Эволюция литосферы Западной Сибири и формирование осадочного бассейна

Содержание

Проводимые в Западной Сибири исследования ориентированы на решение вопросов, как относящихся к компетенции отдельных дисциплин геологической науки (стратиграфия, литология и др.), так и имеющих синтезирующий характер и касающихся общих представлений оении и тектонической эволюции этого крупнейшего седиментационного бассейна — Западно-Сибирской геосинеклизы. В той или иной степени все исследования связаны с оценкой нефтегазоносности региона.

Характерной чертой проводимых работ, которая обусловлена особенностями строения геосинеклизы, является широкое применение геофизики. Имеющийся опыт геофизических исследований заслуживает специального анализа. Здесь представляется уместным лишь отметить весьма широкий диапазон возлагаемых на них задач: от картирования разноглубинных тектонических элементов — до прямых поисков месторождений углеводородов.

Наиболее существенная роль в применяемом комплексе геофизических исследований отведена сейсморазведке в ее различных модификациях. Вместе с тем, постоянно целый ряд задач геологического содержания возлагается на гравиметрические и магнитометрические съемки. Специальное значение имеют термометрические и радиометрические измерения. Относительно слабое развитие получили петрофизические исследования и работы по определению абсолютного возраста горных пород.

Библиография исследований региона весьма обширна, поэтому следует ограничиться указанием лишь тех работ, которые носят обобщающий характер.

Исследования ранней стадии связаны с именами таких известных &bdquo-естествоиспытателей, как Н. С. Шатский (1951), В. В. Белоусов, А. ЛЯншин (1951, 1965 и др.).

Крупным шагом в геологическом изучении и освоении Западной С ибири оказался выход в свет в 1975 году монографии «Геология нефти -: газа Западной Сибири» (А.Э.Конторович, И. И. Нестеров и др.).: Монография подготовлена большим коллективом специалистов и явилась -итогом многолетних исследований. Она служит одним из основных, источников информации по тектонике разновозрастных мегакомплексов

Западно-Сибирской геосинеклизы и ее нефтегазоносное&trade-.

Многоярусное геологическое строение региона предопределило целенаправленный интерес исследователей к изучению его структурных этажей: кристаллического фундамента, мезозойского плитного и неотектонического мегакомплексов.

Вопросы, касающиеся кристаллического основания плитного мегакомплекса, наиболее полно рассмотрены П. К. Куликовым (1971), В. С. Сурковым и О. ГЖеро (1976,' 1988), В. С. Бочкаревым (1976, 1988). Содержательную информацию о тектонике мезозойского плитного мегакомплекса можно найти в работах Н. Н. Ростовцева (1964), МЛ. Руцкевича (1969, 1989), И. И. Несгерова (1975, 1982 и др.).

Неотектонический этап развития земной коры Западной Сибири описан специалистами СО АН СССР и ЗапСибНИГНИ.

Проблеме нефтегазоносное&trade- региона посвящено много научных трудов (Н.НРостовцев, А. Э. Конторович, ИННестеров и др.). В общем виде проблема рассмотрена И. И. Нестеровыми В.И.Шпильманом (1987).

Характерной особенностью геолого-геофизических исследований последних десятилетий является серьезное внимание к глубинным геологическим закономерностям и их роли в тектонической эволюции региона.

Взгляды исследователей по этому поводу существенно различаются. Достаточно указать две, радикально не согласующиеся между собой концепции. Одна из них предложена П. К. Куликовым (1971). В качестве основной причины крупного опускания земной коры, обусловившего в дальнейшем интенсивное накопление осадков, эта концепция предполагает тепловое воздействие мантии на коровый слой. Представленное автором аналитическое обоснование описываемого процесса из-за ограниченности сведений по глубинному строению территории носит, по существу, абстрактный характер.

Другая, более известная концепция разработана новосибирскими учеными во главе с В. С. Сурковым и А. А. Трофимуком (1982). В качестве причины образования осадочного бассейна в ней рассматривается тотальный рифтогенез, охвативший территорию Западной Сибири в раннемезозойское время. Аналитическое обоснование геодинамической сущности этого процесса авторы не представили.

