image
energas.ru

Газовая промышленность № 05 2018

Геология и разведка месторождений

01.05.2018 11:00 РОЛЬ СУБЛИТОСФЕРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕКЦИИ В ВЫНОСЕ УГЛЕВОДОРОДОВ НА СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ОКРАИНЕ СИБИРСКОГО КРАТОНА (РОССИЯ)
Установлены условия возникновения струйных конвективных потоков, восходящих из мантии к поверхности и формирующих топографические поднятия и приуроченные зоны нефте- и газонакопления на северо-западе Сибирского кратона (Россия). Впервые отмечено, что данные сейсмопрофилирования с ядерными взрывами свидетельствуют о субдукции Западной Сибири под Сибирский кратон в позднем мезозое. Об этом же свидетельствует и очередность расположения аномалий рельефа в северо-западной части Сибирского кратона: мегавалы расположены к западу от мегапрогибов, а цепь сводовых поднятий – к востоку от них. В случае формирования этих топографических аномалий на Западно-Сибирской плите и последующего надвига на Сибирский кратон очередность расположения мегавалов, мегапрогибов и цепи сводовых поднятий была бы обратной по отношению к наблюдаемой. Исследована устойчивость сдвигового движения, возникающего под литосферой в зоне столкновения плит. Показано, что пространственное распределение аномалий рельефа, связанных с сублитосферными конвективными течениями в мантии, соответствует средней скорости столкновения Сибирского кратона с Западно-Сибирской плитой 0,06 м/год. Достаточно высокий коэффициент эффективной вязкости в мантийном клине (4,2·1020 Па·с) свидетельствует об отсутствии астеносферы в этом регионе.
Ключевые слова: КОНВЕКЦИЯ, МАНТИЙНЫЙ КЛИН, УГОЛ ПОДОДВИГАНИЯ, СКОРОСТЬ ПОДОДВИГАНИЯ, РЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР МАНТИИ, АНОМАЛИЯ РЕЛЬЕФА, НЕФТЕГАЗОНОСНАЯ ЗОНА.
Открыть PDF


Сибирский кратон расположен между реками Енисей и Лена и, согласно палеомагнитным данным, испытывал в последние 250 млн лет столкновение с Западно-Сибирской плитой [1]. У зоны столкновения находится островная дуга, состоящая из цепи сводовых поднятий (Ледянский, Аянский, Анамский, Юктелийский, Сурингдаконский своды), представленная на рис. 1 [2].

У зоны столкновения также находится система мегавалов (Хантайско-Рыбнинский и Курейско-Бакланихинский). Мегавалы можно интерпретировать как передовую дугу, возникшую благодаря термической неустойчивости в мантии. Линии мегавалов и островной дуги разделяет линия топографических депрессий, состоящая из Нижнетунгусского и Ламско-Хантайского мегапрогибов. В работе [3] упоминается наличие астеносферы под Сибирским кратоном, тогда как согласно сейсмическим данным на профиле «Кратон» астеносферы там нет [4]. Следовательно, коэффициент вязкости под литосферой Сибирского кратона достаточно велик, и роль термической неустойчивости в мантийном клине может быть достаточна для формирования передовой дуги [5]. На рис. 2 приведен сейсмический разрез верхней мантии Сибирского кратона по профилю «Кратон» до глубин кровли переходной зоны мантии (ПЗМ) – около 430 км.

Из сейсмического разреза на рис. 2 видно, что под подошвой литосферы, расположенной, согласно работе [4], на глубине d = 200–250 км, имеется клиновидная зона (между глубинными границами разреза со скоростями сейсмических волн vГ = 8,5 км/с и vГ = 8,6 км/с), подстилаемая материалом повышенной плотности с сейсмическими скоростями vГ > 8,6 км/с. В этой зоне с углом раствора = 5,5º, которую можно рассматривать как мантийный клин, формировалось сдвиговое течение, вызываемое движением Сибирского кратона в западном направлении или эффективной субдукцией нижней границы мантийного клина к востоку. При столь малом угле раствора мантийного клина и большой вязкости его материала в сдвиговом течении велико выделение диссипативного тепла, которое может выноситься вверх механизмом термической конвекции. Считая, что пространственный масштаб конвективных вихрей совпадает с пространственной периодичностью аномалий рельефа и приуроченных к ним нефтегазоносных зон на северо-западной окраине Сибирского кратона, можно оценить скорость субдукции и коэффициент эффективной вязкости мантии.

