Морфология и генезис прогибов Верхнекамского месторождения солей по данным детальной гравиразведки

2007

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА___________________

Геология Вып. 4

Морфология и генезис прогибов Верхнекамского месторождения солей по данным детальной гравиразведки

О.Л. Тарунина

Пермский государственный университет, кафедра геофизики. Пермь, 614990, Букирева 15. E-mail: geophysic@psu.ru

Приведены результаты количественной интерпретации данных детальной гравиразведки по ряду профилей через Дуринский и Боровицкий прогибы Верхнекамского месторождения солей с использованием горизонтальных градиентов первого и второго порядков и представлены геологические разрезы с двумя -тремя плотностными границами. Сопоставление этих разрезов с данными бурения и других геофизических методов позволило разрешить некоторые спорные вопросы, касающиеся морфологии и генезиса названных прогибов. Наглядно показано также, что для изучения верхней части разреза (до глубин 100-800 м) следует использовать наблюденные приращения силы тяжести, а не аномалии Буге.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что различная гипсометрия палео-ложа, представленного доломито-ангидритовой толщей, обусловила различную мощность осаждения солей во время существования Пермского палеоморя. Над палеорифами соли не оседали из-за их возвышения над пониженными участками палеоморя.

Верхнекамское месторождение солей (ВКМС) Пермского края известно как пятисотметровая толща солей, перекрытая терригенными породами небольшой мощности [5]. Толща соли осложнена широтными прогибами типа Дуринского, Боровицкого и др., в которых соль выклинивается. Сложная морфология кровли соли, осложненная прогибами, создает серьезные трудности при картировании подсолевых структур, перспективных на залежи УВ, геофизическими методами.

Кровля соли является, как известно [7 -11], “сильной” плотностной границей с аномальной плотностью о = -0.32^0.36 г/см3, и изменение ее гипсометрии надежно картируется по результатам детальной гравиразведки. Эффективность и точность изучения кровли соли и подсолевых структур по результатам детальной гравиразведки кратко освещены в монографии [9].

В статье рассмотрим наиболее характерные результаты профильной интерпретации аномалий силы тяжести и ее горизонтальных

градиентов с целью освещения некоторых спорных вопросов по строению бортов прогибов солей и их генезиса. Вначале напомним, что в зонах резкого, часто ступенеобразного выклинивания солей более однозначные результаты при малом количестве привязочных скважин дает метод численного дифференцирования, который избавляет от регионального фона и позволяет отделить эффекты от особенностей строения зон выклинивания. При этом точность определения гипсометрии кровли соли в среднем составляет предельно достижимую величину ±7 %.

На рис. 1 приведены аномальные графики вкрест простирания Дуринского прогиба и поведение кровли соли, имеющей глубинную привязку по двум скважинам. Плотностная поверхность III, построенная по градиентам силы тяжести, в сравнении с гладкими поверхностями по данным ВЭЗ (поверхность соли I) и по аналитически продолженным аномалиям (контактная поверхность II), подчеркивает, казалось бы, тектоническую сторону происхождения прогиба, что обозна-

© О.Л. Тарунина, 2007

чено пунктирными линиями. Как показано нами ниже, разломов в самих солях нет.

Рис. 1. Строение кровли соли через Дурин-ский прогиб по результатам гравиразведки и электроразведки

Вначале остановимся на неприятии геофизиками и некоторыми геологами рисовки нами надвигового характера склонов Дурин-ского прогиба. Как выяснилось в процессе дальнейших исследований, “висячий” характер склонов нашел свое объяснение. Во-первых, это визуальное свидетельство

Н.Е. Молоштановой, многократно обследовавшей соляные отложения в горных выработках, о сложном строении продуктивных пластов калийных солей. Во-вторых, это объясняется не только пластичностью верхних слоев солей [4], но и выщелачиванием некоторых пачек солей в средней и особенно нижней частях пятисотметровой толщи соли, их пересортировкой и вытеснением глин на периферию соленосной залежи [3, 4, 5], а также может служить указанием на области образования “пирротина совместно с ангидритом” [5].

С.Д. Гемп [5] рисует карту ВКМС, на которой указывает границу подземного тектонического срыва пласта АБ и границу зоны подземного выщелачивания соли. Судя по карте, эти границы разобщены на 0.2-

0.8 км, т.е. склон Дуринского прогиба можно представить так, как изображено на рис. 2, что подтверждает правильность построения склонов по гравиметрическим данным.

