Некоторые петрофизические свойства основных пород архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины СГ-3

Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) находится на северо-западе Кольского полуострова, в северном обрамлении Печенгской структуры, рис. 1 [1].

Координаты устья скважины 69°25' СШ и 30°44' ВД. Она пройдена в северном крыле Печенгской геосинклинали, сложенной ритмично переслаивающимися вулканогенными и туфогенно-осадочными толщами, простирающимися на СЗ 300—310° и падающими на ЮЗ под углами 30-50°. Геологический разрез скважины СГ-3 опережающим стволом достиг отметки 12 262 м [2].

Скважина вскрыла два комплекса пород: протерозойский (0-6842 м) и архейский (6842-12 262 м). Протерозойский комплекс сложен вулканогенными и осадочными породами в соотношении 3 : 1 [2]. Архейский комплекс представлен I - толщей гнейсов с высокоглиноземистыми минералами (ВГМ), II - толщей гнейсов с высококальциевыми минералами (ВКМ), амфиболитов и теневых мигматитов, III - толщей гнейсов с ВГМ, IV - толщей гнейсов с ВКМ, амфиболитов и теневых мигматитов, V - толщей гнейсов с ВГМ, VI - толщей гнейсов с ВКМ, амфиболитов и теневых мигматитов, VII - толщей гнейсов с ВГМ, VIII - толщей

МИСиС

амфиболовых гнейсов, амфиболитов и теневых мигматитов, IX - толщей гнейсов с ВГМ, X - толщей биотит-плагиоклазовых гнейсов с ВКМ и вкрапленностью магнетита.

Как следует из вышеприведенных данных, архейская часть разреза СГ-3 сложена очень широким спектром пород от ультраосновного до кислого составов разной степени переработки, метаморфизованности, структурных и текстурных особенностей. Это указывает на возможные широкие вариации физических свойств слагающих пород. Изучение петрофизических свойств пород архейской части разреза представляет особый интерес, так как при извлечении керна из больших глубин в породе происходят необратимые изменения, связанные с механизмом внутреннего разуплотнения [3]. Согласно этому механизму в образцах глубинных пород, вынесенных на земную поверхность, за счет разницы в коэффициентах расширения у разных минералов на границе минеральных зерен происходит образование разгрузочных микротрещин. Это снижает величины таких характеристик, как плотность, и в особенности скорости распространения продольных и поперечных волн.

Рис. 1. Расположение Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3)

С целью выявить значения плотности, скоростей распространения продольных и поперечных волн, близкие к тем, которые имеют место на месте залегания, из диапазона глубин 7263-11 487 м были отобраны 20 образцов керна основных пород Кольской сверхглубокой скважины СГ-3. Отобранные образцы представлены в основном гнейсами, сланцами, амфиболитами.

Методика

Вначале по шлифам было выполнено петрографическое описание пород и определен их минеральный состав. Затем методом Архимеда определили плотность пород. Определение скоростей распространения продольных и поперечных волн производили с использованием акустополяризационного метода, который выполняется с помощью прибора акустополярископ [4, 5]. 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 измерениями образец устанавливали на поворотную платформу. На рабочие поверхности излучателя и приемника наносили контактную среду, хорошо проводящую сдвиговые волны. В процессе измерений электропривод поворачивает платформу в пределах полного угла поворота 360° [6]. В точках наблюдений на экране ультразвукового прибора фиксировали амплитуду огибающей импульса проходящих колебаний [5].

Измерения проводили в два этапа: сначала при параллельных (ВП), затем при скрещенных на 90о (ВС) векторах поляризации, и выполняли на всех трех парах граней кубического образца (рис. 2).

