СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ, ГЕОДИНАМИКА

В Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии и в Институте геохимии сложилась новая научная школа в области геодинамики – глубинная геодинамика, которая становится теоретической основой геотектоники. Установлено, что главными регуляторами процессов, происходящих в глубинах Земли, являются двухслойная мантийная конвекция и "мантийные струи", периодически прорывающиеся от границы жидкого ядра в слои верхней мантии и земной коры. В результате в астеносферном слое возникают плоские ячеистые течения протяжённостью много большей, чем толщина астеносферы. Вблизи нагревающей нижней поверхности, из-за неустойчивой стратификации, возникает валиковый слой, оси валиков направлены вдоль основного течения (рис.5.1) и, по-видимому, ответственны за возникновение трансформных разломов. За цикл работ "Глубинная геодинамика" в составе группы авторов академик Н.Л.Добрецов, член-корреспондент М.И. Кузьмин и докт. техн. наук А.Г. Кирдяшкин награждены Государственной премией РФ в области науки и техники за 1997 г.

Рис. 5.1. Схема конвективных течений в мантии при наличии зон субдукции: 1 – океаническая литосфера, 2 – континенталь ная литосфера, 3 – субдуцирующая плита и возможные реститы, 4 — тепловые пограничные слои у кровли и подошвы нижней мантии, 5 – профиль скорости течения (u) в верхней и нижней мантии, 6 – течения в астеносфере и нижней мантии, 7 – возможные течения в переходном слое С; l1 – толщина астеносферы, l2— толщина нижней мантии, dT – толщина тепловых пограничных слоев у границ 670 км и 2900 км; в разрезе А–А показаны конвективные валики в астеносфере и нижней мантии и возможные течения в слое С.

В Геологическом институте ОИГГ составлена "Карта террейнов Байкальского региона и сопредельных территорий" масштаба 1:2 000 000 (рис. 5.2) и создана геодинамическая модель развития региона в рифее и палеозое от этапов деструкции раннедокембрийской континентальной коры, формирования океанических и островодужных комплексов, до этапов превращения региона в коллизионно-аккреционное покровно-складчатое сооружение. На ее базе рассмотрена карта золотоносности Западного Забайкалья, позволившая установить отчетливую приуроченность основных золоторудных узлов к океаническим, островодужным и кратонным террейнам рифей-вендского возраста.

Рис. 5.2. Схема главных террейнов Забайкалья. Северо-Азиатский кратон: 1 – Сибирская платформа; 2–3 – Байкало-Патомский складчато-надвиговый пояс: 2 – рифейские отложения, 3 – раннедокембрийские образования (СH – Чуйский, TN – Тонодский, NR – Нечерский антиклинории). Аккретированные террейны: 4 – кратонные (MS – Муйский, BK – Байкальский, AM – Амалатский, KH – Хамардабанский, GR – Гарганский, PS – Протеросаянский, YB – Яблоновый); 5 – океанические (PM – Парамский, SH – Шилкинский, KS – Хасуртинс кий, AB – Абагинский, IL – Ильчирский); 6 – островодужные (KL – Килянский, OK – Окинский, HS – Хамсаринский, DN – Джидинский, ER – Еравнинский); 7 – турбидитовые (BR – Баргузинский; Монголо-Охотский террейн: MKN – Куналейский, MDR – Даурский, MAG – Агинский субтеррейны); 8 – шельфовые (AN – Аргунский). Разломы: 9 – надвиги, 10 – сдвиги, 11 – с неустановленной кинематикой (1 – Главный разлом Восточного Саяна, 2 – Джелтулакский разлом).

В Институте геологии алмаза и благородных металлов на основе террейнового анализа разработаны принципы и построены обзорные компьютерные геодинамические карты масштаба 1:5 000 000, карты террейнов, перекрывающих и сшивающих образований, палинспастические карты Северо-Востока Азии, Аляски, Канадских Кордильер и о.Хоккайдо начиная с девона и до современности (рис. 5.3). В результате раскрыта тектоническая эволюция севера Тихоокеанского обрамления, увязанная с историей формирования металлогенических поясов территории Северо-Востока Азии.

Рис. 5.3. Пример палинспастической карты раннего мела.

