Геофизические методы разведки в познании регионального геологического строения Западно-Сибирской низменности
Н. П. КУЗНЕЦОВА, В. П. КАЗАРИНОВ
Одним из перспективных районов Советского Союза на нефть и газ считается Западно-Сибирская низменность. Эта самая большая на земле впадина, занимающая площадь около 3,2 млн. км2, раскинулась от р. Енисей на востоке до Уральского хребта на западе, от горных сооружений Алтая и Казахстана на юге до Северного Ледовитого океана на севере. На всей этой площади допалеозойские и палеозойские комплексы погружены на различную, обычно значительную глубину, под покров мезокайнозойских осадков.
По современным геологическим представлениям Западно-Сибирская низменность характеризуется трехъярусным строением. В основании залегают палеозойские и допалеозойские, обычно значительно дислоцированные и метаморфизованные породы, слагающие первый структурный этаж. Ко второму структурному этажу относятся верхне-, реже среднепалеозойские осадки и осадки триаса. Эти осадки, выполняющие депрессионные участки поверхности первого структурного этажа, отличаются от пород последнего значительно меньшей дислоцированностью и метаморфизмом. Среди осадков, относимых к пермо-триасу, значительное место занимают эффузивы.
На неровной поверхности пород второго, а местами и первого структурных этажей залегают мезозойские и кайнозойские осадки. Эти осадки, объединяемые в третий структурный этаж, по сравнению с породами нижних этажей значительно меньше дислоцированы и метаморфизованы.
В строении третьего структурного этажа участвуют осадки почти всех ярусов мезозоя и кайнозоя. Среди них распространены морские, прибрежно-морские и континентальные осадки глинистого, песчано-глинистого и песчаного состава. Отдельные горизонты мезозоя и кайнозоя сохраняют одинаковый литологический состав на огромных площадях низменности. Наибольшие перспективы газонефтеносности Западно-Сибирской низменности связываются с юрскими и нижнемеловыми осадками.
Геофизические методы разведки играют существенную роль в разрешении проблемы нефтеносности Западно-Сибирской низменности.
Особенно велико значение геофизических методов в изучении регионального геологического строения.
В комплексе геофизических работ важное место занимает аэромагнитная съемка. Это вытекает из присущих ей технических возможностей, допускающих быстрое освоение труднодоступной территории.
Аэромагнитные съемки применяются двух масштабов: 1:1000000 и 1:200000. Съемка масштаба 1:1000000 выполняется по маршрутам, заданным на расстоянии 10 км друг от друга; при съемке масштаба 1:200000 это расстояние сокращается до 2 км.
К настоящему времени для всей территории низменности полностью закончена съемка масштаба 1:1000000; в ближайшие 2-3 года будет завершена съемка масштаба 1:200000 (см. схему).
Аэромагнитная съемка показывает, что Западно-Сибирской низменности свойственно весьма дифференцированное магнитное поле. Аномалии магнитного поля вызываются неоднородным петрографическим составом фундамента, тектоникой фундамента, которая проявляется во внутренней структуре фундамента, а также частично в рельефе его поверхности.
Качественный анализ магнитных карт и карт осей магнитных аномалий путем их сопоставления с известным геологическим строением фундамента на обрамлениях низменности (Урал, Казахский складчатый массив, Алтае-Саянская складчатая зона, Сибирская платформа) позволяет выявить существующие закономерности и экстраполировать их в погруженную закрытую часть низменности.
Интерпретацию магнитных аномалий дополняют количественные расчеты: определение глубины залегания верхней кромки возмущающего магнитного тела, вычисление интенсивности его намагничивания. Эти количественные расчеты позволяют строить схематические карты рельефа гипотетической поверхности фундамента и карты распределения пород фундамента по составу.
До последнего времени в Западной Сибири применялась в основном гравиметрическая съемка. Причем в южных районах эта съемка была произведена с излишней точностью для изучения регионального плана, но, однако, с недостаточной для выявления локальных поднятий. В будущем одной из важных задач в этой области является повышение точности гравитационных наблюдений, которая с применением специальных приемов интерпретации позволит выявлять поднятия локального типа. Применение этих работ в северных районах Западно-Сибирской низменности, где сейчас вырисовываются наибольшие перспективы нефтегазоносности позволит более целеустремленно ставить сейсмические исследования с целью выявления и оконтуривания структур второго и третьего порядка.