Другим объектом противоречивых мнений геологов является отсутствие существенных фактов, проливающих свет на генезис прогибов, подобных Дуринскому и Боровицкому. Рассмотрим разрез через Боровицкий прогиб (рис. 3), полученный по гравиметрическим данным [9]. Детальная гравиразведка по профилю через этот “эрозион-

“эрозионно-тектонический” прогиб проведена Пермской ГРЭ в 80-е гг. [8]. Точность наблюденных значений силы тяжести повышена до ±0.06 мГал путем сглаживания. Численное дифференцирование по конечно-разностным формулам с шагом 200 м сделало градиенты достаточно регуляризованными. Поэтому представленные на рис. 3 результаты интерпретации гравитационных аномалий вполне надежны и характеризуют интегральное и достаточно реальное строение кровли соли. После вычитания гравитационного эффекта кровли соли - плотностной границы I - и вычисления градиентов с шагом 0.4 км по остаточным аномалиям построена контактная поверхность III, отождествленная нами с кровлей доломито-ангидритовой толщи. Как видим, аномальная плотность этой плотност-ной границы взята равной +0.14 г/см3, что является, возможно, преуменьшенным значением, но это лишь обеспечило преувеличение мощности уступов плотностной границы, отвечающей кровле подстилающих пород.

шщ,

* + I

+• +/

+ +/

Рис. 2. Границы: 1 - срыва пласта АБ;

2 - подземного выщелачивания соли

На рис. 3 нанесен также отражающий горизонт “С”, отождествляемый с подошвой солей и неуверенно прослеживаемый в пределах “эрозионно-тектонического” прогиба. Как следует из рисунка, гипсометрия кровли соли очень резко меняется - от +80 м до -450 м, что и обусловило неуверенное прослеживание горизонта “С”. Плотностные поверхности I и III и отражающий горизонт II не имеют абсолютной привязки по глубине.

Рис. 3. Строение Боровицкого прогиба по данным гравиразведки: 1 - терригенные отложения, покрывающие соляную залежь; 2 - соль; 3 - доломито-ангидритовая толща; 4 - предполагаемое поведение отражающего горизонта “С”; I - первая плотностная граница, III - вторая плотно-стная граница

Рис. 4. Плотностные поверхности по субмеридиональному профилю через Боровицкий прогиб: 1 кровля соли по ^нбл, 2 - по аномалиям Буге, 3 - кровля рифов, 4 - поверхность фундамента, 5 разрывные нарушения

Определение прогибов в солях как “эрозионно-тектонических” нами взято в кавычки, т.к. этот термин не отражает происхождения прогибов. Как видим из рис. 3, местоположению прогиба отвечает высокое положение доломито-ангидритовой толщи, на которую откладывалась соль. Зависимость мощности соли от гипсометрии палеоложа наиболее отчетливо проявилась по результатам профильной интерпретации через Боровицкий прогиб, выполненной совместно с нами магистром В.В. Пермяковой [12].

На рис. 4 изображено поведение кровли соли по самому длинному (19.5 км) профилю, проложенному вкрест простирания Боровицкого прогиба, в двух вариантах: по аномалиям Буге и по наблюденным приращениям силы тяжести Дgнбл, исправленным, учитывая рельеф земной поверхности и нормальное поле силы тяжести. При определении параметров кровли соли по градиентам, рассчитанным по конечно-разностным формулам с шагом q = 200 м, аномальная плотность бралась равной а = -0.3 г/см3 при интерпретации

аномалий Буге - ДgБ; - при интерпретации

наблюденных значений силы тяжести Дgнбл а = -0.6 г/см3. Как обосновано нами ранее [10], более реальной для ВЧР является аномальная плотность порядка 0.6 г/см3. Определение средних плоскостей и амплитуд поднятий и прогибов кровли соли осуществлено по методике, изложенной в книге [9].

Итак, из рис. 4 видим, что кровля соли имеет очень сложное строение, при этом существенно различающееся по ДgБ и Дgнбл. Относительные глубины по Дgнбл изменяются в целом интенсивнее, чем по ДgБ. Существенные различия имеют место по северному склону Боровицкого прогиба, где амплитуда прогиба по аномалиям Буге достигает 900 м, что не согласуется с геологическими данными. По данным бурения северный склон прогиба более пологий, чем южный, на котором отмечается разрывное нарушение по зонам дробления, вскрытым скважинами. По аномалиям Буге южный склон “отрисовался” в виде надвига с амплитудой “разлома” в 400 м, тогда как по наблюденным аномалиям “уступ” такой же амплитуды характеризует “сброс”, что согласуется с геологическими представлениями о строении южного склона прогиба в его наиболее разбуренной части.

Искажающее действие редукции Буге ярко проявилось и в строении Южно-Боровицкого вала. Увеличение мощности соли, отождествляемое с Южно-Боровицким валом, приходится на пикеты 57-75 и имеет амплитуду 700 м с двумя вершинами (амплитудой до 200 м). Ширина вала по Дgнбл составляет 1.82 км, что близко к значению по данным бурения западнее рассматриваемого профиля. Слова “разлом” и “сброс” взяты в кавычки т.к. по мнению А.И. Кудряшова [5], крутые склоны прогибов в солях не являются следствием разломов, что подтверждается рис. 4 и описано ниже.

