Обзор геолого-геофизической изученности района Уральской сверхглубокой скважины СГ-4

Рефераты по геодезии » Обзор геолого-геофизической изученности района Уральской сверхглубокой скважины СГ-4

Введение

Урал — общепризнанный мировой эта­лон палеозойских подвижных поясов выдающаяся рудная провинция мира с классическими месторождениями черных и цветных металлов. Именно здесь в старейшем горнорудном рай­оне Среднего Урала в пределах запад­ного крыла Тагильского прогиба яв­ляющегося генотипической эвгеосинклинальной зоной была заложена Уральская сверхглубокая скважина СГ-4 проектной глубиной 15000 м. Не­маловажное значение при выборе ме­ста заложения имела хорошая геоло­го-геофизическая подготовленность района бурения. Точка заложения СГ-4 находится вблизи пересечения регио­нальных профилей ГСЗ.

Бурение СГ-4 начато 15 июня 1985 г опережающим стволом диаметром 215 мм скважина достигала глубины 4008 м. При этом бурение интервала 34—4008 м осуществлялось с непре­рывным отбором керна средний выход которого составил 64 2%. С целью пре­одоления возникших в процессе про­ходки опережающего ствола геологиче­ских осложнений (сильное кавернообразование интенсивное возрастание зе­нитного угла) произведено формирова­ние ствола диаметром 390 мм с после­дующим перекрытием интервала 0— 3942 м обсадной колонной диаметром 426 мм. В 1990 г. на скважине закон­чен монтаж буровой установки Уралмаш-15000 предназначенный для буре­ния до глубины 15 км и продолжено дальнейшее углубление ствола. На 01.01.1999 г. глубина СГ-4 составила 5401 м.

1 Геологическое строение района заложения скважины СГ-4

Уральская сверхглубокая скважина (СГ-4) расположенная в 5 км западнее г. В. Тура Свердловской области бурится с целью изучения земной коры в типичной структуре эвгеосинклинального типа развития. Проектная глубина скважины 15 км бурение было остановлено на глубине 4008 м (для расширения ствола). В настоящее время глубина скважины около 5400 м. Бурение ведется со сплошным отбором керна выход керна около 64 %.

Район бурения СГ-4 (рис.1) в геолого-структурном отношении отвечает среднеуральскому сегменту Тагило-Магнитогорской мегазоны палеозойского подвижного пояса Урала. С запада и востока она граничит соответственно с Западно-Уральской и Восточно-Уральской мегазонами имеющими в основании древний кристаллический фундамент тогда как в Тагило-Магнитогорской мегазоне он неизве­стен. Западной границей последней является Главный шов Урала представляющий собой систему параллельных надвигов восточного падения по которой Тагило-Магнитогорская мегазона надвинута на структуры Западно-Уральской мегазоны. Восточная граница Тагило-Магнитогорской мегазоны проходит по надвигу западного падения (рис. 2).

Тагило-Магнитогорская мегазона традиционно рассматривается как эталон структур эвгеосинклинального типа развития. Она сложена преимущественно вулканогенными толщами силура—карбона. Обра­зования предшествующие им по возрасту известны в восточнойчасти Западно-Уральской мегазоны. Они представлены метаморфизованными в зеленосланцевой фации вулканогенно-песчано-алеврито-глинистыми толщами верхнего кембрия—ордовика. Вулканическая составляющая в низах разреза соответствует трахибазальтовой формации (колпаковская свита С3 —O1 ) в верхней части — базаль­товой (выйская свита 02-3 ).

В составе Тагило-Магнитогорской мегазоны на Среднем Урале выделяются три зоны различающиеся набором геологических формаций (с запада на восток): Кумбинская Центрально-Тагильская и Красноуральская.

В крайней западной части Кумбинской зоны развит сложный по составу и строению комплекс эффузивных субвулканических и гипабиссальных пород который ранее при обычном стратиграфическом подходе подразделялся на диабазовую и кабанскую свиты датируемые в интервале S1 l1-2 . В первую объединяются породыбазальтового состава среди которых наряду с лавами широко распространены интрузии в виде пакетов даек и силлов. Во второй развитой восточнее с эффузивными и интрузивными базальтами ассоциируют кислые породы преимущественно в виде экструзий и субвулканических тел. С породами лавовой фации перемежаются песчаники алевролиты кремнистые сланцы. Общая мощность стра­тифицированных образований не менее 2000 м. Диабазовая и кабанская свиты отнесены к формации натриевых базаль­тов—риолитов. В поле их распространения располагается Арбатский массив (дунит-клинопироксенит-габбровая и габбро-диорит-плагиогранитовая формации S1 l) отдельные мелкие тела габбро и плагиогранитов размещаются к западу и востоку от него.