Известно, что северные районы Западно-Сибирской низменности сильно заболочены и покрыты таежным лесом. В этих условиях для производства гравитационных исследований придется широко применять авиатранспорт (вертолеты). Накопленный, правда, небольшой опыт проведения таких работ с помощью вертолетов, показал, что применение авиации для этих целей вполне оправдывает себя.
Для изучения структуры фундамента Западно-Сибирской низменности, который к сожалению глубокими скважинами вскрыт в немногих точках, обычно приходится прибегать к помощи аномалий гравитационных и магнитных полей. В большинстве случаев отмечается совпадение крупных полосовых гравитационных и магнитных аномалий по местоположению и конфигурации в плане. По-видимому, эти гравитационные и магнитные аномалии вызываются одними и теми же причинами, среди которых главную роль играет вещественный состав фундамента. Замечено также, что крупные структуры фундамента, выражающиеся в рельефе его поверхности, отображаются в гравитационном поле. Участкам наибольшего погружения фундамента соответствуют положительные аномалии, и, наоборот, поднятиям фундамента отвечают отрицательные аномалии силы тяжести.
Для регионального районирования низменности применяются следующие методы электроразведки: вертикальных электрических, зондирований (ВЭЗ), дипольных электрических зондирований (ДЭЗ) и метод теллурических токов (ТТ). Методы ВЭЗ и ДЭЗ ставятся главным образом в южной части низменности, где глубина залегания фундамента не слишком велика (до 2000 м). Метод ТТ в комплексе с ДЭЗ, при помощи которых определяются опорные глубины до фундамента, осваивается для изучения погруженных частей Западно-Сибирской низменности.
В общем комплексе геофизических работ, применяющихся для изучения регионального строения Западно-Сибирской низменности, большое значение имеет сейсморазведка. Этот метод обладает возможностями, позволяющими достаточно однозначно решать структурно-тектонические вопросы.
Трехъярусное строение разреза находит яркое выражение в материалах сейсморазведки, поскольку каждый структурно-тектонический ярус имеет свою специфическую сейсмогеологическую характеристику. Первый ярус в сейсмогеологическом отношении представляет однородную толщу. Внутри этой толщи отсутствуют преломляющие и отражающие границы. Второй ярус неоднороден. В нем выделяются отражающие границы, принадлежащие слоям осадочной толщи. Отложения третьего структурно-тектонического яруса весьма дифференцированы. В толще мезокайнозоя выделяется ряд опорных отражающих горизонтов, начиная от низов палеогена до нижней юры включительно.
Поскольку юрские отложения на одних участках низменности подстилаются породами второго яруса, на других - непосредственно породами первого яруса, сейсмогеологическая характеристика этих контактов различна. Контакт первого яруса с отложениями третьего яруса представляет преломляющую поверхность, с высокой (порядка 6000 м/сек) граничной скоростью распространения упругих волн. Контакт второго яруса с отложениями третьего яруса в ряде случаев также представлен преломляющей поверхностью с высокой (5000-6000 м/сек) граничной скоростью. Однако отмечены случаи, когда контакт этих двух ярусов не является преломляющей границей. Сейсмическая характеристика контакта первого и второго ярусов пока неизвестна.
В толще мезокайнозоя также наблюдаются преломляющие границы; наиболее высокой граничной скоростью (3500-4200 м/сек) обладает преломляющий горизонт, относящийся к контакту валанжина и юры.
Применительно к реальным сейсмогеологическим условиям для целей регионального геотектонического районирования используются различные виды сейсмических съемок. Применяется непрерывная маршрутная съемка методами отраженных или преломленных волн; нередко эти методы комплексируются. Маршруты протяженностью до 100 км и более задаются для пересечения предполагаемых (на основании данных других геофизических методов) крупных структурно-тектонических элементов площади. Вдоль этих маршрутов наблюдается поведение опорных отражающих или преломляющих (или тех и других) горизонтов. В отдельных случаях удается выявить дизъюнктивные нарушения, разрывающие поверхность фундамента.
Несмотря на то, что непрерывная маршрутная съемка наиболее полно решает задачу изучения регионального геологического строения, темпы этих работ не удовлетворяют требованиям быстрейшего познания обширной территории Западно-Сибирской низменности. Во многих случаях из-за тяжелых физико-географических условий не представляется возможным выполнить непрерывные сейсмические наблюдения по маршруту. Поэтому в настоящее время для региональных исследований применяется методика маршрутных и площадных сейсмозондирований, основанная на региональной выдержанности опорных сейсмических горизонтов.