Названная система взглядов находит последователей, однако бесспорных доказательств реальности крупного по масштабам проявления рифтогенеза на территории Западной Сибири пока никем не найдено (например, С. В. Аплонов, 1989).

Важное место в числе работ, отражающих наиболее существенные черты геологического строения и историю геологической эволюции региона на протяжении рифея — палеогена, занимает монография «Тектоника и эволюция земной коры Сибири» (отв.ред. А. Л. Яншин, Ч. Б. Борукаев, 1988).

Некоторые аспекты эволюции Западной Сибири рассмотрены в монографиях «Геологическое строение СССР и закономерности размещения полезных ископаемых», т.9 (ред. И. С. Грамберг, Ю. Е. Погребицкий, 1984), «Основные структуры и динамика литосферы Сибири по геолого-геофизическим данным» (Э.Э.Фотиади и др., 1990).

При изучении возникающих в процессе исследований вопросов теоретического характера автор обращался к трудам В. А. Магницкого, Е. Ф. Саваренского, В. Н. Жаркова, Н. А. Беляевского, А. Л. Яншина, В. В. Белоусова, О. А. Вотаха, В. Е. Хаина.

При моделировании элементарных геодинамических ситуаций автор опирался на известные разработки Е. В. Артюшкова и А. Л. Яншина, обосновавших процесс быстрого в масштабе геологического времени погружения земной коры за счет физико-химических преобразований на границе с разогретой аномальной мантией.

При оценке изостатического состояния литосферы региона автор использовал некоторые идеи М. Е. Артемьева (1975,1980) и Ю. А. Зорина (1981).

Получивший определенное развитие в работе прием прогностической оценки напряженного состояния геологической среды идеологически основан на результатах исследований С. А. Ушакова и М. С. Красса (1979) и находится в согласии с фундаментальными положениями механики сплошной среды (Л.Л.Седов, 1973).

Естественный интерес при изучении вопросов геологического строения Западной Сибири представляют исследования зарубежных специалистов. Как фундаментального (.Ш.Вапа, 1873- К. Ито, Г. Кеннеди, 1971- Ф. Стейси, 1972- А. Шейдеггер, 1988 и др.), так и прикладного (КСитЦсг, 1970-Н.Ше1^еЬаиег, 1987- НоппапН.81еер, ?987- Тюпгшуюа, 1992 и др.) характера. Особенностью зарубежных исследований прикладного направления является их сравнительно узкая специализация. Этим обстоятельством и определяются границы возможного применения результатов подобных работ.

Многолетний опыт работ с широким спектром геолого-геофизической информации по территории Западной Сибири не оставляет сомнений в ее весьма значительной научной и практической ценности. Тем не менее, нельзя не заметить некоторую незавершенность известных моделей геологического строения региона. Прежде всего, с геодинамических позиций, которые призваны объяснить природу тектонических процессов, вызвавших его эволюцию.

В известных моделях не уделено необходимое внимание как убедительному, согласующемуся со всем объемом геолого-геофизической информации, обоснованию вероятных текгоно-физических факторов, обусловивших заложение осадочного бассейна, так и оценке их роли в формировании его современного облика. Приходится констатировать, что до настоящего времени еще не удалось найти достаточно убедительную с геодинамических позиций концепцию, которая находилась бы в удовлетворительном согласии со всем спектром полученных к настоящему времени геологических и геофизических материалов.

Известные тектонические представления пока не контролируются устойчивой системой геолого-геофизических диагностических признаков, и это делает неоднозначным решение задач картирования как наиболее крупных тектонических элементов региона, характеризующих особенности его мегаструктуры, так и разновозрастных структурных единиц более высоких порядков, принадлежащих кристаллическому фундаменту геосинеклизы и ее более молодым мегакомплексам.

