Геологическая природа аномалий Буге.

Определить геологическую природу геофизической аномалии – это значит поставить ей в соответствие геологическое тело – неоднородность недр, являющееся источником этой аномалии. В случае, если аномалии обусловлены суммарным, интегральным воздействием нескольких источников, нескольких факторов разреза, необходимо, насколько это возможно, уяснить, какова доля каждого фактора в формировании этой интегральной аномалии. Применительно к гравиразведке речь будет идти о плотностных неоднородностях разреза. Напомним, как различаются плотности горных пород.

Обычно в строении разреза, во всяком случае, на платформенных территориях, участвуют осадочные породы, составляющие платформенный чехол и кристаллические образования фундамента. Плотность кристаллических пород выше. Верхнюю часть фундамента слагают породы гранитно-метаморфического комплекса коры со средней плотностью 2,7·10³кг/м³, а под ними залегают основные породы с большим содержанием окислов железа – базальты, габбро и т.п. Их средняя плотность доходит 2,9-3,0·10³кг/м³. Осадочный чехол составляют породы терригенного комплекса – прежде всего песчанистые (σ=2,3-2,45·10³кг/м³), карбонатного комплекса – известняки и доломиты с плотностью от 2,5 до 2,7·10³кг/м³ и каменные соли, имеющие самую малую плотность - ~2,1-2,2·10³кг/м³. Если границы, разделяющие такие толщи залегают негоризонтально, то есть в рельефе этих поверхностей раздела имеются поднятия (выступы) и погружения (впадины) или если, скажем, интрузии базальтов в фундаменте пронизывают гранитно-метаморфический комплекс и т.п., то над такими геологическими феноменами в поле силы тяжести возникают аномалии, которые лучше всего выявляются на картах, построенных именно с введением редукции Буге. Таким образом, из всего сказанного следует важный вывод: кроме притяжения Земли и кроме центробежной силы на величину ускорения силы тяжести влияет еще один существенный фактор – плотностная неоднородность земной коры. Галилею казалось, что ускорение силы тяжести на Земле – это величина постоянная, но оказалось, что это не так. Вывод о том, что неоднородности геологического строения Земной коры могут отражаться на силе тяжести, впервые сделал Федор Петрович Литке – русский мореплаватель и географ, адмирал, исследователь Арктики еще в 19^ом веке. Над относительно плотными породами значения Δg_а^Б увеличиваются, а над относительно рыхлыми – уменьшаются и именно эти отклонения называют гравитационными аномалиями.

Итак, попытаемся выделить определенные, вполне конкретные физико-геологические факторы разреза Земной коры, то есть элементы его строения - геологические тела, которые в силу особенностей своей геометрии, формы, местоположения и своей плотностной характеристики принимают участие в формировании суммарных аномалий Буге, в растяжении пружины прибора-гравиметра грузиком - единичной массой. И попытаемся дать сравнительную оценку гравитационным влияниям отдельных факторов разреза, то есть оценить их долевое участие в формировании аномалий Δg. Будем все это делать на примере ФГМ разреза платформенной территории. Прежде всего вспомним, что одной из определяющих особенностей разреза платформенной территории является его двухъярусное строение . Нижний ярус носит название – консолидированное основание или кристаллический фундамент (КФ). Верхний ярус – осадочный чехол. Плотность осадочных пород зависит от их состава и ряда других факторов: возраста, глубины залегания, давления, которое оказывают на них вышележащие породы (от геостатической нагрузки). В целом, если мощность осадочного чехла не превышает 4-5 км, его среднюю плотность можно принять равной 2,5·10³кг/м³, тогда как у кристаллических она не менее 2,7·10³кг/м³. В общем случае граница, разделяющая породы чехла и фундамента залегает не горизонтально, то есть в рельефе поверхности КФ выявляются выступы и погруженные области (рис.8).

Рис8. К построению обобщенной плотностной ФГМ (фактор 1).

Итак, первый физико-геологический фактор разреза, участвующий в формировании аномалии Буге, можно обозначить как рельеф поверхности кристаллического фундамента. Наибольшая амплитуда максимумов над выступами фундамента доходит (как свидетельствуют литературные источники) до 50 мГал, а интенсивность относительных минимумов не превышает 30 мГал. Максимумы имеют бóльшую амплитудную выразительность, поскольку «механизм» гравитационного действия (исходя из законов тяготения) это m/r² и чем меньше r, тем амплитуда аномалии больше, и напротив, чем глубже неоднородность, тем слабее она выражается в аномальном поле.