В Институте горного дела методом физического моделирования поведения акустических гармонических сигналов в блочных средах под нагружением доказано, что очаговые зоны динамических форм проявления горного давления на стадиях предразрушения могут уподобляться своеобразной геомеханической "лазерной" системе, т. е. акустически активной среде, способной к когерентному излучению сейсмической энергии (рис. 5.4). Установленный эффект позволил впервые получить кинематическое соотношение для нелинейных деформационных волн от взрывов, обусловленных структурно-иерархическим фактором массивов горных пород и наличием трансляционной компоненты движения геоблоков в стесненных условиях. Это дает объяснение ряду экспериментально обнаруженных феноменов и эмпирических соотношений, ранее не находивших объяснения в рамках традиционных теоретических представлений.

Рис. 5.4. Геомеханическая "лазерная" система. Переход модели из геоматериалов с цилиндрической полостью на стадии предразрушения (а) в акустически активное состояние, характеризующееся конвергенцией резонансных частот по системе блоков (б) и усилением амплитуды гармонических сигналов (в) за счет перехода накопленной упругой энергии структурных элементов в энергию акустических сигналов. I–V – этапы нагружения.

ГЕОФИЗИКА

В Институте земной коры и Институте геологии ОИГГМ построена трехмерная томографическая модель строения мантии под Южной Сибирью. Она показывает, что верхняя мантия в этом регионе имеет ячеистую структуру, а Байкальский рифт расположен вблизи границы холодной и горячей мантии. Низкоскоростная неоднородность под Южным Байкалом, отождествляемая с выступом астеносферы, распространяется от глубины 40 км до глубины не менее 200 км (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Сейсмическая модель строения мантии под Южным Байкалом (разрез ССЗ–ЮЮВ).

Геофизической службой на территории Сибири проведено масштабное переоснащение сейсмологической сети станций новейшей цифровой регистрирующей аппаратурой, а также открыты новые станции в сейсмоопасных регионах Кузбасса, Бурятии, под Новосибирском, в Ханты-Мансийском автономном округе для изучения техногенной сейсмичности, связанной с разработкой крупнейших нефтегазовых месторождений. Создан Региональный информационно-обрабатывающий центр ГС СО РАН, осуществляющий сбор информации и координацию работ территориальных сейсмологических центров на территории Сибири. В результате совместных усилий ряда организаций (ГС, ИГФ, ИВМиМГ СО РАН, СНИИГГиМС) созданы не имеющие мировых аналогов мощные передвижные (40–60 тонн) виброисточники, разработаны и опробованы методики их применения для детального изучения глубинного строения Земли (рис. 5.6.А и 5.6.Б), просвечивания очагов землетрясений, повышения нефтеотдачи пластов.

Рис. 5.6. А. Мощные стационарные (100 тонн) и передвижные (40–60 тонн) виброисточники, используемые при детальных глубинных сейсмических исследованиях.

Рис. 5.6. Б. Графики вариаций полей Р- и S- волн за 5-летний период режимных вибросейсмических наблюдений в районе Новосибирского водохранилища, обусловленные изменением упругих характеристик верхней части земной коры изучаемого региона. Стрелками показаны отражения сигналов от землетрясений класса K = 6,3÷9,3.

В Институте геофизики ОИГГМ на основе комплекса проведенных теоретических исследований и экспериментальных работ в области электромаг нитного каротажа скважин была полностью реализована и широко внедрена на нефтяных предприятиях Западной Сибири оригинальная геофизическая технология обработки и интерпретации данных высокочастотных индукционных зондирований скважин (ВИКИЗ). Наряду с традиционными разработаны алгоритмы и программы быстрого двух- и квазитрехмерного моделирования электромагнитных полей в реальных геологических средах, также реализованы новые подходы к решению обратных задач (рис. 5.7). Работы по нефтяной геофизике в Институте удостоены Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники за 1998 г. (академик С.В.Гольдин в составе группы авторов). В этом же Институте получили развитие теория и методы многоволновой сейсморазведки, основоположник которых академик Н.Н. Пузырев удостоен Государственной премии РФ в области науки и техники за 1999 г.

Рис. 5.7. Фрагменты практической и расчетной диаграмм при пересечении тонкослоистого песчано-глинистого коллектора в одной из скважин Сургутского региона (а) и спектральные амплитуды высокочастотных составляющих диаграмм коротких зондов (б). Шифр кривых – длина зонда (в м).

