Обзор геолого-геофизической изученности района Уральской сверхглубокой скважины СГ-4
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 восточной части 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 S1l1-2. В первую
объединяются породы базальтового 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 S1l), отдельные мелкие тела габбро и плагиогранитов размещаются
к западу и востоку от него.
Восточнее кабанского комплекса, отделяясь от него разломом,
развиты отложения флишоидной толщи (S1l3-v21) — 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 (S1l1-3-S1v22) 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
обособляется пачка 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 (S2p—D1l). 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 (D1p-D2ef) 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 (S1l3—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
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|