Вопросы для повторения

1. Дайте характеристики основных гидродинамических зон.

2. Каковы особенности тепломассопереноса в активных тектонических зонах? Что такое гидротермальная система?

3. Каковы компоненты величины общего выноса тепла ?

4. Каковы особенности расчета полного выноса тепла в областях питания, транзита и разгрузки подземных вод ?

5. Каковы оценки конвективного выноса тепла в стабильных и активных районах? Как они соотносятся с величинами кондуктивных теплопотерь ?

6. Типы геотермометров. Какие компоненты используются для гидрохимических, газовых и изотопных геотермометров?

7. Какова методика расчета глубинных температур и теплопотоков по гидрохимическим индикаторам ?

8. Использование величины изотопного отношения гелия для оценки глубинного теплового потока. Сферы применения косвенных оценок теплового потока.

Лекция 6

Региональная геотермия континентов. Особенности теплового поля древних платформ. Радиогенная теплогенерация в земной коре.Тепловое поле молодых платформ. Особенности теплового поля фанерозойских складчатых поясов и континентальных рифтов. Тепловой поток в альпийских геосинклиналях, в зонах тектоно-магматической активизации.

Измерения температур в буровых скважинах на континентах ведутся уже около века, но расчеты плотности теплового потока, как произведения геотермического градиента (G) на коэффициент теплопроводности (k): q=k·G, стали выполняться только 50 лет тому назад, что было связано с несовершенством методов измерения температуры и теплопроводности. Однако за последние 20-25 лет количество измерений теплового потока на континентах росло ежегодно в арифметической прогрессии, и сейчас измерениями охвачены практически все типы тектонических структур, хотя и не все географические регионы. Наибольший объем измерений проведен в осадочных бассейнах, где в связи с нефтегазоразведкой имелось много глубоких буровых скважин, причем термометрия в них выполнялась в комплексе производственного каротажа.

В последнее время в связи с задачами геотермического картирования, теоретическими проблемами тектонофизики и потребностями геологической практики все большее внимание уделяется изучению теплового потока в складчатых зонах, к которым приурочено большинство рудных месторождений. Скважины в них стали объектами интенсивных геотермических исследований во многих странах. Как правило, на рудных месторождениях бурятся необсаженные скважины. Кроме того, в силу производственной необходимости, сохраняется керн, что дает возможность довольно детально измерять теплопроводность и определять тепловой поток. Однако на рудных месторождениях перед исследователями встают проблемы, которых не было в осадочных бассейнах. Они связаны с тем, что скважины, как правило, относительно мелкие, поэтому естественные температуры в них подвержены влиянию поверхностных искажающих факторов (рельефа, движения подземных вод, климатических колебаний, структурно-геологических неоднородностей, характерных для складчатых зон). Все это обусловило необходимость развития аппаратурно-методических приемов работы в складчатых областях, а также специального математического обеспечения для введения поправок в измеряемые геотермические параметры.

Полученные к настоящему времени тысячи измерений теплового потока позволяют охарактеризовать геотермический режим практически любых структурно-формационных и возрастных зон земной коры. При анализе поля необходимо, как это не раз отмечалось, пользоваться вероятностно-статистическими методами, так как каждое измерение - это случайная величина.

Области докембрийской складчатости довольно хорошо изучены в геотермическом отношении, однако весьма неравномерно. Много измерений в глубоких скважинах имеется на Канадском щите, на Восточно-Европейской, Индийской и Австралийской платформах. Недостаточно полно, хотя с нарастающей интенсивностью изучения, охарактеризован тепловой поток Бразильского щита, Африканской и Сибирской платформ. К областям докембрийской складчатости следует отнести также выступы архейских и протерозойских пород среди более молодых образований, на которых также имеются геотермические измерения.

В среднем тепловой поток древних платформ довольно однороден. Его значения изменяются от 35 до 55 мВт/м². Наибольшие вариации потока приурочены к зонам дислокаций фундамента, а также к экзогональным впадинам платформ с широким развитием солянокупольной тектоники.

Фундаменты древних платформ сложены архейскими и протерозойскими породами с возрастом 1,5-3,5 млрд лет, поэтому в отсутствии процессов тектонической активизации их тепловой поток формируется только за счет радиогенного тепла.

Мы подробнее рассмотрим тепловой поток платформ, расположенных на территории бывшего СССР, хотя другие перечисленные платформы характеризуются такими же особенностями геотермического режима, как на Восточно-Европейской или Сибирской платформах.

На Восточно-Европейской (Русской) платформе измерения сконцентрированы на Балтийском, Украинском щитах, в Московской синеклизе, на Воронежском выступе, в Предуральском прогибе, в выступах фундамента среди палеозойских складчатых пород Урала (Тараташский массив), в экзогональных впадинах (Причерноморская, Придобруджинская, Прикаспийская, Северо-Германская, Тимано-Печорская). Большинство геотермических измерений выполнено в процессе производственного каротажа, т.е. в невыстоявшихся скважинах. Редкие измерения сделаны после прекращения бурения в условиях равновесных температур.

Измерения на Балтийском щите приурочены к Кольскому полуострову (Печенгская мульда и Ловозерский массив) и к южной части российской и финской Карелии. Среднее измеренное значение для Печенгской мульды составляет 34 мВт/м², а с учетом поправки на оледенение - 38 мВт/м². В районе бурения Кольской сверхглубокой скважины по десяти скважинам получен тепловой поток 36 мВт/м², а в самой скважине отмечается увеличение теплового потока с глубиной от 36-40 мВт/м² в интервале 0-7 км до 48-52 мВт/м² в интервале 7-12 км. Причины такого поведения теплового потока однозначно не установлены, хотя можно говорить о влиянии нисходящего потока подземных вод в верхней части разреза, который снижает геотермический градиент. В районе Мончегорского плутона, представляющего собой внедрение ультраосновных пород в гнейсы кольской серии, тепловой поток с учетом палеоклиматической поправки составил 403 мВт/м². В Риколатвинском районе он равен 313 мВт/м² также с учетом поправки на оледенение. Ловозерский и Хибинский щелочные массивы имеют палеозойский возраст последнего тектоно-магматического цикла, что отразилось в измеренных значениях теплового потока - 52-54 мВт/м².

