ИСТИНА

Была рассмотрена характерная 3D геоэлектрическая модель геотермальной зоны, содержащая приповерхностную и глубинную проводящие аномалии. Анализ и инверсия синтетических данных для этой модели позволили сделать ряд методических выводов, основной из которых заключается в плохой применимости 1D приближения и возможности использования 2D аппроксимации. Также мы рассмотрели две 3D модели, первая из которых содержала три проводящие локальные неоднородности, а вторая - протяжённую извилистую проводящую зону. Использовались МТ данные, рассчитанные на одиночном профиле наблюдений. На основе 1D и 2D инверсии можно восстановить фоновый слоистый разрез, а с помощью методов анализа МТ данных - локализовать некоторые неоднородности. Составленные на этой основе априорные модели были скорректированы с помощью 3D инверсии, при этом были получены модели, близкие к истинным. Наконец, была рассмотрена модель 3D геотермального резервуара, созданного в породах кристаллического фундамента. Результаты анализа и 1D инверсии МТ данных показали, что при размещении резервуара на глубинах в несколько километров, необходимых для эффективного использования глубинного тепла в промышленных масштабах, он практически не проявляется в МТ данных, что делает невозможным картирование и мониторинг резервуара с земной поверхности. В рамках проекта был изучен вопрос о связи коровых аномалий электропроводности с особенностями термального режима недр. Ряд аномалий в консолидированной земной коре может быть связан с проницаемыми зонами, обеспечивающими повышенный тепломассоперенос и перспективными с точки зрения использования геотермальных (петротермальных) ресурсов. Проводились исследования северного продолжения Кировоградской аномалии электропроводности, хорошо изученной на территории Украины, и связываемой геофизиками из Института геофизики НАНУ с зоной современной тектонической активизации. Путём объединения ресурсов нескольких грантов РФФИ, совместно с ЦГЭМИ ИФЗ РАН и ООО "Северо-Запад" выполнены МТ зондирования по нескольким субширотным профилям на территории Калужской, Брянской и соседних областей. В результате анализа, 1D и 2D инверсии МТ данных прослежены квазилинейные Кировоградская, Кирово-Барятинская и Курская проводящие аномалии. Выполняется 3D инверсия МТ данных, которая позволит детально исследовать сложную зону сочленения этих трёх аномалий. При полевых МТ исследованиях велась синхронная регистрация МТ поля на базе геофизических практик МГУ в д. Александровка Калужской области, где фактически была создана геофизическая обсерватория. В работе обсерватории, в полевых МТ наблюдениях и в интерпретации полученных данных принимали активное участие студенты. Совместные с американской стороной работы по настоящему гранту РФФИ продолжаются в рамках одноимённого гранта фонда CRDF (АФГИР), сроки которого составляют с октября 2011 года по сентябрь 2013 года, и в оставшееся время планируется подготовить итоговые публикации по проекту. Кроме того, американской стороной (М.С. Ждановым) совместно с МФТИ подана заявка на грант Правительства РФ по созданию лаборатории, возглавляемой ведущим зарубежным учёным, в работе которой запланировано участие ряда исполнителей настоящего гранта. Наконец, 25 января 2013 года в МГУ был открыт Научно-образовательный центр "Геофизика в геоэнергетике", тематика работ которого включает продолжение исследований по теме настоящего гранта.

В рамках проекта нами развивалась методика интерпретации МТ данных. При этом использовались наиболее эффективные методы моделирования, анализа и инверсии МТ данных, в том числе 3D моделирование и инверсия. Сформулированные в публикациях (и вкратце отражённые в настоящем отчёте) результаты этой работы можно рассматривать как рекомендации по методике интерпретации МТ данных. Разрабатывается подход, связывающий особенности геоэлектрического строения земной коры с глубинным термальным режимом. Аномалии электропроводности могут быть связаны как с проницаемыми (флюидонасыщенными и/или графитизированными) зонами, обеспечивающими повышенный тепломассоперенос, так и с зонами современной активизации. Выполнены МТ зондирования, позволившие впервые детально изучить коровые аномалии электропроводности на западном склоне Воронежской антеклизы. Нами предложен подход к выбору мест и способов бурения скважин и созданию петротермальных циркуляционных систем, основанный на комплексной интерпретации геолого-геофизических данных, дающей информацию о строении, свойствах, составе и состоянии земной коры. Этот подход позволит минимизировать глубины и снизить аварийные риски дорогостоящего глубокого бурения.