Восточнее кабанского комплекса отделяясь от него разломом развиты отложения флишоидной толщи (S1 l3 -v2 1 ) пара- и ортотуффиты тефроиды алевролито-псаммитовой реже псефитовой размерности и кремнисто-глинистые сланцы. Характерна темно-серая до черной окраска тонкообломочных пород связанная с присутствием рассеянных сульфидов. В составе пирокластики встречаются породы от базальтов до дацитов. Мощность флишоидной толщи около 1000 м. Эта толща согласно перекрывается именновской свитой в составе которой выделяются две толщи. Нижняя (S1 l1-3 -S1 v2 2 ) имеет как и нижележащая флишоидный облик но отличается увеличенной долей туфов и тефроидов и их размерности отсутствием обломков дацитов. Ее мощность около 1500 м. Более молодой является толща с фауной верхнего венлока—лудлова сложенная тефроидами пре­имущественно псефитовой размерности иногда с грубой градационной слоистостью с базальт-андезибазальтовым составом пирокластики. В верхах этой толщи общей мощностью до 2000 м обособляетсяпачка лав ( часто подушечных) того состава.

В полосе распро­странения именновской свиты вы­явлены многочисленные субвулка­нические тела — остатки вулка­нических аппаратов центрального типа а также интрузии габбро и габбродиоритов (Тагиль­ский комплекс габбро-диорит-гранодиоритовой формации) по составу сходных с вмещающими вулканическими породами. Именновский комплекс полностью отве­чает определению андезит-базаль­товой формации и явился ее петротипом [Карта магматических формаций СССР 1974].

В Центрально-Тагильской зоне наиболее ранние образования в осевой ее части представлены кар­бонатными отложениями венлока—лудлова а в западной час­ти — гороблагодатской толщей (S2 ) сложенной преимуществен­но туфоконгломератами туфопесчаниками реже туффитами и туфами трахибазальтового со­става в подчиненном объеме лавами. Мощность толщи 1650 м. Восточнее широкой полосой распространена туринская свита (S2 p—D1 l). Она сложена в основном подушечными лава­ми гиалокластитами туфами тефроидами трахиандезитового трахитового реже базальтового и трахиандезибазальтового со­става и в небольшом объеме известняками. Мощность ее до­стигает 2—3 км. С вулканическими породами (выделяемыми в формацию калиевых базальтов—трахитов) ассоциируют комагматичные субвулканиче­ские тела а также интрузии сиенитов Кушвинского и габбро Волковского массивов. Фунда­ментом туринской свиты являются карбонатные отложения венлока и лудлова что и дает основание выделять самостоятельную Центрально-Тагильскую структурно-формационную зону. Гороблагодатская толща в нижней части синхронна с именновской свитой в верхней — с турин­ской и рассматривается как фациальный аналог этих свит формировавшихся на стыке Кумбинской и Центрально-Тагиль­ской зон.

Разрез Центрально-Тагильской зоны завершается краснотурьинской свитой (D1 p-D2 ef) вулканогенно-обломочных пород андезитового андезибазальтового андезидацитового состава перемежающихся с туффитами песчаниками глинистыми сланцами известняками. Вулканические образования этой свиты соответствуют базальт-андезитовой формации.

В Красноуральской зоне наиболее ранний комплекс — красноуральский сопоставляемый по возрасту с кабанским. Однако он отличается от последнего более широким набором пород среди которых преобладают дациты и андезидациты что дает основание относить его к «непрерыв­ной» базальт-андезит-риолитовой формации. В качестве комагматичного ему рассматривается выделяемый под тем же названием интрузивный комплекс габбро-диорит-плагиогранитовой формации. Предположитель­но более молодой (S1 l3 —v2 ) является толща пород под названием липовской (по горе Липовой где она хорошо обнажена). Границы ее с окружающими образованиями в плане проходят по разломам. В составе толщи имеющей мощность до 2 5 км ассоциируют высокомаг­незиальная бонинитовая серия и нормальная известково-щелочная представленные преимущественно андезитами и дацитами причем для первой серии характерны подушечные лавы и гиалокластиты для второй — вулканогенно-обломочные фации . Более молодые об­разования Красноуральской зоны сопоставляются с именновской и туринской свитами хотя отличаются от них по составу и возрасту . Завершается разрез краснотурьинской свитой.

