Построение и использование карт превышений для выявления погребенных платформенных поднятий
А.Б. Коган
Тектоническое строение молодых отложений часто тесно связано с древним тектоническим планом. Однако полное соответствие структурных форм в молодых и древних отложениях наблюдается очень редко, что обусловлено различными факторами, накладывающимися на дифференцированные колебательные движения блоков фундамента. Следовательно, несмотря на теснейшую связь и взаимную обусловленность тектонических планов различных отложений, очень трудно составить представление о древних структурах по структурным элементам молодых отложений. Поэтому разработана методика, основанная на следующем положении: гипсометрическая карта по любому горизонту в любом районе является картой изолиний поля глубин либо поля вертикальных перемещений точек. Величину погружения или поднятия любой точки данного горизонта h можно рассматривать как путь, пройденный данной точкой с момента ее образования до настоящего времени (предполагается, что слои отлагаются горизонтально).
Совокупность значений h - физическое поле. Его изолинии дают структурную карту. Структурные карты по различным горизонтам - это карты изолиний поля перемещений земной поверхности за разные промежутки времени t. Естественно, что на поле перемещений влияют самые различные факторы: региональные и локальные дифференцированные тектонические движения, региональный наклон слоев и связанное с ним региональное изменение мощностей отложений, процессы размыва при перерывах в осадконакоплении и т.д. Несмотря на это, разделив физические поля на их составляющие, по-видимому, можно выявить результаты действия отдельных факторов и по ним решить стоящую перед нами задачу.
Аналогичная задача ставится при интерпретации данных магнито- и гравиразведки, причем для ее решения привлекается математический аппарат гармонического анализа.
Наиболее распространен и удобен метод вариаций, предложенный Б.А. Андреевым [1]. Этот метод разделения гравитационных и магнитных полей можно распространить на гипсометрические поля (карты). Как известно, при составлении карт локальных геофизических аномалий строится карта разностей между исходной величиной в данной точке и средним значением той же величины в соседних точках, расположенных на окружности радиуса R, проведенной из данной точки как из центра. Для интерпретации гипсометрических карт это означает, что необходимо построить карту превышений данной точки над точками, расположенными вокруг нее по окружности радиуса R.
Физический смысл предлагаемого преобразования заключается в следующем. Все точки какого-либо геологического горизонта характеризуются единым временем образования. Если рассматривать гипсометрическое положение какой-либо точки горизонта как путь, пройденный ею по вертикали с момента образования до настоящего времени, а гипсометрическое положение другой точки того же горизонта как путь, пройденный последней за то же самое время, то превышение одной точки над другой будет пропорционально разнице в скоростях их движения. Следовательно, карта превышений является картой изменения скорости вертикальных колебательных тектонических движений по площади.
Следует отметить, что величины пути и скорости являются суммарными за весь рассматриваемый промежуток времени, т.е. глубина погружения точки есть путь, который прошла бы точка, если бы она двигалась равномерно, а превышение ее над окружающими точками пропорционально разности между скоростью этого равномерного движения в данной точке и скоростью движения окружающих точек.
Карта изменений скоростей вертикальных тектонических движений должна, по-видимому, отображать очертания и расположение элементов фундамента, т.е. причины этих движений. Это справедливо в тех случаях, когда поднятия в молодых породах обусловлены вертикальными колебательными тектоническими движениями.
Естественно, если структурные изгибы молодых отложений вызваны диапировыми или крипто-диапировыми процессами или если структурные формы древних отложений представляют собой эрозионные выступы или рифовые массивы и т.д., то карты молодых тектонических движений могут не отражать древний тектонический план и не иметь связи с фундаментом района.
Особое внимание следует обратить на выбор радиуса осреднения, от величины которого зависят конечный результат и успех предлагаемого преобразования гипсометрических полей.
Карты превышений, как уже отмечалось, строятся для выделения локальных зон, отличающихся по скорости тектонических движений от окружающих участков района. Величина радиуса осреднения будет зависеть прежде всего от размеров этих зон, которые специфичны для каждого района. Поэтому оптимальный радиус для различных районов или, точнее, регионов будет особый, зависящий от размеров и форм структурных элементов (рис. 1).
На рис. 1 Dh растет по мере увеличения радиуса осреднения R до тех пор, пока R не достигнет половины ширины структуры второго порядка. Далее рост Dh прекращается, несмотря на увеличение R, и график выходит на свою первую асимптоту. При дальнейшем увеличении радиуса Dh вновь начинает расти, но уже за счет влияния структуры первого порядка, и затем вновь выходит на асимптоту. Очевидно, для выявления структурных элементов второго порядка оптимальным является радиус, соответствующий началу первого горизонтального участка графика, а для выявления структурных элементов первого порядка - соответствующий началу второго горизонтального участка. На рис. 1 изображен самый простой из возможных случаев, но и в более сложных случаях характер графика аналогичный.
Таким образом, методика построения карт превышений сводится к следующему.
Выбирается оптимальный радиус осреднения, для чего в различных участках исследуемого района намечается несколько точек над известными локальными структурами. Для каждой из выбранных точек строится график зависимости Dh от R. Затем эти графики сравниваются и в зависимости от результатов сравнения, а также от поставленной задачи (какого порядка структурные формы собираются выявлять) выбирается один или несколько радиусов осреднения, после чего можно приступить к необходимым преобразованиям. Всю исследуемую гипсометрическую (структурную или топографическую карту) покрывают равномерной сетью точек, причем густота ее зависит от детальности результатов, которые хотят получить, и от точности преобразуемой карты. Далее из каждой точки проводится окружность выбранного радиуса и на ней берется ряд равномерно расположенных точек. Из высот этих точек вычисляется средняя величина, разность которой с высотой центральной точки и дает искомое превышение центральной точки над окружающими.