Перспектива удовлетворительного решения этой проблемы для Западной Сибири объективно зависит от представительности геофизических данных о глубинном строении земной юры и верхней мантии и предполагает определенное повышение эффективности анализа имеющейся информации.

Первое условие в настоящее время, благодаря регулярности глубинных сейсмических зондирований и, отчасти, вследствие проведенного автором анализа разноглубиных источников аномалий гравитационного и магнитного полей, выполняется. Возможность повышения эффективности приемов анализа информации видится в совершенствовании применяемых методических процедур.

Представляемая диссертационная работа является попыткой описать вероятные геодинамические условия формирования Западно-Сибирской геосинеклизы на основе изучения совокупности взаимосвязанных физических характеристик земной коры и верхней мантии. Работа основана на результатах исследований, выполненных автором в течение 1980−1993 гг. по шести крупным темам, предусмотренным планом научно-исследовательских работ Западно-Сибирского научно-исследовательского геологоразведочного нефтяного института.

Целью исследований явились поиски и изучение закономерностей строения земной коры и верхней мантии, дающих представление о геодинамической обусловленности и характере реализации структуроформирующих процессов в ходе эволюции литосферы при образовании Западно-Сибирской геосинеклизы.

При систематизации и анализе введенных в рассмотрение геолого-геофизических данных подлежали решению следующие задачи:

1. Разработка методики комплексного анализа геолого-геофизических материалов, обеспечивающей диагностику тектонических элементов, принадлежащих различным по глубине уровням земной коры и верхней мантии, и выяснение степени их взаимосвязи.

2. Характеристика вероятных тектонических условий реализации процесса прогибания земной коры и формирования в течение предмезозойского и раннемезозойского этапов эволюции литосферы региональных структурных поверхностей, разграничивающих мегакомплексы Западно-Сибирской геосинеклизы.

3. Развитие представлений об элементах мегаструюуры литосферы региона, их вероятной геодинамической обусловленности и режиме формирования.

4. Разработка приемов корректного картирования границ структурных элементов мезозойского плитного мегакомплекса.

5. Исследование вероятных геодинамических причин образования региональных, надпорядковых и локальных структур мезозойского плитного мегакомплекса.

6. Изучение возможностей возрастной и литологической диагностики мегакомплексов кристаллического фундамента геосинеклизы и разработки статистических моделей строения литосферы по материалам геофизики, формационного геологического анализа и бурения.

7. Прогнозирование зон напряженного состояния земной коры и характеристика глубины их проявления.

8. Спектральный анализ геохронологических закономерностей регионального масштаба и практическое применение его результатов.

Актуальность работы определяется направленностью ее на решение важных задач геологического и методического содержания, связанных с изучением литосферных процессов, обусловивших образование ЗападноСибирского осадочного бассейна.

Новизна работы. Новизной отличаются как методическая сторона проведенных исследований, так и полученные в их ходе геолого-геофизические результаты.

Прежде всего, элемент новизны содержится в методическом подходе автора к постановке и выбору способов решения задач, связанных с обоснованием разрабатываемых геодинамических представлений. Этот подход предусматривал целевое комплексное изучение информации геологического (данные бурения, определения абсолютного возраста пород, формационного анализа) и геофизического (данные сейсморазведки ГСЗ, КМПВ, MOB ОГТ, гравиразведки, магниторазведки, термометрии скважин, космографии) содержания.

По сравнению с нашедшими применение ранее, он отличается большей разносторонностью. В процессе анализа использованы не только сами параметры, непосредственно характеризующие геологическую среду- но и особенности существующих между ними связей физического и корреляционного характера.