По акустополяриграммам ВП определяются наличие и степень проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП) [5]. Эффект ЛААП выявляется при уплощении диа-

МИСиС

грамм, полученных при положении ВП векторов поляризации. Это означает, что в одном направлении векторов поляризации относительно структурных элементов среды поперечная волна распространяется с малым поглощением. Однако

V11   V12

Vij = V21   V22   V23,(2)

V31   V32

при повороте этих векторов в положение по нормали к направлению наибольшего пропускания (при амплитуде A RE ) волна значительно поглощается. При этом ее амплитуда становится равной A RR . Расчет показателя значения линейной акустической анизотропии поглощения производят по формуле [5]:

D =

А -А

RE    RR

А _ + А

RE + RR

Рис. 2. Схема кубического образца и маркировка его осей

где V 11 , V 22 , V 33 - скорости распространения продольных колебаний, измеренные в направлениях 1-1', 2-2', 33'; V ₁₂, V 13 — скорости распространения поперечных колебаний, измеренные в направлении 1-1' при ориентировке векторов поляризации (ОВП) в направлении 2-2', 3-3'; V 21 , V ₂₃ - в направлении 2-2' при ориентировке ОВП излучателя поперечных колебаний (ВП) в направлении 1-1', 3-3'; V 31 , V ₃₂ - в направлении 3-3' при ОВП в направлении 1-1', 2-2' соответственно.

По данным квазиматрицы рассчи-

тывали средние величины скорости продольной волны для образца, V PR = ( V 11 + V ₂₂ + V ₃₃)/3. Средние величины скорости поперечной волны определены как V SR = ( V 12 + V 13 + V 21 + V 23 + V 31 + V 32 )/6.

Как выше было отмечено, петрофизические свойства пород, находящихся на глубинах 7-12 км, отличны от тех, которые свойственны образцам, извлеченным на земную поверхность. В извлеченных образцах за счет разницы в коэффи-

Акустополяриграммы, полученные в положении ВС, позволяют определить число и направленность проекций элементов упругой симметрии анизотропного образца [5]. Данные проекции являются направлениями, в которых скорости поперечных колебаний принимают экстремальные значения. Соответственно, последующие определения скоростей производили в этих направлениях.

Результаты измерений величин скорости распространения продольных ( V P ) и поперечных ( V S ) волн по всем граням кубического образца отображались в виде квазиматрицы [5]:

циентах расширения у разных минералов происходит образование разгрузочных микротрещин [5, 7]. В ряде работ показано, что показатели р , V_P , V S пород на больших глубинах близки к тем, которые определены по их минеральному составу [8, 9, 10, 11]. 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 зна-

чения параметров отдельных минералов, слагающих породу [8, 12]. Расчеты средних значений плотности (р с ) и скорости распространения продольных ( V PC ) и поперечных ( V SC ) волн выполнены по формуле [8]:

ln V k

S ln VP s P

МИСиС

где V k - средняя расчетная плотность (скорость) в породе; V i - средняя плотность (скорость) в каждом минерале; P i -парциальная доля минерала, составляющего породу.

На основе полученных скоростных характеристик также были рассчитаны технические постоянные: модуль упругости ( Е , модуль сдвига ( G ) и коэффициент Пуассона (v). Эти показатели вычислялись по формулам:

Е = [р Vs ²(3 Vp ²/ Vs ² - 4)]/( Vp ²/ Vs ² - 1); (4)

G = р V S ²; (5)

v = ( Vp ²/ Vs ² - 2)/(2 Vp ²/ Vs ² - 2). (6)

Обсуждение результатов

Примеры фотографий шлифов основных пород архейской части разреза представлены на рис. 3. Описание структуры пород и минерального состава приведено в табл. 1.

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 незначительной степени представлен гранат ~12 % и кианит ~8 %. Присутствуют и акцессорные минералы - ильменит, эпидот, циркон, апатит.

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, нематогранобла-стовая, рассланцованная. Основными породообразующими минералами амфибо- литов 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. 3. Примеры фотографий шлифов основных пород архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Гнейсы: а - SG-23881a; b - SG-41154-2; c - SG-42148-2. Cланцы: d - SG-23542н; e - SG-30025н; f - SG-39164. Амфиболиты: g - SG-23467;

h - SG-28186н; i - SG-40903н.

Мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода: j - SG-43384-3.

