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), 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 . Прогнозные модели Уральской СГ-4

Среди уральских исследователей, в т. ч. имеющих отношение к СГ-4, еще сильны позиции сторонников классической (фиксистской) геологии, рассматривающие регион как достаточно фиксированную полициклическую геосинклинальную систему с интенсивным развитием магмо- и рудоподводящих глубинных разломов и повторяемостью в каждом цикле однотипных геологических и рудных формаций .

Согласно альтернативной, мобилистской концепции Урал представляет собой сложное покровно-складчатое сооружение, состоящее из разнородных аллохтонных пластин, образованных путем крупных горизонтальных перемещений геологических масс. Эти представления вносят существенные коррективы в схему металлогенического развития региона, дают новое толкование природе и перспективам его рудоносности

Отметим, что деление геотектонических позиций на фиксистские и мобилистские в какой-то мере условное и не отражает всего разнообразия представлений о месте заложения, движущих силах и истории развития
Уральской эвгеосинклинали. В последнее время наблюдается тенденция в сближении позиций, что выражается в признании представителями фиксистского направления ограниченного спрединга с возникновением раздвигов, обнажающих симатическую кору.

Благодаря тесному сотрудничеству большой группы исследователей удалось сформировать комплект из 11 моделей, отражающих практически весь спектр существующих прогнозных представлений о глубинном строении района бурения
(рис. 2). Не имея возможности подробно охарактеризовать все модели, остановимся на наиболее существенных и принципиально отличающихся.

Страницы: 1, 2, 3