В Читинском институте природных ресурсов БОИП подтверждено предположение, что из-за неупорядоченности протонов лед должен обладать свойствами стекла. В результате экспериментов по измерению электромагнитных потерь пресного льда в сверхвысокочастотном диапазоне при длительной выдержке образцов впервые установле но, что фактор потерь (мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости) изменяется с течением времени (рис.5.8), что объясняется хаотическим изменением структуры льда при вариациях температуры. Полученный результат позволяет изучать свойства льда и мерзлых сред как стекол бесконтактными радиоволно выми методами, особенно эффективными при исследовании природных сред, для которых невозможно использовать оптические методы.

В Институте горного дела Севера ОИМЗиОПРК экспериментальными исследованиями выявлен эффект накопления заряда на контрастных границах раздела сред при георадиолокационном зондировании, что позволило разработать новый метод электроразведки мерзлых толщ – метод динамического накопления заряда, который в комплексе с методом переходных процессов дает возможность выделять в георадиолокационном разрезе зоны повышенной и пониженной проводимости, а следовательно, проводить качественную и количественную оценку состояния исследуемой среды (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Результаты георадиолокации мерзлых пород без раздела сред (а) и с эффектом накопления заряда на контрастной границе раздела сред (б).

МИНЕРАЛОГИЯ, ПЕТРОГРАФИЯ, РУДОГЕНЕЗ

В Институте минералогии и петрографии ОИГГМ сделан ряд уникальных открытий, связанных с генезисом алмазов в земной коре и в эксперименте. Разработан метод диагностики микроалмазов (рис. 5.10, а) в минералах метаморфических пород, позволивший впервые обосновать, что давления при метаморфизме пород земной коры могут превышать 40 кбар. Это дало возможность существенно расширить схему фаций метаморфизма в сторону высоких давлений и в значительной степени предопределить открытие алмазоносных метаморфических пород в различных регионах мира (Казахстан, Германия, Греция, Норвегия). Совместно с Институтом геологии на основе полученных данных разработана модель многостадийной эксгумации пород сверхвысоких давлений с глубин, превышающих 120 км. За выдающийся вклад в развитие метаморфической геологии и исследование минерально-сырьевой базы Урала и Сибири академику Н.Л. Добрецову в 1999 г. присуждена общенациональная неправительственная Демидовская премия. На основе полученных данных разработана модель многостадийной эксгумации пород сверхвысоких давлений с глубин, превышающих 120 км.

Рис. 5.10, а. Включения микроалмазов в кристалле циркона (размер 200 микрон по максимальному удлинению) из метаморфических пород Кокчетавского массива (Казахстан).		Рис. 5.10, б. Кристалл синтетического алмаза массой 6 карат, выращенный на многопуансонном аппарате высокого давления.

В том же Институте впервые получены экспериментальные доказательства кристаллизации алмаза в щелочных карбонатных и карбонат-флюидных системах, моделирующих глубинные мантийные условия Земли, что является реальной основой для разработки карбонатной модели алмазообразования в магматических и метаморфических процессах. На многопуансонной аппаратуре высоких давлений впервые в мировой практике реализовано выращивание ювелирных алмазов массой до 6 карат с заданными свойствами (рис. 5.10, б).

В КТИ монокристаллов ОИГГМ для моделирования посткристаллизационных процессов проведены эксперименты по высокобарическому отжигу алмазов и взаимодействию их с силикатными расплавами. При температуре 2000°С и давлении 70 кбар наблюдалось перемещение включений Fe–Ni сплава в кристаллах алмаза со скоростью ~0,005 мм/ч в направлении температурного градиента в ячейке высокого давления (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Фотографии включения Fe–Ni сплава в кристалле алмаза до (а) и после (б) отжига (t = 25 ч).

В Институте геологии ОИГГМ раскрыт механизм формирования новых типов платиновых месторождений, связанных с расслоенными трапповыми интрузиями Сибирской платформы; детально изучено внутреннее строение магматических тел, петрография, минералогия и геохимия главных типов пород расслоенных интрузий, онтогения главных породообразующих минералов траппов. Впервые в России обнаружены месторождения Pt-малосульфидных руд и установлен ранее неизвестный бессульфидный тип платиновых руд. Созданы паспорта эталонных типов пород на примере магматических комплексов Норильского района. Разработана генетическая модель формирования рудоносных расслоенных интрузий, важная роль в которой отводится флюидно-магматической дифференциации расплава.

