Структурно-петрофизические условия локализации раннепротерозойских пегматитовых и магматических месторождений северо-восточной части Балтийского щита

Пятое защищаемое положение.

Петрофизические данные по опорным образцам керна из архейской части разреза СГ-3 и их аналогам на поверхности свидетельствуют о том, что на глубинах 8-12 км выявлены блоки пород аналогичного минерального состава со сходными параметрами плотностей, скоростей Vp и Vs. Аномально высокие значения пористости и объемной анизотропии Vp в этих породах обусловлены технологическими факторами.

Бурение Кольской сверхглубокой скважины было ориентировано на получение максимально полной информации о вещественном составе и физическом состоянии пород на больших глубинах и выяснение геологической природы сейсмических границ в древней континентальной земной коре [Кольская сверхглубокая , 1984, 1998 и др.]. В интервале 6.8- 12.2 км скважина пересекла архейские породы кольской серии. В разрезе СГ-3 она сложена главным образом биотит-плагиоклазовыми и биотит-амфибол-плагиоклазовыми гнейсами, мигматитами и содержит тела амфиболитов и метаультрабазитов. Отдельные пачки содержат высокоглиноземистые минералы: андалузит, гранат, ставролит. Минеральные ассоциации и составы сосуществующих минералов пород кольской серии соответствуют температурным границам амфиболитовой фации.

Широкий резонанс вызвали сообщения об аномально высокой пористости и низких скоростях акустических волн в архейских породах на глубинах ниже 7 км. Они были зафиксированы с помощью акустического каротажа скважины и замеров в образцах керна. Природа этих аномалий до настоящего времени остается предметом дискуссий [Кольская сверхглубокая , 1984,1998 и др.]. При анализе этих данных необходимо отметить, что глубже 7.2 км бурение скважины осуществлялось с применением шарошечных долот и отбором керна способом магазинирования, который обеспечивал более высокий выход керна, но одновременно нарушал естественную последовательность образцов керна. Кроме того, по мере увеличения глубины скважины все более заметным становилось дискование керна, вызванное техногенным воздействием бурового снаряда. Диски керна имели толщину от 3 до 1 см, и были мало пригодны для лабораторных определений физических свойств.

Однако на больших глубинах отдельные небольшие интервалы были пройдены с помощью алмазного бурения. Из этих интервалов были извлечены уникальные образцы керна архейских пород монолитными цилиндрами диаметром 6 см и длиной 30-40 см с четкой ориентировкой верх-низ. В 1989 году часть этих образцов была передана главным геологом Кольской экспедиции сверхглубокого бурения НПО <Недра> В.С.Ланевым в тематическую группу ИГЕМ. В их числе 4 образца биотитовых плагиоклазовых гнейсов, 4 - амфиболитов и 3 - мигматитов [Лобанов и др., 1999].

В архейской кольской серии вплоть до забоя скважины зафиксированы зоны катаклаза и регрессивного метаморфизма зеленосланцевой фации. Поэтому первым критерием отбора опорных образцов для петрофизических исследований является отсутствие или минимальное проявление в них регрессивных изменений [Лобанов и др., 1999, 2002 и др.]. Второй критерий связан с необходимостью исключить влияние интенсивного дискования керна на больших глубинах при использовании стандартных шарошечных бурильных коронок. Третьим критерием явилась размерность минеральных зерен пород. Биотит-амфиболовые гнейсы, гнейсы с высокоглиноземистыми минералами и метаультрабазиты обладают крупнозернистыми сланцеватыми и очковыми текстурами. Поэтому предпочтение было отдано более однородным мелкозернистым биотит-плагиоклазовым и двуслюдяным гнейсам, мигматитам и амфиболитам, пользующимся наибольшим распространением в разрезе скважины СГ-3.

Из разреза Кольской сверхглубокой скважины для последующих исследований были отобраны 3 образца биотит-мусковит-плагиоклазовых гнейсов К-8658; К-8802; К-9002, 3 образца амфиболитов К-8933; К-11262; К-11345 (рис. 15). Число после буквы <К> соответствуют глубинам отбора образцов керна.

