Прогноз напряженно-деформированного состояния литосферы Нижнего Поволжья и его прикладное значение

Актуальность работы.

Процессы, происходящие в земной коре, сопровождаются изменением ее напряженного состояния. Актуальность изучения напряженного состояния земной коры для решения различных геологических задач очевидна и подтверждена работами многих исследователей ранее [14, 30, 32, 35, 48, 54, 91, 93, 100, 101 и др.]. Необходимость постановки таких исследований в пределах юго-востока Восточно-Европейской платформы и, в частности, в районе Нижнего Поволжья, диктуется пересмотром основополагающих концепций развития указанного региона. Прежде всего, это новые представления о геодинамике, сейсмичности, структуре земной коры, условиях формирования и размещения полезных ископаемых [51, 57, 61, 102]. Все отмеченные процессы, будучи взаимосвязанными, так или иначе находят отражение в полях напряжений. Результатом релаксации напряженного состояния являются проявления динамики недр. Поэтому, если идти от обратного, т. е. исследовать геодинамику, а на ее основе — аномалии напряженно-деформированного состояния (АНДС), то можно подойти к познанию процессов, приводящих к возникновению АНДС. Среди этих процессов: флюидный режим, структурообразование, интенсивность протекания которых определяет и интенсивность проявления геодинамики. Это позволяет на базе изучения АНДС выработать совокупность критериев, позволяющих прогнозировать как сами АНДС, так и находящиеся с ними в генетической взаимосвязи различные геологические объекты в зависимости от поставленной цели, будь это поиски месторождений полезных ископаемых, прогноз и оценка сейсмической опасности, либо решение других геологических задач.

Основные фундаментальные представления о распределении аномалий напряженного состояния в литосфере, их связи с деформациями земной коры и размещением полезных ископаемых были высказаны В. В. Белоусовым, В. П. Гавриловым, М. А. Гончаровым, Б. В. Григорьянцем, П. И. Дворецким, Н. В. Короновским, О.Jl. Кузнецовым, В. Е. Хаиным и др. В меньшей степени эти работы были применены к платформенным территориямсреди них можно отметить работы А. Ф. Грачева, В. Ю. Зайченко, O.JI. Кузнецова, В. А. Магницкого, Ш. А. Мухамедиева, А. В. Овчаренко, В. А. Огаджанова, А. И. Петрова, Л. Н. Розанова, В. А. Трофимова, В. И. Шарова, Ю. К. Щукина, С. Л. Юнги и др. Применительно к территории Нижнего Поволжья исследования, нацеленные на физико-геологическое обоснование прогнозирования АНДС при решении геологических задач, не проводились. Цель работы.

Обосновать методы прогноза сейсмической опасности и нефтегазоносно-сти территории Нижнего Поволжья на основе изучения геолого-геофизических критериев проявления аномалий напряженно-деформированного состояния в литосфере.

Основные задачи исследований.

— исследовать распределение и генезис напряжений в земной коре территории Нижнего Поволжья;

— определить геолого-геофизические критерии проявления аномалий напряженно-деформированного состояния в земной коре исследуемой территории;

— изучить и обосновать возможность использования геолого-геофизических данных об аномалиях напряженно-деформированного состояния для задач прогноза сейсмической опасности и нефтегазоносности в пределах Нижнего Поволжья.

Научная новизна.

При решении задач, поставленных в работе, получены следующие результаты:

— исследован генезис аномалий напряженно-деформированного состояния в земной коре Нижнего Поволжья;

— получены количественные характеристики напряжений различного генезиса в литосфере крупных геоструктур Восточно-Европейской платформы;

— выработаны физико-геологические критерии аномалий напряженно-деформированного состояния земной коры в пределах исследуемого региона;

— исследована и теоретически обоснована связь нефтегазоносности и геоди-намически активных зон с геостатическими напряжениями в земной коре;

— обоснованы возможности использования различных геолого-геофизических методов для выявления аномалий напряженно-деформированного состояния на территории Нижнего Поволжья.

Практическая ценность.

Результаты исследований могут быть использованы для решения следующих задач:

— поисков месторождений углеводородов на региональной и поисковой стадии геологоразведочного процесса;

— прогноза сейсмической опасности, включающего выделение зон возникновения очагов землетрясений и оценку их параметров.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований по определению прогнозных магнитуд использованы при оценке сейсмотектонических условий района расположения особо ответственных объектов.

