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 восточнойчасти 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, 0_2-3 ).

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 S₁ l_{1-2 .} В первую объединяются породыбазальтового 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 S₁ l), отдельные мелкие тела габбро и плагиогранитов размещаются к западу и востоку от него.

Восточнее кабанского комплекса, отделяясь от него разломом, развиты отложения флишоидной толщи (S₁ l₃ -v₂ ¹ ) — 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 (S₁ l_1-3 -S₁ v₂ ² ) 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 обособляетсяпачка 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 (S₂ p—D₁ l). 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 (D₁ p-D₂ ef) 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 (S₁ l₃ —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

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


29-04-2015, 00:27