Аналитическое обеспечение большинства использованных методических приемов для конкретных условий Западной Сибири принадлежит автору. Впервые здесь реализованы следующие процедуры анализа материалов:

— исследованы спектральные характеристики гравитационного и магнитного полей (вероятные с геологических позиций и реально существующие) с целью выделения разноглубинных источников аномалий-

— при описании гравитационных аномалий введен и использован новый параметр, характеризующий энергию поля-

— рассчитаны гравитационные аномалии редукционного типа (формируемые как рельефом поверхности, так и внутренней неоднородностью среды), изостатические, а также — аномалии гравитационного потенциала-

— построены схематические послойные карты плотности земной коры и верхней мантии-

— изучена полученная расчетным путем топография «свободной поверхности мантии» территории Западной Сибири и дана прогнозная оценка напряженного состояния земной коры, обусловленного неоднородностями литосферы-

— аналитически обоснована и реализована процедура выделения границ структур мезозойского плитного мегакомплекса регионального и локального уровней, основанная на результатах спектрального анализа глубин залегания сейсмогеологических поверхностей (она использована при построении новой тектонической схемы мезозойского плитного мегакомплекса) —

— предложено описание преобразований земной коры, вызванных физико-химическим (эклогитизацией) и тепловым (изменением объемов) воздействием мантии, с учетом скорости протекания указанных процессов, дополняющее известное решение (ЕВ.Артюшшв), отвечающее стационарным условиям, и установлено непостоянство скорости погружения различных частей территории региона на председиментационной стадии ее эволюции-

— исследована вероятность проявления в условиях Западной Сибири альтернативных геодинамических факторов, действие которых теоретически могло привести к образованию бассейна седиментации: крупных растяжений литосферы, сопровождаемых рифтогенезом, или термического воздействия мантии-

— с целью повышения объективности картирования дизъюнктивных геологических границ и оценки вероятных условий трещинообразования рассмотрен (для простейших моделей) вариант прогноза механических напряжений на границах геологических структур и приближенной оценки условий возникновения разрушающих деформаций-

— разработан прием определения положения зон дислокации земной коры, предусматривающий суммирование геофизических и геологических признаков-

Проведенный анализ обеспечил получение представительной геофизической информации по любому участку территории Западной

Сибири. В сочетании с геологическими данными о формационном составе и возрасте пород, относимых к древнему кристаллическому основанию геосинеклизы, и полученными в процессе иследований представлениями о региональных и локальных закономерностях тектоники мезозойского плитного мегакомплекса эта информация обеспечила вполне уверенное выделение разнородных по особенностям строения и истории развития блоков литосферы.

Геолого-геофизические характеристики обнаруженной системы литосферных блоков свидетельствуют о том, что и закономерности мегаструкгуры региона в целом, и особенности размещения областей гетерогенного фундамента геосинеклизы, а также участков развития триасовых и триас-юрских образований, и композиция структурного плана мезозойского плитного мегакомплекса — обнаруживают очевидную зависимость от интенсивности прогибания земной коры на председиментационной и синседиментационной стадиях формирования осадочного бассейна.

На основании полученных результатов автором предложена новая геодинамическая концепция, описывающая формирование ЗападноСибирского осадочного бассейна (геосинеклизы) как результат воздействия (упругого, тфмоупругого и физико-химического) аномальной по своим свойствам мантии на коровый слой литосферы. Рассмотрено отражение этого процесса в режиме становления мегаструкгуры геосинеклизы и развитии ее основных тектонических элементов: кристаллического фундамента, промежуточного структурного этажа, мезозойского плитного мегакомплекса, а также — в особенностях неотекгонических движений земной коры.

Все ранее предложенные модели геологического строения региона не позволяют уверенно распознавать, классифицировать (и идентифицировать однотипные) геологические структуры по какой-либо совокупности геолого-геофизических характеристик земной коры и мантии.

Защищаемые положения диссертационной работы включают констатацию установленных автором закономерностей строения и развития литосферы Западно-Сибирского региона и основных положений разработанной методики анализа информации.

1. Строение земной коры и верхней мантии Западной Сибири в наибольшей степени определено режимом ее тектонической эволюции на стадии формирования седиментационного оассеина -Западно-Сибирской геосинеклизы — и характеризуется наличием динамически связанной системы блоков, отличающихся глубиной залегания реликтового слоя разуплотненной мантии, мощностью и вещественным составом корового слоя литосферы. Названные особенности тектоники региона отражают разную интенсивность вертикальн ых движений отдельн ых его частей на стадии заложения бассейна и в процессе его последующего форчирования.

