Коллектив авторов - Строение и история развития литосферы

The new materials allowed us to reconsider the Neoproterozoic – Early Paleozoic stage of geodynamic scenario for Arctic. The key moment of the new reconstruction is a collision of two paleo-continents – Baltica (Precambrian skeleton of East-European Craton) and Arctida been occurred at the Neoproterozoic/Cambrian boundary. This new conception is named «ABC-conception» (Arctida-Baltica Collision). The new reconstruction of Arctida paleo-continent is strongly modified in comparison to the reconstruction of L.P.Zonenshain and his co-authors. In our interpretation, Arctida paleo-continent existed at least from Neoproterozoic up to the Baltica-Arctida collision and included Barentsia (Barents shelves and Timan-Pechora region) and Svalbard.

In according to «ABC-conception», the collision of Arctida and Baltica (been formed Arct-Europe paleo-continent – Arctida + Baltica) was the initial stage (the earliest continent-continent collision event) of assembling of the northern part of Vegener`s Pangea. The Pre-Uralides-Timanides collisional orogen was formed when Timanian passive margin of Baltica collided with Bolshezemel active margin of Arctida. Relicts of the Pre-Uralides-Timanides orogen in the present-day structure of the Western Arctic are parts of the basement of the region outlined as following: from the south to the north – from the Pechora basin (including the western slope of Polar and Subpolar Urals) to Svalbard (Spitsbergen), and from the west to the east – from the northern edge of Kola peninsula and southwestern boundary of Timan to the central part of New Land (Novaya Zemlya) archipelago.

Проведено двух– и трехмерное моделирование геотермического поля вдоль длинных геотраверсов в Западно-Арктическом бассейне и в Котловинах Подводников, которые были построены по данным сейсмопрофолирования и бурения. Рассчитаны глубины залегания интервала катагенетического преобразования органического вещества для различных участков осадочного бассейна. Наименьшая глубина этого интервала приурочена к Южно-Баренцевской впадине, где по геологоразведочным данным установлен самый высокий углеводородный потенциал. На трехмерных моделях к этому району приурочен «термический купол», выделяемый впервые. Исследования проводились при финансовой поддержке Норвежского нефтяного директората, Президиума РАН, Отделения наук о Земле РАН и РФФИ.

Геолого-экономическое значение акваторий Арктических морей обусловливается существующими значительными нефтегазовыми ресурсами шельфовых осадочных бассейнов и будет возрастать по мере освоения уже открытых и выявления новых месторождений.

В условиях ограниченности инвестиционных ресурсов для проведения дорогостоящих геолого-геофизических исследований и высоких рисков поисково-разведочных работ на шельфе практическое значение приобретают относительно недорогие, но весьма наукоемкие методы косвенной оценки перспектив нефтегазоносности на базе уже имеющихся геолого-геофизических данных.

Широкие возможности для применения новых технологий изучения геологического строения недр и прогноза нефтегазоносности в пределах осадочных бассейнов предоставляют данные вдоль длинных разрезов – геотраверсов, построенных с помощью материалов профилирования МОВ-ОГТ и глубокого бурения.

Нами проведено геотермическое моделирование вдоль сети геотраверсов в Западно-Арктическом и Амеразийском бассейнах с целью определения глубинных температур в земной коре, для оценки глубины залегания температурных интервалов, отвечающих различной степени катагенетической преобразованности органического вещества (ОВ), а также для исследования характерных проявлений геотемпературного поля, контролирующих локализацию известных месторождений газа и газоконденсата.

Мозаичное строение Арктического бассейна обусловило необходимость применения 3D-моделирования геотермического поля. Объемное отображение температур в координатах «широта-долгота-глубина» позволило построить изотермические поверхности, а также температурные срезы на различных глубинах. Фактически были построены томографические модели для геотермического поля.

Томографический метод в геофизике развивается в наше время не менее активно, чем в медицине, астрономии или технике. Термин «томография» стал применяться в науках о Земле лишь 25–30 лет назад, хотя эта методика под названием «изучение глубинного строения Земли», используется уже сто лет.

Преимущество томографической модели заключается в построении объемных, трехмерных изображений объектов, в возможности их рассмотреть «со всех сторон». Для томографии не имеет значения, какую структуру или какое геофизическое поле отображается, и это обусловило появление нескольких видов геофизической томографии: сейсмическая томография в различных вариантах обработки сейсмических волн, гравитационная, электромагнитная и т. д. Успехи применения сейсмотомографии ( Dziewonski, 1984; Dziewonski, Anderson, 1984; Seismic tomography…,1993 ) ярко продемонстрировавшей наличие глубинных неоднородностей, естественно стимулировали разработку подобного подхода и для других полей ( Тараканов, 1997 ), в которых также можно видеть объемные неоднородные объекты, или как сейчас многие полагают, нелинейные геологические структуры ( Пущаровский, 1993, Николаев, 1997 ).

В нашей постановке развивается метод термической томографии.

Для оценки температур на глубинах, не достигнутых бурением, а также глубины нахождения характерных температурных границ в литосфере нами была разработана методика 2D– и 3D-моделирования нестационарного теплового поля. Теплофизическая среда, т. е. конфигурация контрастных теплофизических слоев и значения тепло– и температуропроводностей, задавались на основе соответствующей оцифровки выделенных по сейсмическим данным структурных комплексов вдоль профилей. При расчете используются значения теплофизических свойств коры, адекватные установленным граничным скоростям. В качестве краевых условий на нижней границе области моделирования использовались температуры на забое глубоких скважин (краевые условия первого рода) или значения теплового потока, измеренного также в наиболее глубоких скважинах (краевые условия второго рода). На верхней границе области моделирования, как правило, совпадающей с поверхностью Земли (точнее, с уровнем «нейтрального слоя»), задавалась среднегодовая температура поверхности. На боковых границах соблюдалось условие отсутствия горизонтального оттока тепла, т. е. δT/δ x=0 . В случае термотомографического моделирования в океанской литосфере на нижней границе области всегда задавалось краевое условие второго рода.

Вдоль каждого из профилей выполнялся расчет глубинных температур с помощью программного пакета «TERMGRAF», разработанного нами ( Хуторской, 1996 ).

Для решения задачи о распределении температур в разрезе используется численный метод конечных элементов с квадратичной аппроксимацией функции температуры между узлами прямоугольной сетки. В программе предусматривается сетка 41х41 узел (т. е. решается двумерная задача), линейные размеры узла по осям X и Z возможно изменять по требованию оператора. Внутри области моделирования с помощью программы ввода и оцифровки данных задается конфигурация контрастных сред и их теплофизические свойства: температуропроводность а ( м 2/с ), теплопроводность k ( Вт/(мК) ) и нормированная плотность тепловых источников Q/c∙ ρ ( К/с ). В расчетной части комплекса задаются линейные размеры области моделирования ( Lx и Lz , в км), которые определяют линейные размеры узла ( Lx/41 и Lz/41 ), а также временной интервал дискретизации решения (в млн лет). Временной шаг итерационного процесса автоматически выбирается программой и рассчитывается как τ = 10 -7 ( Z 2 /4a ), где Z – толщина области моделирования.