 

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

В качестве начальной модели термомеханического состояния мантийного клина между подош- вой Сибирского кратона и поверхностью субдуцирующей Сибирской плиты, пододвигающейся под углом со скоростью V, можно принять модель, представленную в работе [5]. В рамках этой модели материал мантийного клина считается однородной несжимаемой жидкостью, вязкость которой зависит от температуры и давления, но множитель, описывающий термическую и барическую зависимость вязкости, считается равным его среднему значению. Таким образом, для коэффициента вязкости h также принимается среднее значение. Зависимость вязкости от температуры и давления учитывается усредненно. Температура, не возмущенная конвективной неустойчивостью, определяется с учетом диссипативного нагрева и адвекции тепла в мантийном клине. Стационарное распределение абсолютной температуры T рассчитывается, как и в работе [5], численно в приближении Буссинеска при бесконечном числе Прандтля. Результат расчета показывает, что температура достигает максимального значения Tmax вблизи поверхности субдуцирующей литосферы. Применительно к субдукции Западно-Сибирской плиты под Сибирский кратон при малом угле субдукции величина Tmax может быть с достаточной точностью аппроксимирована следующими аналитическими формулами, учитывающими адвекцию тепла в мантийном клине:

,                        (1)

 

 

где Tm = 1,5·103 К – температура субсолидуса; – динамическая вязкость, Па·с; k = 4 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности; x – расстояние по горизонтали от острия мантийного клина, м; = k/(·cp) = 10–6 м2/с – коэффициент температуропроводности; = 3,3·103 кг/м3 – плотность горных пород; cp = 1,2·103 Дж/кг·К – удельная теплоемкость при постоянном давлении; безразмерные функции F и G при 4º < < 7º имеют вид:

 

F = 8,6293 + 1,5214;

G = 5,1139·10–3· – 0,007734·10–3. (2)

 

Формулы (1) – (2) с точностью 1–2 % аппроксимируют температуру в мантийном клине, определенную численно. При их выводе предполагается, что границы мантийного клина изотермичны и их температура равна температуре субсолидуса Tm. Например, согласно (1) – (2) при = 1020 Па·с; = 6º; V = 0,05 м/год; x = 400·103 м; F = 2,425; G = 5,278·10–4; F+GVx/ = = 4,114; (Tmax – Tm) = 102 K.

В работе [5] построенная термомеханическая модель мантийного клина исследовалась на термическую и конвективную неустойчивость. Первая возникает из-за зависимости коэффициента вязкости от температуры. Зависимость учитывается усредненно при расчете невозмущенной термомеханической модели мантийного клина с диссипативным нагревом. Конвективная неустойчивость также отчасти связана с зависимостью коэффициента вязкости от температуры. В работе [5] было показано, что инкремент термической и конвективной неустойчивости в виде валов переменной толщины, ориентированных вдоль субдукции, является плавно меняющейся функцией горизонтальной координаты пространства x вдоль профиля и определяется формулой:

 

, (3)

 

 

где = (E* + PV*)/(RT) – среднее значение показателя степени в экспоненциальной зависимости вязкости от температуры; E* и V* – энергия и объем активации; R – универсальная газовая постоянная; константы D = V ( cos – sin )/ /(2 – sin2 ) и C = –(V sin )/(2 – sin2 ) – соответствуют условиям прилипания материала мантийного клина к литосферным плитам; t = tg; T = (Tmax + Tm)/2 – средняя температура в вертикальном сечении; = 3·10–5 – коэффициент теплового расширения, К–1; g – ускорение силы тяжести; T' = (Tmax – Tm)/t; ky – волновое число, соответствующее пространственному периоду 2/ky восходящих конвективных течений в мантийном клине (ось y направлена по горизонтали, поперек направления субдукции литосферной плиты); = /tg; U' = D[(sin·cos + ) – (Csin2)]/tg.

Первое слагаемое в формуле (3) не зависит от ky и описывает термическую неустойчивость, возникающую из-за зависимости коэффициента вязкости от температуры и существенную на малых расстояниях x от желоба, в который погружается субдуцирующая литосферная плита. Остальные слагаемые в (3) соответствуют конвективной неустойчивости, вызываемой вертикальным перепадом температуры (Tmax – Tm) в мантийном клине.