По установленным отличиям, фиксирующим тектонические закономерности земной коры и подкоровой мантии, выделены пять типов блоков, индексируемых возрастом геологических образований, принимаемых за кристаллический фундамент геосинеклизы. Вертикальную мощность блоков составляют переменные по толщине слои земной коры и подкоровой мантии. Гипсометрическое положение основания каждого блока соответствует поверхности реликтового низкоплотного слоя мантии и служит диагностическим признаком, определяющим характер тектонического развития каждого подобного элемента литосферы: режим движений, вероятный уровень эрозии на председиментационной стадии и возраст пород, оказавшихся фундаментом мезозойского плитного мегакомплекса геосинеклизы, преобладающий тип структур этого мегакомплекса, особенности неотектоники. Разделяющие блоки границы имеют близкое к вертикальному пространственное положение и в большинстве случаев сопровождаются аномальным уровнем геомеханического напряжения.

2. Основными геодинамическими факторами, определившими характер эволюции литосферы Западной Сибири, являются упругое, термоупругое и физико-химическое воздействия аномал ьного по своим свойствам вещества мантии на коровый слой. Степенью активности этих процессов в разных частях региона обусловлена интенсивность прогибания литосферы на председиментационной стадии и особенности синседиментационной стадии его эволюции.

Характеризующие литосферу Западной Сибири современные геофизические данные не дают основания предполагать проявление в течение палеозойской и мезозойской эр каких-либо коллизионных процессов или интенсивных горизонтальных дислокаций на занимаемой ею территории.

3. Режим структуроформирующих движений при образовании

Западно-Сибирской геосинеклизы обусловлен закономерностями эволюции земной коры и верхней мантии и определен характеран изменения их плотности. Условия размещения региональных и надпорядковых структур мезозойского плитного мегакомплекса регулируются вещественным составом консолидированной части земной коры. Пространственное обособление ассоциаций локальных структур первого порядка этого мегакомплекса, имеющих разный знак, вызвано особенностями распределения плотности в верхней мантии.

4. При изучении осадочных бассейнов, близких по типу ЗападноСибирскому, представляется целесообразней форнирование системы комплексных диагностических признаков, отражающих геодинамические факторы, действие которых может рассматриваться как вероятная причина структурно-вещественных преобразований земной коры и верхней мантии, создающих условия для интенсивного осадконакопления.

К числу таких факторов относятся различного рода деструктивные воздействия мантии на коровый слой: эклогитизация, термоупрутий эффект, горизонтальное растяжение литосферы и др.

Получаемые сведения должны обеспечивать возможно более полное исследование аспектов тектоно-физической и хронологической связи картируемых тектонических элементов. Методика создания необходимой информационной базы должна предусматривать:

— классификацию аномальных полей на основе спектрального анализа их структуры, количественное описание отдельных аномалий и аномальных массивов поля,

— использование предложенного автором приема районирования аномального поля на основании его энергетической характеристики,

— простейшее математическое моделирование прогнозируемых геодинамических процессов,

— применение приемов прогнозирования напряженного состояния земной коры,

— разработку и реализацию корректных приемов картирования границ структур в осадочных отложениях,

— количественное описание вероятных геохронологических закономерностей развития региона и выделение временных рубежей. фиксирующих различные стадии его эволюции,

— регулярный статистический и вероятностный анализ вводимой в рассмотрение геологической и геофизической информации,

— изучение возможных геомеханических причин фотокосмических аномалий.

Самостоятельный интерес представляют материалы диссертации, иллюстрирующие результаты решения ряда практических вопросов геологического строения региона, впервые предлагаемые автором. В их число входят: комплект карт, характеризующих структурно-вещественные закономерности строения земной коры и верхней мантии, струкгурно-литологические схемы и разрезы, характеризующие наиболее общие закономерности строения основных мегакомплексов Западно-Сибирской геосинеклизы (предмезозойских и мезозойского плитного), а также -сведения о региональных особенностях неотектонического этапа развития региона. На основании специального анализа формальных геохронологических закономерностей территории Сибири дана прогнозная оценка времени проявления на исследуемой территории геосинклинальной и орогенной стадий ее развития.