К важнейшим результатам проекта мы относим разработки в двух направлениях, касающихся: (1) методики интерпретации МТ данных и (2) взаимосвязи выявляемых при МТ зондированиях коровых аномалий электропроводности с геотермальным режимом, в первую очередь в пределах Восточно-Европейской платформы, где планируется бурение глубоких (до 10 км) скважин и создание петротермальных циркуляционных систем. Эти два направления рассмотрены ниже, после чего перечисляются прочие результаты работ в рамках проекта. 1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ИНТЕРПРЕТАЦИИ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ДАННЫХ В практике МТ исследований нередко возникают ситуации, в которых интерпретация данных неоднозначна и, соответственно, применение разных методик интерпретации даёт существенно различающиеся результаты. Для выбора оптимальной методики можно использовать синтетические данные, рассчитанные для характерной геоэлектрической модели. Мы использовали этот подход для изучения двух сложных ситуаций: (1) когда в разрезе на различных глубинах присутствую две проводящие аномалии, эффекты от которых сливаются вместе и (2) когда наблюдения выполнены на одиночном профиле, но в МТ данных проявляются трёхмерные эффекты. При геотермальных и других видах исследований часто выявляются две проводящие аномалии, приповерхностная и глубинная. Приповерхностная может быть связана с гидротермальными изменениями горных пород, а глубинная – с их частичным плавлением (ещё одной распространённой причиной повышения электропроводности является обводнённость горных пород). Используя синтетические МТ данные, мы оценили эффективность методов анализа и инверсии данных в таких условиях, то есть их возможности разделить влияние двух проводников и дать корректные образы обеих аномалий. Трёхмерная модель геотермальной зоны содержит две вытянутые проводящие зоны, соотношение длины и ширины обеих составляет 3:1. Вмещающие высокоомные породы (литосфера) подстилаются проводящей астеносферой. Сглаживающая 1D и 2D инверсия МТ данных была выполнена по двум профилям, «центральному», пересекающему аномалии вблизи их центров, и «боковому», проходящему над их краями. Одномерная инверсия (программа Occam, S. Constable) правильно восстановила верхний проводник, но дала существенно искажённый образ глубинных структур. Двухмерная инверсия (программа REBOCC, W.Siripunvaraporn) дала более правдивую информацию о нижнем проводнике и глубине до астеносферы. Нами были также рассмотрены две модели, содержащие проводящие неоднородности в высокоомном втором слое трёхслойного фонового разреза. МТ данные были рассчитаны на одиночном профиле. Неоднородности представляли собой три прямоугольные призмы, по-разному расположенные относительно линии профиля, либо извилистую протяжённую зону, дважды пересекающую профиль. Тем самым мы смоделировали ситуацию, когда в скальных горных породах возникают зоны обводнения или изменения минерального состава, впрочем, все выводы справедливы и применительно к изучению проводящих аномалий в консолидированной земной коре. М.Н. Бердичевским и В.И. Дмитриевым была предложена идея создания, на основе анализа и одномерной/двухмерной инверсии МТ данных, трёхмерной геоэлектрической модели в полосе, охватывающей профиль наблюдения, и её дальнейшего уточнения с помощью программы трёхмерной инверсии. Мы опробовали этот подход с использованием МТ данных, рассчитанных для двух рассматриваемых моделей. Трёхмерная инверсия осуществлялась по программе WSInv3DMT (W. Siripunvaraporn). При этом выяснилось, что решающую роль в успехе трёхмерной инверсии играет задание в качестве стартовой модели истинного фонового слоистого разреза, который на практике может быть определён по данным МТЗ в точках, расположенных вне