Сейсмозондирования методом отраженных волн представляют собой системы изолированных наблюдений с линейным или площадным расположением сейсмоприемников вблизи пункта взрыва. Эти изолированные наблюдения размещаются равномерно по маршруту или исследуемой площади на расстоянии друг от друга 5-10 км. При каждом сейсмозондировании определяются глубины залегания отражающих границ, среди которых опорные горизонты опознаются по форме записи отражений.
Первые опыты применения сейсмозондирований показывают, что такой опорный отражающий горизонт, как кровля мела, может опознаваться и коррелироваться практически безошибочно. Также без больших погрешностей можно выделить горизонты, принадлежащие юрской толще, но точность увязки одноименных горизонтов, несколько понижается. Тем не менее возможно строить структурные схемы мелкого масштаба (1:500000 и мельче) сечением 150-200 м, на которых выделяются крупные структуры первого и второго порядков.
Зондирования методом преломленных волн представляют собой упрощенные схемы наблюдений, позволяющие выявить преломляющий горизонт с большой граничной скоростью и определить вероятную глубину его залегания.
Региональные сейсмические работы служат основой геотектонического- районирования Западно-Сибирской низменности. В настоящее время имеется достаточное количество сейсмических данных (с учетом поисковых и детальных сейсморазведочных работ) для однозначного районирования южной половины низменности.
Комплексная интерпретация всех имеющихся геофизических материалов с учетом данных опорного, разведочного и структурно-поискового бурения, а также данных геолого-съемочных работ позволяет построить наиболее вероятную структурно-тектоническую схему всей территории Западно-Сибирской низменности. Разработана методика построения такой схемы, базирующаяся на использовании следующих графических материалов, составленных в основном по геофизическим данным:
1. схемы тектонического строения складчатого фундамента низменности;
2. структурной схемы подошвы третьего структурно-тектонического яруса;
3. структурной схемы по верхнеюрскому опорному отражающему горизонту;
4. структурной схемы по опорному отражающему горизонту, приуроченному к кровле меловых отложений;
5. структурных схем (для отдельных участков низменности) по верхнемеловым отражающим горизонтам и горизонтам, приуроченным к кровле готерив-баррема и низам юрской толщи.
Схема тектонического строения складчатого фундамента низменности, которая в настоящее время является весьма предварительной, строится на основе качественного анализа характера гравитационного и магнитного полей.
Простирание региональных гравитационных и магнитных аномалий, осей локальных максимумов и минимумов, данные об интенсивности намагничивания пород, слагающих фундамент, позволяют наметить приблизительно области развития каледонид и герцинид в погребенном фундаменте низменности. Возможно также наметить и протрассировать генеральные дизъюнктивные нарушения.
Структурная схема подошвы третьего структурно-тектонического яруса строится следующим образом. Глубокое бурение и сейсморазведка методом преломленных волн дают опорные глубины залегания подошвы третьего яруса. Между этими опорными глубинами гипотетическое положение подошвы третьего яруса определяется по данным метода отраженных волн. При этом предполагается, что его подошва ограничивает снизу все наблюдающиеся в мезокайнозойской толще протяженные отражающие горизонты и отдельные отражающие площадки, характеризующиеся малыми углами наклона. Особенно надежно определяется положение подошвы третьего яруса, когда зафиксированы лежащие глубже более крутые отражающие площадки, относящиеся к слоям второго структурно-тектонического яруса. Данные электроразведки о глубине залегания горизонта высокого электрического сопротивления и глубины залегания верхней кромки магнитных тел, вычисленные по данным аэромагнитной съемки, учитываются после сопоставления с данными бурения и сейсморазведки (прямыми и косвенными). При этом замечена некоторая закономерность. В зонах повышенного залегания подошвы третьего яруса наблюдается удовлетворительная сходимость данных сейсморазведки, электроразведки и магниторазведки. На участках погруженного залегания подошвы третьего яруса электроразведка и магниторазведка дают большие глубины по сравнению с сейсморазведкой.
По структурной схеме подошвы третьего яруса для южной части низменности, где имеется возможность комплексно использовать данные всех геофизических методов, выделяются основные крупные структуры: поднятия и впадины доюрского фундамента. По характеру магнитного и гравитационного полей можно наметить предполагаемое их продолжение в пределы северной половины низменности, а также выделить их вероятные аналоги.