Практическое значение исследований определяется их результатами: степенью эффективности разработанной методики комплексного анализа геологической и геофизической информации, содержательностью полученных представлений о характере развития и особенностях взаимосвязи разноглубинных тектонических элементов земной коры и верхней мантии Западной Сибири.

Все разработки прикладного характера нашли применение в решении конкретных практических вопросов, касающихся изучения фундамента, орогенного и плитного мегакомплексов Западно-Сибирской геосинеклизы, некоторых общих закономерностей ее развития на неотекгоническом этапе.

Специальный интерес должен, по-видимому, представлять и разработанный автором методический подход к решению некоторых конкретных вопросов использования геофизической информации.

Фактический материал, нашедший применение в исследованиях, собран автором по разнообразным источникам геологической, геофизической и космографической информации для территории Западной Сибири и пограничных с нею регионов.

В число анализируемых вошли материалы сейсморазведки, грави-разведки, магниторазведки, сведения о тепловом поле и элементах дешифрирования космических снимков. Данные Глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) представляли собой сейсмические разрезы по 17 профилям, отработанным в течение 1979 — 1988 гг. ИГиГ СО АН СССР, НПО «Союзгеофизика» и ПГО «Уралгеология». Данные КМПВ были представлены глубинными и скоростными региональными сейсмическими разрезами, полученными Главтюменьгеологией в 1974 -1980 гг., и Структурной картой поверхности фундамента платформенных территорий СССР масштаба 1: 2 500 ООО [23]. Данные MOB ОПТ, полученные Главтюменьгеологией в 1980 — 1988 гг., были представлены глубинными и (реже) временными разрезами по региональным профилям и сейсмогеологическими картами рельефа отражающих стратифицируемых поверхностей: «А» (основание мезозойского плитного мегакомплекса), поверхности заводоуковской серии J2bt — J3c)], поверхности «Б» (баженовской свиты J3v) и некоторых других.

Сведения о характере гравитационного поля изучаемой территории были получены на основании Карты гравитационных аномалий Буге на территорию Западно-Сибирской низменности (м-б 1: 2 500 000, ред. Г. И. Каратаев, 1960 г.), при использовании которой были приняты во внимание внесенные в нее позднее уточнения.

Сведения о магнитном поле получены с помощью Схематической карты аномального магнитного поля АТа Западно-Сибирской низменности (м-б 1:1 500 000, ред. П. А Кукин, 1975 г.) и Схематической карты спутниковых съемок (HACA, США).

Во всех необходимых случаях принимались во внимание также и материалы крупномасштабных гравитационных и магнитных съемок, выполненных в последние годы производственными подразделениями Главтюменьгеологии и ПГО «Уралгеология».

В качестве материалов, характеризующих геологическое строение региона, автором использованы работы исследователей, занимающихся его изучением в течение длительного времени: Н. Н. Ростовцева, И. И. Нестерова, В. С. Суркова, М. Я. Рудкевича, П. К. Куликова, О. Г. Жеро, В. С. Бочкарева, а также -работы Ч. Б. Борукаева, Б. М. Чикова, А. Л. Яншина, В. И. Шпильмана, Л. Л. Подсосовой. В процессе проведения исследований автор регулярно знакомился с обновляющимися фондовыми материалами

Главтюменьгеологии, ПГО «Уралгеология», ПГО «Новосибирскгеология».

Структура работы: Диссертация представлена в виде научного доклада по совокупности 59 работ, выполненных и опубликованных автором, начиная с 1980 года. Основные научные результаты диссертации отражены в 26 публикациях. Доклад состоит из введения, 8 основных разделов, заключения и списка публикаций.