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

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

[pic]

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),

Страницы: 1, 2, 3, 4