Из совместного рассмотрения геофизических материалов можно составить некоторое качественное представление о составе подошвы третьего яруса, т. е. выделить зоны вероятного распространения второго и первого ярусов. В частности, на вероятное присутствие отложений второго яруса указывают следующие прямые и косвенные признаки.
1. Ниже подошвы третьего яруса фиксируются отражающие площади со значительными углами наклона (более 5°), залегающие несогласно с мезокайнозойскими отражающими горизонтами.
2. В некоторых впадинах преломляющий горизонт с большой граничной скоростью залегает существенно выше горизонта с высоким электрическим сопротивлением и выше уровня минимальных глубин до магнитных масс. В этом случае предполагается, что сейсмический горизонт соответствует подошве третьего яруса, а данные электроразведки и магниторазведки относятся к кровле первого яруса. Промежуточную толщу предположительно относят ко второму структурно-тектоническому ярусу.
На остальных структурных схемах не останавливаемся, поскольку они строятся на основании сейсмических данных по общеизвестной методике.
Комплексный анализ геолого-геофизических данных позволяет в настоящее время в первом приближении говорить о тектоническом строении первого структурного этажа (схемы И.В. Дербикова, Н.Н. Ростовцева и др.). Правда, у исследователей Западной Сибири еще нет единой точки зрения по этому вопросу, но большинство их, основываясь на анализе магнитного и гравитационного полей, а также данных глубокого бурения, полагает, что в пределах Западно-Сибирской низменности погребена древняя жесткая глыба, окаймленная с востока и запада герцинскими геосинклинальными зонами.
На значительно большем фактическом материале строятся наши представления о тектонике третьего структурного этажа. Эти представления основываются главным образом на сопоставлении структурно-тектонических схем по фундаменту мезозойской толщи, по внутриюрскому и внутримеловому отражающему горизонтам, по третичным осадкам (схема по данным колонкового бурения) и, наконец, схемы геоморфологического строения низменности. Сопоставление указанных схем приводит прежде всего к выводу о затухании тектонической напряженности от нижних к верхним горизонтам мезокайнозойской толщи. Далее это сопоставление показывает, что структуры в мезокайнозойской толще, обусловленные поднятиями в фундаменте, по периферическим частям низменности развивались унаследование, затухая кверху, по всем стратиграфическим горизонтам, часто будучи выражены геоморфологически. К центральным частям низменности, где фундамент более погружен, такая унаследованность структурных планов в большинстве случаев утрачивается. Здесь по верхним стратиграфическим горизонтам нередко фиксируются антиклинальные структуры, например Васюганский вал, в то время как по нижним горизонтам отмечается впадина. Все эти положения, которые имеют ряд исключений и нуждаются в дальнейшей проверке, позволяют сделать предварительный вывод о перестройке структурного плана в эпоху альпийского тектогенеза по сравнению со структурным планом, созданным тихоокеанским (киммерийским) тектогенезом. Эта перестройка проявилась в районах с наибольшей мощностью мезокайнозойской толщи.
Анализ геофизических материалов в увязке их с геологическими данными позволяет дать схему тектонического районирования Западно-Сибирской низменности. Внутри ее выделяются структуры первого, второго и третьего порядков. Выделяются области длительного прогибания и осадконакопления (Хантымансийская впадина) и области, где опускания сменялись поднятиями (Чулымо-Енисейский район). Схема тектонического районирования совместно с палеогеографическими схемами и другими материалами является основой для планирования нефтепоисковых работ.
В заключение необходимо отметить, что объемы региональных геофизических исследований в Западной Сибири были крайне недостаточными. Это обстоятельство определяет недостаточность наших представлений об общем структурном плане низменности и, несомненно, снижает эффективность поисково-разведочных работ. Необходимо создать единый план региональных исследований низменности.
Таким образом, региональные геофизические исследования вместе с бурением и геологическим картированием являются основным методом геологического изучения Западно-Сибирской низменности. Для скорейшего разрешения проблемы «большой сибирской нефти» необходимо увеличить объемы региональных геофизических исследований и всемерно совершенствовать их методику и способы интерпретации.
Новосибирский геофизический трест.
Рисунок Схема региональной геофизической изученности Западно-Сибирской низменности аэромагнитными и сейсмическими методами.
Границы региональной изученности: 1 - аэромагнитная съемка масштаба 1 : 200000; 2 - сейсморазведка.