Геологические предпосылки гравиразведки

Из основной формулы (5.7) гравиразведки, связывающей гравитационное поле с параметрами геологической среды (контурами тел и их плотностью), следует, что геологические тела могут возмущать поле силы тяжести как за счет разности плотностей тела и вмещающей среды, так и за счет изменений морфологии контура тела, рельефа структурных поверхностей. Очевидно, что чем больше разность плотностей и чем резче изменяются границы тела, рельеф геологических границ, тем больше будет гравитационный эффект возмущающего тела. Рассмотрим эти два фактора в геолого-гравиразведочном  аспекте.

Прежде всего вспомним, что плотностью s называется физическое свойство вещества (горной породы), определяемое отношением его массы к его объему (объемная плотность). Удельный вес вещества (горной породы) d связан с объемной плотностью s соотношением s = d×g, где g – ускорение силы тяжести. Размерность плотности г/см³ (кг/м³). Плотность горных пород существенно зависит от их пористости.

Плотность пород осадочного чехла и кристаллического фундамента изучается в лабораторных условиях по керну из скважин. Анализ плотностных характеристик пород осадочного чехла показал, что значения плотности существенно зависят не только от литологических свойств пород, но от их возраста, тектоники региона и  глубины залегания. Так, плотность песчанистых, алевритовых и глинистых пород колеблется в пределах 1,6–2,8 г/см³, причем ее значения больше зависят от их пористости, чем от минерального свойства (плотность возрастает с уменьшением пористости). Плотность карбонатных пород изменяется в еще больших пределах – от 1,53 г/см³ до 3,04 г/см³, но чаще всего плотность известняков характеризуется плотностью 2,4–2,7 г/см³. Гидрохимические осадки, различающиеся по минеральному составу, имеют разную плотность: для ангидрита – 2,9 г/см³, гипса – 2,3 г/см³, для каменной соли – 2,1 г/см³. Особенно выдержанной плотностью характеризуется галит (2,12–2,22 г/см³).

У магматических пород плотность возрастает от кислых к основным разностям от 2,4 до 3,35 г/см³ за счет увеличения в составе пород  железисто-магнезиальных минералов (оливина, пироксена, биотита, роговых обманок и др.), для которых характерны высокие значения плотностей, 3,2–3,5 г/см³.

Плотность ультраосновных пород колеблется от 2,45 до 3,2 г/см³ и тесно связана с процессами серпентинизации и габброизации.

Плотность эффузивных пород в целом несколько ниже плотности интрузивных пород.

Рудные полезные ископаемые характеризуются очень высокими значениями плотностей – до 5,0 г/см³: для хромитовых и колчеданных руд они составляют 3,5–4,5 г/см³, для полиметаллических месторождений –  3,4–5,0 г/см³. Более низкие плотности имеют бокситовые (1,8–3,2 г/см³) и сульфидные (1,5–3,0 г/см³) руды.

Метаморфические породы обладают относительно высокой плотностью, 2,5–3,3 г/см³, по крайней мере выше, чем для осадочных пород. Их плотность определяется минеральным составом, она  -возрастает с увеличением степени метаморфизма. В процессе же гранитизации метаморфических пород плотность уменьшается за счет замещения минералов с высокой плотностью (амфибол, гранат, биотит) минералами с малой плотностью (кварц, микроклин).

Для территории Беларуси наиболее показательным по плотностным характеристикам осадочного чехла является Припятский прогиб. Здесь по значениям плотностей выделено четыре слоя. Первый слой представлен породами от самых молодых платформенных до карбоновых рифогенных. Он включает породы, лежащие на соленосных отложениях. Плотность пород этого слоя колеблется от 2,0 на кровле до 2,27 г/см³ на подошве. Максимальная мощность слоя – 1,6 км. Второй слой представлен глинисто-галитовыми отложениями позднефаменского возраста. Подошва слоя – поверхность верхнефаменских солевых отложений. Максимальная мощность слоя в межкупольных зонах около 2 км. Плотность пород слоя в среднем около 2,21 г/см³. Третий слой включает верхнефаменские солевые отложения. Нижнее ограничение – поверхность межсолевых отложений. Максимальная мощность слоя – в соляных куполах, до 3 км. Плотность хорошо выдержана и равна 2,18 г/см³. Наконец, четвертый слой объединяет пласты пород от венда до франкского яруса девона небольшой мощности в основании прогиба. Плотность пород этого слоя колеблется от 2,26 до 2,8 г/см³.