аномальных зон. 2. О СВЯЗИ КОРОВЫХ АНОМАЛИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ С ГЕОТЕРМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ПЛАТФОРМЫ Многие зоны повышенной электропроводности в земной коре связаны с аномальным нагревом пород, приводящему к процессу частичного плавления и дегидратации. Механизм такого взаимодействия описан в работах [Ваньян и др., 2001; Жамалетдинов и Кулик, 2012]. Связь коровых аномалий электропроводности с геотермальным режимом хорошо изучена в тектонически активных регионах: в зонах субдукции, рифтообразования, коллизии литосферных плит. На территории России это – прежде всего Курило-Камчатский регион и Приморье, а также Северный Кавказ, Западная Сибирь, Прибайкалье, Охотско-Чукотский вулканический пояс. В стабильных регионах – на щитах и платформах, таких данных гораздо меньше. Результаты многолетних магнитотеллурических исследований показывают, что земная кора Восточно-Европейской платформы (ВЕП) содержит многочисленные глубинные зоны повышенной электропроводности. Наличие таких зон может быть вызвано присутствием в породах коры электронопроводящих минералов (графитов и сульфитов) или повышенной трещиноватостью и пористостью пород, насыщенных высокоминерализованными растворами. Возможен и смешанный тип электропроводности. Одним из механизмов появления глубинных флюидов может быть процесс дегидратация - высвобождение связанной воды в областях, где температура превышает определенный уровень (300-500° С). Связь между зонами повышенной электропроводности земной коры и аномальных температур Восточно-Европейской платформы наиболее полно изучена на Украинском щите. Территория Украины характеризуется большой плотностью электромагнитных наблюдений и определений глубинного теплового потока (ТП). За последние годы в Украинском регионе проведены площадные и профильные съемки методами МТЗ и МВП по сети 50х50 км, с детализацией отдельных районов, и вдоль геотраверсов сейсмического глубинного зондирования, а также определены значения ТП в 12000 скважинах. Такая детальность исследований позволила рассмотреть связь объектов высокой электропроводности в земной коре и мантии Украины с тепловым полем. Было проведено сопоставление зон частичного плавления (зон, в пределах которых температура на глубине 25 км превышает 600о) и коровых проводников. Показана тесная связь между прогретыми и проводящими объектами. Сделан вывод о том, что, несмотря на значительную роль «холодных» механизмов повышения электропроводности горных пород, влияние нагрева, связанного с тепломассопереносом, представляется преобладающим [Гордиенко и др., 2007]. На территории Украины выделяют несколько зон современной активизации, которая должна характеризоваться недавним появлением коровых очагов частичного плавления, отдельными вторжениями магмы в верхнюю кору и выносом флюидов над ними к поверхности. Одной из крупных геодинамически активных зон в литосфере центральной части Украины является область, в которой, по данным геоэлектрических исследований, находится Кировоградская аномалия электропроводности [Логвинов и др., 2009]. Другая такая зона расположена в окрестностях Киева (Днепровская аномалия). Для этого района был проведен расчет глубинного теплового потока по 68 скважинам. Выделена область аномального теплового потока мощностью в 65 мВт/м2 при фоновых значениях 40 мВт/м2. Геоэлектрическими исследованиями здесь же выявлен проводящий объект в коре в интервале глубин 24-36 км. Возможно, аномальные значения электромагнитного поля также связаны с зоной современной активизации региона [Гордиенко и др., 2005]. В последние годы большое внимание было уделено электромагнитным исследованиям, проводимым на западном склоне Воронежского кристаллического массива (ВКМ) от южного борта Московской