористыми телами разломов и волноводов? И не является ли указанное распределение аномалий отражением общей картины напоров в гидросфере земной коры? Насколько можно судить, ничто не противоречит предположению, что в северной части Сахалина на глубине 8—1 5 км, т. е. на глубине волновода, существует единая напорная гидросистема, которая вскрывается разломами. Подтверждают эту мысль и проведенные в данном регионе измерения электропроводности. На глубинах волновода, в корнях разломов, отмечено аномально низкое электрическое сопротивление, примерно такое же, как в пластах, насыщенных газоконденсатом. В этой связи стоит напомнить, что самые глубокие углеводородные месторождения осадочной толщи — месторождения Прикаспийской впадины — также представлены газоконденсатом. Общность происхождения месторождений углеводородов как в осадочной толще, так и в гранитах была отмечена на Южном Мангышлаке. Интересно, что совсем недавно нефть найдена и в глубинах гранитных массивов Чехии. Таким образом, представляется вполне целесообразным искать геофизическими методами ловушки для нефти и газа не только в эродированной верхней части фундамента, что уже делается, но и в телах разломов и их ответвлениях на всех глубинах вплоть до коровых волноводов. Следующим этапом должно стать глубинное поисковое бурение. Правда, глубины волноводов на Сахалине немалые, но и они доступны для современной буровой техники. Намного проще обстоит дело в случае более тонкой коры. Все это позволяет надеяться, что в недалеком будущем станет возможным получение углеводородного сырья из трещиноватых кладовых кристаллического фундамента.
РАЗРУШЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ
В 1978 г. у нас в институте зашел спор, на какую предельную глубину вода проникает в земную кору. Вызван он был лекцией американского профессора Дж. Раиса, утверждавшего, что в очагах землетрясений присутствует вода, которая «ослабляет» горную породу и в этом смысле управляет землетрясением. Некоторые из выступавших в дискуссии специалистов отвергали такую возможность, полагая, что высокие давления противоречат существованию раскрытых трещин в глубинах кристаллического фундамента. В связи с этим у меня возникла идея собрать все имеющиеся лабораторные данные о разрушении образцов горных пород при высоких температурах и давлениях и сопоставить их с характеристиками стандартного сейсмоскоростного разреза земной коры на глубинах, отвечающих этим же температурам и давлениям. Во-первых, бросилось в глаза, что давление и температура на нижней границе земной коры, называемой границей Мохоровичича (М), совпадают с давлением и температурой, при которых гранитогнейсы переходят в пластическое состояние. Этот факт чрезвычайно важен, поскольку в пластическом состоянии гранит почти непроницаем для флюидов, и прежде всего для воды и ее пара. Но мы знаем, что любая часть земной коры в момент разрушения и после него оказывается доступной потокам воды. Следовательно, можно предположить, что само существование границы М связано с переходом горных пород в «сухое» состояние.
Во-вторых, температуры и давления, соответствующие главным сейсмоотражающим горизонтам внутри самой коры, совпали с температурами и давлениями, при которых один тип разрушения пород сменяется другим. При тех параметрах, которые существуют в коре под границей Конрада (К), т. е. выше 0,5 ГПа и 400 °С, разрушение сводится к возникновению множества трещин, приводящих породы в ослабленное — катакластическое состояние. Подобное разрушение в лабораторных условиях происходит настолько плавно, что испытательная машина в момент разрушения образца не фиксирует удара. Следует напомнить, что в природных условиях очаги коровых землетрясений сосредоточены над границей К. В-третьих, выяснилось, что тот интервал давлений и температур, при которых в разрушаемых образцах создается максимально раскрытая сеть трещин (от 0,2 ГПа и 200 °С до 0,5 ГПа и 400 °С), характерен для глубинных зон пониженных скоростей сейсмических волн — волноводов. Проходят такие волноводы примерно по границе К, причем во многих случаях их «кровлю» можно отождествлять с границей Ki, a дно — с границей Кг, на которые часто разделяется граница К.
В-четвертых, при относительно малых давлениях и температурах, которые существуют в земной коре над волноводами, разрушаемые образцы пород распадаются вдоль отдельных магистральных трещин. Природный аналог этих трещин — разломы коры в обычном их понимании.