Вопросы о соотношениях отдельных зон и геологических тел внутри Тагило-Магнитогорской мегазоны о возрасте и природе ее фундамента о глубине залегания базальтового слоя дискус­сионны что нашло отражение в существовании целого ряда (не менее 9) моделей глубинного строения района бурения СГС-4. В соответствии с приверженностью авторов моделей к одной из двух существующих концепций развития Урала (классической геосинклинальной или мобилистской) все разнообразие моделей можно свести к двум группам. Согласно первой Тагило-Магнитогорская мегазона представляет собой синклинорную структуру с симметричным строением крыльев заложенную на древнем кристаллическом фундаменте едином с фундаментом Русской платформы. Тела отдельных вулканических формаций последо­вательно наслаиваются друг на друга распространяясь на всю ширину мегазоны . Согласно второй группе моделей Тагило-Магнитогорская мегазона имеет сложное чешуйчато-блоковое строение и представляет собой агломерат зон формировавшихся обособленно на меланократовом фундаменте океанического про­исхождения и сближенных впоследствии тектонически. Почти на половину своей ширины она надвинута на структуры Западно-Уральской мегазоны под надвигом может находиться клин древнего кристаллического фундамента. Более обоснованный выбор какой-либо из существующих моделей глубинного строения Тагило-Магнито­горской зоны может быть сделан по результатам бурения СГ-4.

2 Цели и задачи СГ-4

Скважина заложена с целью изуче­ния строения земной коры и рудонос­ных комплексов внутриконтинентальных подвижных поясов эвгеосинклинального типа и предусматривает ре­шение следующих задач.

1. Изучение геологического разреза Тагильского прогиба и особенностей его геотектонического развития.

2. Установление состава строения возраста и природы фундамента; соотношение образований геосинклиналь­ного комплекса и фундамента; харак­тер и степень его переработки геосин­клинальным процессом.

3. Исследование глубинных процес­сов рудообразования воссоздание мо­делей формирования типичных для прогиба месторождений и разработка новых методов эффективного прогноза и поисков минерального сырья.

4. Получение информации о физиче­ских свойствах пород на глубине особенностях флюидного режима и приро­де сейсмических границ; выявление связи гравитационных геотермических геоэлектрических и магнитных полей с глубинным строением.

5. Выявление положения и морфоло­гии стратиграфических и других гра­ниц раздела вещественных комплексов и структурных этажей.

Перечисленным не исчерпывается многообразие исследовательских воз­можностей СГ-4 о чем свидетельствуют опыт Кольской и других сверхглубоких скважин а также ознакомление с зарубежными программами научного бурения. Показателен пример немец­кой программы континентального бу­рения КТВ в которой делается акцент на физическую и химическую сторону геологических явлений изуче­ние современного состояния земной коры и современных геологических процессов. Признавая правомочность такого подхода целевое назначение-СГ-4 можно определить как фундамен­тальные исследования физических в химических условий и процессов в глу­бинных частях земной коры для пони­мания структуры состава динамики и эволюции Уральского подвижного поя­са. Обращает внимание более кон­кретное звучание ряда научных задач таких как исследование глубин про­никновения и влияния циркулирующих в земной коре растворов на образова­ние месторождений минерального сы­рья процессы деформации и конвек­ции а также значение воды для дина­мических процессов происходящих в. земной коре; изучение интенсивности дегазации и вещественного состава мантии Земли и континентальной ча­сти земной коры и др. Все это с поправкой на уральскую специфику спра­ведливо и для СГ-4.

Необходимо было создать условия для максимальной реализации познавательных возможностей скважины и сопровождающего ее комплекса работ а именно: обеспечение современного (мирового) уровня исследований на самой скважине; создание адекватной системы комплексных геолого-геофизических исследований в околоскважинном пространстве; привлечение к ис­следованиям анализу и обобщению результатов наиболее компетентных специалистов; создание при проведе­нии исследований обстановки гласно­сти и широкого сотрудничества.

4 Геологический разрез СГ-4

Исследования керна ствола и района заложения скважины проводится Уральской ГРЭ СГБ НПО «Недра» совместно с организациями соиспол­нителями ПГО «Уралгеология» КамНИИКИГС ИГиГ УрО АН СССР ИГ УрО АН СССР ВСЕГЕИ ЦНИГРИ ИГЕМ ИМГРЭ ВНИИгео-информсистем ПГО «Аэрогеология» НПО «Союзпромгеофизика» и др.

