Геотермия в региональной геологии и при изучении глубинной тектоники
Д.И. ДЬЯКОНОВ
Результаты теоретических исследований и опыт применения геотермии в различных районах СССР и других стран [1, 2, 3, 4, 5] позволяют установить ряд основных закономерностей распределения естественного теплового поля Земли.
Известно, что ниже нейтрального слоя (10-40 м) естественное тепловое поле создается внутренним теплом Земли. Распределение его зависит от удельного теплового сопротивления, геометрических форм и размеров изучаемых сред.
Тепловое сопротивление пород зависит главным образом от их литологической характеристики и варьирует в широких пределах. В порядке убывания теплового сопротивления от десятков до сотых долей м час °С/ккал горные породы можно расположить в следующий ряд: рыхлые сухие породы, каменные угли; глинистые, песчаные, карбонатные, галогенные, метаморфические и магматические породы.
Геотермический градиент, характеризующий изменение температуры dt на участке глубин dH, выражается формулой
Г = dt/ dH = q*ξ [°С/м],
где q - плотность теплового потока в ккал/м2 час;
ξ - удельное тепловое сопротивление в м час °С/ккал.
При постоянстве плотности теплового потока q в данном пункте наблюдений величина геотермического градиента Г пропорциональна удельному тепловому сопротивлению ξ пород, слагающих разрез скважин, т.е. зависит от их литологической характеристики. Следовательно, по изменению геотермического. градиента можно производить литолого-стратиграфическое расчленение разрезов скважин.
При относительном постоянстве теплового сопротивления пород ξ в литологически однородных отложениях, имеющих площадное распространение, величина геотермического градиента Г пропорциональна величине плотности теплового потока q. Тепловая анизотропия слоистых пород и относительно лучшая передача тепла по проницаемым водоносным комплексам отложений при их складчатом залегании обусловливают увеличение плотности теплового потока над положительными и уменьшение над отрицательными структурами. Плотность теплового потока распределяется по исследуемым площадям также в зависимости от погребенного рельефа карбонатных, гидрохимических, метаморфических и магматических пород низкого теплового сопротивления.
Следовательно, по изменениям частных значений геотермического градиента для литологически однородных отложений (например, для майкопских глин), а также по изменениям средних значений геотермического градиента до какой-либо заданной глубины (до 500, 1000, 1500 м и т.д.) можно изучать глубинную тектонику.
По данным многочисленных исследований установлено, что над погребенными сводами пород низкого теплового сопротивления и над антиклинальными складками слоистых пород наблюдаются максимальные, а над соответствующими впадинами и синклиналями - минимальные величины плотности теплового потока, температуры на заданной глубине и геотермического градиента.
Для решения структурно-тектонических задач по данным геотермии рекомендуется строить корреляционные схемы геотермограмм, геотермические профили и карты. Геотермические карты составляются трех типов: а) карта геоизотерм, или равных температур на заданной глубине; б) карта термоизогипс, или равных глубин при заданной температуре; в) карта средних, или частных геотермических градиентов (или геотермических ступеней).
Кроме основного теплового поля глубинного происхождения, в скважинах могут наблюдаться местные тепловые поля, создаваемые экзотермическими или эндотермическими процессами, возникающими при вскрытии скважинами газонефтеносных, водоносных, угольных, рудных и солевых отложений. По местным тепловым аномалиям на геотермограммах можно выявлять и изучать указанные полезные ископаемые.
Данные геотермии хорошо характеризуют области питания и стока, режим и динамику подземных вод артезианских бассейнов и другие гидрогеологические особенности исследуемых районов.
По геотермической характеристике различаются крупные структурно-тектонические элементы земной коры. На щитах там, где на земной поверхности обнажаются древние кристаллические породы, геотермический градиент в среднем равен 0,63- 0,90°С/100м, в платформенных областях- 0,90-2,50 °С/100 м, в зонах краевых прогибов и в районах альпийской складчатости - 2,50-10,00 °С/100 м, а в районах недавней и современной вулканической деятельности - свыше 10,00 °С/100 м.
Установленные закономерности позволяют применять геотермию для решения многих задач, связанных с поисками, разведкой и разработкой месторождений полезных ископаемых.
В области региональных геологических исследований выявленные закономерности распределения естественного теплового поля позволяют применять геотермию для решения следующих задач.