Неоднородность осадочного чехла по плотности  и мощности обусловливает аномальное гравитационное поле.

Плотность пород кристаллического фундамента Припятского прогиба в среднем равна 2,75 г/см³. Это значение значительно выше средней плотности осадочного чехла. Но поскольку рельеф фундамента в Припятском прогибе изменяется в пределах нескольких километров, то, следовательно, поверхность кристаллического фундамента Припятского прогиба создает высокий гравитационный эффект и тем самым является объектом гравиразведки.

Аналогичная плотностная картина характерна и для Оршанской впадины, где  в осадочном чехле выделяются  девонский комплекс (2,56 г/см³), волыно-валдайская серия (2,13 г/см³), вильчанская серия (2,20 г/см³) и рифейский комплекс (2,35 г/см³), которые лежат на кристаллическом фундаменте плотности 2,75 г/см³. Колебания рельефа – от 0,4 до 2,8 км. Большая резкость плотностей фундамента и осадочного чехла и четко выраженный рельеф благоприятствуют значительному гравитационному эффекту.

Плотность пород кристаллического фундамента Беларуси подразделяется на одиннадцать групп и изменяется в среднем от 3,12 г/см³ для первой группы до 2,64 г/см³ для одиннадцатой. В первую группу входят габбро, габбро-диабазы, диабазы и амфибол-пироксеновые кристаллические сланцы. К одиннадцатой группе отнесены породы, представленные пегматитами и аплитами, образующими жилы. Граниты, гранитогнейсы, кварциты и ряд других пород фундамента по плотностям занимают в этой иерархии среднее положение и характеризуются значениями 2,65–2,75 г/см³.  В среднем породам фундамента соответствует плотность 2,75 г/см³. Следовательно, различные тела, интрузии в фундаменте обладают разностью плотностей от 3,12–2,75 = +0,37 г/см³ до 2,64–2,75 = –0,11 г/см³.   Это  значит, что  плотностные  неоднородности  фундамента, обусловленные его внутренним строением и вещественным составом, могут создавать аномалии силы тяжести.

Для оценки плотности глубинных частей земной коры и верхней мантии обратимся к исследованиям украинского геофизика С. С. Красовского, который показал, что плотность глубинного вещества линейно связана со скоростью продольных сейсмических волн V_Р соотношением

s = 0,7269 + 0,3209V_P.                                              (5.18)

Отсюда следует, что плотность вещества нижней части коры, где V_P = 7,0–7,5 км/с, равна 2,98–3,15 г/см³, а плотность подкорового вещества, характеризующегося  скоростями 8,0–8,2 км/с, – 3,35–3,40 г/см³. Поскольку граница земной коры и верхней мантии – поверхность Мохо – колеблется по глубине в широких пределах (для Беларуси от 35–40 км до 50–60 км), то разность плотностей между подкоровым веществом и веществом нижнего слоя коры может  создавать большие значения гравитационного поля.

Суммируя изложенное, можно сказать, что реальная геологическая среда неоднородна по плотности. Эти неоднородности выражаются в форме и рельефе геологических границ. Главными факторами, возмущающими гравитационное поле Земли, являются рельеф границ и плотностные неоднородности в осадочном чехле, рельеф кристаллического фундамента и плотностные неоднородности его вещественного состава, глубинные плотностные неоднородности земной коры и в первую очередь рельеф ее подошвы (границы Мохо).

Все это благоприятствует применению гравиразведки для решения геологических задач.