Геофизические данные о флюидах в земной коре

Поспеев А. В. Геофизические данные о флюидах в земной коре // Геофизические исследования в
Восточной Сибири на рубеже XXI века: Сб. науч. тр. - Новосибирск: Наука. Сибирская
издательская фирма РАН, 1996. - С. 38-42.
Геофизические данные о флюидах в земной коре
А. В. Поспеев ГГП
"Иркутскгеофизика"
Установление факта повышенной проводимости средней-нижней коры явилось достаточно
неожиданным
результатом
первых
магни-тотеллурических работ, выполненных в условиях умеренной и малой мощности осадочного
разреза. Это связано с тем, что сопротивление
кристаллических горных пород в приповерх-ностной
части разреза до уровня первых километров по
данным малоглубинных зондирова
38
нии, как правило, составляет тысячи десятки и сотни тысяч ом-метров (Омм).
Результаты петрофизических измерений в
условиях высоких давлений и температур также
показывают, что большинство горных пород,
слагающих кристаллическую часть тектоносфе-ры, в
интервале температур ниже солидуса обладают
сопротивлением значительно выше наблюденного в
естественном залегании. Для термобарических
условий, соответствующих середине
проводящего слоя в верхней части литосферы эта
разница составляет 3-6 порядков. Даже наблюдаемое
у целого ряда горных пород, имеющих в составе
водосодержащие минералы, явление дегидратации
вызывает падение сопротивления на 1-1.5 порядка до
уровня, который в среднем значительно превышает
наблюдаемый.
В силу этого изучение проводящего слоя в
диапазоне глубин верхней литосферы в различных по
тектонической активности и истории геологического
развития регионах, а также обоснование его
физико-геологической
модели
представляют
большой научный и прикладной интерес.
Восточная Сибирь относится к числу
регионов, характеризующихся достаточно высокой
изученностью
методом
МТЗ.
Глубинные
магнитотеллурические зондирования проводятся
здесь в течение более, чем трех десятилетий в
составе широкого комплекса геофизических, в том
числе электромагнитных, методов при решении
широкого круга геологических задач -регионального
картирования поверхности фундамента при поисках
нефти и газа, уточнении сейсмических и
геологических условий строительства трассы БАМ,
изучения
алмазоносных,
кимберлитовых
и
золоторудных провинций и т.п.
В пределах изученной части Восточной
Сибири литосферный проводящий слой (ЛПС)
характеризуется значительными вариациями своего
положения.
Так, в обширном районе, включающем
Ангаро-Ленскую ступень и Непско-Ботуобин-скую
антеклизу, кровля ЛПС отмечается на глубинах 2535 км, а проводимость не превышает 250 См,
понижаясь в отдельных зонах до 150 См. Синеклизы
отмечаются приближением проводящего слоя до
15-20 км и увеличением его проводимости до
500-700 См.
Значительно более контрастно выражен
литосферный проводящий слой в пределах горного
обрамления платформы. Наиболее изученная его
часть включает северо-запад Байкальской рифтовой
зоны. Здесь средняя глубина до кровли слоя
составляет около 11 км. Зоны высокого положения
проводящего слоя по изолинии 8 км отмечаются в
осевой
части
Нижнеангарской
впадины,
Верхнеангарско-Муйской
межвпадинной
перемычке,
южной
части Кодаро-Удоканского
прогиба.
Погруженное положение кровли проводящего слоя характерно для северной части
Баргузинского хребта, Предбайкальского прогиба
Сибирской платформы, а также южной части
Муйско-Чарской перемычки (20-30 км). Менее
значительное погружение отмечается в верховьях р.
Верхней Ангары, среднем течении р. Ципы, в осевой
части Муйской и восточной части Токкинской
впадины (15-20 км).