1. Литолого-стратиграфическое расчленение и корреляция разрезов на обширных территориях по характеру геотермограмм и геотермическим коррелятивам. При этом следует учитывать, что геотермограммы наиболее пригодны для региональных корреляций, так как в отличие от диаграмм других геофизических параметров они свободны от влияния многих местных факторов (техническое состояние скважин, изменение минерализации бурового раствора и пластовых вод, вариации зон проникновения фильтрата раствора в пласты, различие применяемых зондов и пр.).
Особенности изменения геотермической характеристики разрезов выдерживаются на обширных площадях во всех исследованных районах.
При преобладании в разрезе песчано-глинистых пород наиболее часто происходит закономерное уменьшение геотермического градиента с глубиной, что подтверждается анализом геотермических данных по районам Центрального Предкавказья, Эмбы, Апшеронского полуострова, юго-западной Туркмении, Астраханского Поволжья и др.
При наличии в разрезе литологически разнотипных пород наблюдаются другие изменения геотермического градиента с глубиной. Например, во многих районах Волго-Уральской нефтеносной области геотермический градиент увеличивается с переходом от каменноугольных отложений к девону, что связано с обогащением разреза терригенными и особенно глинистыми породами. В верхнем девоне геотермический градиент также последовательно возрастает с глубиной. Во франском ярусе Туймазинского района с переходом от аскынских слоев к мендымским, от мендымских к доманику и от доманика к кыновским слоям геотермический градиент последовательно возрастает от 1,43 до 4,54 °С/100 м.
Межрайонная корреляционная схема, составленная по геотермограммам скважин Кикино-7, Охотничья-1, Сызрань- 152, Пилюгино-18, Туймазы-166 и Краснокамск-15, расположенных на расстояниях, измеряемых сотнями километров, показала хорошую сопоставимость геотермограмм на этой обширной территории [2]. В качестве общей региональной закономерности можно отметить, что средний карбон отличается от верхнего и нижнего относительно более высоким геотермическим градиентом. В среднем карбоне по геотермограммам достаточно четко выделяется Верейский горизонт, представленный в основном терригенными породами с преобладанием глин. Этот горизонт характеризуется местным увеличением геотермического градиента в среднем в 2 раза по сравнению со смежными отложениями. Благодаря хорошей выдержанности этот геотермический репер выделяется нами в качестве опорного.
В Предкавказье установлено закономерное увеличение геотермического градиента с переходом от отложений плиоцена к миоцену и от миоцена к палеогену. С переходом от третичных к верхнемеловым отложениям геотермический градиент уменьшается, а от верхнемеловых к нижнемеловым повышается. Аналогичные закономерности отмечаются во многих других областях, и их можно использовать при проведении районных и региональных геологических исследований.
Региональная корреляция разрезов скважин по геотермограммам позволит изучать характер распространения и литолого-фациального изменения различных отложений и, в частности, их коллекторской характеристики, имеющей важное значение для оценки перспектив нефтегазоносности исследуемых площадей.
2. Изучение региональных гидрогеологических особенностей артезианских бассейнов в связи с поисками, разведкой и разработкой месторождений полезных ископаемых, минеральных и термальных вод. Эти исследования проводятся в различных районах многими гидрогеологическими и геофизическими организациями и, в частности, лабораториями гидрогеологических проблем и вулканологии АН СССР.
Региональные геотермические исследования на обширных площадях артезианских бассейнов позволяют изучать условия формирования и динамику подземных вод, судить о литологических и структурно-тектонических особенностях бассейнов и определять возможные глубины синклинальных прогибов, находящихся между областями питания и разгрузки.
3. Изучение мерзлотного процесса в области вечной мерзлоты, его направленности и динамики, определение границ распространения мерзлоты по разрезам и площадям, установление закономерностей в распространении мерзлых и талых пород. Исследованиями автора, в частности, установлены закономерные связи мощностей и изогипс нижней границы зоны вечной мерзлоты с глубинной тектоникой [2]. Эти закономерности могут быть использованы для изучения геологического строения районов Крайнего Севера.
4. Построение районных и региональных геотермических карт.
Большое практическое значение имеет изучение глубинной тектоники по данным геотермических исследований мелких скважин, которые могут и не достигать глубин залегания изучаемого объекта. По результатам анализа кернового материала и данных различных геофизических методов можно изучать только вскрытые скважинами отложения. Однако часто наблюдается несогласие в залегании вскрываемых скважинами и нижележащих отложений. Поэтому данные мелкого структурно-поискового бурения обычно не позволяют судить о характере глубинной тектоники, в то время как результаты геотермических исследований скважин характеризуют не только исследуемые интервалы, но и отражают особенности залегания нижележащих сред.