Таким образом, традиционным представлениям о том, что на сейсмоотра-жающих границах внутри земной коры мы имеем дело с изменением состава горных пород, противопоставляется новая идея о происходящей на этих границах смене физико-механического состояния пород одного и того же состава. Разрушение земной коры, о котором здесь идет речь, не следует понимать буквально как утрату ее целостности. Оно состоит в появлении пор, трещин и разломов. Более того, все время идут встречные физико-химические процессы «залечивания» коры, правда, более медленные, чем разрушение. В лабораторных условиях подобное разрушение достигается за счет больших тангенциальных напряжений т (порядка 0,2 ГПа), которые равны полуразности вертикального и горизонтального давлений. Если таких напряжений нет, то трещины могут закрыться. Чем же вызываются высокие тангенциальные напряжения? С одной стороны, в горном массиве имеются существенные различия между вертикальным и горизонтальным давлениями. Грубые оценки их свидетельствуют о разрушающих значениях уже на глубине 6—10 км. Еще большие тангенциальные напряжения должны существовать в местах столкновения литосферных плит, о чем говорит повышенная сейсмо-активность соответствующих зон. С другой стороны, накопление упругой энергии в литосфере ограничивается прочностью самой коры: максимальное тангенциальное напряжение, которое выдерживает кора, составляет 0,2—0,3 ГПа. При более высоких значениях т появляется множество мелких и крупных нарушений — трещин, пор, разломов, ограничивающих дальнейший рост величины тангенциального напряжения. Ниже границы М прочность пропорциональна скорости нагружения, а потому накопление упругой энергии невозможно.
РАЗЛОМЫ И ВОЛНОВОДЫ
Реальные замеры в скважинах и шахтах показывают, что с глубиной горизонтальное давление нарастает несравнимо быстрее вертикального, направленного вдоль силы тяжести. В самом верхнем слое коры относительная роль горизонтального давления невелика. Когда в подобных условиях оказываются лабораторные образцы, небольшие трещины и лоры в них оказываются максимально раскрытыми и из них «прорастают» крупные вертикальные трещины. На глубине 3—5 км горизонтальное давление становится достаточно большим, чтобы неровности бортов трещин сомкнулись и между ними начали действовать силы трения. Здесь растут и достигают размеров разломдр преимущественно те трещины, которые наклонены к оси максимального сжатия под углом меньше 45°. Если учесть, что в областях тектонического сжатия с глубиной ось максимального сжатия постепенно переходит от вертикального положения к горизонтальному, то становится понятным, почему в этих случаях разломы коры становятся более пологими с увеличением глубины. В областях растяжения ось сжатия всегда вертикальна, следовательно, и разломы здесь должны быть близки к вертикальным. Поскольку прочность горных пород при растяжении намного меньше, чем при сжатии, можно думать, что в условиях растяжения разломы глубже проникают в кору и литосферу, буквально разрывая их. Подобные структуры известны в геологии как рифты. Угол, под которым трещины и разломы наклонены к оси максимального сжатия, зависит от внутреннего трения и дилатансии (разуплотнения) горной породы. Дилатансия — характерное свойство среды, сложенной из жестких блоков или гранул, которое заключается в особой кинематике деформаций. При сдвиге таких частиц среда из плотной превращается в рыхлую, и объем ее резко возрастает. Следует помнить также, что с глубиной вместе с давлением увеличиваются и силы трения скольжения. В результате породы бортов разлома разрушаются и они оказываются заполненными обломками, разуплотняющимися при сдвиге. Поэтому разлом не может быть узкой щелью. Более того, чем глубже разлом, тем он шире. Это справедливо для всех разломов земной коры.
Итак, вертикальный разлом с глубиной становится наклонным и расширяющимся. Кто же смог это увидеть? Видели многие, имевшие дело с записями отраженных сейсмических волн. Но впервые В. И. Шаров и Г. А. Гречишников осознали, что именно видно на сейсмических профилях. Сейсмические взрывы, произведенные по системе взаимно перпендикулярных профилей, позволили им выделить на фоне общей «мутности» полосы сгущения сейсмоотражающих элементов и отождествить их со скоплениями трещин, составляющих «тело» разлома. Более того, на глубинах, отвечающих границе Конрада, разлом оказался почти горизонтальным. Последнее означает, что на этих глубинах ось наибольшего сжатия занимает горизонтальное положение, а разлом как бы прижимается к ней. Тщательное изучение подвижек, происходящих в очагах коревых землетрясений, показало, что аналогичным образом изменяются наклоны «приращений» разломов: с глубиной новообразованные участки разломов становятся все более пологими.