Проводимость корового проводящего слоя в
целом обратно пропорциональна глубине его
залегания. Наименьшая проводимость в изученном
регионе свойственна проводящему слою на
Сибирской платформе, где ее величина G в ЛПС
составляет 300-500 См. От 500 до 100 См колеблется
проводимость ЛПС в Становой области (профиль
Чара-Тында) и в пределах Муй-ского офиолитового
пояса. В остальной части изученной территории
проводимость колеблется от 1500 до 4000 См, что
по-видимому, нормально для корового слоя при
средних глубинах его залегания в активных
регионах.
Мощность
слоя
определяется
приближенно и составляет 20-40 км.
В первые годы после открытия ЛПС, как
регионально распространенного объекта в литосфере
существовали различные точки зрения на природу
этого слоя. В числе гипотез были твер-дофазовые
(графит, сульфиды, железистые минералы и т.п.),
плавления, водно-метаморфическая.
Последняя впервые была выдвинута В.И.
Поспеевым (9) и позже Р.Д. и Д.В.Хиндманами (12).
Ее суть состоит в образовании свободного
надкритического водного флюида за счет прогрессивного
метаморфизма
водосодержащих
минералов в диапазоне температур 400 - 800 °С.
В
последствии водно-метаморфическая
гипотеза стала основной, поскольку были определены две группы факторов, с которыми она
согласуется. Во-первых, положение литосфер-ного
проводящего слоя проявило корреляцию с
положением корового сейсмического волновода,
особенно хорошо проявляющуюся в активных
регионах, например в Байкальской рифтовой зоне
(7). Во-вторых, глубина кровли ЛПС отчетливо
коррелируется с региональным тепловым потоком,
на что обратил внимание А.Адам (11).
Вывод о наличии в средней и нижней частях
земной
коры
активных
регионов
флю-идонасыщенного слоя следует не только из данных интерпретации электромагнитных методов. В
самые первые годы работ методом ГСЗ в пределах
Байкальской рифтовой зоны на основании
интерпретации годографов рефрагиро-ванных волн
группой
новосибирских
исследователей
был
выделен коровый волновод, в пределах которого
скорости продольных волн понижаются примерно на
0.4 км/с.
39
С проведением детальных исследований
методом ГСЗ были получены скоростные разрезы
земной коры в модели пластовых скоростей. В
целом, на изученных профилях северо-запада БРЗ
единого протяженного волновода по этим данным не
отмечается, хотя практически в пределах каждого
локального сечения может быть выделено либо
понижение скорости в каком-либо интервале глубин,
либо резкое изменение градиента нарастания
скорости с глу-биной Погоризонтное осреднение
локальных разрезов с целью сглаживания влияния
вариаций литологии кристаллической коры на ее
скоростную структуру позволяет получить средний
скоростной разрез изученного участка. Его
сопоставление со средним разрезом сопротивлений
показывает полное совпадение интервала понижения
скорости сопротивления.
Наиболее ярким свидетельством существования зоны флюидонасыщения в верхней части
земной коры северо-запада БРЗ служит наличие в
пределах Ангаро-Витимского батолита зон, в
пределах которых скорости в кристаллических
породах меньше, чем скорости в гранитоидах.
Поскольку горные породы в этом районе
эродированы до глубин 15-20 км, мета-морфизованы
до гранулитовой фации, практически единственным
вариантом геологической интерпретации этих зон
является повышение пористости гранитоидов.
Анализ данных глубинных ОГТ, полученных
на восточном борту Рейнского грабена позволил
Вензелю и Сандмайеру (14) выделить следующие
особенности скоростного строения земной коры,
связанные с наличием в ней флюидов. В первую
очередь, это зона понижения скорости, наиболее ярко
выраженная в продольных волнах. Верхняя граница
зоны определяется на глубинах 6-8 км, а
относительное понижение скорости составляет около
0.4 км/с. Ниже, с глубин около 14 км, фиксируется
зона
резкой
скоростной
дифференциации.