Для изучения рифов численное дифференцирование проведено с шагом 500 м. Расчеты по формулам для горизонтального цилиндра сделаны по графику УИХ :

/ = 5Дх1/2 , Я = 09,4/ ,

где х1/2- абсцисса полуэкстремума аномалии У2ХХ; В - экстремальное значение градиента второго порядка У2ХХ. Аномальная плотность при изучении поведения кровли рифов принята нами равной 0.4 г/см3, что является

интегральной аномальной плотностью, учитывающей плотность облекающих вершины рифов доломито-ангидритовых толщ. В меж-купольных пространствах ангидриты замещаются терригенными породами с преобладанием глин и увеличением мощности покрывающих солей. При количественных расчетах использовались как положительные, так и отрицательные экстремумы графика У2ХХ, т.е. определены параметры цилиндров с избытком и дефектом плотности в 0.4 г/см3. Кровля рифогенных известняков построена как огибающая горизонтальных цилиндров с разнознаковой аномальной плотностью.

Контактная поверхность б) испытывает региональное погружение в северном направлении (показано крупным пунктиром), на фоне которого выделено семь поднятий, отождествленных с кровлей франко-турнейских рифогенных известняков. Амплитуды рифов увеличиваются с юга на север, самый крупный рифогенный массив 5 расположен под Боровицким прогибом; ширина его составляет 1.8 км, амплитуда равна 400-700 м.

Для изучения фундамента В.В. Пермяковой сделана выборка аномалий силы тяжести с шагом q = 1 км с целью ослабления влияния ВЧР (соли, рифов). График силы тяжести получился довольно спокойный (приведен в статье [12]), его не пришлось сглаживать, т.к. локальные поля оказались пропущенными (исключенными) при таком шаге “наблюдений” Достоверно изучаемая с шагом 1 км глубина составила 2q = 2 км. Выявленные блоки фундамента характеризуются амплитудами 100, 200 и 400 м при а = 0.3 г/см3. При сопоставлении кровли фундамента со строением кровли соли и рифов видим, что под Боровицким прогибом имеет место горст фундамента шириной 2 км и амплитудой 400 м.

Соотношение контактных поверхностей а) и б) свидетельствует об инверсии нижележащих толщ относительно кровли соли. Прогибам кровли соли отвечают поднятия подсолевых горизонтов, а увеличенной мощности соли - прогибы палеоложа.

Наш опыт изучения кровли соли по результатам детальной гравиразведки в 80-е гг. и особенно большая информативность разреза, полученного по гравиметрическим данным в 2003 г. (рис. 4), позволяют объяснить происхождение Боровицкого прогиба (и других, подобных ему), действительно, не разломами в солях, а высокой гипсометрией палеоложа -

кровли артинских отложений, представленных над куполами палеорифов доломито-ангидритами. Там, где палеоложе имеет прогибы, откладывались большие мощности солей; на возвышенных участках палеоложа зарождался тонкий слой соли, который к тому же быстро выщелачивался.

Построенные по гравиметрическим данным разрезы (рис. 3 и 4) подтверждают вывод геологов о том, что “почти всем положительным структурным формам по подошве солей (по кровле артинских отложений) соответствуют относительно пониженные участки по кровле солей”. Это наглядно подтверждает геологический разрез вдоль западного склона Предуральского прогиба, приводимого авторами [1], на котором четко выражена закономерность увеличения мощности солей в пониженных частях кровли палеорифов и уменьшение ее мощности либо даже отсутствие ее над рифовыми куполами.

В заключение еще раз обсудим строение склонов солей. Построенные ранее [7, 8, 9] разрезы вкрест простирания Дуринского и Боровицкого прогибов подверглись серьезной критике геофизиков Уральской государственной горно-геологической академии (1997). Они показали большое количество разрезов, построенных по результатам бурения, на которых склоны прогибов отображены в виде “сбросов”, а не “надвигов” и “вертикальных стенок”, как на рис. 3 и 5. Против таких изображений склонов солей возражал и А.И. Кудряшов, однако, сам рисовал и выклинивание отдельных пачек солей, и замещение их глинами в средней и нижней частях пятисотметровой толщи солей. Хочется подчеркнуть еще раз, что замещение отдельных прослоев соли глинами и интенсивное выщелачивании их в основании толщи солей подтверждаются данными гравиразведки.

На примере сложного Дуринского прогиба, построенного по градиентам, толстым пунктиром обозначены “рукава” прогиба по имеющимся восьми скважинам (рис. 5). Как видим, при линейной интерполяции кровли соли между скважинами склоны “рукавов” получились в виде “сбросов”: ни “надвигов”, ни вертикальных склонов солей нет.

