МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ

Рассмотрим сначала методы и источники информации о глубинном строении Земли.

Бурение. Всем хорошо известны эти методы, однако далеко не все представляют их возможности и масштабы. Скважины глубиной 3—7 км считаются глубокими, более 7 км — сверхглубокими. Практически все они пробурены в научных целях. Самая глубокая в мире Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 м была пробурена в Советском Союзе. Бурение было начато в 1970 г., прерывалось из-за аварий и прекращено в 1992 г. Первоначально предполагалось пробурить 15 км.

Бурение глубоких скважин — очень дорогое и продолжительное мероприятие. Бурение в научных целях усложняется необходимостью постоянного отбора образцов пород, поэтому оно под силу только богатым странам с развитой экономикой (рис. 1.1).

В мире сооружается довольно много (сотни в год) менее глубоких (от сотен метров до нескольких километров), но тоже довольно значительных скважин для поиска и добычи нефти, газа и других полезных ископаемых. В год сооружаются многие тысячи скважин для водоснабжения и изысканий. Изыскательские скважины имеют целью изучение разреза и отбор образцов для проектирования и строительства. Их глубина — от нескольких метров до нескольких десятков метров. Любые скважины весьма полезны для изучения глубинного строения Земли, особенно тем, что позволяют непосредственно получать образцы пород, но одного бурения явно недостаточно.

Горные выработки — шахты и карьеры. Они дают очень много полезной информации, горные породы в них доступны для непосредственного наблюдения и изучения, но их глубина обычно составляет десятки-сотни метров и редко превышает 1 км.

Рис. 1.1. Схема Кольской сверхглубокой скважины [8]

Обнажения горных пород на склонах. Обнажением называется участок выхода на поверхность геологического тела, перекрытого в других местах вышележащими породами (рис. 1.2).

При необходимости площадь обнажения можно увеличить, сделав расчистку. Обнажения позволяют подробно изучить горные породы, но глубина, на которую при этом можно заглянуть, определяется глубиной эрозионного вреза и лишь в редчайших случаях превышает 1 км.

Геофизические (прежде всего сейсмические) методы. Геофизика — раздел геологии, основанный на изучении физических свойств горных пород, геологических тел и Земли в целом. Гео-

Рис. 1.2. Обнажения пород на склоне:

2 и 3 — открытые для наблюдения пласты; для изучения пластов 7, 4 и 5 требуются

расчистки

физика имеет несколько направлений, весьма эффективных при поиске полезных ископаемых, — это электроразведка, магниторазведка, радиоразведка, гравиметрия, каротаж скважин и др. Методы являются косвенными, так как измеряются только физические параметры, а конкретные образцы горных пород на поверхность не извлекаются. При изучении глубинного строения Земли основным является вклад сейсморазведки. Глубинность методов составляет сотни и тысячи километров. Вкратце поясним суть сейсмических методов.

Если на поверхности Земли произвести взрыв или просто сильный механический удар, внутри геологической среды возникнет сейсмическая волна, которая будет распространяться в глубь горных пород. При достижении геологических границ, где одна порода сменяет другую, сейсмическая волна частично проходит дальше и частично отражается от каждой геологической границы и возвращается на поверхность (рис. 1.3).

Если поставить соответствующее оборудование и измерить время, через которое сейсмическая волна вернется на поверхность, то, зная скорость прохождения сейсмической волны через горные породы различного состава, можно вычислить глубину залегания геологической границы. Зная положение геологических границ, можно вычислить скорости прохождения сейсмических волн через породы различного состава.

За счет различных приемов удается определить положение не одной, а многих геологических границ, в том числе и очень глубоко залегающих, совершенно недоступных, например, для бурения. В целом разрез расчленяется на основе выделения пластов с различной скоростью прохождения сейсмических волн. Крите

Рис. 1.3. Схема сейсмических методов в геофизике

рием правильности сейсмических методов является их эффективность при поиске нефтегазовых и других месторождений.

Приводимые в последующих главах схемы строения Земли и земной коры построены на основе сейсмических методов. Геофизические работы намного дешевле бурения, они выполняются быстрее, поэтому на практике те и другие работы обычно применяются в комплексе, дополняя друг друга. Полагают, что выводы, сделанные только на основе геофизических поисков, не могут считаться окончательно подтвержденными, однако для построений, касающихся глубин более 10 км, сейсмические источники являются единственными.

Магматические породы и современная магма. Считается, что магма приходит с глубин в сотни километров, однако не следует считать, что она точно представляет состав находящегося там вещества (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Залегание магматических пород показывает, что магма приходит с очень больших глубин

При движении вверх магма расплавляет находящиеся на ее пути породы, из-за этого сильно изменяется ее состав, поэтому соображения о ее начальном составе могут быть лишь примерными, однако полученные геологические данные безусловно используются в практике.

Блоки земной коры, поднятые тектоническими движениями

(рис. 1.5).

Рис. 1.5. Тектонически поднятый блок земной коры (на рисунке справа), слой 5 показывает амплитуду поднятия

На рисунке показано залегание горных пород и поднятый по разлому тектонический блок. Амплитуда таких поднятий может составлять километры. В земной коре имеются регионы с подобным блоковым строением, сложенные очень древними породами и практически не перекрытые сверху более молодыми образованиями.

Космические данные. Материал горных пород, находящийся на глубинах, превышающих глубинность бурения или амплитуду поднятия блоков земной коры, недоступен для конкретного исследования. Стремясь как-то оценить химический состав Земли, геологи обращаются к данным о составе метеоритов, лунного грунта и планет земной группы.

Итак, при изучении строения Земли на глубины (несколько километров) используются различные источники информации, но чем больше глубина, тем информации становится меньше. Для глубин примерно от 10 км до центра Земли единственный источник информации — сейсмические данные геофизики. Иллюстрация внутреннего строения Земли представлена на рис. 1.6.

Как можно видеть в ее строении выделяется несколько внутренних оболочек, называемых геосферами — земная кора, верхняя и нижняя мантия, внешнее и внутреннее ядро.

Рис. 1.6. Внутреннее строение Земли [16]