Результаты расчета горизонтальных градиентов геостатических напряжений использованы при построении схемы прогноза нефтегазоносности Саратовского участка Поволжья, а также схемы аномалий напряженно-деформированного состояния земной коры Нижнего Поволжья в рамках задач МПРРФ.

Защищаемые положения 1. Аномалии напряженно-деформированного состояния в литосфере Нижнего Поволжья и сопредельных территорий обусловлены давлением обрамляющих Восточно-Европейскую платформу орогенов и автономными процессами дилатационного генезисана значительном удалении от фронтов горизонтального сжатия аномалии напряжений являются в большей мере следствием геостатического давления горных пород на поверхность дилатационно-разуплотненных слоев.

2. Физико-геологические модели зон аномального напряженного состояния земной коры являются основанием для прогноза аномалий напряженно-деформированного состояния комплексом геофизических и геодинамических методов.

3. Существует связь между месторождениями углеводородов, очагами землетрясений и аномалиями геостатических напряжений кристаллического фундамента земной коры Нижнего Поволжья.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции, посвященной памяти профессора В. В. Тикшаева «Геология и минеральные ресурсы юго-востока Русской платформы» (Саратов, 1998), семинаре «Использование результатов геофизических исследований на региональных профилях при геологическом изучении недр» (Дубна, 1999), конкурсе молодых ученых и специалистов НВ НИИГГ (Саратов, 1999), Всероссийской научной конференции «Геология Русской плиты и сопредельных территорий на рубеже веков» (Саратов, 2000), Всероссийском совещании «Геодинамика и техногенез» (Ярославль, 2000), региональном совещании «Основные направления геологоразведочных работ в Поволжско-Прикаспийском регионе на 2001 год и последующие годы» (Саратов, 2000).

Использованный материал.

В основу диссертационной работы положены результаты исследований, проводимых автором в качестве соисполнителя научно-исследовательских тем и геологоразведочных проектов, выполняемых в рамках задач МПР РФ за период 1995 — 2001 гг. Государственные регистрационные номера: 8.

01А.6.3/002(356) — 1 423 636 351- 1 423 636 464- 1 423 636 528. Кроме того, были использованы полевые материалы, полученные в результате личных наблюдений автора в процессе его деятельности в 1995 и 1999 — 2001 гг. Помимо этого широко использованы данные из литературных и фондовых источников, указанных в библиографии.

Публикации.

Содержание диссертации опубликовано в девяти работах.

Объем работы.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения, общим объемом 123 машинописных страницы, в том числе 10 таблиц, 31 рисунка и списка литературы из 104 наименований.

Автор выражает глубокую признательность за научное руководство и помощь на всех этапах написания диссертационной работы д.г.-м.н. В.А. Огаджа-нову.

Автор искренне благодарен к.ф.-м.н. А. А. Назарову за консультации и помощь в расчетах на ПЭВМ.

Большую помощь советами и замечаниями по работе на ее завершающей стадии оказали д.ф.-м.н. В. П. Губатенко и к.т.н. А. И. Золотарев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Динамика литосферы в пределах Поволжья обусловлена напряжениями, возникающими вследствие давления обрамляющих Восточно-Европейскую платформу орогенов и автономными процессами дилатационного генезиса, определяющими возможность деформации горных пород на поверхности дилата-ционно-разуплотненных слоев под действием геостатического давления и, наряду с этим, проникновением в мантию и земную кору глубинных диапиров, обусловливающих наличие напряжений в пределах локальных участков прилегающих к ним горных пород. Эти обстоятельства обосновывают использование геодинамического подхода при решении различных геологических задач в пределах исследуемого региона.

Геодинамический подход основан на выявлении геолого-геофизических критериев, характеризующих динамику недр, являющуюся следствием релаксации напряжений в литосфере. Анализ этих критериев позволяет провести сравнительную оценку влияния генетически различных напряжений на геодинамическую активность территории. Установленная связь напряжений в литосфере и геодинамики с сейсмичностью и нефтегазоносностью позволяет решать задачу прогнозирования последних на основании геолого-геофизических критериев проявления геодинамической активности.