В отечественной и зарубежной практике известны многочисленные примеры выявления погребенных структурных поднятий по данным геотермических исследований мелких скважин [1-5]. Особенно характерны геотермические карты, составленные для газоносных районов Ставрополья и по нефтяному месторождению Зыбза Краснодарского края [2]. По карте равных геотермических ступеней в майкопских отложениях (без хадума) в сопоставлении с изогипсами кровли палеозоя Центрального Предкавказья установлено, что изолинии геотермической ступени в майкопских отложениях повторяют очертания изогипс палеозойского фундамента и отчетливо отражают основные черты Ставропольского сводового поднятия. Карта геотермических ступеней в отложениях плиоцена нефтяного месторождения Зыбза, совмещенная со структурной картой по второму горизонту палеогена, отражает строение антиклинальной складки фораминиферовых слоев, в то время как плиоценовые отложения, по которым составлена геотермическая карта, имеют моноклинальное залегание. Таким образом, подтверждается основная особенность геотермии, состоящая в том, что величины определяемых геотермических параметров зависят не только от геологического строения и характера пород, залегающих на исследуемых интервалах, но и от физических свойств и строения нижележащих сред.
По данным геотермических исследований мелких скважин можно: а) выявлять и изучать антиклинальные складки, соляно-купольные поднятия и погребенные выступы карбонатных, метаморфических и магматических пород; б) изучать закономерные связи между строением рельефа фундамента и платформенного чехла; в) определять принадлежность исследуемого района и региона к тем или иным крупным структурным элементам.
Эффективность геотермии не всегда учитывается, и если в глубоких и особенно опорных скважинах геотермические наблюдения проводятся, то в мелких скважинах естественные температуры обычно не измеряются. Между тем учитывая, что мелкие скважины имеют небольшие диаметры и в них начальные разности температур раствора и пород невелики, то в этих скважинах геотермические наблюдения могут производиться после непродолжительной выдержки обычно не более 3-5 суток.
Совершенно необходимо проведение систематических геотермических наблюдений в возможно большем количестве скважин, глубины которых превышают 200-500 м. На глубинах меньше 100 м геотермическая характеристика может быть искажена влиянием- различных поверхностных факторов.
Применение геотермии для изучения глубинной тектоники по данным исследования мелких скважин особенно целесообразно при проведении поисково-разведочных работ на больших площадях, например в Западной Сибири, Северном Прикаспия и других областях, где в настоящее время ведется в большом объеме бурение для региональных геологических исследований.
Наряду с систематической геотермической съемкой в возможно большем количестве мелких скважин необходимо производить регистрацию естественных температур при установившемся тепловом режиме во всех скважинах глубокого и особенно опорного бурения.
Большое значение для геологической науки и практики имеют данные методически правильных геотермических наблюдений в сверхглубоких скважинах. Поэтому при проведении геофизических исследований в скважинах глубиной до 7000 м, которые будут пробурены в Прикаспийской впадине, особое внимание следует обратить на детальные геотермические наблюдения.
Методика проведения и интерпретации результатов геотермии изложены в соответствующих руководствах [1, 2], однако многие организации и отдельные исследователи пользуются самыми разнообразными методиками, что затрудняет обобщение данных геотермических исследований.
Для интерпретации данных геотермии, в частности для определения плотностей теплового потока в различных пунктах исследуемых районов, необходимы массовые определения термических свойств горных пород, которые в настоящее время производятся лишь эпизодически и в недостаточном объеме.
Систематические и обязательные массовые геотермические исследования, производимые по единой рациональной методике, позволят обобщать получаемые данные.
По всем исследуемым районам должны быть построены районные и региональные геотермические карты, которые послужат основой составления геотермической карты СССР, имеющей огромное значение для геологической науки и практики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дахнов В.Н. и Дьяконов Д.И. Термические исследования в скважинах. Гостоптехиздат, 1952.
2. Дьяконов Д.И. Геотермия в нефтяной геологии. Гостоптехиздат, 1958.
3. Проблемы геотермии и практического использования тепла Земли. Том. 1. Изд. АН СССР, 1959.
4. Вirсh F. The Present State of Geothermal Investigations. Geophisics, vol. XIX, No. 4, 1954.
5. Gnyod H. Temperature Wells Logging Part. 1 ч-7, Oil Weekly, vol. 123, No. 8, 9, 10, 11 and vol. 124, No. 1, 2, 3, 1946.
МИНХ и ГП им. Губкина