В Институте земной коры открыты новые минералы: хромфиллит KCr₂[AlSi₃O₁₀](OH,F) ₂ из группы слюд (хромовый аналог мусковита); одинцовит K₂Na₄Ca₃Ti₂ Be₄Si₁₂О₃₈, сложный силикат бериллия с оригинальной структурой (минерал обнаружен в щелочных породах Мурунского массива); ванадиодравит NaMg₃V₆[Si₆O₁₈ ][BO₃]₃(OH)₄ из группы турмалина. Исследована уникальная серия турмалинов дравит–ванадиодравит–хром дравит, включающая бинарные непрерывные изоморфные ряды и тройные смеси во всем диапазоне (рис.5.12). Минералы утверждены национальной и международной комиссиями по новым минералам.

Рис. 5.12. Изоморфная серия турмалинов дравит–ванадиодравит–хромдравит. Серым фоном залито поле нового минерала – ванадиодравита.

НАФТИДОГЕНЕЗ

В Институте геологии нефти и газа ОИГГМ впервые в мировой практике разработаны критерии прогноза и поисков нефтегазоносных бассейнов в районах с интенсивным проявлением траппового магматизма, изучена геохимия докембрийских и фанерозойских нафтидов и основных нефтепроизводящих пород. Это позволило на основе биомаркерных признаков выделить два царства и несколько семейств нафтидов. Показано, что нефти первого царства образовались из морского органического вещества, нефти второго – из высшей наземной растительности (рис. 5.13). Биомаркеры позволяют точно идентифицировать материнскую нефтепроизводящую породу, что является важным при прогнозно-оценочных и поисковых работах. Теоретические обоснования, подкрепленные открытием более 20 месторождений нефти и газа, показали высокий ресурсный потенциал углеводородов Сибири. За цикл работ в области прогноза, разведки и разработки газовых месторождений Крайнего Севера Сибири в числе группы авторов докт. геол.-мин. наук Ю.Н. Карагодину в 1998 г. присуждена Государственная премия РФ в области науки и техники.

Рис. 5.13. Дифференциация нефтей на царства и семейства по величине трицикланового индекса и изотопному составу насыщенной фракции углеводородов. Царство морских нефтей (1): 1 – нефти венда и нижнего кембрия Непско-Ботуобинской антеклизы (семейство 1-2), 2 – нефти рифея Байкальской антеклизы (семейство1-1), 3–4 – нефти кембрия Приенисейской зоны (семейства 1-1, 1-2?), 5 – нефти верхней юры – нижнего мела Енисей-Хатангского прогиба (семейство 1-3). Царство континентальных нефтей (2): 6 – нефти перми и нижнего триаса Вилюйской синеклизы, 7 – нефти нижней и средней юры Енисей-Хатангского прогиба; 8 – поле морских нефтей, 9 – поле континентальных нефтей.

В Институте проблем нефти и газа ОИФТПС на основе корреляции молекул-биомаркеров выделено два новых генетических семейства нефтей. Первое из них (северный склон Алданской антеклизы, средний кембрий) может быть генетически связано с куонамским горючесланцевым комплексом. Для второго (Южно-Тигянская пл., нижняя пермь) предполагается генетическая связь с девонскими соленосными отложениями. В вендских битумах Оленёкского поднятия впервые идентифицированы деметилированные трициклоалканы (рис.5.14) – свидетельство их интенсивной бактериальной деградации. Во всех верхнепалеозойских и мезозойских нефтях Вилюйского бассейна идентифицирован 17a(Н)-диагопан – биометка, типичная для континентальных, часто угленосных, формаций материнских отложений. По комплексу биомаркеров и изотопному составу углерода все нефти прекрасно коррелируются между собой, что свидетельствует об едином (пермском) генетическом источнике.

Рис. 5.14. Масс-спектры деметилированного трициклана С22. Битум Центральнооленёкского поля.

В Институте угля и углехимии установлены закономерности аэрогазового обмена на границе "очистной забой – выработанное пространство" при наиболее распространенной на шахтах РФ комбиниро ванной схеме управления газовыделением на выемочном участке. Разработанный на этой основе метод впервые обеспечил определение области горнотехнологических условий, в которых максимальная производительность забоя достигается только при комплексном управлении газовыделением, включающем и способы дегазации основных источников. На базе установленных закономерностей получены решения прикладных задач по оценке ресурсов метана с их дифференцированием по физическому состоянию и с обоснованием производительности систем использования попутного газа на действующих и закрытых шахтах (рис. 5.15).

В оглавление

Далее

Ваши комментарии Обратная связь

[СО РАН] [ИВТ СО РАН]

© 1996-2014, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск
© 1996-2014, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
    Дата последней модификации: Tuesday, 12-Mar-2002 14:50:32 NOVT