При сопоставлении разреза СГ-3 и опорного профиля установлено, что метаморфическая зональность пород в разрезе согласуется с таковой на поверхности в Печенгской структуре и в ее северно-восточном архейском обрамлении. При выборе возможных участков для отбора образцов-аналогов была использована совокупность геолого-структурных и петрографических критериев [Лобанов и др., 2002, Иванкина и др., 2004].

Соответственно на поверхности был выбран участок Мустатунтури, находящийся в 45 км к северо-востоку от скважины СГ-3. Он сложен породами кольской серии метаморфизованными на уровне амфиболитовой фации и в минимальной степени затронутыми катаклазом и регрессивными изменениями (рис. 16, см. рис. 6.б). Кольская серия здесь представлена биотит- плагиоклазовыми гнейсами и развитыми по ним мигматитами, среди которых выделяются горизонты биотит-амфибол-плагиоклазовых гнейсов и амфиболитов, слагающих куполовидные складки, во внутренних частях которых развиты поля мигматитов и интрузии плагиогранитов. Первоначально на участке Мустатунтури было отобрано 120 образцов архейских гнейсов, амфиболитов и мигматитов для петрографических и петрофизических исследований, а затем из них выбраны только 11 образцов, наиболее близких по минеральному составу и текстурным признакам к упомянутым образцам керна из скважины СГ-3. В их числе образцы биотит-плагиоклазовых гнейсов (ПЛ-358, ПЛ-363, ПЛ-364), амфиболитов (ПЛ-356, ПЛ-357, ПЛ-365) и мигматитов [Лобанов и др., 1999, 2002, 2004].

Изученные группы пород являются наиболее представительными для архейской части разреза СГ-3, а минеральные ассоциации и составы сосуществующих минералов соответствуют температурным границам амфиболитовой фации. Петрографическое и минералогическое изучение опорных образцов гнейсов и амфиболитов из разреза скважины и их аналогов с поверхности показало, что они хорошо согласуются с данными о минеральных ассоциациях и составах метаморфических минералов в интервалах разреза скважины между глубинами отбора упомянутых образцов керна (см. рис. 15). Все изученные образцы обладают тонкосланцеватыми текстурами, лепидогранобластовыми структурами и обнаруживают признаки равновесных отношений слагающих их метаморфических минералов. Для амфиболитов характерна ассоциация высокоглиноземистой роговой обманки с плагиоклазом типа олигоклаз-андезина и андезина, для гнейсов - ассоциация биотита с более кислым плагиоклазом.

Микроструктурный анализ гнейсов и амфиболитов из скважины СГ-3 показал, что в вертикальном разрезе, параллельном оси керна и перпендикулярном сланцеватости, оптические оси кварца образуют пояс на периферии большого круга проекции (рис. 17).

Листочки биотита лежат преимущес- твенно в плоскости сланцеватости, а призматические зерна роговой обманки вытянуты в горизонтальном направлении, то есть параллельно оси R-тектонита по кварцу. В образцах архейских пород с поверхности зафиксированы те же текстуры и аналогичная ориентировка зерен кварца, биотита и роговой обманки.

На основании минеральных ассоциаций, составов сосуществующих равновесных минералов и с учетом экспериментальных данных метаморфизм пород и сопряженные деформации пород кольской серии в разрезе СГ-3 происходили в интервале температур от 550 до 650^o С при умеренных давлениях, не превышавших 0.3-0.4 ГПа [Глаголев и др., 1987]. В этих же границах находятся температуры метаморфизма амфиболитов из скважины и их образцов-аналогов с поверхности, вычисленные по плагиоклаз-роговообманковому геотермометру [Лобанов и др., 1999, 2002 и др.].

В ходе петрофизических исследований пород архейской части разреза СГ-3 были определены средние значения плотности, пористости и KAVp, которые имеют следующие значения, соответственно 2.76 г/см³ , 1.08 % и 1.25 (см. рис. 15). Изучение опорных образцов архейских гнейсов и амфиболитов из разреза скважины и их аналогов с поверхности на участке Мустатунтури показало по одним параметрам совпадение величин, а по другим различие в физико-механических свойств этих пород (Таблица 4).