Из всего этого следует, что близкие к горизонтальным корни разломов и составляют волновод. Тем самым мы получаем объяснение некоторым непонятным прежде наблюдениям. Например, прерывистость границы К может быть обусловлена удалением друг от друга глубинных разломов. А расщепление этой границы на К| и Кг может быть связано с отражением сейсмических волн от двух бортов разлома, точнее, близкой к горизонтальной его части. Наоборот, значительная ширина волновода говорит нам, что близкая к горизонтальной часть разлома у границы К включает километры дробленой породы. Подтверждением этому служит совмещение гравитационных аномалий и волноводов. Коровые волноводы — это мощные трещиновато-пористые пласты, создаваемые за счет хрупкого разрушения пород при сильных землетрясениях. Их дальнейшее «прорастание» в земной коре сопровождается более слабой, но также повышенной сейсмоактивностью. Поскольку сейсмологами отмечена приуроченность повышенной сейсмоактивности к большим градиентам гравитационных аномалий, можно заключить, что фронт сейсмоактивности оконтуривает волновод в плоскости его простирания. Недавно на глубине 6—8 км обнаружена зона низких сейсмических скоростей, примыкающая к калифорнийскому разлому Сен-Андреас. Мощность этой зоны оценивается в 3 км. Именно в ней наиболее высока сейсмическая активность и отмечена характерная для корней разломов фильтрация воды. В этой связи можно высказать предположение, что разлом Сан-Андреас вовсе не «протыкает» границу М и не уходит в неведомые глубины мантии. Ведь только в этом случае становятся понятными наблюдаемые систематические несовпадения эпицентров землетрясений и выходов разломов на поверхность земли. Правда, на 27-м Международном геологическом конгрессе, проходившем в Москве в 1984 г., английский сейсмолог Д. Мэтьюз продемонстрировал сейсмопрофили с разломами ниже границы М. Вблизи самой границы такие разломы горизонтальны, а глубже становятся почти вертикальными. Не свидетельствуют ли эти данные еще об одной переориентации главных напряжений? По крайней мере, мы можем говорить о независимом движении геомасс выше границы К и ниже границы М, между которыми расположен ослабленный — катакластический слой. В зарубежной литературе его именуют «внутрикоровой астеносферой». Таким образом, разломы как индикаторы напряженного состояния" подтверждают идею А. В. Пейве о существовании литосферных пластин, перемещающихся по ослабленному слою внутри самой коры. Появление в земной коре обширных участков с пустотами и трещинами должно приводить к «выдавливанию» избытка геомассы за пределы коры. При этом возможны скачкообразные изменения положения границы М (своеобразные ступеньки), которые обычно рассматривают как результат пересечения этой границы вертикальными глубинными разломами. Однако эти скачки границы М могут быть и не связаны непрерывными разломами с нарушениями наверху, лае на поверхности кристаллического фундамента возникают такие структуры, как горсты и грабены, а вслед за ними — искажения и разломы более мягкой осадочной толщи. Окончательно удостовериться в существовании подземных пористых пластов можно с помощью бурения. Так, на Украинском щите скважина, внедрившаяся на 3 км в породы фундамента, пересекла мощный 300-метровый разлом. И как раз в этом месте акустический каротаж показал резкое падение скорости звука, что свидетельствует о раздробленности пород. Следовательно, разлом представляет собой мощный пласт разрушенной и химически переработанной породы. Интереснейшие результаты дала Кольская сверхглубокая скважина. На глубине 6 км ею был вскрыт слой повышенной трещиноватости и пониженных акустических скоростей, т. е. волновод. Образцы пород, поднятые с этих глубин, были пронизаны многочисленными трещинами, существовавшими еще до бурения. Таким образом, коровые волноводы, которые вводились Н. И. Павленковой, А. В. Егоркиным и другими геофизиками с тем, чтобы избежать противоречий в интерпретации картины распределения скоростей сейсмических волн, оказались реальными физическими объектами. Кольская сверхглубокая преподнесла нам еще один сюрприз. Оказалось, что в зоне бурения смена состава горных пород происходит по наклонным границам (около 45 °), в то время как точки отражения сейсмических волн сосредоточены вдоль плоскостей, близких к горизонтальным. Интересно, что с этими горизонтальными плоскостями связана трещиноватость пород и их последующая гидротермальная переработка. Так получила наглядное подтверждение гипотеза о том, что сейсмические границы внутри коры соответствуют смене разных типов разрушений пород, а не смене их состава. Только попадание мантийных пород внутрь коры может исказить эту картину.
