Акустический журнал, 2021, T. 67, № 2, стр. 154-173
Акустические особенности упруго-анизотропных свойств образцов горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины СГ-3
О. М. Тришина a, *, Ф. Ф. Горбацевич a, М. В. Ковалевский a
a Геологический институт КНЦ РАН
184209 Апатиты, ул. Ферсмана 14, Россия
* E-mail: trishina@geoksc.apatity.ru
Поступила в редакцию 25.06.2019
После доработки 15.11.2020
Принята к публикации 22.12.2020
Аннотация
Выполнено сравнение упруго-анизотропных свойств образцов, отобранных из ствола Кольской сверхглубокой скважины СГ-3. Отбор образцов производился из протерозойской и архейской частей. Петрофизические свойства образцов пород протерозойской части разреза Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 (0–6842 м) (метатуфов, метатуфосланцев, сланцев, габбродиабазов, метадиабазов, плагиоамфиболов, гнейсов) изменяются в широких пределах за счет вариаций их минерального состава. Преобладающими породами в архейской части разреза СГ-3 являются гнейсы, сланцы, амфиболиты. На скоростные характеристики образцов пород, извлеченных из глубин 0.7–11.3 км, оказывает влияние эффект разуплотнения. Для оценки величин скорости, близких in situ, следует применять значения, полученные расчетом по минеральному составу. Полученные результаты могут применяться при геофизических исследованиях и технических расчетах в горном производстве.
ВВЕДЕНИЕ
Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) занимает особое место в общемировой системе изучения глубинного строения кристаллической коры Земли. Она пробурена в северо-восточной части Балтийского щита (69°25′ с.ш., 30°44′ в.д.) и достигла одним из стволов глубины 12262 м (рис. 1). Целью проекта “Кольская сверхглубокая” являлись, в частности, исследование, систематический анализ и синтез данных по составу, строению, физическим свойствам и состоянию кристаллических пород в верхней и средней частях коры. Среди прочих задач планировалось создание геолого-геофизических моделей Печенгского геоблока в качестве реперных для кристаллической континентальной коры [1].
Скважина вскрыла два комплекса пород: протерозойский и архейский. Протерозойский (Печенгский) комплекс сложен вулканогенными и осадочными породами в соотношении 3 : 1 [2, 3]. Он вскрыт скважиной в интервале 0…6842 м [4]. По разрезу комплекс разделен на Матертинскую (0…1059 м), Ждановскую (1059…2805 м), Заполяринскую (2805…4673 м), Лучломпольскую (4673…4884 м), Пирттиярвинскую (4884…5619 м), Кувернеринийокскую (5619…5717 м), Маярвинскую (5717…6835 м) и Телевинскую (6835…6848 м) свиты. Комплекс представлен ритмично чередующимися осадочными и вулканогенными породами с подчиненными комагматичными телами габбро-верлитов, а также пластовыми телами габбро-диабазов и дацит-андезитовых порфиритов [4]. Породы комплекса представлены, в основном, метатуфами, перидотитами, габбро-долеритами, метапесчаниками, сланцами, габбро-диабазами, метадиабазами, плагиоамфиболитами, порфиритами, гнейсами, андезитами. Исследования керна скважины показали, что в ее разрезе прослежены переходы от пренит-пумпеллитовой до амфиболитовой фации метаморфизма.
Архейский комплекс представлен I толщей гнейсов с высокоглизоземистыми минералами (ВГМ) (6842…7622 м), II толщей гнейсов с высококальциевыми минералами (ВКМ), амфиболитов и теневых мигматитов (7622…9456 м), III толщей гнейсов с ВГМ (9456…9562 м), IV толщей гнейсов с ВКМ, амфиболитов и теневых мигматитов (9562…10144 м), V толщей гнейсов с ВГМ (10 144…10 278 м), VI толщей гнейсов с ВКМ, амфиболитов и теневых мигматитов (10 278…10 448 м), VII толщей гнейсов с ВГМ (10 448…10 601 м), VIII толщей амфиболовых гнейсов, амфиболитов и теневых мигматитов (10 601…11 411 м), IX толщей гнейсов с ВГМ (11 411…11 708 м), X толщей биотит-плагиоклазовых гнейсов с ВКМ и вкрапленностью магнетита (11 708…12 262 м) [3].
Изучение особенностей упруго-анизотропных свойств преобладающих пород разреза Кольской сверхглубокой скважины является задачей этой работы. Результаты исследования позволят внести вклад в создание общей геолого-геофизической модели кристаллической континентальной коры.
МЕТОДИКА
Образцы керна отбирались по всей глубине Кольской сверхглубокой скважины. Было отобрано 38 образцов, представляющих преобладающие породы разреза СГ-3. Из керна изготовили образцы в форме куба (размер ребра ~2.1 см, рис. 2) для петрофизических определений и шлифы для петрографического описания пород. После петрографического описания и вычислений минерального состава, методом Архимеда определили плотность пород. Определения скоростей распространения продольных и поперечных волн производили с использованием акустополяризационного метода, который выполняется с помощью акустополярископа [5, 6]. В конструкции акустополярископа имеется поворотная платформа, на которой закрепляется образец. Прибор содержит излучатель и приемник чисто поперечных линейно-поляризованных ультразвуковых колебаний, гониометр и указатель угла поворота платформы. Датчики акустополярископа соединены с ультразвуковым дефектоскопом. Измерения осуществлялись на рабочей частоте прибора 1.2 МГц.
Перед началом измерений подвижную платформу акустополярископа устанавливают на нулевую отметку шкалы углов [7, 8]. Отметки векторов поляризации преобразователей совмещают по одной линии. На рабочие поверхности преобразователей наносят контактную среду. Устанавливают и закрепляют образец на поворотной платформе.
На первом этапе измерения проводятся при параллельных векторах поляризации излучателя и приемника колебаний (положение ВП). Измеряются амплитуды колебаний, прошедших образец. На втором этапе векторы поляризации преобразователей устанавливаются под прямым углом (положение ВС). Результатом измерений являются акустополяриграммы ВП и ВС – круговые диаграммы изменения амплитуды огибающей импульса в пределах полного угла поворота поворотной платформы. По акустополяриграммам ВП определяется наличие и степень проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП) [5]. Акустополяриграммы, полученные в положении ВС, позволяют определить число и направленность проекций элементов упругой симметрии анизотропного образца, выявить наличие явления деполяризации сдвиговых волн (ДСВ) [9].
Эффект ЛААП выявляется при уплощении диаграмм, полученных при положении ВП векторов поляризации. В одном направлении векторов поляризации относительно структурных элементов среды, при наличии эффекта ЛААП, поперечная волна распространяется с малым поглощением, ее относительная амплитуда равна ARE. При повороте этих векторов в положение по нормали к направлению наибольшего пропускания (при амплитуде ARE), волна значительно поглощается. При этом ее амплитуда становится равной ARR. Расчет показателя значения линейной акустической анизотропии поглощения производят по формуле [5]:
(1)
$D = \frac{{{{A}_{{{\text{RE}}}}} - {{A}_{{{\text{RR}}}}}}}{{{{A}_{{{\text{RE}}}}} + {{A}_{{{\text{RR}}}}}}}.$Число и направленность проекций элементов упругой симметрии определяют по минимумам амплитуд, полученных в положении ВС. Наличие этих минимумов свидетельствует о присутствии упругой анизотропии в образце [5]. Линии, проходящие через противоположные минимумы амплитуд, являются проекциями элементов упругой симметрии. Данные проекции отражают направления, в которых скорости поперечных колебаний принимают экстремальные значения. Соответственно, последующие определения величин скорости производили в этих направлениях.
Результаты измерений величин скорости распространения продольных (VP) и поперечных (VS) волн по всем граням кубического образца отображали в форме квазиматрицы [5]:
(2)
${{V}_{{ij}}} = \begin{array}{*{20}{c}} {{{V}_{{11}}}}&{{{V}_{{12}}}}&{{{V}_{{13}}}} \\ {{{V}_{{21}}}}&{{{V}_{{22}}}}&{{{V}_{{23}}}} \\ {{{V}_{{31}}}}&{{{V}_{{32}}}}&{{{V}_{{33}}}} \end{array},$По данным квазиматрицы рассчитывали средние величины скорости продольной волны для образца, VPR = (V11 + V22 + V33)/3. Средние величины скорости поперечной волны определены как VSR = (V12 + V13 + V21 + V23 + V31 + V32)/6.