Еще один сильный гравиактивный фактор – неоднородность внутренней структуры фундамента. Эта неоднородность в рамках существующих представлений о строении фундамента иллюстрируется моделью рис.9.

Рис.9. К построению обобщенной плотностной ФГМ (фактор 2).

Здесь в схематизированном виде представлена ситуация, когда интрузии базальтов пронизывают породы гранитно-метаморфического комплекса Земной коры. Эти базальтовые или габброидные штоки могут иметь очень значительные размеры и массу, в результате чего над ними нередко регистрируются аномалии, интенсивностью более 100мгал, имеющие характерную пикообразную форму. Кристаллический фундамент в целом – самая неоднородная, гетерогенная часть разреза Земной коры и, помимо этого, самая объемная. Поэтому именно здесь в толще фундамента встречаются наиболее крупные массы – плотностные неоднородности, создающие самые интенсивные аномалии в гравитационном поле. Кроме этого, именно в фундаменте распространены неоднородности типа рудных тел, разломы и прочие элементы геологического строения вертикально-блокового характера, которые находят контрастное отображение в поле Δg. В связи с этим, можно утверждать, что вышеназванные физико-геологические факторы определяют основной рисунок аномального поля силы тяжести.

Еще один весьма активный физико-геологический фактор, дающий самый значительный вклад в суммарное поле Δg получил название глубинного фактора. Глубинный фактор определяется рельефом поверхности Мохоровичича (М), то есть подошвы Земной коры или границы кора-мантия, и горизонтальной неоднородностью верхнемантийного вещества. Дело в том, что мантийные образования плотнее коровых на 0,3-0,4·10³кг/м³, а поверхность М под континентами погружается (местами до глубины 70 км), а под океанами воздымается до отметок 7-10 км ниже уровня моря. Таким образом, над океанами возникают максимумы Δg (+300-400 мГал), а над континентами регистрируются минимумы Δg (до -300-400мГал). Общий перепад значений поля на расстоянии от центра материка до центра океана (десятки тысяч километров) доходит до 600-800 мГал. Однако, если оценить градиент изменения Δg на километр, то он получается очень небольшим, из-за чего на результатах разведочных гравиметрических работ в пределах локальных площадей и коротких гравиметрических рейсов этот фактор практически не сказывается. Но уже при производстве съемок регионально-зонального уровня этот фактор становится очень значимым.

О горизонтальной неоднородности верхнемантийного вещества геофизики заговорили в связи с осмыслением результатов работ ГСЗ – глубинного сейсмического зондирования. Такие работы проводились с целью оценки мощности Земной коры и выяснения закономерностей ее строения. Поскольку эти задачи весьма сложные, для их решения использовалась объемная регистрация волнового поля со всеми его компонентами – продольными и поперечными, а также привлекались данные всех других геофизических исследований. По результатам решения прямой задачи гравиразведки от модели ЗК по ряду профилей ГСЗ обнаружились большие - до 100мГал – расхождения расчетной и наблюденной кривых, которые удалось объяснить только предположив наличие горизонтальных неоднородностей верхнемантийного вещества. Эти предположения неплохо увязывались с некоторыми изостатическими гипотезами, идеями «перетоков» мантийного вещества, трансгрессивно-регрессивными движениями Земной коры и т.п.

Наконец, вносит свой вклад в формирование аномального поля силы тяжести и структура осадочного чехла и даже неструктурный геологический фактор. Поскольку это факторы, непосредственно связанные с задачами поиска нефтегазовых месторождений, остановимся на них несколько подробнее.

В составе осадочного чехла древних докембрийских платформ обычно выделяют три структурно-вещественных комплекса:

нижний – преимущественно терригенный, включающий в себя породы от кембрия до верхнего отдела (верхнефранского подъяруса) девонской системы со средней плотностью 2,45-2,50·10³кг/м³,

карбонатный – от верхнего девона до верхней перми включительно со средней плотностью 2,6-2,65·10³кг/м³,

верхний терригенный – мезокайнозойский со средней плотностью 2,3-2,35·10³кг/м³.