МИСиС

Минеральный состав и структура пород образцов из архейской части разреза СГ-3

Таблица 1

Номер образца	Глубина, м	Минеральный состав, %	Структура	Определение породы
Амфиболиты
SG-23467 полир.	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-26158а, н.	~ 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 анхимономине-ральный (метапироксенит)
SG-26977н полир.	7994.4 8000.3	Hbl-46.8; Bt -11.1; Pl22.1; Qtz-0.2; Or-2.4; Ep-15.1; Ttn-2.3	с/з, нематогранобластовая, сильное рассланцевание	Амфиболит полевошпатовый
SG-28186н	8213.9 8222.0	Act-30.0; Bt-5.2; Pl42.8; 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-31093н	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	~ 10253.7	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-40903н	11253.7 11263.0	Hbl-66.9; Pl-22.1; Qtz-7; Ep-0.35; Ilm-3.6; Ap-0.05	с/з, нематогранобластовая, легкое рассланцевание	Амфиболит полевошпатовый
Гнейсы
SG-23881а полир.	7382.1 7396.1	Bt -13.3; Grt-6.5; Pl54.9; Qtz-23.7; Ilm-1.5; Ep-0.05; Zrn-0.05	с/з, лепидогранобластовая, порфировидная	Гранат-биотитовый гнейс
SG-38631н	10502.0 10518.6	Bt-34.6; Ms-5.5; Pl47.3; Qtz-10.4; Ilm-2.2; ед. з-на Ap и Zrn	неравномернозернистая, лепидо-гранобластовая, легкая перекристаллизация, обособления Qtz-Pl состава	Мусковит-биотитовый гнейс
SG-41154-2	11324.0 11336.0	Bt -42.3; Ky-8.4; Pl46.9; Qtz-0.7; Ilm-1.45; Ep-0.25;	с/з, лепидогранобластовая	Кианит-биотитовый гнейс глиноземистый
SG-42003н	1148 ~ 7.05	Bt -14.0; Ky-5.3; Pl65.4; 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	1148 ~ 7.05	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
Сланцы
SG-23542н полир.	7331.4 7340.8	Bt -41.6; Ms-8.5; Pl42.9; 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

МИСиС

Продолжение табл. 1

SG-23696а	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 перекрис-таллизация с образованием Qtz-Pl агрегатов	Сланец двуслюдяной, c гранатом
SG-30025н	~ 8107.1	Ep-12.4; Bt-23.9; Pl47.3; Qtz-12.6; Or-3.5; Ttn-0.3	неравномернозернистая, лепидо-гранобластовая, порфировидная, перекристаллизация, обособления Or-Qtz- Pl состава	Ep-Bt сланец
SG-34016н.	~ 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	10666.8 10679.0	Ep-8.6; Bt-28.3; Pl44.2; Qtz-12.2; Chl-1.2; Ilm-2.2; Ttn-3.3; ед. з-на Ap и Zrn	неравномернозернистая, лепидо-гранобластовая, легкакя перекристаллизация, обособления Qtz-Pl состава	Эпидот-биотитовый сланец
Амфиболиты
SG-23467 полир.	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-26158а, н.	~ 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-26977н полир.	7994.4 8000.3	Hbl-46.8; Bt -11.1; Pl22.1; Qtz-0.2; Or-2.4; Ep-15.1; Ttn-2.3	с/з, нематогранобластовая, сильное рассланцевание	Амфиболит полевошпатовый
SG-28186н	8213.9 8222.0	Act-30.0; Bt-5.2; Pl42.8; 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-31093н	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	~ 10253.7	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-40903н	11253.7 11263.0	Hbl-66.9; Pl-22.1; Qtz-7; Ep-0.35; Ilm-3.6; Ap-0.05	с/з, нематогранобластовая, легкое рассланцевание	Амфиболит полевошпатовый
Мусковит-плагиоклазовая порода
SG-33386н	9016.2 9022.9	Pl-78.3; Ms-6.4; Ep- 15.1; Ttn-0.2	с/з, аллотриоморфнозернистая	Мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода
SG-37208н	10002.6 10005.4	Qtz-22.4; Pl-75.2; Ms-2.15; Ep-0.03; Ilm-0.2; Chl-0.02	с/з, аллотриоморфнозернистая	Мусковит-кварц-плагиоклазовая порода
SG-43384-3	10996.5 10997.2	Pl-60.3; Qtz-33.2; Ms-4.4; Ep-2.1	с/з, аллотриоморфнозернистая	Кварц-плагиоклазовая порода, перекристаллизованная, с мусковитом

Примечание. Обозначение минералов дано по Kretz R [13].