Вскрытый скважиной разрез пред­ставлен силурийскими вулканогенными и вулканогенно-осадочными образова­ниями относимыми согласно современ­ной стратиграфической схеме к именновской свите (S1l3—S2ld).

Общее строение разреза по результатам выполненной детальной документации керна просмотра шлифов вулкано-фациальных и геохимических исследований установлено сле­дующее.

40—430 м — эффузивная толша в основном базальтовых андезитобазальтовых лав в инт. 130—252 м — также ферробазальтов и палеоисландитов;

430—3070 м — монотонная толша грубообломочных и агломерато-грубопесчаных туфов основного состава типично именновского облика: никак не обработанный шлаковый и миндалекаменный материал обильнокрупнопорфировых обычно плагиоклаз-двупироксеновых базальтов и андезитобазальтов нередко со­держит примесь плагиофировых андезитов и калиевых базальтов и образует пласты и их серии мощностью 20—70 м разделенные прослойками песчаных тефроидов обычно слабо слоистых; на 1920—1940 м и около 3000 м появляются подводно-морские флишоиды с темными алевропелитами в верхах ритмов;

3070—3468 м — переслаивание туфов плагиофировых андезитов местами с примесью базальтового материала и того же состава песчаных тефроидных флишоидов; с 3280 м туфы и тефроиды преимущественно более кислые — андезитодацитовые часто с оби­лием витрокластики в виде обрывков и комочков пемз и перлитов;

3468—5006 м — флишоидное чередование туфов подводных пирокластических потоков однородно риодацитового состава (также с пемзами перлитами и обилием осколков плагиоклаза) в инт. 3850—4297 м чаше всего повторно перемешенных как подводно-оползневые массы. Сопровождают их резко подчинен­ные по объемам более мелкопесчаные в разной степени отсорти­рованные флишоидные тефроиды того же состава и темные силициты верхов ритмов содержащие конодонты граничных слоев лланловери и венлокского ярусов ран­него силура;

5006—5070 м — пачка темных зеленовато-серых силицитов местами с обильными остатками радиолярий в верхней половине — с прослойками кислых туфов и тефроидов;

5070—5401 м — кабанский комплекс представленный в инт. 5072—5076 м темными туфопесчаниками с витрокластикой ос­ новного состава переходящими вверху в алевропелиты и красные яшмоиды; ниже сплошь распространена краснообломочная сва­ренная пирокластика афировых преимущественно калиевых ба­зальтов исландитов и спилитов которая перемежается с потока­ми неокисленных лав того же (5182—5215 м и др.) и кислого составов (5265—5312 4 м).

В целом разрез вулканокластической и переходной толщ малоконтрастный содержит в разных пропорциях при­знаки как вулканогенного так и оса­дочного происхождения. Толщина этих пород увеличивается с глубиной. Флишоидная толща при слабых фациальных отличиях от низов переходной рез­ко отличается более кислым составом обломочного материала.

При сопоставлении вскрытого разре­за с проектным установлено превышение мощности отложений в 1 5 раза. В результате бурения возникли вопро­сы касающиеся геометрии простран­ственных и генетических взаимоотно­шений слагающих верхнюю часть про­гиба комплексов. Решение их возмож­но при дальнейшем углублении СГ-4 и выполнении целенаправленных ис­следований в околоскважинном про­странстве включая бурение вспомога­тельных структурных скважин.

При проведении циклического ана­лиза в пределах вскрытого скважиной разреза выделено пять мегаритмов границы которых совпадают или близ­ки к границам отмеченных толщ и под-толщ на глубинах 3487 м 2640 м 1919 м и 430 м и характеризуются рез­ким изменением литологии пород.

Нижний мегаритм 3487—4064 м со­ответствует флишоидной толще и является вулканогенно-осадочным. В раз­резе полностью не вскрыт. Он сформировался в условиях слабой вулканиче­ской активности. В нем преобладают удаленные мелкообломочные фации андезидацитового состава широко раз­виты тонкослоистые алевролитовые и алевропсаммитовые разности осадоч­ных пород доля которых к верхам мегаритма возрастает до 80—90 %. Чере­дование тонкослоистых прослоев ха­рактеризующихся маломощной (0 01— 0 5 м) двухчленной реже трехчленной ритмикой со слабо дифференцирован­ными гравийными образует контраст­ные мезоритмы мощностью от 10 до 75 м.