Таблица 4. Петрофизические свойства архейских гнейсов и амфиболитов из разреза СГ-3 и их аналогов с поверхности на участке Мустатунтури
Группы пород	Места отбора образцов	NN образцов	Плотность, г/см3	Пористость, %	А, %	Vp, км/с	Vs, км/с	КAVp
Гнейсы	Скважина СГ-3	К-8658	2.72	1.07	0.91	5.48	2.61	1.25
		К-8802	2.68	1.23	0.85	5.52	2.68	1.25
		К-9002	2.74	1.07	0.91	5.72	2.88	1.22
		Среднее	2.71	1.12	0.89	5.57	2.72	1.24
	Поверхность	ПЛ-358	2.75	0.74	0.53	5.88	3.23	1.18
		ПЛ-363	2.75	0.63	0.27	5.83	3.13	1.15
		ПЛ-364	2.71	0.46	0.31	5.79	3.18	1.15
		Среднее	2.74	0.61	0.37	5.83	3.18	1.16
Амфиболиты	Скважина СГ-3	К-8933	3.09	0.96	0.74	6.32	3.32	1.26
		К-11262	3.06	0.94	0.61	6.22	3.34	1.24
		К-11345	3.03	1.00	0.8	6.34	3.26	1.18
		Среднее	3.06	0.97	0.72	6.29	3.31	1.23
	Поверхность	ПЛ-356	3.07	0.60	0.43	6.55	3.45	1.17
		ПЛ-357	3.02	0.69	0.51	6.37	3.42	1.14
		ПЛ-365	3.05	0.50	0.21	6.59	3.48	1.12
		Среднее	3.05	0.60	0.44	6.50	3.45	1.14

Средняя плотность гнейсов и амфиболитов из разреза СГ-3 всего на 1-2% меньше, чем для образцов-аналогов с поверхности. Значения скоростей Vp и Vs полученные в тех же образцах, в максимально насыщенном водой состоянии, для центральной части образцов керна, значительно ниже чем для аналогов (гнейсов - 5.57 и 5.83 км/с, 2.72 и 3.18 км/с, амфиболитов - 6.29 и 6.50 км/с, 3.31 и 3.45 км/с) [Лобанов и др., 1999; Kern at al., 2001 и др.]. Средние величины открытой пористости образцов гнейсов из керна равны 1.12%, а поверхностных аналогов - 0.61%, для амфиболитов, соответственно 0.97 и 0.60%. Индикатрисы Vp на петрофизических диаграммах полученные для этих образцов имеют одинаковую форму: максимальные значения Vp группируются в плоскости сланцеватости или вблизи нее, то есть подчинены текстурному узору этих пород (см. рис. 17). Значения KAVp явно выше в образцах керна, чем в образцах-аналогах с поверхности, как для гнейсов, так и амфиболитов (1.23 - 1.25 и 1.14 - 1.16, соответственно).

Петрофизические исследования проведенные в архейской части разреза СГ-3 показали, что аномально большие значения открытой пористости пород (1.90 - 4.90%) на глубинах ниже 7 км обусловлены взаимодействием бурового снаряда с забоем скважины и разуплотнением керна при его подъеме на дневную поверхность [Кольская сверхглубокая , 1984, 1988 и др.]. Это было подтверждено результатами сравнения величин пористости пород на периферии и в центральных частях образцов керна [Кременецкий, Овчинников, 1986] и данными акустополярископических исследований [Горбацевич, Басалаев, 1993].

