Методы изучения внутреннего строения Земли

Данные, полученные на скважине, позволили изменить представления о глубинном распределении температур. На глубине 6 км был получен температурный градиент 200С на 1 км вместо ожидавшегося 160С, как и в верхей части ствола скважины. Эти результаты обсуждены в статье [Белоусов и др., 2001].

При всех описаниях Кольской сверхглубокой подчеркивается, что на момент ее закрытия она была самой длинной скважиной в мире. Официальный рекорд глубины, как и следовало ожидать, продолжался недолго. В 2008 году нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A в Катаре достигла глубины 12 290 метров, в январе 2011 года нефтяная скважина месторождения Одопту-море проекта Сахалин-1 достигла глубины 12 345 метров, а в июне 2013 года скважина Z-42 Чайвинского месторождения достигла длины 12 700 метров. Но это все нефтяные скважины, которые бурились сплошным забоем без отбора керна и исследования физических параметров скважин по мере бурения не велись.

Не меньший интерес с точки зрения получения данных для фундаментальной науки представляют и другие потенциальные проекты сверхглубокого бурения, такие как исследование глубоких «корневых» зон гидротермальных систем и неглубоко залегающих промежуточных магматических очагов. Вполне очевидно, что глубокое бурение в пределах действующих геотермальных систем может дать ценные данные о физическом состоянии флюидов даже при значительно меньшей глубине, чем глубина границы М. Одновременно оно позволило бы резко увеличить запасы геотермальной энергии. Не случайно обращение к идее такого бурения в геологически различных областях - Камчатке, Японии, Исландии.

На Камчатке В. В. Аверьев предложил переориентировать этот проект на вскрытие промежуточного магматического очага под Авачинской сопкой или, в качестве альтернативы, на «изучение глубинных корней современных гидротермальных систем», в частности, в районе Паужетских терм на юге полуострова. В. В. Аверьев наверняка был в курсе готовящегося бурения на Кольском полуострове. Не исключено, что проект бурения под Авачу появился как конкурент Кольскому. В 1968 году В.В. Аверьев погиб в авиакатастрофе. К большому сожалению, бурение под Авачинский вулкан стало рассматриваться исключительно как потенциальный источник энергии для снабжения Петропавловска. Проект был оставлен в пользу чисто утилитарного бурения на Мутновской сопке (Белоусов, Эрлих, 2013).

Иная судьба сложилась у идеи бурения для исследования корней геотермальных систем в Японии. Здесь изучалась возможность существования глубинных геотермальных ресурсов глубже 2000 м от дневной поверхности. Проект также преследовал цель подтвердить наличие высокотемпературного пара на глубине более 2000 м. Этот проект, названный Какконда [Tamanyu, Fujimoto, 2005], изначально мыслился и затем осуществлялся как международный, при совместном участии геологических служб Японии и США. Проект Какконда ознаменовал начало целой серии аналогичных проектов. Прямо по его стопам началось бурение, имевшее целью вскрытие подводящего канала на вулкане Унзен (остров Кюсю, Япония) [Nakada, Uto et al., 2005].

В Исландии был принят проект бурения для исследования состояния перегретого пара. На протяжении нескольких лет его реализации предполагалось пробурить и испытать серию скважин, которые должны были вскрыть надкритические зоны, расположенные под тремя, недавно введенными в эксплуатацию, геотермальными системами: Крафла, Хенгилл (Несьявеллир) и Рейкьянес. Их необходимо было пробурить до глубин более 4 -5 км, для того, чтобы получить гидротермальные флюиды с температурой от 4500С до 6000С. Проект был остановлен из-за недостатка средств.

Одновременно с попытками достигнуть больших глубин бурением шло и идет разработка новых методов наблюдения геодинамики глубин. Обращает на себя принципиально новый подход к исследованию поступления глубинных летучих, разработанный Ю. Д. Кузьминым [Кузьмин, 2011]. Метод основан на измерении количества летучей фазы в глубинных вадозовых водах. Анализ привел автора к предположению, что гидросфера Земли может рассматриваться как чувствительный деформограф, фиксирующий деформации поверхности. Более того, резкое различие скорости поступления ювенильных газов в метеорные воды и подъема к поверхности магматических расплавов может служить индикатором фиксации активности глубинных процессов на самом раннем этапе и, соответственно, для прогноза извержений и землетрясений.

Революционный характер предлагаемого подхода основан на возможности определения привноса ювенильных флюидов в метеорные воды, намного менее инерционные, по сравнению с сейсмогенными и вулканическими процессами. Применение этого метода открывает совершенно новые перспективы прогноза катастрофических явлений.