Непосредственно на разрезе ОГТ она выражена в
виде интервала с существенным изменением
особенностей сейсмической записи - наличием
многочисленных сильных отражений с короткими
осями синфаз-ности в диапазоне времен 5-7 с.
При этом сейсмогеологические характеристики верхней коры и подстилающей ее кристаллической толщи значительно отличаются. В
работе Мейснера и Вивера (13) на основании анализа
данных глубинных ОГТ выделены свойственные для
верхней и средней-нижней коры так называемые
"сейсмические
крокодилы"
и
"ламелли"
соответственно. К первым относятся участки резко
несогласного группирования сильных отражении на
40
мигрированных
разрезах.
"Сейсмические
крокодилы" отмечаются в основном в достаточно
прогретых в настоящее время районах с интенсивной
тектоникой.
Их геологическую природу авторы связывают с наличием крутых тектонических контактов
отдельных блоков земной
коры, значительно
различающихся по физическим свойствам.
В отличие от этого в средней и нижней коре
выделяются сейсмические объекты типа "ламелли",
представляющие
собой
субгоризонтальные
слабопротяженные серии сильно отражающих
площадок. Этажи развития двух отмеченных разных
типов сейсмических объектов не пересекаются.
Все это приводит к заключению, что
основной причиной формирования "ламинарной"
структуры средне-нижней коры активных регионов
является ее флюидизация.
Изменение не только удельного электрического
сопротивления
среды
и
ее
сейсмо-геологических характеристик, но и реологических свойств - важное физическое следствие
этого. Рассчитанные в работе Мейснера и Вивера
(13) характеристики вязкости коры в зависимости от
регионального поверхностного теплового потока
показывают, что с реологической точки зрения она
может быть разделена на верхнюю хрупкую и
подстилающую ее нижнюю пластичную зоны.
Близкая точка зрения изложена и в работе
С.Н.Иванова (3), который рассматривает вероятную
природу сейсмических границ в земной коре
континентов.
Он
считает,
что
широко
распространенный
литологический
подход
в
объяснении геологической природы глубинных
сейсмических границ не позволяет получить
непротиворечивые
модели
верхней
части
литосферы.
Автор отмечает, что в результате наличия в
коре
двух
зон
флюидогенерации
и
флюидонасыщения, - а также зоны гидратации
горных пород, расположенной выше, раздел между
которыми приблизительно совпадает с геоизотермой
350°С, могут быть образованы часто встречамые в
земной коре границы К1 и К2. Важнейшая
особенность строения коры, по мнению С.Н.Иванова
- значительное различие ее реологических свойств по
вертикали. В силу равенства порового давления
флюида литоста-тическому породы средней-нижней
коры отличаются меньшей (по сравнению с верхней)
прочностью, вследствие чего по границе раздела
слоев при наличии односторонних напряжений
возможно перемещение коровых
пластин. В этом случае граница перемещения (по
С.Н.Иванову - "отделитель") является не только
фазовой или вещественной, но и физической
границей.
Поскольку геологам давно известны свидетельства значительных перемещений коровых
пластин по горизонтали, реальность подобной
модели представляется весьма вероятной.
Источником водных флюидов во "внутренней гидросфере Земли", проявляющейся в
электромагнитных данных в виде ЛПС, могут быть:
- проникающие с дневной поверхности
метеорные воды;
- флюиды, высвобождающиеся в результате
дегидратации водосодержащих минералов при
погружении пород в геотермические условия
зеленосланцевой
и
амфиболитовой
фаций
метаморфизма;
- поступающие с нижних горизонтов мантии
глубинные флюиды.
Что касается метеорных вод, то Кольской
сверхлубокой
скважиной
установлена
зона
свободной циркуляции поверхностных вод до
глубин около 1 км (4). Близкие оценки мощности
зон экзогенной проработки кристаллических горных
пород в горном обрамлении рифтовых впадин
получены нами ранее (1).