Мегаритм 2640—3487 м условно от­носимый к вулканогенно-осадочному типу характеризуется тем что на фо­не мелкой ритмичности (от долей до 5 м) мелкопсефито-псаммитовых раз­ностей проявлены контрастные гетерообломочные ритмы мощностью от 2—3 до 15—20 м где крупнопсефитовые и агломератовые обломки изолированно погружены в псаммитовый субстрат. Периодически повторяющиеся интерва­лы развития алевропелитовых разно­стей позволяют выделить ряд мезорит-мов с границами на 3986 м 3332 м 3276 м 3160 м 3083 м и 2986 м. Отме­ченные особенности мегаритма веро­ятно обусловлены неравномерными проявлениями вулканической активно­сти и грязекаменных потоков.

Три верхних мегаритма (1919— 2540 м 430—1919 м 0—430 м) вулканогенные частью оеадочно-вулканогенные. Они сформировались в результате нескольких вспышек вулканической деятельности с общей тенденцией к ее нарастанию.

Строение первых двух в общих чер­тах близкое. В их основании ритмич­ность относительно мелкая с мощно­стью преобладающих элементарных ритмов 2—3 м. В центральных частях мегаритмов выделяются крупные рит­мы мощностью до 10—30 м и более. Доля грубообломочного материала вы­растает здесь до 70—90 %. В верхних; частях снова отмечена мелкая ритмич­ность (от 0 1—0 2 м до 2—3 м). В со­ставе ритмов увеличивается доля сор­тированного вулканогенного материа­ла а в некоторых из них в интервале 1919—2007 м появляются прослои кремнистых алевропелитовых пород мощностью 0 2—5 см.

Верхний—эффузивный мегаритм (О—430 м) сформировался в результа­те нескольких импульсов вулканиче­ской деятельности с короткими пере­рывами между ними (88—105 м). Ниж­няя часть мегаритма сложена обильно-порфировыми пироксен-плагиофировыми базальтами в средней (120— 262 м)—залегают подушечные лавы афировых андезибазальтов-базальтов а в верхах—плагиофировые андезибазальты.

В фациальном отношении в разви­тых по всему разрезу отложениях отмечаются подводные условия образо­вания на отдельных глубинах отличающиеся характером вулканизма и удаленностью зон аккумуляции вулканического материала от береговой ли­нии что выражается различиями его гранулометрического и вещественного состава а также разной степенью перемыва и сортировки. В целом по-ви­димому господствовала обстановка островных вулканов с преобладанием фации субаквальных пирокластических. и подводных гравитационных грязека­менных потоков. При этом нижняя часть разреза на интервале развития алевритистых песчаных и гравийныу ритмов флишоидной толщи отвечает наиболее глубоководной удаленной от вулканических построек области. Выше по разрезу преобладают мелковод­ные склоновые фации вплоть до субаэральных регистрируемых горизонтами с красноцветными гематизированными обломками.

.

Геологический разрез СГ-4

Рис. 4. Геологический разрез СГ-4 составлен в Уральской экспедиции сверхглубокого бурения ГНПП «Недра»:

1 — базальты плагиофировые пироксен-плагиофировые (а) андезитобазальты (о); 2 — андезиты (а) дациты риодациты (б); 3 — туфы глыбовые (а) агломератовые (б) крупнопсефитовые (в) мелкопсефитовые (г) кристаллолитотуфы (е) 4— туффиты агломератовые (а) крупнопсефитовые (б) мелкопсефитовые (в) псаммитовые (г); 5— тефроиды мелкопсефитовые (а) псаммитовые (б); 6— туфоконгло-мераты туфопесчаники; 7 — туфогравелиты туфопесчаники; 8 — туфопесчаники туфоалевропесчаники; 9 — туфопесчаники туфоалевролиты; 10— песчаники алевропесчаники алевролиты; 11— кремнистые углисто-кремнистые алевролиты алевропелиты; 12 — диориты (а) кварцевые диориты (б); 13 — внемасштабный знак даек основного (а) и среднего (б) составов; 14 — тектонические нарушения: сбросы взбросы (в) малоамплитудные надвиги (б); 15— границы геологических тел (а) толщ и подтолщ (б) пачек (в)

3 .

Страницы: 1 2 3 4 5