ГЛУБИННАЯ ГИДРОСФЕРА
Разломы, заполненные дробленым материалом и насыщенные водой, должны выделяться среди пород массива своими высокими электропроводящими свойствами. Есть ли такие образования в земной коре? Венгерский геофизик А. Адам обнаружил их в виде крутопадающих дайкообразных тел, примыкающих к разломам вблизи оз. Балатон. Удельное электросопротивление в таких аномальных участках составляет примерно 20 Ом.м, что намного меньше, чем в окружающих монолитных породах (порядка 1000 Ом.м), но больше, чем в породах, поры которых насыщены водой (менее 1 Ом.м). Адам счел, что падение электрического сопротивления здесь вызвано частичным плавлением пород, подобным тому, которое происходит в астеносфере на глубине около 100 км при температуре около 1000°С. Но внутри коры такие температуры возможны только вблизи вулканов. Поэтому, на наш взгляд, более убедительным выглядит предположение, что на картах Адама видны не дайки частично расплавленных пород, а насыщенные флюидами корни разломов. Наблюдаемое же уменьшение сопротивления может быть вызвано «пропитанностью» раздробленных пород водой с растворенными в ней газами. Нельзя исключить также возможность скопления в глубинных разломах залежей жидких или газообразных углеводородов. Идея о наличии нефти в волноводе первоначально была высказана советским геофизиком Л. П. Еланским. Однако его взгляды на природу волновода в корне отличались от наших. Еланский полагал, что волновод обязан своим происхождением распаду термодинамически неустойчивых пород, содержащих воду (например, серпентинитов), которые попали в земную кору в результате тектонической расслоенности и дрейфа континентов. Волновод, согласно Еланскому, изолирован от осадочной толщи своеобразной коркой металлов, вынесенных водами глубинного происхождения. Нам же представляется, что непроницаемая преграда для вод, циркулирующих внутри коры, имеется лишь на границе Мохоровичича. Изоляция волновода сверху неполная, так как он составлен из корней разломов, часть которых выходит в осадочную толщу. Действительно, исследования водного баланса осадочного чехла приводят к заключению о связи с кристаллическим фундаментом и даже мантией. Если по разлому снизу вверх движутся углеводороды с водой, то, достигнув осадочной толщи, углеводороды могут диффундировать в глинистые отложения. Часть газов при этом будет сноситься по латерали, часть поступит в стратификационные ловушки осадочной толщи непосредственно вблизи разломов, создавая газовые месторождения. Попутно будут идти реакции, приводящие к возникновению более тяжелых углеводородных молекул, соответствующих составу нефти. По мнению азербайджанского нефтяника Ш. Ф. Мехтиева, для генерации нефти наиболее подходят условия, существующие в разломах на глубине 10—12 км. Но ведь это как раз глубина, на которой находятся коровые волноводы. И, может быть, далеко не случайно волноводы обнаружены в Прикарпатье, Урало-Поволжской области, в Донецко-Донбасской и Прикаспийской впадинах, т. е. в известных нефтегазоносных провинциях. Может показаться, что автор ищет доводы в пользу теории неорганического происхождения нефти. Но это не так, жесткие породы фундамента именно на глубинах от 6 до 10 км в условиях активной тектонической обстановки могут разрушаться за счет дилатансии. В результате у нижней границы осадочного бассейна возникает «сито» разломов, сливающихся в волновод, через которое углеводороды выдавливаются из осадочной толщи вниз, в глубинную коровую гидросферу. Таким образом, традиционные представления о том, что вода и углеводороды сосредоточены исключительно в осадочном чехле земной коры, а расположенный ниже кристаллический фундамент лишен пористости и проницаемости, оказываются опровергнутыми. Нельзя отречься от множества фактов, указывающих на генерацию нефти из морских илистых образований, богатых рассеянной органикой, иными словами, говорящих в пользу органического генезиса нефти. Поэтому логичнее было бы предположить наличие круговорота углеводородов (естественно, с попутными физико-химическими преобразованиями) по общей гидродинамической системе, связывающей осадочный бассейн и волновод. Пусть углеводороды образуются в осадочной толще на глубине 3—4 км. В ходе геолого-тектонических преобразований они мигрируют из этих толщ в горизонтальном направлении и вверх. Но не следует исключать возможность миграции углеводородов вниз, хотя, на первый взгляд, этому препятствует уменьшение пористости и проницаемости осадочных пород на больших глубинах (на глубинах от 6 до 10 км породы становятся непроницаемыми). Обратим внимание на следующее обстоятельство. Породы в нижней части осадочной толщи метаморфизуются, превращаясь в часть жесткого фундамента. А ем, что и на больших глубинах могут существовать пористые коллекторы — волноводы.