Наконец, в разрезах экзогональных впадин древних платформ – Прикаспийской, Печорской, Северогерманской на Восточно-Европейскрй платформе, Примексиканской – на Северо-Американской платформе и т.д. отложения кунгурского века нижней перми сложены каменной солью с плотностью 2,1-2,15·10³кг/м³.

Таким образом, осадочная толща отличается довольно значительной плотностной дифференциацией. Если в рельефе границ раздела этих комплексов имеются крупноразмерные (более 10 км²) поднятия значительной амплитуды (более 50 м) или какие-то иные структурные осложнения, в поле Δg над ними возникают достаточно интенсивные аномалии от одного до полутора миллигал (рис.10). Однако, при большой глубине залегания таких границ (более 1 км) интенсивность подобных аномалий редко превышает 0,5мГал. Поэтому, они могут быть полностью заэкранированы влиянием гораздо более сильных факторов, связанных со строением и неоднородностью кристаллического фундамента. В случае солянокупольных бассейнов интенсивность аномалий (минимумов Δg ) на порядок больше – до 15 мГал и тогда именно они формируют основной рисунок поля. В то же время, частотная характеристика последних заметно иная – аномалии чехла существенно меньше по размерам, то есть характеризуется более высокочастотным спектром. Эти различия аномалий по частоте или по размерам послужили основанием для осуществления процедур разделения полей, которые играют большую роль в процессе геологического истолкования аномалий Δg. Остановимся на изложении смысла этих процедур несколько позже.

Рис.10.Обобщенная плотностная ФГМ.

Теперь уместно коснутся роли неструктурного геологического фактора в формировании аномалий Δg. Неструктурный фактор – это объекты седиментационной природы, латеральная изменчивость (зональность) свойств горных пород, их флюидальная характеристика и т.п.

Среди объектов седиментационной или тектоно-седиментационной природы, интересной с точки зрения поиска нефтегазовых месторождений, наиболее перспективны погребенные рифы. Обычно такие тела отмечаются в поле Δg как максимумы небольшой интенсивности (до 1 мГал), так как зарифовые толщи имеют чаще всего терригенный состав или, в солянокупольных районах, компенсируются каменной солью. В случае карбонатной компенсации надрифовые максимумы могут быть редуцированы, но нередко максимумы остаются, так как рифовые пустоты заполняются кальцитом и все рифовое тело интенсивно доломитизируется. Латеральная зональность сказывается на увеличении (вследствие повышенной геостатической нагрузки) плотности в периферичеких, пониженных гипсометрически, частях антиклинальных структур. Если дополнить эти соображения известным фактом разуплотнения в сводовых элементах структур, станет очевидным уменьшение амплитуды максимума над структурой. Если же, наконец, предположить, что в сводовой части поднятия аккумулируются углеводороды, то можно понять, что в поле силы тяжести над залежью возникают вторичные минимумы и такая сопряженная картинка – минимум, окруженный колечком повышенных значений Δg ,является характерным признаком отображения залежи углеводородов в гравитационном поле. Обычно амплитуда таких минимумов измеряется сотыми долями миллигал, то есть нефтегазовые аномалии Δg относятся к слабым аномалиям. Существенно усилить проявления таких аномалий можно процедурами разделения полей, среди которых особенно часто используют частотные трансформации: осреднение в скользящем окне с последующим вычитанием из исходного поля Δg_а^Б , пересчет поля в верхнее полупространство, преобразование Саксова-Нигарда и другие. То есть необходимо определенным образом провести операции обработки гравиметрических данных.

Пример такой обработки будет предложен студентам в одной из лабораторных работ по курсу.

В заключение заметим, что из анализа геологической природы аномалий Δg следует перечень геологических задач, которые решаются гравиметрическим методом:

1.Выявление главных, определяющих особенностей строения крупных регионов, таких как выделение приподнятых и погруженных блоков фундамента, трассирования оконтуривающих эти блоки глубинных разломов, передовых прогибов и т.д.

2.Выявление крупноразмерных структурных осложнений осадочного чехла в комплексе с сейсморазведкой.

3.Картирование соляных куполов и мульд в разрезе экзогональных впадин древних платформ.

4.Прогнозирование нефтегазовых залежей в комплексе с другими геофизическими методами .

Лекция 5.