Идеи Ю.Д. Кузьмина вызвали большой интерес. Они встали в один ряд с данными, полученными такими вулканообсерваториями, как Гавайская, и немедленно были применены в разработке гипотез о связи вулканических процессов с солнечной активностью и вариациями магнитного поля [Кузьмин, Белоусов, Сахно, 2001]. Все это прямо отражает ценность актуализма, который и в наши дни остаётся основой наук о Земле.

Характерно, однако, что для получения разрешения на работу на одной скважине автор должен был пройти через длительную бюрократическую переписку с чиновниками разных инстанций, вплоть до Президента страны.

Принципиальная возможность этого была показана замерами содержания ювенильных газов вдоль разлоиа Сан Андреас в Калифорнии [Marty, Jambon, Sano ,1989]. Нельзя не отдать должное проницательности В. И. Белоусова, обратившего внимание на эти работы и сделавшего первые шаги для применения нового метода на Камчатке [Белоусов, Эрлих, 2014].

Новый уровень техники открыл не только просто новые технические возможности наблюдений природных явлений, а давал возможность активно ставить задачи исследований. Одной из главных среди них было получение прямых данных о природе сейсмических границ разделов. Знаменем ее стало достижение границы между корой и мантией Земли (границы М, поверхности Мохоровичича) и получение представлений о ее природе. Методом решения - бурение сверхглубоких скважин. Идея эта почти сразу стала всеобщей. Ее подхватили во всех технически-развитых странах (США, СССР, Японии, Германии). Конкретные объекты, на которых проводилось сверхглубокое бурение, варьировали от страны к стране. Общим, однако, оставалась цель - достижение поверхности М, очень высокая стоимость проекта и огромные технические сложности его осуществления. Проект обещал новый огромный приток данных для развития на новом уровне метода актуализма. Вся истории режимных вулканологических наблюдений на Камчатке показывает, что начальный импульс стимулов к исследованиям, данный созданием Сибирского отделения АН СССР и «сдвига науки на восток» оказался исчерпан. В истории отказа от исследовательского бурения под промежуточный очаг под Авачей и глубокого бурения для исследования корневых зон гидротермальных систем видно полное повторение истории начала советской геотермальной энергетики и судьбы А. А. Гавронского. В Японии те же идеи привели к глубокому бурению на геотермальном поле (проект Какконда).

Мы видели эволюцию применения метода актуализма, соответствующего уровню аналитической техники и технологии бурения - на начальной стадии это было геологическое картирование земной поверхности. Почти одновременно с с формулировкой метода актуализма была установлена значимость режимных наблюдений. В начале XX века это привело к модификации принципа актуализма и формулированию канона Штилле. Следующим этапом был переход к глубинному бурению и активной постановке научных задач.

Учитывая опыт бурения Кольской сверхглубокой, нет сомнения, что бурение серии подобных скважин принесет обильные результаты. Ими этого может явиться новые экспериментально-обоснованные представления о строении земных глубин. Лучшим путем осуществления такого проекта, мне представляется возвращение к программе бурения серии таких стандартных скважин такого рода в районах с разными геологическими условиями, подобном ранее принятой в СССР. Данные, полученные в ходе такого проекта, лягут в основу новых геодинамических концепций в области наук о Земле. Учитывая высокую стоимость бурения, представляется очевидным, чтобы он осуществлялся на международной основе.

Глобальный характер этих эпизодов свидетельствует о том, что они возникают в связи с космогоничекими процессами, активизирующими внешние оболочки Земли.

Все это обеспечило успешное применение принципа актуализма.

При этом режимные наблюдения, лежащие в основе применения метода актуализма, продолжают сохранять свое значение и, как мы видели, развивается на новой основе. Напротив, усовершенствование методов наблюдений и анализов сделали возможным прослеживать различие характера поступления глубинного материала, как это некогда было сделано на кальдере Иеллоустон (Smith et al., 2009). Не меньшей становится и необходимость организации новых стационаров.

6. Минералогические и петрографические методы

Минералогические и петрографические методы изучают минералы и горные породы (поиск полезных ископаемых, восстановление истории развития Земли).

Петрография -- это наука о горных породах, т. е. самостоятельных минеральных агрегатах более или менее постоянного химического и минералогического состава, из которых в основном состоит земная кора.

Минералогический, а следовательно, и химический состав горных пород подвержен колебаниям в известных пределах, в силу чего и не может быть выражен определенной химической формулой, как принято выражать химический состав минералов.

Петрография изучает все свойства горных пород -- их минералогический и химический состав, их строение, условия залегания в земной коре, отношения между различными породами, а также изменения горных пород с течением времени -- и стремится установить законы, которые руководят образованием, изменением горных пород, их распространением в земной коре.

Горные породы представляют ту материальную среду, которая называется земной корой. Они или вмещают те или иные полезные ископаемые, или сами являются таковыми. Понимание и правильное толкование образования полезных ископаемых, правильное направление разведочных работ и оценка месторождения невозможна без детального изучения вмещающих пород, отображающих весь процесс формирования месторождения.

Некоторые характерные черты вмещающих пород служат нередко при пиками присутствия тех или иных полезных ископаемых. Так, платина и сульфиды никеля приурочены обычно к ультраоcновным или основным магматическим породам. Касситерит часто связан с измененными гранитами -- грейзенами. Крупные скопления руд вольфрама и молибдена обычно находятся в гранато-пироксеновых породах -- скарнах.

Необходимость петрографического изучения горных пород возникает на каждом шагу. Пригодные для цементного производства известняки не должны содержать заметного количества доломита и т. д. Хронологическое сопоставление пород, не содержащих органических остатков, также требует знания их петрографического характера. Но, кроме прямого практического значения, знание состава и характера горных пород необходимо и для исследования геологической истории изучаемого района, для понимания его тектоники, геоморфологии и других задач общего геологического исследования.

Для изучения горных пород петрография пользуется как методами, выработанными родственными ей науками -- геологией, минералогией, физикой, химией, так и собственными, чисто петрографическими методами. Важнейшим петрографическим методом исследования является оптическое изучение горных пород при помощи поляризационного микроскопа, для чего из породы приготовляют тонкую пластинку -- шлиф.

Описание оптических методов исследования горных пород не входит в задачу данного курса; для ознакомления с ними можно воспользоваться одним из учебников петрографии. Но, помимо оптических методов, многие горные породы могут быть, хотя и не совсем точно, определены макроскопически, по внешнему виду, на основании их минералогического состава и структуры, видимых невооруженным глазом или с помощью лупы. Этот способ определения обладает важным преимуществом -- быстротой; он не требует никаких приспособлений, кроме карманной лупы, и может применяться непосредственно в поле у места залегания породы.

Основные сведения по петрографии, которые необходимы для макроскопического определения и описания горных пород, и составляют содержание отдела «Петрография».

В развитии петрографии СССР -- да и вообще петрографической науки -- большую роль сыграли работы многих русских и советских ученых.

А. П. Карпинский и А. А. Иностранцев первые в России применили поляризационный микроскоп для изучения горных пород. Работы Е. С. Федорова, давшие науке непревзойденный до сего времени и носящий его ими метод оптического исследования кристаллов, создали эпоху в развитии петрографии всего мира. Предложенный Е. С. Федоровым в 1892 ГОДУ «теодолитный метод», проводимый при помощи изобретенного им «столика Федорова», позволил с исчерпывающей точностью определять состав породообразующих минералов, особенно плагиоклазов. Этот же прибор используется для так называемого петротектонического анализа, позволяющего решать ряд тектонических вопросов на основании изучения пространственной ориентировки минералов, слагающих ту или иную породу, подвергшуюся тектоническому воздействию.

Работы Л.П. Заварицкого и II. Высоцкого дали образцы петрографического исследования областей, важных в практическом отношении.

Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Д. С. Белянкин и их школа положили прочную основу физико-химическому и генетическому направлению в петрографии.

Петрография осадочных пород в значительной степени развилась трудами русских и советских ученых.

Труды Л. Д. Архангельского, В. П. Батурина, Н. М. Страхова, М. С. Швецова, А. В. Казакова, Л. В. Пустовалова и др. подняли петрографию осадочных пород на ее современный уровень; замечательные успехи изучения осадочных пород самого разнообразного типа связаны с этими именами.

Солевыми осадками успешно занимался Н. С. Курнаков; его работы развиваются рядом его учеников.

По своему происхождению горные породы разделяются на три большие группы:

I. Магматические породы, образовавшиеся из расплавленной магмы путем застывания ее на некоторой глубине (породы глубинные или интрузивные), или же при излиянии ее на поверхность в виде лавы (породы излившиеся или эффузивные).

II. Породы осадочные, представляющие по большей части продукты разрушения ранее существовавших горных пород (изверженных, осадочных или метаморфических), отложившиеся в водных бассейнах или на поверхности суши; в эту же группу входят осадочные породы, образовавшиеся из продуктов жизнедеятельности организмов.

III. Породы метаморфические, представляющие глубоко преобразованные осадочные или магматические горные породы.

Как известно из геологии, первичными горными породами являются породы магматические, остальные две группы пород образовались из первичных путем их последующих разнообразных изменений, за исключением органогенных пород, связанных с живым веществом.