Полученные диссертантом данные о динамике водонасыщения опорных образцов гнейсов и амфиболитов и их аналогов с поверхности позволяют оценить указанные явления на количественном уровне (см. таблицу 4). Параметры пористости и условно-мгновенного водонасыщения (А) архейских пород были получены методом свободного водонасыщения образцов пород при комнатной температуре и атмосферном давлении. Средние значения пористости для гнейсов из керна и на поверхности, соответственно, 1.13% и 0.61%, а для амфиболитов 0.97% и 0.60%. При этом величина условно-мгновенного насыщения (А), полученная в течение первых 15 минут измерений, для образцов керна имеет гораздо большие значения, чем для гнейсов и амфиболитов с поверхности - соответственно 0.89- 0.72% и 0.37-0.44%. Это показывает, что в образцах керна больше сквозных пор, поровых каналов правильных очертаний и более крупного диаметра, чем в образцах с поверхности и, по-видимому, установленные различия в величинах открытой пористости и параметров водонасыщения обусловлены как техногенным воздействием бурового инструмента, так и разуплотнением образцов керна при их извлечении с больших глубин на поверхность.

Детальное изучение пористости на образце керна К-8933 (амфиболит) проведенное в тематической группе ИГЕМ РАН показало, что для центральной части она составляет 0.20%, средней - 0.30-0.40%, а для краевой - 1.25-2.00% [Жариков, 2005], причем среднее значение пористости для всего образца составляет 0.96% (рис. 18, см. таблица 4). Эти данные показывают, что для образцов керна отобранных с таких больших глубин, даже при алмазном бурении, то есть с минимально возможным техногенным воздействием на породу, происходит такое резкое возрастание пористости и техногенной микротрещиноватости, и, соответственно, уменьшение величин упругих параметров.

Высокие значения КАVp в образцах керна обусловлены также техногенным воздействием и декомпрессией керна при подъеме образца на поверхность и влиянием микротрещиноватости. Это необходимо учитывать при исследованиях, что даже для таких уникальных образцов из Кольской сверхглубокой скважины, наиболее реальные значения параметров физико-механических свойств пород на больших глубинах, могут быть получены только из центральной части образцов керна.

Исследования геологического пространства и скоростей упругих волн в разрезе скважины СГ-3 привели ряд исследователей к выводу о наличии волноводов и флюидонасыщенных зон в архейском комплексе пород [Шаров, 1993; Беляков, Шлезингер, 1996; Николаев, 1999 и др.]. Изучение субгоризонтальных флюидонасыщенных рефлекторов было одной из главных целей международного проекта КОЛА-ОГТ 92 [Smythe et al., 1994; Ganchin et al., 1998]. Однако, данные о строении самого волновода были и остаются отрывочными и противоречивыми. На скоростной модели разреза СГ-3 по результатам АК и ВСП также отмечено наличие интервалов с пониженными скоростями Vp [Рабинович и др., 2000]. В этом плане особенно показательны результаты сопоставления глубинного разреза МОВЗ с сейсмотомографическим разрезом (рис. 19).

Они свидетельствуют о существовании под Печенгской структурой почти горизонтальной зоны пониженных скоростей Vp, осевая поверхность которой пересечена скважиной СГ-3 на глубине около 10 км, т.е. в интервале разреза архейской кольской серии. Общая мощность зоны волновода составляет порядка 5 км. Верхняя граница волновода прослеживается прерывистой границей обменов, которая одновременно является и подошвой высокоскоростных линзовидных аномалий в верхней части коры. Нижняя граница волновода выражена более устойчивой границей обменов, которая на протяжении всего профиля контролирует положение кровли высокоскоростного слоя.

Петрофизические данные полученные для опорных образцов керна архейских пород и их аналогов с поверхности доказывают, что на глубинах 8.5-11.5 км присутствуют гнейсы со средней скоростью Vp - 5.57 км/с и амфиболиты со средней скоростьюVp - 6.29 км/с (см. таблицу 4). Именно они создают тот каркас волновода, в котором развиваются более поздние процессы [Лобанов и др., 2002, 2007]. В качестве возможных причин возникновения волновода можно исключить насыщенность разреза СГ-3 метабазитами и степень мигматизации метаморфических пород, поскольку они не обнаруживает закономерных вариаций по глубине [Казанский и др., 2005].