синеклизы до Днепрово-Донецкой впадины [Алексанова и др., 2010, 2012; Варенцов и др., 2012]. По результатам совместной интерпретации магнитотеллурических и магнитовариационных зондирований были выявлены аномалии электропроводности, имеющие вид субгоризонтальных структур шириной около 100 км, с глубиной залегания верхней кромки 15- 20 км и продольной проводимостью 1000 – 5000 См (северное окончание Кировоградской, Курская и Кирово-Барятинская). Выше, на глубинах 5-15 км, выделяются менее контрастные проводящие зоны с сопротивлением первые сотни омметров. По аналогии с Кировоградской аномалией электропроводности, расположенной в пределах Украинского щита, можно предположить, что и аномалии на западном склоне ВКМ приурочены к зонам современной платформенной активизации с масштабом первых сотен километров и связаны с температурным фактором [Абрамова и др., 2012]. Имеются сведения о связи зон повышенной электропроводности с увеличением теплового потока и в пределах западной части Восточно-Европейской платформы. Такие данные получены на территории Беларуси, республик Балтии и прилегающих к ним районах. Палеозойские тектонические структуры, такие как, Подлясско-Брестская впадина, Московская синеклиза, а также юго-восточный склон Балтийского щита характеризуются повышенной плотностью теплового потока более 45-50 мВт/м2. Высокий поток более 70 мВт/м2 наблюдается в северной части Припятского прогиба и Западно-Литовском массиве [Зуй и др., 1995]. В этих же районах расположены коровые проводники, приуроченные к зонам трещиноватости, глубинным разломам, системам сдвигов и надвигов и смены пород по плотностным и др. физическим свойствам. Коровые аномалии электропроводности зачастую приурочены к контакту разновозрастных пород фундамента с различным вещественным составом пород и связаны с палеотектоническими процессами формирования материков [Астапенко, 2009]. Были выполнены геотермические исследования вдоль геотраверса «Гранит». Он пересекает Восточно-Европейскую платформу, проходит через Воронежский кристаллический массив, Токмовский свод, Татарский свод и далее продолжается за Урал. На геотермических разрезах, построенных вдоль профиля, видно, что увеличение плотности теплового потока приурочены к Воронежскому кристаллическому массиву и Татарскому своду [Хачай и др., 2002]. В этих же регионах были обнаружены коровые и корово-мантийные электропроводящие слои субгоризонтального залегания и установлено их распространение по латерали и вертикали. На Татарском своде внутрикоровые проводники, имеющие региональное распространение, увязаны с дислокационными зонами, образованными в результате дегидратации пород под влиянием аномальных температур [Еронина, 2007]. Все эти примеры, а также результаты расчетов синтетических моделей геотермальных зон подтверждают уникальную возможность применения магнитотеллурических методов для решения задач петротермальной геоэнергетики. - Абрамова Д.Ю., Абрамова Л.М., Варенцов Ив.М., Куликов В.А., Лозовский И.Н. Корреляция аномалий постоянного магнитного поля и коровых геоэлектрических структур на западном склоне Воронежского массива // Геофизический журнал. Украина. Киев. 2012. Т. 34. № 4. С. 62-69. - Алексанова Е.Д., Варенцов Ив.М., Верещагина М.И., Куликов В.А., Пушкарев П.Ю., Соколова Е.Ю., Шустов Н.Л., Хмелевской В.К., Яковлев А.Г. Электромагнитные зондирования осадочного чехла и консолидированной земной коры в зоне перехода от Московской синеклизы к Воронежской антеклизе: проблемы и перспективы // Физика Земли. 2010. № 8. С. 62-71. - Алексанова Е.Д., Варенцов Ив. М., Куликов В.А., Лозовский И.Н., Пушкарев П.Ю., Соколова Е.Ю., Шустов Н.Л., Яковлев А.Г. Глубинные аномалии электропроводности в северной части Воронежской антеклизы // Геофизика, 2012 № 6. - В.