В земной коре магматические породы играют преобладающую роль.

Литологичеекий состав земной коры (до глубины 16 км) выражается следующими данными (%):

Магматические горные породы…………. 95

Глинистые сланцы (и глины)………….. 4

Песчаники (и пески)……………. 0,75

Известняки…………….. 0,25

Как видно из таблицы, на все осадочные и метаморфические породы приходится только 5%, причем среди них наиболее распространенными являются цементированные (уплотненные) осадки глинистые сланцы и песчаники, составляющие в сумме 1,76%. Все прочие осадочные породы (кроме известняков) имеют в количественном отношении совершенно второстепенное значение.

Магматические горные породы

а) Общие свойства магматических пород

Магматические породы образовались благодаря затвердеванию расплавленной силикатной массы -- магмы, которая поднялась из глубины в более высокие горизонты земной коры.

Рис. 9. Порфировая структура (порфирит)

Магма может излиться на поверхность земли в виде лавы и образовывать так называемые излившиеся (эффузивные) породы; они распространяются по поверхности земли в зависимости от текучести лавы. Магма всегда содержит раскаленные газы и пары перегретой воды, которые при этом вырываются в атмосферу и увлекают за собой как тонко распыленные частицы магмы в виде вулканического пепла и песка, так и более крупные куски застывшей магмы -- лапилли и вулканические бомбы.

Все эти явления наблюдаются и в настоящее время при извержении вулканов. Рыхлые продукты извережения, накопляясь на склонах вулканов или оседая в водоемах, образуют слои вулканических туфов, обычно чередующиеся с потоками застывшей лавы.

Рис. 10. Офитовая структура (диабаз)

В других случаях магма не достигает поверхности земли и застывает на некоторой глубине, под покровом часто довольно мощных слоев более древних пород, образуя породы глубинные. При этом остывание магматической массы идет медленно и равномерно, раскаленные газы и пары нередко принимают деятельное участие в процессах минералообразования и постепенно проникают в окружающие породы вызывая в них явления контактового метаморфизма.

Магма, поднимающаяся из глубин и изливающаяся на поверхность земли, по большей части содержит уже ранее образовавшиеся кристаллы, которые при остывании ее образуют вкрапленники, иногда оплавленные и корродированные (изъеденные), среди сравнительно быстро остывшей основной скрытокристаллической или стекловатой массы, благодаря чему получается порфировая (рис. 9), характерная только для пород излившихся, а иногда и офитовая (рис. 10)структура. В некоторых случаях излившиеся породы обладают стекловатой структурой, которая особенно типично выражена у обсидиана (рис. 11).

Если же охлаждение магмы происходит на некоторой глубине под покровом более древних пород при мало изменяющихся физических условиях, оно идет медленно и равномерно; происходит спокойная кристаллизация ряда минералов, выделяющихся в строгой последовательности, следуя законам физической химии. Все породообразующие минералы выделяются в виде более или менее крупных кристаллов или зерен.

Рис. 11. Обсидиан

Таким образом, возникает зернистая структура, характерная для пород глубинных (интрузивных), например для гранита.

По форме залегания среди окружающих пород глубинные породы также отличаются от излившихся.

Иногда они образуют крупных размеров массы, в поперечном разрезе круглые или эллиптические, называемые штоками , которые как бы прорезывают соприкасающиеся с ними горные породы поперек их слоистости (так называемое несогласное залегание). В других случаях магма, прорываясь через слоистые горные породы, приподнимает их и, заполняя получающиеся при этом полости, образует лакколиты -- крупные массы, напоминающие по виду каравай хлеба. В СНГ лакколиты известны в Крыму (гора Аю-Даг близ Гурзуфа, мыс Плака и др.) и на Северном Кавказе в окрестностях Пятигорска (горы Бештау, Развалка, Железная и др.).

Литература

1. Бурлин Ю.К. Природные резервуары нефти и газа. М.: Изд-во МГУ, 1976.

2. Бурлин Ю.К., Конюхов А.И. и др. Литология нефтегазоносных толщ. М.:Недра, 1991

3. Кащеев Р.А. СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРОБЛЕМУ ИЗУЧЕНИЯ ФИГУРЫ ЗЕМЛИ И ФИГУР ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ - УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КаЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА, том 152, кн.1, 2010

4. Мартьянова А.Е. Математические методы моделирования в геологии, 2008

3. Прошляков Б.К., Кузнецов В.Г. Литология. М.:Недра,1991

4. Ханин А.А. Породы-коллекторы нефти и газа и их изучение. М.: Недра,1969

Размещено на Allbest.ru