Самостоятельным структурным элементом зоны волновода в разрезе скважины СГ-3 являются зоны катаклаза и регрессивного метаморфизма. Существует предположение, что именно они могут являться флюидонасыщенными рефлекторами. Однако петрофизические данные показывают, что регрессивные изменения в гнейсах, амфиболитах и мигматитах приводят к уменьшению плотности, пористости, KАVp и увеличению скоростей Vp и Vs (Таблица 5). Следовательно, их также нельзя рассматривать в качестве флюидонасыщенных сейсмических границ [Казанский и др., 2002].

Таблица 5 Петрофизические параметры архейских метаморфических пород и диафторитов по ним из разреза Кольской сверхглубокой скважины в интервале 8-12 км
Породы	Кол-во образцов	Плотность г/см3	Пористость, %	Vp, км/с	Vs, км/с	KAVp
Гнейсы	59	2.72	1.25	5.29	2.72	1.24
Диафториты по гнейсам	15	2.68	0.93	5.39	2.75	1.17
Амфиболиты	25	3.03	0.94	5.70	2.78	1.24
Диафториты по амфиболитам	11	2.81	0.96	5.80	3.03	1.17
Мигматиты по гнейсам	16	2.69	1.26	5.10	2.52	1.24
Диафториты по мигматитам	6	2.65	0.93	5.77	2.73	1.17

Остается еще одна альтернатива - более молодые зоны открытой трещиноватости, заполненные флюидами. В пользу этого предположения свидетельствует продолжение предполагаемого волновода в акваторию шельфа Баренцева моря на расстояние до 110 км и однотипная инверсия скоростей S- и P-волн на глубине 8-10 км, там и здесь [Исанина и др., 2000]. Однако распознать такие флюидонасыщенные зоны открытой трещиноватости в скважине СГ-3 на таких глубинах практически оказалось невозможным вследствие отбора керна в этом интервале в 2000 м способом магазинирования, интенсивного дискования керна архейских пород, который составил из общей проходки за 258 рейсов бурения 53%, тогда как с прямой трубой было пробурено 23.5%, и столько же составили интервалы без отбора керна [Лобанов и др., 2007]. Для этой части разреза было получено 9604 образца керна, половина из которого претерпела дискование и не пригодна для изучения физических свойств. Отсутствие представительного кернового материала и приборов, которые бы позволили отбирать на больших глубинах пробы флюидов и газов, поступающих из окружающих пород и трещинных зон приводят к предположению, что для зоны волновода характерно наличие открытой трещиноватости [Казанский и др., 2002].

Выводы

1. Результаты петрологических и структурно-петрофизических исследований опорных образцов керна из архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины и их аналогов с поверхности имеют важное значение для характеристики того каркаса, в котором в глубинных зонах континентальной земной коры развивались более поздние процессы. Эти данные свидетельствуют о том, что аномально высокая пористость и низкие скорости упругих волн на глубоких горизонтах скважины, могут быть обусловлены техногенными факторами, что имеет прямое отношение к проблеме сейсмических границ и волноводов.

2. Параметры физико-механических свойств опорных образцов керна и их аналогов с поверхности показывают, что на глубинах 8-12 км присутствуют гнейсы и амфиболиты с нормальными для таких пород плотностью, скоростями Vp и Vs. Декомпрессия при подъеме образцов керна на поверхность приводит к их разуплотнению, в результате чего пористость может возрасти в два раза, то есть результаты этих исследований дают основание предполагать, что in situ эти архейские породы обладают пористостью порядка 0.5%.

3. Установлено, что даже уникальные опорные образцы керна СГ-3, испытавшие минимальное техногенное воздействие при бурении алмазным инструментом, и релаксацию при подъеме на поверхность, имеют большую величину KAVp (1.25), что необходимо учитывать при анализе анизотропии Vp в архейских пород на больших глубинах.

4. Установлено, что в интервале от 8 до 12 км в архейском комплексе формировались более поздние зоны регрессивного метаморфизма и трещиноватости. Эти зоны, насыщенные флюидами, не могут являться пологими глубинными рефлекторами. Предполагается, что флюидонасыщенные пологие сейсмические границы связаны с наиболее поздними зонами открытой трещиноватости, непосредственно продолжающимися из Балтийского щита в шельф Баренцева моря.