Показатели анизотропии вычисляли по формуле [10]
(3)
$\begin{gathered} {{A}_{{\text{P}}}} = \frac{1}{{{{V}_{{{\text{PR}}}}}}} \times \\ \times \,\sqrt {{{{\left( {{{V}_{{11}}} - {{V}_{{{\text{PR}}}}}} \right)}}^{2}} + {{{\left( {{{V}_{{22}}} - {{V}_{{{\text{PR}}}}}} \right)}}^{2}} + {{{\left( {{{V}_{{33}}} - {{V}_{{{\text{PR}}}}}} \right)}}^{2}}} . \\ \end{gathered} $Для оценки степени анизотропии образца по скорости поперечных колебаний рассчитывали обобщенный показатель анизотропии BS. Величину BS вычисляли по формуле [9]:
(4)
$\begin{gathered} {{B}_{{\text{S}}}} = \sqrt {B_{1}^{2} + B_{2}^{2} + B_{3}^{2}} , \\ {{B}_{1}} = \frac{{2\left( {{{V}_{{12}}} - {{V}_{{13}}}} \right)}}{{\left( {{{V}_{{12}}} + {{V}_{{13}}}} \right)}};\,\,\,\,{{B}_{2}} = \frac{{2\left( {{{V}_{{21}}} - {{V}_{{23}}}} \right)}}{{\left( {{{V}_{{21}}} + {{V}_{{23}}}} \right)}}; \\ {{B}_{3}} = \frac{{2\left( {{{V}_{{31}}} - {{V}_{{32}}}} \right)}}{{\left( {{{V}_{{31}}} + {{V}_{{32}}}} \right)}}; \\ \end{gathered} $Как ранее было отмечено, петрофизические свойства образцов пород изменяются с увеличением глубины извлечения [3]. В извлеченных образцах происходит их разгрузка от горного давления и за счет разницы в коэффициентах расширения у разных минералов происходит образование разгрузочных микротрещин [12, 13]. В ряде работ показано, что показатели ρ, VР, VS пород на глубинах, превышающих ~0.1 км, близки к тем, которые определены по их минеральному составу [14–16]. Поэтому нами выполнен расчет величин плотности и скорости распространения продольных и поперечных волн по минеральному составу породы. В качестве исходных учитывался минеральный состав породы (табл. 1) и значения параметров отдельных минералов, слагающих породу [16, 17]. Расчеты средних значений скорости распространения продольных (VPC) и поперечных (VSC) волн выполнены по формуле [17]:
где Vk – средняя расчетная скорость в породе, Vi – средняя скорость в каждом минерале, Рi – парциальная доля минерала, составляющего породу. По аналогичной формуле рассчитывается средняя расчетная плотность ρC.Таблица 1.
Минеральный состав и структура пород образцов из разреза СГ-3
| Номер образца | Интервал глубин, м | Минеральный состав, % | Структура | Определение породы |
|---|---|---|---|---|
| Протерозой | ||||
| SG-1848 | 750.0–757.0 | Chl-11, Bt-6, Akt-30, Pl-16, Op-14, Qtz-5, Cal-18 | Лепидобластовая | Туфосланец алевропелитовый базитового состава |
| SG-2263 | 829.0–836.0 | Vit-70, Cal-9, Op-13, Qtz-8 | Витрокластическая | Туф псефит-псаммитовый, витрокластический |
| SG-3114 | 1032.0–1037.0 | Сpx-18, Opx-31, Pl-36, Qtz-4, Op-3, Ep-6, Ap-1, Zrn<1 | Пойкилофитовая | Габбро-диабаз среднезернистый |
| SG-5306 | 1587.0–1594.0 | Ol-27, Trem-8, Tlc-11, Srp-42, Op-12 | Панидиоморфно-зернистая реликтовая | Перидотит измененный |
| SG-7400 | 1984.0–1992.0 | Cpx-4, Opx-35, Akt-6, Chl-12, Pl-23, Op-16, Ep-2, Ap-1, Zrn<1 | Долеритовая | Габбро-долерит мелкозернистый измененный |
| SG-8654 | 2246.3–2251.5 | Qtz-24, Vit-16, Pl-36, Op-7, Chl- 2, Ms- 3, Ser- 12 | Мелко- среднезернистая | Песчаник алевропсаммитовый полимиктовый |
| SG-8986 | 2312.9–2322.0 | Opx- 20, Сpx- 8, Akt- 12, Chl- 14, Op- 8, Pl- 34, Qtz- 2, Ep- 1, Ap-1, Zrn<1 | Пойкило-долеритовая реликтовая | Габбро-диабаз измененный |
| SG-9130 | 2376.25–2379.05 | C-32, Pl-9, Qtz-30, Op- 16, Chl- 11, Ep- 2 | Послойно-перекристаллизованная | Филлитовый сланец тектонизированный и перекристаллизованный |
| SG-9718 | 2573.0–2581.7 | C-24, Ser- 65, Op- 6, Pl- 2, Qtz- 3 | Лепидобластовая | Серицитовый сланец |
| SG-10267 | 2637.0–2754.5 | Opx- 17, Akt- 21, Op- 8, Pl- 35, Qtz- 4, Cal- 14, Ep- 1 | Микропойкило-долеритовая реликтовая | Габбро-диабаз среднезернистый измененный |
| SG-10813 | 2805.0–2866.5 | Akt- 42, Pl- 18, Qtz- 4, Op- 8, Chl- 18, Cal- 6, Ep- 3, Ap<1 | Нематогранобластовая | Диабаз мелкозернистый измененный |
| SG-12692 | 3242.0–3441.0 | Akt- 42, Pl- 17, Qtz- 4, Op- 7, Chl- 20, Cal- 3, Ep- 6, Ap<1 | Микропойкило-офитовая реликтовая | Диабаз среднезернистый измененный |
| SG-14515 | 3851.0–3965.0 | Hbl- 30, Akt- 26, Op- 17, Pl- 18, Cal- 1, Chl- 4, Ep- 3, Ap<1 | Бластоофитовая реликтовая | Метадиабаз среднезернистый измененный |
| SG-18063 | 4673.0–4785.0 | Pl-54, Qtz- 28, Chl- 14, Bt- 2, Ap-1, Zrn<1 | Порфировая реликтовая | Дацитовый плагиопорфирит измененный |
| SG-18771 | 5080.5–5132.6 | Hbl- 75, Op- 5, Pl- 15, Qtz- 4, Ap<1 | Нематогранобластовая | Плагиоамфиболит мелкозернистый сланцеватый меланократовый |
| SG-19420 | ~5667 | Bt- 22, Pl- 23, Qtz- 46, Ep- 8, Ap,Op<1 | Лепидогранобластовая | Биотит-кварцевый кристаллический сланец с эпидотом |
| SG-19921 | 6202.4–6213.4 | Hbl- 80, Pl- 15, Qtz- 3, Op- 1, Ap<1 | Офитовая реликтовая | Плагиоамфиболит мелкозернистый измененный меланократовый |
| SG-20629 | 6371.1–6381.8 | Chl- 42, Pl- 25, Qtz- 25, Cal- 4, Op- 2, Ap-1, Zrn<1 | Лепидогранобластовая | Андезит миндалекаменный |
| Архей | ||||
| SG-23881 | 7382.1–7396.1 | Bt -13.3; Grt-6.5; Pl-54.9; Qtz-23.7; Ilm-1.5; Ep-0.05; Zrn-0.05 | с/з, лепидогранобластовая, порфировидная | Гранат-биотитовый гнейс |
| SG-38631 | 10 502.0–10 518.6 | Bt-34.6; Ms-5.5; Pl-47.3; Qtz-10.4; Ilm-2.2; ед. з-на Ap и Zrn | неравномернозернистая, лепидогранобластовая, легкая перекристаллизация, обособления Qtz-Pl состава | Мусковит-биотитовый гнейс |
| SG-41154-2 | 11 324.0–11 336.0 | Bt -42.3; Ky-8.4; Pl-46.9; Qtz-0.7; Ilm-1.45; Ep-0.25; | с/з, лепидогранобластовая | Кианит-биотитовый гнейс глиноземистый |
| SG-42003 | ~ 11 487.05 | Bt -14.0; Ky-5.3; Pl-65.4; Qtz-4.1; Ilm-5.4; Ep-4.25; Sil-1.5; Ap-0.05 | с/з, лепидогранобластовая | Кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом |
| SG-42148-2 | ~ 11 487.05 | Grt-12.6; Bt -10.8; Ky-5.3; Pl-57.4; Qtz-7.1; Ilm-2.4; Sil-4.5 | с/з, лепидогранобластовая, порфировидная | Гранат-кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом |
| SG-23542 | 7331.4–7340.8 | Bt -41.6; Ms-8.5; Pl-42.9; Qtz-2.2; Hbl-0.1; Ttn-0.2; Ilm-3.0; Ap-0.1; Chl-0.3. Ep-1.0; Zrn-0.1 | с/з, лепидогранобластовая, интенсивное рассланцевание, послойная перекристаллизация с образованием агрегатов Bt | Сланец двуслюдяной |
| SG-23696 | 7357.6–7366.6 | Bt -18.4; Ms-8.3; Grt-1.5; Pl-49.9; Qtz-18.0; Ilm-1.6; Ap-0.05; Ep-2.2; Zrn-0.05 | с/з, лепидогранобластовая, интенсивное рассланцевание, послойная перекристаллизация с образованием Qtz-Pl агрегатов | Сланец двуслюдяной, c гранатом |
| SG-30025 | ~ 8107.1 | Ep-12.4; Bt-23.9; Pl-47.3; Qtz-12.6; Or-3.5; Ttn-0.3 | неравномернозернистая, лепидогранобластовая, порфировидная, перекристаллизация, обособления Or-Qtz- Pl состава | Эпидот-биоттовый сланец |