Таким же образом вычисляются превышения во всех точках разбитой сетки. Затем путем линейной интерполяции между полученными значениями строится карта превышений.
Все расчеты, необходимые для построения карт превышений, просты, но трудоемки. Такие работы легко механизировать, в частности для этих расчетов создана специальная машина, намного их ускоряющая [3].
На рис. 2, а два структурных элемента в древних отложениях облекаются молодыми и составляют в них как бы одно поднятие с широким сводом. На рис. 2, б изображен график превышений по одному из верхних горизонтов (превышения вычислялись как разность между высотой в данной точке и средним значением высот двух соседних точек). Этот график позволяет определить положение структурных изгибов в более глубоко залегающих отложениях.
Из того же рисунка можно выяснить геометрический смысл предлагаемого преобразования. Максимальные значения превышений получаются, как это видно из чертежа, там, где исследуемая поверхность имеет наибольшую кривизну. Превышения положительные, если изучаемая поверхность выпуклая, отрицательные, если она вогнутая, и равны нулю на плоских участках. Очевидно, что если молодые тектонические движения хоть в малейшей степени унаследуют древний тектонический план, то структурная поверхность над погребенными структурами будет искривлена и возникнет аномалия превышений. Если же имеется сундучная складка с плоским сводом, то в центре свода получатся нулевые значения превышений, которые создадут представление о погребенном прогибе, которого в действительности может не быть.
Описанная выше методика была опробована на Южном Мангышлаке и в западной Башкирии.
По первому району нет подробных структурных карт. Поэтому строилась карта превышений дневной поверхности (преобразовывали обычную топографическую карту). В районе Южного Мангышлака на дневной поверхности почти повсеместно распространена толща третичных известняков, защищающая отложения от эрозии.
На карте превышений рельефа Южного Мангышлака нанесены также локальные антиклинальные перегибы, выявленные геологическими и геофизическими работами и хорошо совпадающие с локальными аномалиями карты превышений (рис. 3). При выбранном радиусе осреднения были выделены не отдельные поднятия, а структурные зоны.
В западной Башкирии за основу взяли построенную Г.С. Преображенской структурную карту кровли казанских отложений. После ее преобразования была получена карта превышений, которая сопоставлялась со структурной картой по нарышевским слоям девонских отложений (рис. 4). Получено в общем хорошее совпадение аномалий превышений с погребенными структурными формами. Несовпадение этих карт в деталях (некоторое смещение плана и простираний, объединение нескольких структур в одну аномалийную зону и т. д.) можно объяснить тем, что для карты превышений среднее значение вычислялось всего по четырем точкам, лежащим на окружности выбранного радиуса, а структурная карта построена по данным глубокого бурения небольшого числа скважин.
На разобранном примере видна высокая «чувствительность» метода карт превышений. Амплитуда поднятий по девону на исследованном участке не более 20-30 м, а мощность отложений между казанскими и девонскими горизонтами около 2000 м, однако анализ структурных форм казанских горизонтов позволяет отметить положение девонских структур.
На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы.
1. Метод построения карт превышений является одним из методов выявления связей между структурными формами молодых и древних отложений.
2. Подход к гипсометрическим картам как к картам физических полей - полей движения позволяет привлечь к их геологическому анализу математический аппарат, что дает возможность сделать анализ более объективным.
3. При помощи предлагаемого метода можно обнаруживать глубоко погребенные структурные элементы, перспективные в нефтеносном отношении, на основании анализа структурных форм отложений, залегающих вблизи дневной поверхности, а иногда даже на основании анализа топографических карт, потому что последние можно рассматривать как структурные карты по современным отложениям, усложненные влиянием эрозионных процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абельский М.Е., Андреев Б.А., Голомб В.Э., Самсонов Н.Н. Курс гравиразведки для геологоразведочных техникумов. Москва, 1954.
2. Успенская Н.Ю. Локальные структуры платформ. Труды МНИ, вып. 4, 1946.
3. Клушин И.Г., Никольский Ю.И. Разделение гравитационного поля на региональную и локальную составляющие при помощи счетно-решающего устройства. Прикладная геофизика, вып. 22, 1959.
ВНИГРИ
Рис. 1. График зависимости превышений Dh от радиуса осреднения R над сложными структурами.
Рис. 2. Схематический геологический разрез (а) и график превышений по одному из верхних горизонтов (б).
Рис. 3. Карта превышений Южного Мангышлака.
I - зоны положительных превышений; II - Бекебашкудукская зона поднятий; III - локальные поднятия: 1 - Жолоскан, 2 - Эспелесой, 3 - Таспас, 4 - Сок, 5 - Шолобай, 6 - Сенек, 7 - Торлы, 8 - Жетыбай, 9 - Парсумурун, 10 - Узень, 11 - Акбулак, 12 - Кызыладыр, 13 - Каунды, 14 - Северные Каунды, 15 - Кокумбай, IV - антиклинальные перегибы.
Рис. 4. Сопоставление карты превышений со структурной картой по нарышевским слоям девона.
1-зоны положительных превышений казанских отложений.