Прогноз магнитуд возможных землетрясений, очаги которых располагаются в верхней части земной коры, на территории Нижнего Поволжья целесообразно строить на основании расчета геостатических напряжений. Вклад в сейсмический потенциал горизонтальных напряжений, возникающих вследствие давления орогенов, повышается при рассмотрении больших глубин возникновения очагов землетрясений в юго-восточной части территории, ограниченной с северо-запада системой Волго-Камских разломов, являющихся зоной разгрузки этих напряжений. Таким образом, учет последних имеет смысл при проведении региональных работ по сейсмическому районированию ВосточноЕвропейской платформы в целом.

Зоны нефтегазонакопления приурочены к областям аномальных напряжений в литосфере. На территории Нижнего Поволжья региональные перспективы нефтегазоносности более высоки в юго-восточной части, ограниченной с северо-запада системой Волго-Камских разломов, где относительно высоки горизонтальные напряжения, обусловленные движением мегаблоков.

Вместе с тем, выявлена связь месторождений углеводородов с горизонтальными градиентами геостатических напряжений.

Релаксация геостатических напряжений, вызванных действием силы тяжести, происходит на поверхности разуплотненного слоя, выявленного в толще кристаллического фундамента. Возникающие при этом сдвиговые деформации имеют место на участках сочленения различающихся по плотности в латеральном направлении блоков горных пород. Зоны этих деформаций характеризуются повышенной проницаемостью и служат каналами вертикальной миграции углеводородов. Локализация таких зон возможна как с помощью прямого расчета горизонтальных градиентов геостатических напряжений, так и на основе комплексного анализа данных о новейших тектонических движениях и грави-разведки, поскольку гравиразведка позволяет выявить плотностные неоднородности в пределах фундамента, а новейшие движения характеризуют динамическую активность, являющуюся отражением существующей в настоящее время плотностной дифференциации горных пород.

Связь месторождений углеводородов с горизонтальными градиентами геостатических напряжений подтверждена результатами статистического моделирования.

Таким образом, в результате проведенных исследований, задачи, поставленные в работе, были решены и получены результаты, позволяющие сделать следующие основные выводы:

1. Поволжье является одним из наиболее напряженных в тектоническом отношении участков Восточно-Европейской платформы, находясь в районе сочленения основных геоструктур: Прикаспийской впадины, Волго-Уральской антеклизы, Воронежского кристаллического массива, Пачелмского ав-лакогена и Волго-Камского глубинного разлома. Наличие здесь АНДС является следствием автономных процессов, обусловленных дилатационным расширением и разуплотнением вещества литосферы, способствующих возникновению инверсий плотности на глубине, последующих адвективных движений и проникновением в земную кору диапиров. В частности, в районах Прикаспийской впадины, Воронежского кристаллического массива и Пачелмского авлакогена обнаружены такие диапиры. Дилатационное расширение слагающих их пород обусловливает нарастание горизонтальных составляющих напряжений. В результате формируются зоны сжатия в пределах прилегающих к диапирам пород. Геостатическое давление горных пород на поверхность разуплотненного слоя, выявленного в пределах кристаллического фундамента, обусловливает возникновение вертикальных напряжений в земной коре. Кроме того, развитие зон АНДС определяется действием сжимающих усилий со стороны складчатых сооружений Кавказ — Копетдагского пояса на эпигерцинскую платформу в направлении с юго-запада на северо-восток и в том же направлении эпигерцинской платформы на докембрийскую. Релаксация напряжений происходит по зонам глубинных разломов, в частности, по разломам Волго-Камской системы.

2. Физико-геологические модели АНДС строятся на основании связи напряжений в земной коре с зонами динамической активностихарактер проявления последних в геофизических полях, геологических и структурно-тектонических особенностях строения земной коры территории позволяет определить оптимальный комплекс геолого-геофизических методов для прогноза АНДС.

3. Прогноз месторождений углеводородов на территории Нижнего Поволжья и расчет прогнозных магнитуд возможных землетрясений для северозападной части изучаемого региона, ограниченного с юго-востока системой Волго-Камских разломов, может проводиться на основе изучения АНДС, обусловленных геостатическими напряжениями в земной коре. Эти АНДС возникают вследствие деформации толщ горных пород на поверхности ди-латационно-разуплотненного слоя и приурочены к зонам наиболее резких изменений плотности горных пород по латерали.