К ПОИСКУ УГЛЕВОДОРОДОВ ФУНДАМЕНТА
Трещины и поры кристаллического фундамента связаны не только с зонами волноводов. Монолитность фундамента может быть нарушена и при ударах гигантских метеоритов о поверхность Земли. Полагая, что образовавшиеся в результате удара метеоритные кратеры могут заключать значительные запасы углеводородов, шведские геологи наметили бурение 8-километровой скважины в кратере Силиан. Этот проект инициирован не только отсутствием ресурсов природного газа в Швеции, но и теорией американского исследователя Т. Голда, согласно которой в глубинах Земли существуют огромные массы метана абиогенного происхождения. Кратер Силиан возник 360 млн лет назад, его воронка имеет диаметр 45 км и глубину 3—6 км. Удар метеорита, породившего этот кратер, должен был раздробить земную кору до глубины 30—40 км и тем самым интенсифицировать выход глубинного метана, если такой существует. Однако не все здесь так просто. Зона ударного разрушения кратера Силиан пересекает глубинные разломы, поэтому нельзя исключить миграции углеводородов из волноводных резервуаров под Северным морем в зону метеоритного удара. Причем происхождение углеводородных флюидов может быть смешанным или даже биогенным. Геохимическая разведка на площади кратера Силиан показала повышенное содержание углеводородных газов, а магнитно-теллурические изыскания — снижение электросопротивления на глубине 10 км до 70 Ом-м, что свидетельствует о появлении на этой глубине пор, насыщенных флюидами. Наверху, в чаше кратера находится оз. Силиан и несколько других озер поменьше. Если высокопроницаемые разломы, трещины и поры под кратером также заполнены водой, то существование углеводородных залежей на глубине невозможно без изолирующих перекрытий. Шведские специалисты считают, что роль изолятора в кратере Силиан играет расплав, возникший в результате самого метеоритного удара. Возможны и другие варианты. Так, в нашей стране в палеозойских гранитах найдено нефтяное месторождение Жага-Оймаша на Южном Мангышлаке. Покрышкой здесь служит верхняя часть фундамента, трещины в которой заполнены карбонатными, глинистыми и другими отложениями. В районе же Кольской сверхглубокой скважины выходы водонасыщенных разломов оказались перекрыты базальтовыми излияниями. Так или иначе, поиски углеводородов в кристаллическом фундаменте, как и в осадочной толще, следует начинать с выявления перспективных геологических структур. На картах размещения нефтегазовых залежей видно, что обычно они группируются «семействами» — газовыми, газоконденсатными, нефтегазовыми, нефтяными. Например, на Северном Сахалине к восточному разлому примыкают преимущественно нефтяные залежи, к центральному — нефтегазовые, к западному — газовые. С. М. Сапрыгин обратил внимание на то, что для газовых залежей характерны пониженные значения такого показателя, как начальное пластовое давление, а для нефтяных — аномально высокие его значения. Не свидетельствует ли само наличие таких аномалий о гидродинамической связи углеводородных месторождений с пористыми телами разломов и волноводов? И не является ли указанное распределение аномалий отражением общей картины напоров в гидросфере земной коры? Насколько можно судить, ничто не противоречит предположению, что в северной части Сахалина на глубине 8—1 5 км, т. е. на глубине волновода, существует единая напорная гидросистема, которая вскрывается разломами. Подтверждают эту мысль и проведенные в данном регионе измерения электропроводности. На глубинах волновода, в корнях разломов, отмечено аномально низкое электрическое сопротивление, примерно такое же, как в пластах, насыщенных газоконденсатом. В этой связи стоит напомнить, что самые глубокие углеводородные месторождения осадочной толщи — месторождения Прикаспийской впадины — также представлены газоконденсатом. Общность происхождения месторождений углеводородов как в осадочной толще, так и в гранитах была отмечена на Южном Мангышлаке. Интересно, что совсем недавно нефть найдена и в глубинах гранитных массивов Чехии. Таким образом, представляется вполне целесообразным искать геофизическими методами ловушки для нефти и газа не только в эродированной верхней части фундамента, что уже делается, но и в телах разломов и их ответвлениях на всех глубинах вплоть до коровых волноводов. Следующим этапом должно стать глубинное поисковое бурение. Правда, глубины волноводов на Сахалине немалые, но и они доступны для современной буровой техники. Намного проще обстоит дело в случае более тонкой коры. Все это позволяет надеяться, что в недалеком будущем станет возможным получение углеводородного сырья из трещиноватых кладовых кристаллического фундамента.