Судя по значениям электрического сопротивления пород и гравитационному эффекту зон
экзогенной проработки, суммарная пористость в их
пределах может достигать 5-7%. Дегидратация
водосодержащих минералов является одним из
первых механизмов, который привлекался для
объяснения аномалий электропроводности в земной
коре, что следовало из интерпретации данных
измерений электропроводности горных пород при
высоких давлениях и температурах (7).
В реальных геологических условиях конкретный вклад каждого из возможных механизмов
транспортировки флюидов в значительной степени
зависит от геодинамической обстановки региона.
Совершенно
естественно,
что
необходимым
условием протекания процессов дегидратации
служит прогрев горных пород выше температур
300-400°С, который может происходить только при
нисходящих тектонических движениях коры.
Поскольку
участки
значительного
проги-бания земной коры занимают относительно
небольшие площади континентальной части Земли,
процессы дегидратации могут обеспечить лишь
незначительную (в пределах десятой доли от общего
объема) часть внутренней гидросферы.
Фактический вклад дегидратации, по всей
видимости еще ниже, так как значительная часть
территории регионов, характеризующихся развитым
литосферным проводящим слоем, устойчиво
воздымается на протяжении длительного периода
геологического времени. Так, район Байкальской
рифтовой зоны, значительная часть Сибирской
платформы вне зоны развития мезозойских
отложений, большая часть территории Забайкалья
характеризовались восходящим или стабильным
режимом развития в период после позднего
палеозоя. Величина эрозионного среза, в частности в
северном Прибайкалье, составляет 10-15 км.
Следовательно, на протяжение всего периода
времени в верхней коре региона протекали процессы
прямо противоположной природы, т.е. охлаждения и
гидратации пород коры, пододвигающихся к
эрозионному срезу.
Более того, рассматривая проблему наличия
свободной воды в тектоносфере в глобальном плане,
следует отметить, что сегодняшнее состояние
водной оболочки результат соответствующей
длительной
медленной
дегазации
мантии.
Появление водной оболочки на Земле отмечается в
позднем архее. С тех пор объем воды в
геологическом масштабе времени непрерывно
возрастает (2). Поскольку внешние относительно
планеты источники воды практически ничтожны,
необходимо признать механизм восходящего
движения глубинного флюида главным источником
флюидов как в тектоносфере, так и во внешних
оболочках Земли.
Дегидратационные процессы в этом аспекте
всегда вторичны, так как для их протекания
необходимо
наличие
пород,
обладающих
кристаллизационной водой.
Одной из наиболее непротиворечивых
гипотез, позволяющей объяснить образование воды
в пределах геотермического интервала 400-800°С,
является
гипотеза
Ф.А.Летникова
(5).
В
соответствии с ней вода образуется в результате
окисления
мантийного
водорода,
который,
взаимодействуя с железосодержащими минералами
коры и мантии, восстанавливает Fe3+ до Fe2+.
Появление воды в свободном состоянии значительно
изменяет не только реологические свойства среды,
но и приводит к понижению темпепературы
солидуса пород до 600-800 °С, что может вызвать
появление отдельных очагов частичного плавления с
образованием кислых магм.
Учитывая наиболее высокие диффузионные
свойства водорода, этот механизм, по всей
видимости, можно считать основным, хотя, судя по
наличию определенного количества
41
воды в мантийных породах на достаточно больших
глубинах (10), какое-то количество водного флюида
также диффундирует в тектоносфере наряду с
другими газовыми фазами (СО2, СH4 и др.).
Количество воды в геотермическом диапазоне ее генерации, исходя из гипотезы Ф.А.
Летникова, зависит от общего количества водорода в
мантийном флюиде. С этой точки зрения весьма
.интересна зависимость проводимости литосферного
проводящего слоя от средней плотности верхней
части земной коры.
Так, в пределах северо-запада БРЗ, в
кристаллическом цоколе выделяются зоны с
существенно
гранитизированной
(например
Ан-гаро-Витимский батолит) и основной - ультраосновной корой (район Муйского офиолитового
пояса). Средние плотности верхней части земной
коры для этих зон составляют соответственно
2.65-2.70 и 2.85-3.00 г/см3. Средние проводимости
ЛПС, соответственно - 2500 и 800 См.