| SG-34016 | ~ 8865.95 | Bt -11.7; Ms-1.4; Ep-4.4; Qtz-18.0; Pl-64.4; Ttn-0.1 | м/з, лепидогранобластовая, перекристаллизация, обособления Qtz-Pl состава | Эпидот-биотитовый сланец, с мусковитом |
| SG-39164 | 10 666.8–10 679.0 | Ep-8.6; Bt-28.3; Pl-44.2; Qtz-12.2; Chl-1.2; Ilm-2.2; Ttn-3.3; ед. з-на Ap и Zrn | неравномернозернистая, лепидогранобластовая, легкакя перекристаллизация, обособления Qtz-Pl состава | Эпидот-биотитовый сланец |
| SG-23467 | 7263.0–7275.1 | Hbl-63.5; Pl-20.1; Qtz-5.1; Ttn-0.3; Bt -1.6; Ilm-3.9; Or-3.4; Ap-0.4; Cb-1.7 | с/з, нематогранобластовая, реликты габброофитовой, линзовидные обособления Hb-Qz- Cb состава | Амфиболит полевошпатовый |
| SG-26158 | ~ 7695.25 | Hbl-83.3; Pl-4.1; Bt -3.6; Ilm-4.2; Srp -4.4; Ep-0.4 | м/з, гранобластовая, реликты панидиоморфнозернистой | Амфиболит анхимономинеральный (метапироксенит) |
| SG-26977 | 7994.4–8000.3 | Hbl-46.8; Bt -11.1; Pl-22.1; Qtz-0.2; Or-2.4; Ep-15.1; Ttn-2.3 | с/з, нематогранобластовая, сильное рассланцевание | Амфиболит полевошпатовый |
| SG-28186 | 8213.9–8222.0 | Act-30.0; Bt-5.2; Pl-42.8; Qtz-4.4; Or-3.0; Ep-14.3; Ttn-0.3 | с/з, нематогранобластовая, сильное рассланцевание, перекристаллизация, обособления Or-Qtz-Pl состава | Амфиболит полевошпатовый |
| SG-31093 | 8701.2–8715.7 | Hbl-61.7; Bt-0.2; Pl-32.9; Ilm-5.2 | с/з, нематогранобластовая, сильное рассланцевание, перекристаллизация, обособления, с образованием к-з агрегатов Hbl и линзовидных агрегатов зерен Ilm | Амфиболит полевошпатовый |
| SG-37263 | ~ 10 253.7 | Hbl-60.6933; Pl-20.0; Qtz-11.7; Or-2.13; Ep-3.33; Chl-0.02; Ilm-2.2; Ap-0.03; Zrn-0.02 | с/з, нематогранобластовая, легкое рассланцевание | Амфиболит полевошпатовый |
| SG-40903 | 11 253.7–11 263.0 | Hbl-66.9; Pl-22.1; Qtz-7; Ep-0.35; Ilm-3.6; Ap-0.05 | с/з, нематогранобластовая, легкое рассланцевание | Амфиболит полевошпатовый |
Примечание. Обозначение минералов дано по Kretz R. [24].
На основе полученных скоростных характеристик также были рассчитаны технические постоянные: модуль упругости Е, модуль сдвига G и коэффициент Пуассона ν. Эти показатели вычислялись по формулам:
(6)
$Е~ = {{\left[ {\rho V_{S}^{2}\left( {{{3V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{3V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--4} \right)} \right]} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left[ {\rho V_{S}^{2}\left( {{{3V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{3V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--4} \right)} \right]} {\left( {{{V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--1} \right)}}} \right. \kern-0em} {\left( {{{V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--1} \right)}},$(8)
$\nu = {{\left( {{{V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--2} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {{{V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--2} \right)} {\left( {{{2V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{2V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--2} \right)}}} \right. \kern-0em} {\left( {{{2V_{P}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{2V_{P}^{2}} {V_{S}^{2}}}} \right. \kern-0em} {V_{S}^{2}}}--2} \right)}}.$ПЕТРОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ
Образцы протерозойской части разреза СГ-3 представлены метатуфами, перидотитами, габбро-долеритами, метапесчаниками, сланцами, габбро-диабазами, метадиабазами, плагиоамфиболитами, порфиритами, гнейсами, андезитами. Структура пород мелкозернистая и среднезернистая, лепидобластовая, витрокластическая нематогранобластовая, пойкилофитовая и др. (табл. 1).
Фото шлифов некоторых образцов (николи скрещены) приведены на рис. 3. Образцы SG-1848, SG-8654, SG-12692, SG-19420, SG-19921, SG-20629б имеют мелкозернистую структуру. На шлифах образцов SG-8654, SG-12692, SG-19420, SG-19921, SG-20629 ориентации зерен не наблюдаются. Алевролитовый туфосланец базитового состава (об. SG-1848), – мелкозернистой лепидобластовой структуры. На фотографии шлифа данного образца прослеживается направленная ориентация формы зерен. В образце SG-19921 присутствует залеченная трещина, которая отчетливо видна на фото шлифа. В шлифе образца SG-3114 наблюдаются зерна среднего размера, зерна не ориентированы. Структура этого образца пойкилофитовая, мелко- и среднезернистая. Структура образца SG-5306 панидиоморфно-зернистая. На фотографии шлифа также визуально наблюдаются две залеченные трещины, пересекающиеся под прямым углом. Биотитовый гнейс (обр. SG-23273) имеет гранобластовую, среднезернистую структуру, наблюдается слабонаправленная ориентация зерен. Основные породообразующие минералы в образцах протерозойской части (в %): актинолит (6…42), вулканическое стекло (16…70), ортопироксен (17…35), плагиоклаз (2…54), кварц (2…46), углерод (24…32), хлорит (2…42), роговая обманка (30…80). В качестве акцессорных минералов представлены апатит, эпидот, кальцит, биотит, циркон, рудные минералы.
Рис. 3.
Примеры фотографий шлифов пород протерозойской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). (а) – SG-1848, (б) – SG-3114, (в) – SG-5306, (г) – SG-8654, (д) – SG-9130, (е) – SG-12692, (ж) – SG-19420, (з) – SG-19921, (и) – SG-20629.
Примеры фотографий шлифов основных пород архейской части разреза приведены на рис. 4. Описание структуры пород и минерального состава содержится в табл. 3. Отобранные образцы представлены в основном гнейсами, сланцами, амфиболитами. Гнейсы обладают среднезернистой лепидогранобластовой структурой. Основные породообразующие минералы гнейсов (в %): плагиоклаз (47…65), биотит (11…42), кварц (0.7…24), в менее значительном объеме присутствует гранат ~12% и кианит ~8%. Акцессорные минералы – ильменит, эпидот, циркон, апатит – занимают малую долю объема. Отобранные образцы сланцев в основном представлены среднезернистой, лепидогранобластовой структурой. Сланцы содержат (в %): плагиоклаз (43…50), биотит (12…42), кварц (2…18), в небольшом количестве эпидот ~12% и мусковит ~8%. Акцессорные минералы – роговая обманка, ильменит, апатит, хлорит, эпидот, циркон, рудные минералы. Структура пород амфиболитов, в основном, среднезернистая, нематогранобластовая, рассланцованная. Основными породообразующими минералами амфиболитов являются (в %): роговая обманка (46…83), плагиоклаз (4…32), кварц ~11%. В качестве акцессорных минералов представлены апатит, эпидот, ильменит, биотит, хлорит, циркон, рудные минералы.
Рис. 4.