Н. Астапенко. Коровые аномалии электропроводности и палеорифты Восточно-Европейской платформы // Доклады Национальной академии наук Беларуси. Минск. 2009. Т. 53 № 4. С. 97-101. - Ваньян Л.Л, Бердичевский М.Н., Пушкарев П.Ю. Астеносфера в свете магнитотеллурических данных. Вестник ОГГГГН РАН 2001. № 7 (17). - Варенцов Ив.М., Ковачикова С., Куликов В.А., Логвинов И.М., Трегубенко В.И., Яковлев А.Г. Синхронные МТ и МВ зондирования на западном склоне Воронежского массива // Геофизический журнал. Украина. Киев. 2012. Т. 34. № 4. С. 90-107. - Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Логвинов И.М. Тепловое поле и объекты высокой электропроводности в коре и верхней мантии Украины // Физика Земли. 2007. № 4. С. 28-34. - Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В., Логвинов И.М., Тарасов В.Н. Днепровская аномалия теплового потока и электропроводности // Геофизический журнал. Украина. Киев. 2005. Т. 27. № 4. - Еронина Е.В. Строение земной коры Татарского свода по данным магнитотеллурических зондирований. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.г.-м.н. Казанский Государственный Университет. 2007. 22 с. - Жамалетдинов А.А., Кулик С.Н. Крупнейшие аномалии электропроводности мира // Геофизический журнал. Украина. Киев. 2012. Т. 34. № 4. - В.И. Зуй, А.М. Бобарыкин, Г.И. Урбан, М.С. Жук. Тепловой поток и сейсмичность в пределах западной части Восточно-Европейской платформы // Литосфера. Минск. Белоруссия. 1995. № 3. С. 114-127. - И.М. Логвинов, И.В. Гордиенко, В.Н. Тарасов. Новые результаты геоэлектрических исследований Кировоградской аномалии электропроводности на севере Украины // Доклады НАН Украины. 2009. № 6. С. 135-142. - Ю.В. Хачай, И.В. Голованова, В.В. Гордиенко, А.Д. Дучков, С.Н. Кашубин, Т.В. Кашубина, Р.И. Кутас, В.А. Щапов. Геотермический разрез литосферы вдоль геотраверса «Гранит» // Литосфера. Минск. Белоруссия. 2002. № 3. С. 38-45. 3. ДРУГИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА Перспективным направлением в энергетике является создание петротермальных циркуляционных систем в различных регионах, включая тектонически стабильные. В связи с этим перед геофизикой ставятся новые задачи, связанные с выбором оптимальных мест для строительства таких систем, как с точки зрения прогноза повышенных температур, так и с точки зрения прогноза строения, состава и состояния земной коры. В рамках проекта разрабатывались научные основы комплексной интерпретации магнитотеллурических и других геолого-геофизических данных при решении подобных задач. Также нами выполнялись МТ наблюдения, направленные на изучение Кировоградской аномалии коровой электропроводности (на территориях как России, так и Украины), а также Кирово-Барятинской и Курской аномалий. Синхронно измерения велись в геофизической обсерватории на Александровской базе геофизических практик МГУ. В результате интерпретации данных уточняются особенности строения аномалий, что позволяет сужать количество гипотез об их природе. Использование палеомагнитных и других геолого-геофизических данных позволило уточнить историю взаимодействия различных блоков земной коры Восточно-Европейской платформы и положение границ этих блоков. Последняя информация особенно важна для комплексной интерпретации аномалий электропроводности консолидированной земной коры. Для северо-западной части Калужской области, на основе комплекса геолого-геофизических данных, построена прогнозная трёхмерная термотомографическая модель до глубины 4 км. Температура на этой глубине составила порядка 60 градусов, чего недостаточно для эффективной работы петротермальной циркуляционной системы. Однако, накопленный методический опыт позволит строить термотомографические модели до больших глубин и более обширных регионов Восточно-Европейской платформы.