Геологической причиной подобного явления
с позиций гипотезы о водородной водоге-нерации
могут быть значительные отличия в количестве
мантийного
водорода,
поступающего
в
гранитизированные области. Это, в какой-то мере
согласуется с выводами (6) о необходимости
длительной проработки нижней и средней коры
водой и щелочами для ее гранитизации.
Объемная доля флюида, заключенного во
"внутренней гидросфере
Земли",
полученная
независимо по различным геофизическим и
геологическим данным, в активных регионах
составляет 2-3% и более.
Изучение
геологического
феномена
флюидизации верхней части литосферы может иметь
большое значение не только в общенаучном плане.
Водные растворы наряду с магматическими
флюидами являются накопителем и транспортером
рудных веществ, в связи с чем динамика развития
флюидных систем важна для распознавания
особенностей формирования региональных рудных
систем для широкого спектра полезных ископаемых.
Дальнейшие комплексные глубинные исследования
тектоносферы
различных
по
геологическому
строению реги
42
онов несомненно позволят получить новые данные по
этой проблеме.
Список литературы
1. Геология и сейсмичесность зоны БАМ. Глубинное строение. 1 Письменный Б.М., Алакшин
А.М., Поспеев А.В., Мишенькин Б.П. -Новосибирск:
Наука, 1984. т. 4., -176 с. 2. Добрецов Н.Л.
Глобальные петрологические процессы. М.: Недра,
1981. -223 с. 3. Иванов С.Н. Вероятная природа
главных сейсмических границ в земной коре
континентов. // Геотектоника. -1994. -№3. -с. 3 - \\. 4.
Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного
строения континентальной коры с помощью бурения
Кольской сверхглубокой скважины // Под ред. Е.А.
Козловского. -М.: Недра, 1984. -490 с. 5. Летников
Ф.А., Феоктистов Г.Д., Остафийчук И.М. и др.
Флюидный режим формирования мантийных пород. Новосибирск: Наука, 1980. - 143 с. 6. Литвиновский
Б.А., Артюшков Е.В., Зан-вилевич А.Н. О природе
магматизма Монголо-Забайкальского пояса
//
Геология и геофизика. -1989. -№12. -с. 32-40. 7.
Недра Байкала по сейсмическим данным / Крылов
С.В., Мишенькин Б.П., Мишенькина З.Р., Петрик
Г.В., Селезнев B.C. -Новосибирск: Наука, 1981. -105
с. & Пархоменко Э.И., Бондаренко А.Т. Электропроводность горных пород при высоких давлениях и
температурах. -М.: Недра, 1972. - 172 с. 9. Поспеев
В.И.
Методы
и
результаты
региональных
электроразведочных работ в Иркутском амфитеатре.
Дис. канд. геол.-мин. наук. -Иркутск, 1966. 10.
Ринггвуд А.Е. Состав и петрология мантии Земли.
-М.: Мир, 1981. -584 с. 11. Adam A. Relation of mantle
conductivity to physical conditions in the asthenosphere.
// Geophys. Surv. -1980. - vol. 14. - pp. 43-55. 12.
Hyndman R.D., Hyndman D. W. Water Saturation and
high electrical conductivity in the lower crust // Earth
Plan. Sci. Lett. - 1969. -№4. -р. 427-432. 13. Meissner
R., Wever Th. The possible role of fluids for structuring
of the continental crust. // Earth-Sci. Rev. -1992. -vol. 32,
-№ 11-2. -p. 3-18. 14. Wenzel F., Sandmier K.-J.
Geophysical evidence for fluids in the crust beneath the
Black Forest, SW Germany. // Earth-Sci. Rev. -1992. vol.
32, -№11-2. -р.61-75.