Примеры фотографий шлифов основных пород архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Гнейсы: (а) – SG-23881a, (б) – SG-41154-2, (в) – SG-42148-2. Cланцы: (г) – SG-23542н, (д) – SG-30025н, (е) – SG-39164. Амфиболиты: (ж) – SG-23467, (з) – SG-28186н, (и) – SG-40903н. Мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода: (к) – SG-43384-3.
АКУСТОПОЛЯРИСКОПИЯ
Предварительный анализ упругих свойств протерозойских образцов выполняли по очертаниям акустополяриграмм (рис. 5). Заметим, что диаграммы ВС большей части образцов имеют форму четырехлепестковых фигур, что свидетельствует о наличии в них упругой анизотропии. Минимумы диаграмм ВС дают возможность определить пространственное положение элементов симметрии.
Рис. 5.
Примеры акустополяриграмм пород протерозойской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3): (а) – SG-1848, (б) – SG-3114, (в) – SG-5306, (г) – SG-8654, (д) – SG-9130, (е) – SG-12692, (ж) – SG-19420, (з) – SG-19921, (и) – SG-20629. Темная линия – векторы параллельны, светлая – скрещены.
Акустополяриграммы протерозойских образцов SG-1848, SG-5306, SG-9130, SG-19921, SG-20629 характеризуются четко выраженным проявлением эффекта линейной акустической анизотропии поглощения. Для образца SG-1848 показатель D находится в пределах 0.27…0.46 (табл. 2). На фотографии шлифа (рис. 3) отчетливо видно, что зерна минералов имеют вытянутую форму, они предпочтительно ориентированы в одном направлении. Это объясняет наличие эффекта ЛААП. В образцах SG-5306 и SG-19921 показатель D изменяется в пределах 0.18…0.30 и 0.10…0.44, соответственно. Видимой ориентации зерен не наблюдается, но присутствуют залеченные трещины, что также обусловливает проявление эффекта ЛААП. Акустополяриграммы образца SG-9130 на гранях 1–1' и 3–3' показывают сильное проявление эффекта ЛААП (D1 = 0.68, D3 = 0.71). На акустополяриграмме образца SG-20629 эффект ЛАА-П наблюдается на гранях 2–2' и 3–3'. Обзор фотографии шлифа образца показывает, что его структура мелкозернистая, ориентировка зерен не выявляется. Здесь слабое проявление эффекта ЛААП объясняется небольшой рассланцованностью породы, которая не выявляется оптически.
Таблица 2.
Петрофизические свойства образцов протерозойской части (экспериментальные и расчетные данные)
| Номер образца | Наименование породы | ρR, г/см3 | ρC, г/см3 | Матрица скорости Vij, км/с | VPR, км/с | VPC, км/с | VSR, км/с | VSC, км/с | AP,% | BS,% | Эффект ЛААП, D |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SG-1848 | Туфосланец алевропели-товый базитового состава | 2.93 | 3.10 | 5.66 2.91 3.49 2.42 3.52 2.30 2.53 2.65 5.44 |
4.87 | 6.63 | 2.72 | 3.58 | 34.2 | 19.4 | 0.36 0.46 0.27 |
| SG-2263 | Туф псефитпсаммитовый, витрокластический | 2.84 | 2.66 | 6.14 3.43 3.44 3.44 6.52 3.50 2.44 2.52 5.46 |
6.04 | 6.10 | 3.13 | 3.83 | 12.6 | 3.33 | 0.02 0.01 0.01 |
| SG-3114 | Габбродиабаз среднезернистый | 3.08 | 3.06 | 7.08 3.29 3.37 3.06 6.44 3.10 3.26 3.30 7.02 |
6.85 | 6.86 | 3.23 | 3.96 | 7.25 | 2.57 | 0.14 0.20 0.25 |
| SG-5306 | Перидотит измененный | 2.90 | 2.98 | 7.02 2.78 2.75 3.31 6.34 2.87 3.06 3.00 5.72 |
6.36 | 6.76 | 2.96 | 3.70 | 14.4 | 14.5 | 0.18 0.21 0.30 |
| SG-7400 | Габбро-долерит мелкозернистый измененный | 2.96 | 3.30 | 5.85 3.15 3.26 3.27 6.11 3.30 3.26 3.07 6.08 |
6.01 | 6.81 | 3.22 | 3.85 | 3.34 | 7.05 | 0.04 0.01 0.05 |
| SG-8654 | Песчаник алевропсаммитовый полимиктовый | 2.79 | 2.71 | 7.29 3.85 3.80 3.01 5.54 2.53 2.69 2.58 5.34 |
6.05 | 6.15 | 3.08 | 3.63 | 25.15 | 17.91 | 0.06 0.04 0.00 |
| SG-8986 | Габбро-диабаз измененный | 2.74 | 3.09 | 7.18 2.97 3.01 2.62 4.97 2.66 2.54 2.53 6.05 |
6.07 | 6.68 | 2.72 | 3.72 | 25.8 | 2.30 | 0.28 0.03 0.08 |
| SG-9130 | Филлитовый сланец тектонизированный и перекристаллизованный | 2.69 | 2.85 | 6.63 2.79 3.29 2.21 4.65 2.30 2.85 2.86 6.19 |
5.82 | 7.75 | 2.72 | 4.64 | 25.2 | 17.0 | 0.68 0.31 0.71 |
| SG-9718 | Серицитовый сланец | 2.81 | 2.61 | 6.57 3.65 3.13 2.48 6.51 3.07 2.52 2.32 4.92 |
6.00 | 7.02 | 2.86 | 3.79 | 22.1 | 27.5 | 0.13 0.19 0.20 |
| SG-10267 | Габбро-диабаз среднезернистый измененный | 2.88 | 2.98 | 6.76 2.73 2.85 2.41 5.42 2.53 2.70 2.54 6.04 |
6.07 | 6.68 | 2.62 | 3.73 | 15.6 | 8.90 | 0.02 0.34 0.12 |
| SG-10813 | Диабаз мелкозернистый измененный | 2.74 | 3.04 | 5.59 2.44 2.56 3.62 6.48 3.61 2.95 3.09 5.99 |
6.02 | 6.63 | 3.04 | 3.59 | 10.4 | 6.81 | 0.13 0.26 0.23 |
| SG-12692 | Диабаз среднезернистый измененный | 2.94 | 3.05 | 5.38 2.42 2.43 3.36 7.39 3.28 2.97 3.00 6.72 |
6.50 | 6.63 | 2.91 | 3.60 | 22.3 | 2.52 | 0.01 0.20 0.03 |
| SG-14515 | Метадиабаз среднезернистый измененный | 3.01 | 3.28 | 6.52 3.86 3.85 3.13 5.92 3.08 2.56 2.58 5.46 |
5.97 | 6.94 | 3.18 | 3.82 | 12.5 | 1.92 | 0.09 0.09 0.11 |
| SG-18063 | Дацитовый плагиопорфирит измененный |
2.64 | 2.73 | 5.92 3.42 2.59 2.80 6.39 2.64 2.21 2.24 4.39 |
5.57 | 6.19 | 2.65 | 3.55 | 26.6 | 28.3 | 0.73 0.16 0.13 |
| SG-18771 | Плагиоамфиболит мелкозернистый сланцеватый меланократовый | 2.99 | 3.14 | 6.18 2.60 2.93 2.66 5.34 2.59 3.12 3.19 7.30 |
6.27 | 7.02 | 2.85 | 3.92 | 22.23 | 12.51 | 0.07 0.05 0.07 |
| SG-19420 | Биотит-кварцевый кристаллический сланец с эпидотом | 2.76 | 2.81 | 4.13 2.79 2.56 2.39 4.51 2.45 2.60 3.13 5.08 |
4.57 | 6.21 | 2.65 | 3.69 | 14.8 | 20.5 | 0.04 0.04 0.06 |
| SG-19921 | Плагиоамфиболит мелкозернистый измененный меланократовый | 2.93 | 3.09 | 5.42 3.21 3.21 2.44 5.71 3.17 2.37 3.24 5.68 |
5.60 | 7.02 | 2.94 | 3.91 | 3.91 | 40.6 | 0.10 0.44 0.11 |
| SG-20629 | Андезит миндалекаменный (кварцевые миндалины) хлоритизированный рассланцованный и измененный |
2.72 | 2.86 | 4.74 2.87 2.91 2.96 5.26 2.42 2.32 2.24 4.94 |
4.98 | 6.16 | 2.62 | 3.42 | 7.36 | 20.5 | 0.05 0.10 0.03 |
| СРЕДНЕЕ | 2.86 ± 0.12 | 2.97 ± 0.20 | 5.87 ± 0.56 | 6.68 ± 0.41 | 2.90 ± 0.21 | 3.78 ± 0.26 | 17.0 ± 8.6 | 14.1 ± 10.6 | |||
Таблица 3.
Петрофизические свойства образцов (экспериментальные и расчетные данные) архейской части разреза СГ-3
| Номер образца | Наименование породы | ρR, г/см3 | ρC, г/см3 | Матрица скорости Vij, км/с | VPR, км/с | VPC, км/с | VSR, км/с | VSC, км/с | AP, % | BS, % | ЛААП: D1, D2, D3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Гнейсы | |||||||||||
| SG-23881 | Гранат-биотитовый гнейс | 2.68 | 2.82 | 5.87 2.47 3.11 2.54 5.62 2.80 1.97 1.94 4.24 |
5.24 | 6.33 | 2.47 | 3.64 | 23.8 | 24.8 | 0.53 0.70 0.0 |
| SG-38631 | Мусковит-биотитовый гнейс | 2.50 | 2.81 | 3.36 2.42 2.19 2.59 3.28 2.53 –‘ –‘ 3.06 |
3.23 | 6.15 | 2.43 | 3.35 | – | – | 0.29 0.01 0.20 |
| SG-41154-2 | Кианит-биотитовый гнейс глиноземистый | 2.97 | 2.92 | 3.87 2.36 2.19 –‘ –‘ –‘ –‘ –‘ –‘ |
3.87 | 6.39 | 2.28 | 3.38 | – | – | 0.28 0.45 0.58 |
| SG-42003 | Кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом | 2.63 | 2.89 | 2.57 1.93 2.16 1.96 1.33 1.91 –‘ –‘ –‘ |
1.95 | 6.44 | 1.99 | 3.55 | – | – | 0.62 0.77 0.02 |
| SG-42148-2 | Гранат-кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом | 2.85 | 2.97 | 2.41 1.70 1.48 1.43 2.95 1.56 –‘ –‘ –‘ |
2.68 | 6.63 | 1.54 | 3.70 | – | – | 0.51 0.29 0.06 |
| Среднее | 2.73 ± 0.17 | 2.88 ± 0.06 | 3.39 ± 1.11 | 6.38 ± 0.16 | 2.14 ± 0.34 | 3.52 ± 0.14 | 0.35 ± 0.26 | ||||
| Сланцы | |||||||||||
| SG-23542 полир. | Сланец двуслюдяной | 2.89 | 2.85 | 1.40 1.83 1.73 1.40 2.46 2.44 4.64 –‘ 5.41 |
3.09 | 6.39 | 2.41 | 3.29 | – | – | 0.72 0.88 0.54 |
| SG-23696 | Сланец двуслюдяной, c гранатом | 2.67 | 2.76 | 4.76 2.30 2.90 2.53 4.15 2.09 2.60 2.65 5.89 |
4.93 | 6.44 | 2.50 | 3.51 | 25.3 | 32.5 | 0.25 0.65 0.34 |
| SG-30025 | Эпидот-биотитовый сланец | 2.53 | 2.83 | 4.72 2.33 2.02 2.06 2.65 1.76 1.68 1.67 1.91 |
3.09 | 6.63 | 1.92 | 3.50 | 66.6 | 21.1 | 0.18 0.58 0.58 |
| SG-34016 | Эпидот-биотитовый сланец, с мусковитом | 2.59 | 2.73 | 5.51 3.05 2.51 2.50 4.29 2.21 1.94 2.01 4.29 |
4.70 | 6.25 | 2.37 | 3.53 | 21.2 | 23.2 | 0.43 0.66 0.69 |
| SG-39164 | Эпидот-биотитовый сланец | 2.78 | 2.93 | 4.81 2.57 2.31 2.00 3.14 1.98 1.48 1.36 –‘ |
3.98 | 6.31 | 1.95 | 3.48 | – | – | 0.40 0.75 0.75 |
| Среднее | 2.69 ± 0.13 | 2.82 ± 0.07 | 3.96 ± 0.77 | 6.40 ± 0.13 | 2.23 ± 0.24 | 3.46 ± 0.09 | 0.56 ± 0.20 | ||||
| Амфиболиты | |||||||||||
| SG-23467 | Амфиболит полевошпатовый | 2.80 | 3.06 | 6.81 4.12 3.91 3.77 6.56 3.78 3.65 3.10 6.44 |
6.60 | 6.77 | 3.72 | 3.81 | 4.02 | 17.2 | 0.05 0.03 0.13 |
| SG-26158 | Амфиболит анхимономинеральный (метапироксенит) | 3.08 | 3.18 | 5.80 3.76 2.68 2.50 3.26 2.24 2.05 2.39 3.97 |
4.34 | 7.04 | 2.56 | 3.89 | 42.7 | 36.6 | 0.29 0.48 0.39 |
| SG-26977 | Амфиболит полевошпатовый | 2.96 | 3.09 | 5.77 2.58 2.61 2.79 3.75 2.36 1.84 1.68 2.34 |
3.95 | 6.85 | 2.31 | 3.77 | 61.8 | 19.0 | 0.02 0.0 0.07 |
| SG-28186 | Амфиболит полевошпатовый | 2.87 | 2.87 | 2.57 2.40 2.25 2.44 4.55 2.62 1.71 2.38 3.26 |
3.46 | 6.59 | 2.30 | 3.65 | 41.2 | 34.2 | 0.08 0.29 0.59 |
| SG-31093 | Амфиболит полевошпатовый | 2.93 | 3.07 | 5.96 2.21 2.53 2.28 4.83 2.68 2.58 2.62 6.20 |
5.66 | 6.87 | 2.48 | 3.82 | 18.2 | 21.0 | 0.55 0.16 0.0 |
| SG-37263 | Амфиболит полевошпатовый | 2.93 | 3.02 | 5.22 2.69 2.58 2.91 7.18 4.14 2.42 2.66 5.47 |
5.96 | 6.84 | 2.90 | 3.89 | 25.4 | 36.3 | 0.09 0.07 0.14 |
| SG-40903 | Амфиболит полевошпатовый | 2.97 | 3.06 | 3.55 2.77 2.71 1.87 3.00 1.89 1.65 1.69 2.33 |
2.96 | 6.89 | 2.10 | 3.88 | 29.3 | 3.53 | 0.07 0.08 0.05 |
| Среднее | 2.93 ± 0.08 | 3.05 ± 0.09 | 4.70 ± 1.27 | 6.84 ± 0.13 | 2.62 ± 0.50 | 3.82 ± 0.08 | 0.17 ± 0.18 | ||||
Акустополяриграммы образцов SG-3114, SG-8654, SG-12692 и SG-19420 показывают, что эффект ЛААП проявлен незначительно, показатель D изменяется в пределах 0.14…0.25, 0.00…0.06, 0.01…0.20 и 0.04…0.06 соответственно. Изломанная форма диаграммы ВП образца SG-3114 на грани 2–2', вероятно, объясняется включением крупных зерен неправильной формы. Диаграммы ВП образцов SG-8654 (грани 1–1'; 2–2'), SG-12692 (грани 1–1'; 2–2') и SG-19420 (грани 1–1'; 2–2') близки к круговым, а диаграммы ВС имеют малые размеры (обр. SG-8654, грани 1–1' и 2–2'). Фотографии шлифов этих образцов показывают мелкозернистую структуру с переменной ориентацией форм зерен.
Акустополярограммы архейских образцов гнейсов: SG-23881, SG-41154-2, SG-42148-2 характеризуются четко выраженным проявлением эффекта ЛААП по всем граням с высокими показателями D (рис. 6, табл. 3). Для образца SG-23881 величины показателя D1 = 0.53, D2 = 0.7. Для образцов SG-41154-2 и SG-42148-2 показатели D находятся в пределах 0.28…0.58. Фотографии шлифов (рис. 4) показывают, что зерна минералов этих образцов имеют вытянутую форму, ориентированную в одном направлении, что объясняет наличие эффекта ЛААП. На фотографии шлифа SG-42148-2 видно крупное включение, что, вероятно, повлияло на изломанную форму диаграммы ВП, полученной на 3-й грани. Следует отметить, что шлиф этого образца сделан только в одном сечении и не отражает объемную текстуру породы.
Рис. 6.
Примеры акустополяриграмм основных пород архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Гнейсы: (а) – SG-23881a, (б) – SG-41154-2, (в) – SG-42148-2. Cланцы: (г) – SG-23542н, (д) – SG-30025н, (е) – SG-39164. Амфиболиты: (ж) – SG-23467, (з) – SG-28186н, (и) – SG-40903н. Мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода: (к) – SG-43384-3. Темная линия – векторы параллельны, светлая – скрещены.
Акустополяриграммы ВП образцов сланцев (SG-23542, SG-30025, SG-39164) показали еще более значимое влияние эффекта линейной акустической анизотропии поглощения. Это подтверждается очень высокими показателями ЛААП. Для образца SG-23542 показатели D1, D2, D3 соответственно равны 0.72, 0.88, 0.54. Для образца SG-39164 эти показатели равны 0.40, 0.75, 0.75. Соответственно, на фото шлифов сланцев отмечается более строгая ориентировка вытянутых в одном направлении зерен, чем в гнейсах. Следует отметить, что эффект ЛААП в большой степени отражает контраст акустических свойств на контактах ориентированных в одном направлении соседних зерен минералов и микротрещин, развитых на этих контактах.
Акустополяриграммы ВП первых двух граней (1–1', 2–2') образца амфиболита SG-23467 указывают на наличие умеренной анизотропии, практически без влияния ЛААП, рис. 6. Это же отражено в показателях D. На всех трех гранях наблюдаются минимумы диаграмм ВС. Из обзора фотографии шлифа следует, что прослеживается директивная направленность форм зерен минералов. Анализ акустополяриграмм образца амфиболита SG-28186 указывает на наличие эффекта ЛААП практически на всех гранях. Для образца SG-28186 величины показателя D1 = 0.08, D2 = 0.29, D3 = 0.59 довольно значительны. На фото шлифов образца SG-28186 хорошо прослеживается направленность зерен минералов.
Сравнение средних показателей ЛААП для гнейсов, сланцев и амфиболитов, в целом, показывает, что этот показатель численно отражает направленность структуры породы. Например, для сланцев, ориентированная структура которых в шлифах наиболее выражена, Dсл = 0.56 ± 0.20. Для гнейсов она составляет Dгн = 0.35 ± 0.26. В амфиболитах, в которых содержится наименьшее количество слюд, Dам = 0.17 ± 0.18 (табл. 3).
ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Петрофизические свойства образцов из разреза Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 приведены в табл. 2–5. В них представлены: экспериментально измеренные (ρR) и рассчитанные по минеральному составу (ρC) плотности, матрицы скорости Vij, средние скорости распространения экспериментально определенных продольных (VPR) и поперечных (VSR) волн. В таблицах также приведены рассчитанные скорости продольных (VPC) и поперечных (VSC) волн и показатели ЛААП D. В таблицах 4, 5 представлены динамические модули упругости и коэффициенты Пуассона, соответственно для пород протерозойской и архейской частей разреза СГ-3.
Таблица 4.
Модули упругости и коэффициенты Пуассона образцов протерозойской части разреза СГ-3
| Номер образца | Наименование породы | Земная поверхность | Глубинные условия | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Е × 10–4, МПа | G × 10–4, МПа | ν | Е × 10–4, МПа | G × 10–4, МПа | ν | ||
| SG-1848 | Туфосланец алевропелитовый базитового состава | 5.51 | 2.77 | 0.317 | 10.26 | 3.96 | 0.220 |
| SG-2263 | Туф псефит-псаммитовый, витрокластический | 7.30 | 3.21 | 0.357 | 9.17 | 3.91 | 0.294 |
| SG-3114 | Габбро-диабаз среднезернистый | 8.71 | 2.53 | 0.362 | 11.98 | 4.79 | 0.274 |
| SG-5306 | Перидотит измененный | 6.90 | 3.07 | 0.299 | 10.50 | 4.08 | 0.292 |
| SG-7400 | Габбро-долерит мелкозернистый измененный | 7.97 | 2.43 | 0.348 | 12.38 | 4.90 | 0.291 |
| SG-8654 | Песчаник алевропсаммитовый полимиктовый | 7.00 | 2.64 | 0.326 | 8.82 | 3.58 | 0.233 |
| SG-8986 | Габбро-диабаз измененный | 5.58 | 2.03 | 0.374 | 10.91 | 4.28 | 0.275 |
| SG-9130 | Филлитовый сланец тектонизированный и перекристаллизованный | 5.40 | 2.30 | 0.353 | 15.00 | 6.15 | 0.274 |
| SG-9718 | Серицитовый сланец | 6.23 | 1.99 | 0.385 | 9.72 | 3.76 | 0.226 |
| SG-10267 | Габбро-диабаз среднезернистый измененный | 5.51 | 2.54 | 0.329 | 10.55 | 4.14 | 0.276 |
| SG-10813 | Диабаз мелкозернистый измененный | 6.74 | 2.48 | 0.375 | 10.14 | 3.92 | 0.278 |
| SG-12692 | Диабаз среднезернистый измененный | 6.83 | 3.22 | 0.320 | 10.20 | 3.95 | 0.288 |
| SG-14515 | Метадиабаз среднезернистый измененный | 7.90 | 3.03 | 0.302 | 12.27 | 4.78 | 0.283 |
| SG-18063 | Дацитовый плагиопорфирит измененный |
5.02 | 2.43 | 0.370 | 8.65 | 3.44 | 0.219 |
| SG-18771 | Плагиоамфиболит мелкозернистый сланцеватый меланократовый | 6.65 | 1.95 | 0.246 | 12.28 | 4.82 | 0.233 |
| SG-19420 | Биотит-кварцевый кристаллический сланец с эпидотом | 4.85 | 2.53 | 0.310 | 9.40 | 3.83 | 0.220 |
| SG-19921 | Плагиоамфиболит мелкозернистый измененный меланократовый | 6.63 | 1.87 | 0.309 | 12.02 | 4.71 | 0.294 |
| SG-20629 | Андезит миндалекаменный | 4.89 | 1.46 | -0.104 | 8.53 | 3.34 | 0.274 |
| СРЕДНЕЕ | 6.43 ± 1.1 | 2.41 ± 0.42 | 0.340 ± 0.038 | 10.71 ± 1.64 | 4.25 ± 0.67 | 0.270 ± 0.032 | |
Таблица 5.
Модули упругости и коэффициенты Пуассона образцов из архейской части разреза СГ-3
| Номер образца | Наименование породы | Глубинные условия | ||
|---|---|---|---|---|
| Е × 10–4, МПа | G × 10–4, МПа | ν | ||
| Гнейсы | ||||
| SG-23881 | Гранат-биотитовый гнейс | 9.35 | 3.73 | 0.252 |
| SG-38631 | Мусковит-биотитовый гнейс | 8.14 | 3.16 | 0.288 |
| SG-41154-2 | Кианит-биотитовый гнейс глиноземистый | 8.73 | 3.34 | 0.306 |
| SG-42003 | Кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом | 9.34 | 3.64 | 0.282 |
| SG-42148-2 | Гранат-кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом | 10.36 | 4.07 | 0.273 |
| Среднее | 9.18 ± 0.74 | 3.6 ± 0.32 | 0.290 ± 0.020 | |
| Сланцы | ||||
| SG-23542 | Сланец двуслюдяной | 8.02 | 3.09 | 0.300 |
| SG-23696 | Сланец двуслюдяной, c гранатом | 8.60 | 3.40 | 0.265 |
| SG-30025 | Эпидот-биотитовый сланец | 8.85 | 3.46 | 0.278 |
| SG-34016 | Эпидот-биотитовый сланец, с мусковитом | 8.62 | 3.41 | 0.265 |
| SG-39164 | Эпидот-биотитовый сланец | 9.11 | 3.56 | 0.281 |
| Среднее | 8.65 ± 0.37 | 3.39 ± 0.16 | 0.280 ± 0.020 | |
| Амфиболиты | ||||
| SG-23467 | Амфиболит полевошпатовый | 11.27 | 4.44 | 0.268 |
| SG-26158 | Амфиболит анхимономинеральный (метапироксенит) | 12.32 | 4.81 | 0.280 |
| SG-26977 | Амфиболит полевошпатовый | 11.24 | 4.38 | 0.284 |
| SG-28186 | Амфиболит полевошпатовый | 9.78 | 3.82 | 0.279 |
| SG-31093 | Амфиболит полевошпатовый | 11.41 | 4.47 | 0.277 |
| SG-37263 | Амфиболит полевошпатовый | 11.53 | 4.57 | 0.261 |
| SG-40903 | Амфиболит полевошпатовый | 11.72 | 4.62 | 0.267 |
| Среднее | 11.33 ± 0.72 | 4.45 ± 0.29 | 0.280 ± 0.017 | |
Проведенный сравнительный анализ петрофизических свойств пород из разреза скважины СГ-3 показывает (табл. 2, 3), что экспериментально измеренная плотность образцов (ρR) составляет для протерозойских пород 2.86 ± 0.12 г/см3, для архейских‑ 2.78 ± 0.13 г/см3. Средние расчетные величины плотности (ρC) для соответствующих частей разреза равны 2.97 ± 0.20 и 2.92 ± 0.06 г/см3. Плотностные характеристики образцов, полученные в лабораторных условиях и рассчитанные по минеральному составу, имеют близкие значения.
Вариации средних значений экспериментально измеренных скоростей распространения продольных волн в протерозойских породах находятся в широком диапазоне VPR = 4.57…6.85 км/с. Такой же разброс наблюдается для скорости распространения поперечных волн, VSR = = 2.62…3.23 км/с. Среднее значение экспериментально измеренных скоростей продольных волн составило 5.87 ± 0.56 км/с, поперечных – 2.90 ± ± 0.21 км/с. Упругая анизотропия образцов пород протерозойской части (AP) изменяется в интервале 3.34…26.6% при среднем значении 17.0 ± 9%. Показатель BS варьирует от 1.92 до 40.6% при среднем значении 14.1 ± 10%.
Расчеты скоростных характеристик (VPC, VSC) пород по минеральному составу (формула (5), табл. 2) показали превышение их значений над экспериментально определенными. По данным расчетов, средние значения характеристик продольных и поперечных волн, рассчитанных по минеральному составу, изменяются в пределах VPC = 6.10…7.75 км/с и VSC = 3.42…4.64 км/с, соответственно. Средняя величина скорости продольной волны составила 6.68 ± 0.41 км/с, поперечной – 3.78 ± 0.26 км/с.
При экспериментальных определениях скоростей, замеренных на архейских образцах в лабораторных условиях, полная квазиматрица Vij получена не для всех образцов. Из-за сильного затухания ультразвуковых волн в некоторых образцах величины скорости получены в двух или одном направлении. Неполные матрицы скорости получены на образцах SG-23542, SG-38631, SG-39164, SG-41154-2, SG-42003 и SG-42148-2. Вариации изменения средних значений скорости распространения при зондировании продольными волнами гнейсов находятся в широком диапазоне (VPR = 1.95…5.24 км/с). Такой же разброс наблюдается для скорости распространения поперечных волн, VSR = 1.54…2.47 км/с. Среднее значение экспериментально замеренных скоростей продольных волн для гнейсов составило 3.39 ± 1.11 км/с, поперечных – 2.14 ± 0.34 км/с. Широкие пределы разброса экспериментальных скоростей наблюдаются у сланцев и у амфиболитов. Коэффициенты упругой анизотропии AP и BS определены не для всех образцов гнейсов и сланцев. Для амфиболитов, как более однородных пород, AP = = 36.9 ± 13.2%, BS = 28.5 ± 8.2%.
По данным расчетов по минеральному составу, средние значения характеристик продольных и поперечных волн в архейской части разреза СГ-3 у гнейсов изменяются в пределах VPC = 6.15…6.63 км/с и VSC = 3.36…3.70 км/с, соответственно. Средняя величина скорости продольных волн составила 6.38 ± 0.16 км/с, поперечных – 3.52 ± 0.14 км/с. Для сланцев вариации скоростных характеристик составляют VPC = 6.25…6.63 км/с и VSC = = 3.29…3.53 км/с. Средняя величина скорости продольных волн составила 6.40 ± 0.13 км/с, поперечных – 3.46 ± 0.09 км/с. Интервал изменения средних значений характеристик продольных и поперечных волн для амфиболитов составил VPC = 6.59…7.04 км/с и VSC = 3.65…3.89 км/с. Их среднее значение – 6.84 ± 0.13 и 3.82 ± 0.08 км/с, соответственно. Согласно полученным средним, наибольшие скорости отмечаются у амфиболитов, промежуточные – у гнейсов, меньшие – у сланцев. Поскольку расчет величин скорости производился по минеральному составу породы, эти средние отражают влияние более высокоскоростного амфибола у амфиболитов и низкоскоростных слюд у сланцев.
Средние значения модулей упругости Е и сдвига G, коэффициентов Пуассона ν протерозойских пород для поверхностных и глубинных условий приведены в табл. 4. Для поверхностных условий значения модулей упругости, сдвига, коэффициентов Пуассона соответственно составляют (6.43 ± 1.1) × 104 МПа, (2.41 ± 0.42) × 104 МПа, 0.340 ± 0.038. Для рассчитанных по минеральному составу эти показатели равны (10.71 ± 1.64) × 104 МПа, (4.25 ± 0.67) × 104 МПа, 0.270 ± 0.032.
Для пород архейской части разреза СГ-3 средние значения технических постоянных, рассчитанных по минеральному составу (табл. 5), – модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона ν – составляют: для гнейсов (9.18 ± 0.74) × 104 МПа, (3.60 ± 0.32) × 104 МПа, ν = 0.290 ± 0.020; для сланцев (8.65 ± 0.37) × 104 МПа, (3.39 ± 0.16) × 104 МПа, ν = 0.280 ± 0.020; для амфиболитов (11.33 ± 0.72) × × 104 МПа, (4.45 ± 0.29) × 104 МПа, ν = 0.280 ± 0.017.
ОБСУЖДЕНИЕ
Плотностные характеристики протерозойских образцов, полученные в лабораторных условиях и рассчитанные по минеральному составу, имеют близкие значения. При этом плотность, рассчитанная по минеральному составу, несколько выше экспериментально измеренной. Та же тенденция отмечается и в породах архейской части (табл. 2, 3, рис. 7а). Полученные экспериментальные и рассчитанные значения, в целом, соответствуют справочным данным [14, 18]. Увеличенный разброс ρC в протерозойской части по сравнению с архейской указывает на большие вариации минерального состава в протерозойской части разреза СГ-3.
Рис. 7.
Графики зависимости расчетных и экспериментальных величин от глубины (Н, м): (а) – плотности (ρC, ρR), (б) – скорости продольных волн (VPC, VPR), (в) – скорости поперечных волн (VSC, VSR).
Полученные экспериментальным путем в лабораторных условиях значения скоростей, как продольных (VPR), так и поперечных (VSR), систематически уменьшаются с увеличением глубины извлечения образцов по всему разрезу СГ-3 (табл. 2, 3, рис. 7б, 7в). Это объясняется эффектом разуплотнения пород [12, 13]. Снижение величин скорости происходит за счет образования трещинной пористости, возникающей в результате разгрузки от литостатических напряжений глубинных образцов. Даже микронные трещины представляют существенное препятствие для распространения ультразвуковых волн в твердом теле [19].
По данным вертикального сейсмического профилирования (ВСП) вариации скорости продольных волн в протерозойской части СГ-3 составляют 5.6…6.8 км/с [4, 20] и, в целом, находятся в диапазоне экспериментально измеренных (VPR = 4.57…6.85 км/с). Они соответствуют значениям, приведенным в разных источниках [14, 15, 18]. Величины поперечных волн для тех же пород, измеренные в массиве [20], варьируют в пределах 3.6…4.0 км/с. Эти показатели ближе к полученным нами расчетным методом (VSC = 3.42…4.64 км/с).
Анизотропия протерозойских пород оценена в 4–5% с повышением этого показателя до 10% в зоне Лучломпольского разлома [20]. Наши данные (AP) находятся в пределах 3.34…26.6%. Вероятно, такое расхождение можно объяснить тем, что метод ВСП дает интегральную характеристику, равную шагу расположения датчиков по глубине (25 м). К тому же ВСП был проведен только в диапазоне глубин 2150…6000 м [20].
Низкие значения средних скоростей продольных и поперечных волн и их большой разброс, полученные при экспериментальных определениях в лабораторных условиях, не являются реальными для архейских пород СГ-3. Значения, более близкие к приводимым в справочной литературе [14. 15, 18], получены расчетным путем.
Сравнение величин скоростей архейских образцов, рассчитанных нами по минеральному составу, с результатами исследований методами акустического каротажа (АК) и ВСП показывает их близкое сходство. Скорости в архейской части у гнейсов изменяются в пределах VPC = 6.15…6.63 км/с, VSC = 3.36…3.70 км/с. Для сланцев вариации скоростных характеристик составляют VPC = 6.25…6.63 км/с и VSC = 3.29…3.53 км/с. В амфиболитах пределы изменений VPC = 6.59…7.04 км/с и VSC = 3.65…3.89 км/с.
По данным АК для гнейсов и сланцев (лейкократовые породы) скорости продольных волн изменяются в пределах 5.8…6.4 км/с [4]. По данным ВСП для гнейсов и сланцев скорость продольных волн составляет 5.7…6.4 км/с, поперечных – 3.6…3.9 км/с. Для амфиболитов эти вариации составляют 6.2…6.7 км/с [3]. Несколько завышенные величины скоростей, полученные расчетным путем, по сравнению с зарегистрированными методами АК и ВСП можно объяснить естественной флюидонасыщенностью глубинных пород [21].
Из-за влияния эффекта разуплотнения на образцы архейской части, показатели анизотропии, в большинстве, не определены. Полученные данные являются ориентировочной оценкой.
Экспериментально измеренные скорости отражают лишь ту или иную степень этого разуплотнения породы. При этом они могут служить для оценки напряженного состояния глубинных пород [15].
Величины модулей, определенные экспериментально для протерозойских образцов, примерно в 1.5 раза ниже, чем рассчитанные по минеральному составу. Расчетные величины Е, G и ν, представленные в табл. 4, близки к приводимым в литературе [14, 17, 22, 23]. Образцы пород архейской части залегали на глубинах 7382…11 263 м и влияние эффекта разуплотнения на них выше, чем на образцы протерозойских пород. Поэтому в табл. 5 приведены только расчетные значения Е, G и ν. Их величины меньше у сланцев, средние у гнейсов, большие у амфиболитов.
ВЫВОДЫ
Петрофизические свойства образцов пород протерозойскoй части разреза Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 (0…6842 м) (метатуфов, метатуфосланцев, сланцев, габбродиабазов, метадиабазов, плагиоамфиболов, гнейсов) изменяются в широких пределах. Причина состоит в больших вариациях минерального состава пород в протерозойской части СГ-3. Плотность, рассчитанная по минеральному составу, несколько выше экспериментально измеренной. Акустополяриграммы ВС большей части образцов имеют форму четырехлепестковых фигур, что свидетельствует о наличии в них упругой анизотропии. Эффект линейной акустической анизотропии проявляется, в той или иной мере, в большинстве образцов. Полученные экспериментальным путем в лабораторных условиях значения скоростей (интервал 0.7…6.7 км), как продольных, так и поперечных волн, уменьшаются с увеличением глубины извлечения образцов из-за эффекта разуплотнения. Для оценки величин скорости на глубинах 0.7…6.7 км следует применять значения, полученные расчетом по минеральному составу.
Полученные величины коэффициентов упругой анизотропии показали, что образцы протерозойской части СГ-3 проявляют как слабую, так и сильную степень анизотропии. Это можно объяснить частым переслаиванием пород разного генезиса – метаосадочных и изверженных, изменяющимися по глубине геодинамическими условиями и степенью метаморфической переработанности.
Преобладающими породами в архейской части разреза СГ-3 (6842…12 262 м) являются гнейсы, сланцы, амфиболиты. Плотность образцов из разреза архейской части СГ-3, полученная в лабораторных условиях, несколько меньше, чем рассчитанная по минеральному составу, причем она меньше у сланцев и больше у амфиболитов. Обзор акустополяриграмм показал, что большинство образцов относится к упруго анизотропным средам. Эффект линейной акустической анизотропии проявляется, в той или иной мере, в большинстве образцов. Сравнение показателя ЛААП для пород выявило, что эта характеристика может численно отражать направленность структуры породы. Сравнение средних показателей ЛААП для гнейсов, сланцев и амфиболитов, в целом, показывает, что этот показатель численно отражает направленность структуры породы. Например, для сланцев этот показатель выше, чем для гнейсов. Для амфиболитов он минимален.
На скоростные характеристики образцов пород, извлеченных из глубин 7.4…11.3 км, эффект разуплотнения оказывает еще большее влияние, чем на протерозойские. Более реальными являются скоростные характеристики пород, рассчитанные по их минеральному составу. Средние значения скорости продольных и поперечных волн у гнейсов и сланцев примерно равны. Амфиболиты обладают повышенной скоростью. Соотношение величин модулей сжатия и сдвига у разных пород проявляeт те же тенденции, что и средние скорости. Однако их величины меньше у сланцев, средние у гнейсов, большие у амфиболитов.
Таким образом, экспериментальные данные, полученные на образцах, извлеченных из глубины в несколько километров, непосредственно не могут быть использованы для оценки скоростных характеристик пород. Близкие значения скоростей продольных и поперечных волн в породах на глубине можно получить расчетным методом, используя данные по минеральному составу. Сравнение этих данных с результатами исследований методами акустического каротажа и вертикального сейсмического профилирования показывает их близкое сходство. Большой объем информации о свойствах пород можно получить, применяя акустополяризационный метод исследований.
Авторы выражают благодарность доктору г.-м. н. П.К. Скуфьину за проведенный минеральный анализ шлифов и Российскому фонду фундаментальных исследований (грант № 16-05-00026-а), при поддержке которого получена большая часть приведенных в статье результатов.
Список литературы
Сверхглубокие скважины России и сопредельных регионов. Ред. Наливкина Э.Б., Хахаев Б.Н. С.-Петербург: Изд-во ВСЕГЕИ, 1995. 247 с.
Загородный В.Г., Мирская Д.Д., Суслова С.Н. Геологическое строение Печенгской осадочно-вулканогенной серии. М.–Л.: Наука, 1964. 207 с.
Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. Ред. Козловский Е.А. М.: Недра, 1984. 490 с.
Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследования Ред. Орлов В.П., Лаверов Н.П. М.: Технонефтегаз, 1998. 260 с.
Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1995. 203 с.
Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых сред / Горбацевич Ф.Ф. Авторс. свид. 1281993, СССР, МКИ GOI N 29/04. Бюлл. изобр. 1987.
Ковалевский М.В. Автоматизированный программно-аппаратный комплекс Acoustpol: Учеб. пособие: Апатиты: Изд-во ООО “K & M”, 2009. 54 с.
Горбацевич Ф.Ф., Ковалевский М.В., Тришина О.М. Результаты изучения образцов метаморфических пород (скважина Оутокумпу, Финляндия) акустополяризационным методом // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 2. С. 204–214.
Горбацевич Ф.Ф. Явление деполяризации сдвиговых волн в анизотропных гетерогенных средах // Физика Земли. 1998. № 6. С. 83–90.
Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия породообразующих минералов и кристаллических пород. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2002. 140 с.
Crampin S. Evaluation of anisotropy by shear-wave splitting // Geophys. 1985. V. 50. № 1. P. 142–152.
Горбацевич Ф.Ф., Медведев Р.В. Механизм разуплотнения кристаллических пород при их разгрузке от напряжений. Рудные геофизические исследования на Кольском полуострове. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР. 1986. С. 83–89.
Gorbatsevich F.F. Decompaction mechanism of deep crystalline rocks under stress relief // Tectonophys. 2003 V. 370. № 1–4. P. 121–128.
Christensen N., Mooney W. Seismic velocity structure and composition of the continental crust: A global view // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. № B7. P. 9761–9788.
Головатая О.С., Горбацевич Ф.Ф., Керн Х., Попп Т. Свойства некоторых пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины при изменении РТ-параметров // Физика Земли. 2006. № 11. С. 3–14.
Kern H., Mengel K., Strauss K.W., Ivankina T.I., Nikitin A.N., Kukkonen I.T. Elastic wave velocities, chemistry and modal mineralogy of crustal rocks sampled by the Outokumpu scientific drill hole: Evidence from lab measurements and modeling // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2009. V. 175. P. 151–166.
Беликов Б.П., Александров К.С., Рыжова Т.В. Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород. М.: Наука, 1970. 276 с.
Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Ред. Протодьяконов М.М. М.: Недра, 1975. 279 с.
Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. М.: Изд-во МГИ, 1967. 267 с.
Digranes P., Kristoffersen Y., Karajev N. An analysis of shear waves observed in VSP data from the superdeep well at Kola, Russia // Geophys. J. Int. 1996. V. 126. P. 545–554.
Gorbatsevich F.F., Ikorsky S.V., Zharikov A.V. Structure and permeability of deep-seated rocks in the Kola superdeep borehole section (SG-3) // Acta Geodynamica et Geomaterialia. 2010. V. 7. № 2(158). P. 145–152.
Структура, свойства, состояние пород и геодинамика в геопространстве Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) / Ред. Горбацевич Ф.Ф. СПб.: Наука, 2015. 366 с.
Горбацевич Ф.Ф., Тришина О.М., Ковалевский М.В. Упруго-анизотропные свойства пород разного вещественного состава и фаций метаморфизма северо-востока Балтийского щита. СПб.: Наука, 2018. 190 с.
Kretz R. Symbols for rock-forming minerals // Amer. Mineral. 1983. V. 68. P. 277–279.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Акустический журнал
Пн.-пт.: 10.00-19.00