Рис. 5. Кровля соли вкрест простирания Дуринского прогиба по восьми скважинам (1) и по градиентам У1х и ¥гхх (2); плотностная граница параллельным переносом совмещена с кровлей соли по скв. 236 и 514

Поставим вопрос так: “Нужно ли для интерполяции поведения кровли солей в межскважинном пространстве использовать данные детальной гравиразведки, расшифрованные с помощью производных?” После изучения статей геологов мы убедились, что нужно. Подобные построения локализуют области образования “пирротина совместно с ангидритами” и других полезных ископаемых, на что указывают А.И. Кудряшов, И.И. Чайковский в тезисах 1996 г. [6], Г.В. Бельтюков в большой статье в “Вестнике ПГУ” [2]. Уточненное знание строения зон выклинивания солей облегчит задачу поиска и добычи многих твердых полезных ископаемых. Кроме того, приведенные результаты свидетельствуют о больших картировочных возможностях детальной гравиразведки, которые следует использовать для надежного изучения нижезалегающих рифогенных структур, перспективных на скопления УВ.

Библиографический список

1. Бакиров А.А. Литолого-фациальный и формационный анализ при поисках и разведке скоплений нефти и газа / А.А. Бакиров, А.К. Мальцева; под ред. А.А.Бакирова : учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1985. 159 с.

2. Бельтюков Г.В. О природе гипергенных постседиментационных преобразований в солях / Г.В. Бельтюков // Вестник Перм. унта. 1994. Вып. 3. Геология. С. 145-159.

3. Гемп С.Д. Влияние структуры Верхнекамского месторождения калийных солей на его эксплуатацию / С.Д. Гемп // Отечественная геология. 1996 Т.Н. С. 26-31.

4. Копнин В.И. Верхнекамское месторождение калийных, калийно-магниевых и каменных солей и природных рассолов / В.И. Копнин // Горный журнал. 1995. №6. С. 10-43.

5. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей / А.И. Кудряшов; УрО РАН Горный институт. Пермь, 2001. 429 с.

6. Кудряшов А.И. Морфология и генезис пирротина Верхнекамского месторождения / А.И. Кудряшов, И.И. Чайковский // Моделирование геологических систем и процессов: материалы регион. конф. Перм. ун-т. Пермь, 1996. С. 139-142.

7. Тарунина О.Л. Построение кровли соленосной толщи на основании градиентов силы тяжести / О.Л. Тарунина // Вопросы обработки и интерпретации геофизических наблюдений. Пермь, 1974. №12. С. 137-140.

8. Тарунина О.Л. Строение Боровицкого прогиба по гравиметрическим данным /

О.Л. Тарунина, А.Г. Уткин // Методика поисков и разведки глубокозалегающих рудных месторождений: межвуз. науч. -

темат. сб. Свердловск, 1977. Вып. 1. С. 112114.

9. Тарунина О.Л. Структурно-картировочные возможности гравиразведки в комплексе геолого-геофизических исследований / О.Л. Тарунина. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 1993. 200с.

10. Тарунина О.Л. О величинах аномальных плотностей пород ВТК и ВКК осадочного чехла / О.Л. Тарунина // Г еология Западного Урала на пороге XXI века: материалы регион. науч. конф. / Перм. ун-т. Пермь, 1999. С. 251-254.

11. Тарунина О.Л. К проблеме морфологии и генезиса прогибов в солях Верхнекамского месторождения / О.Л. Тарунина // Проблемы геологии Пермского Урала и Приуралья: материалы регион. науч. конф. Пермь: Изд. Перм. ун-та, 1998. С. 183-184.

12. Тарунина О.Л. Обработка и интерпретация результатов детальной гравиразведки в условиях Соликамской впадины / О.Л. Тарунина, В.В. Пермякова // Геофизика. 2003. №3. С. 40-42.

Salt sags morphology and genesis of Upper Kama potash salt deposit on the results of detailed gravitation prospecting

O. L. Tarunina

Perm state university, department of the geophysics. Perm, 614990, Bukireva 15.

E-mail: geophysic@psu.ru

It is presented the results of quantity data interpretation of detailed gravitation prospecting based on the profile series through the well-known Durinsky and Borovitsky sags of Upper Kama potash salt deposit. The interpretation is made with using of horisontal gradients of the first and second orders and it is presented geological sections with 2-3 density boundaries. The comparison of these density sections with drilling data and other geophysical methods allowed to solve some issues with respect to morphology and genesis of above-named sags. Visually it is also shown that it should be use observed gravity increments but not Bouguer effect for studying upper part of section (to 100-800 m in depth).

The reseived results have indicated that different hypsometry of paleobed presented by hypso-anhydrite starta caused different thickness of salt sedimentation while existing of Perm paleo-sea. The salts did not settled over paleoreef because of its elevation over low parts of paleosea.

Рецензент доктор техн. наук B.A. Гершанок