Неизвестными величинами, характеризующими эффективную субдукцию литосферы Западно-Сибирской плиты под Сибирский кратон, являются скорость пододвигания V и угол субдукции . Согласно результатам [6], относящимся к профилю «Кратон», пересекающему рассматриваемый регион, в верхней мантии под Сибирским кратоном имеется наклонная аномалия плотности, уходящая в глубину перпендикулярно к р. Енисей под углом примерно 5,5º. Если интерпретировать эту плотностную аномалию как остаточный фрагмент Западно-Сибирской плиты, субдуцировавшей под Сибирский кратон в мезозое, то можно принять для угла субдукции оценку ~ 5,5º. Для энергии и объема активации примем, как в [7, 8], E* = 500 кДж/моль, V* = 8·10–6 м3/моль и среднее значение = 40. Авторы работы [1], исходя из траектории кажущегося движения палеомагнитного полюса, утверждают, что Сибирский кратон в юрский период испытывал дрейф с максимальной скоростью V = 0,10–0,12 м/год, с поворотом по часовой стрелке с угловой скоростью до 2,5º за 1 млн лет, а к рубежу юрского и мелового периодов эволюционного развития тектонических процессов на Земле кратон достиг своих современных координат и далее испытывал только вращение по часовой стрелке со скоростью не более 0,5–1,0º за 1 млн лет. Из [1] следует, что в течение последних 120 млн лет скорость столкновения V Сибирского кратона с Западно-Сибирской плитой была примерно 0,01 м/год, и как показывают расчеты настоящей работы, наилучшее согласие с распределением аномалий рельефа и нефтегазоносных зон на северо-западной окраине Сибирского кратона обеспечивают средняя скорость столкновения около 0,06 м/год и средний угол пододвигания Западно-Сибирской плиты под Сибирский кратон ~ 6º.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 показан инкремент термической и конвективной неустойчивости как функция горизонтального расстояния x, рассчитанный согласно (3) при ~ 6º, скорости субдукции V = 0,06 м/год, 2/ky = 230 км, = 4,2·1020 Па·с и ранее приведенных прочих параметрах мантии.

При принятом значении вязкости максимумы , отмеченные стрелками FA и IA, соответствуют расположению передовой дуги (FA – frontal arc) и островной дуги (IA – island arc), а минимум , отмеченный стрелкой D, соответствует расположению депрессии, разделяющей передовую и островную дуги. Поскольку инкремент при x 0 неограниченно возрастает и метод последовательных приближений, используемый при выводе формулы (3), теряет силу, максимум при малых значениях x принимается приблизительно равным второму максимуму, отвечающему конвективной неустойчивости при бóльших расстояниях x. В рассмат- риваемом регионе передовая дуга состоит из Хантайско-Рыбнинского и Курейско-Бакланихинского мегавалов, островную дугу составляют Ледянский, Аянский, Анамский, Юктелийский и Сурингдаконский своды, а депрессия включает Нижнетунгусский и Ламско-Хантайский мегапрогибы. Максимум при малых расстояниях x соответствует первому слагаемому в формуле (3) (термической неустойчивости, связанной с температурной зависимостью вязкости) и отвечает передовой дуге, представляющей собой своеобразную «стену», вытянутую в меридиональном направлении. Второй максимум , расположенный при бóльших значениях x, описывает конвективную неустойчивость, порождающую периодические изменения (аномалии) рельефа поверхности Земли (и приуроченные к поднятиям рельефа нефтегазоносные зоны) с пространственным периодом (2/ky) = 230 км. Следует отметить, что вид кривой (x), имеющей два максимума, определяется величиной среднего коэффициента вязкости. При значениях , существенно меньших принятого, термическая неустойчивость играет роль при малых значениях x, а максимум кривой (x), соответствующий конвективной неустойчивости, расположен при существенно бóльших значениях x, так что расстояние между D и IA на рис. 3 становится намного больше наблюдаемого. Напротив, при бóльших значениях роль термической неустойчивости доминирует, и (x) становится монотонно убывающей функцией, имеющей максимум лишь при x 0. В силу этого оценку = 4,2·1020 Па·с можно считать достаточно точной и вполне соответствующей данным [4] об отсутствии астеносферы в рассматриваемом регионе. Полученные результаты расчетов, проведенных авторами, показывают, что на западной границе Сибирского кратона под валообразными и куполообразными (сводовыми) структурами рельефа поверхности Земли должна возникать субвертикальная миграция углеводородов за счет восходящих конвективных потоков в мантийном клине, приводящая к образованию месторождений нефти и газа. Это согласуется с теоретическими положениями нефтегазовой геологии и геохимии, представленными в работах [9–11]. Наличие таких неф- тегазовых месторождений в этом районе Восточной Сибири также подтверждено проведенными гео- лого-геофизическими исследованиями и разведочным бурением.

 

ВЫВОДЫ

Характерный пространственный период расположения восходящих конвективных потоков, полученных в модели конвективной неустойчивости, положение и протяженность полученной в рамках модели депрессии, отделяющей островную цепь от передовой дуги, хорошо согласуются с пространственным периодом расположения сводовых поднятий и приуроченных к ним нефтегазоносных зон, а также с положением и шириной зоны мегапрогибов на северо-западной окраине Сибирского кратона. Модельная скорость столкновения Сибирского кратона с Западно-Сибирской плитой в мезозое (0,06 м/год) и средний коэффициент вязкости горных пород под литосферой ( < 4,2·1020 Па·с) согласуются с данными сейсмопрофилирования в Западной Сибири и палеомагнитными данными о движении Сибирского кратона в мезозое.



← Назад к списку