В Московской синеклизе большинство измерений приурочено к Средне-Русскому авлакогену, представляющему собой узкий грабенообразный прогиб, заполненный терригенными породами рифея и нижнего венда. Значения теплового потока колеблются от 42 до 59 мВт/м² (среднее - 49 мВт/м²). Сопоставление теплового потока со структурой фундамента и осадочной толщи Московской синеклизы свидетельствует о том, что они практически не связаны между собой. Средне-Русский авлакоген не выражен в тепловом поле, то же можно сказать и о немногочисленных разломных зонах в фундаменте.

На Воронежском выступе тепловой поток имеет определенные особенности. Так, в северной и центральной частях он изменяется от 33 до 47 мВт/м², но на Яковлевском месторождении получены значения 56-59 мВт/м². Авторы этих данных предполагают, что вариации связаны со структурным фактором, однако количественных оценок не приводят. Среднее значение теплового потока составляет 444 мВт/м². На южном склоне выступа, в сторону Днепровско-Донецкой впадины, тепловой поток повышается до 46-62 мВт/м². Повышение теплового потока здесь связывается с наличием разломов в фундаменте и контактом с палеозойской структурой Большого Донбасса. В самой Днепровско-Донецкой впадине и в Донбассе зафиксированы умеренные значения тепловых потоков - 40-50 мВт/м². Строение фундамента и осадочной толщи мало влияет на распределение тепловых потоков. Не проявляется в тепловом поле погружение фундамента в юго-восточном направлении и перемещения отдельных блоков по разломам. На отдельных локальных структурах, приуроченных к соляным куполам или нефтегазоносным структурам, наблюдается повышение теплового потока до 55-65 мВт/м². Особенно заметное повышение потока отмечается в зонах пересечения глубинных разломов.

Тепловые потоки на Украинском щите изменяются от 22 до 56 мВт/м² при среднем - 369 мВт/м². Наблюдаемые вариации тепловых потоков носят не случайный характер, а подчинены определенным закономерностям. В одних тектонических зонах преобладают низкие потоки, не превышающие 35 мВт/м², в других - повышенные, составляющие 38-45 мВт/м². Распределение тепловых потоков зависит от истории развития отдельных блоков, в частности, от степени метаморфической переработки и состава слагающих эти блоки пород. Низкие тепловые потоки соответствуют в основном блокам, сложенным наиболее древними и высокометаморфизованными образованиями, повышенные - зонам гранитизации.

В краевых (или экзогональных) прогибах Русской платформы тепловой поток изменяется от 40 до 60 мВт/м². Более высокие значения приурочены к тем районам и впадинам, которые подвергались тектонической активизации (например, Львовская, Придобруджинская), локальные аномалии объясняются или гидрогеологическим влиянием, или перераспределением тепла в высокотеплопроводных соляных куполах.

Рассмотрим влияние солянокупольной тектоники на тепловой поток на примере восточной части Прикаспийской впадины.

Особенностью строения осадочного чехла Прикаспийской впадины является присутствие в разрезе мощных толщ эвапоритов кунгурского яруса перми, имеющих форму куполов и штоков вследствие тектонической и гравитационной неустойчивости. Толща сложена в основном каменной солью с редкими включениями сульфатов и прослоями разной мощности сульфатно-терригенных пород, представленных аргиллитами, песчаниками и ангидритами. Углы падения терригенно-сульфатных пород изменяются в широких пределах - от нескольких градусов до 75°, что связано с пластическим перемещением соли из межкупольных зон в ядра соляных массивов. Купола прорывают или часть верхнепермских отложений, или все полностью. В одних случаях из-за прекращения роста куполов вышележащие мезозойские породы остаются в горизонтальном залегании, в других - рост продолжается и образуется наклон надсолевых слоев, зависящий от времени и скорости подъема соли. В плане купола имеют округлую, эллиптическую, удлиненную или звездообразную форму. Округлая форма характерна для центральной части впадины, а удлиненная - для ее бортовых зон.

Теплопроводность каменной соли очень высока. Она составляет 5,5-6,5 Вт/м·К, что в 4-5 раз превышает теплопроводность вмещающих терригенных пород, которая составляет 1,6-2 Вт/м·К. Такой резкий контраст теплопроводности, а также крутые углы наклона границ раздела сред обусловливают перераспределение глубинного теплового потока. Он так же, как и другие силовые поля, распространяется по пути наименьшего сопротивления, т.е. концентрируется в теле соляных куполов и разрежается в межкупольных зонах. Непосредственными измерениями температуры в глубоких буровых скважинах установлено, что изотермы на боковых границах соляных куполов имеют наибольшее искривление, а если к этому добавить и контрастную границу сред с различной теплопроводностью, то получится максимальное искажение теплового потока именно в боковых частях куполов (рис.13). Для определения величины искажений глубинного теплового потока нами были рассчитаны номограммы (Хуторской, 1982). Аргументом в выполненных расчетах являлся угол наклона борта купола, который варьировал от 45° до 135°, т.е. охватывал формы практически всех известных соляных структур. Вертикальная мощность купола принята одинаковой, а контраст теплопроводности m=3:1 и m=2:1. Из анализа номограмм видно, что: