Некоторые петрофизические свойства преобладающих 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 [7].

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

Fig. 1. Location of the Kola superdeep borehole (SG-3)

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 под углом 300—310° и падающими на ЮЗ под углом 30—50°. Геологический разрез скважины СГ-3 опережающим стволом достиг отметки 12262 м [8].

Скважина вскрыла два комплекса пород: протерозойский (0—6842 м) и архейский (6842—12262 м). Протерозойский комплекс сложен вулканогенными и осадочными породами в соотношении 3:1 [8]. Архейский комплекс представлен I толщей (6842— 7622 м) гнейсов с высокоглиноземистыми минералами (ВГМ), II толщей (7622—9456 м) гнейсов с высоко- кальциевыми минералами (ВКМ), амфиболитов и теневых мигматитов, III толщей (9456—9573 м) гнейсов с ВГМ, IVтолщей (9573—10144 м) гнейсов с ВКМ, амфиболитов и теневых мигматитов, V толщей (10144— 10273 м) гнейсов с ВГМ, VI толщей (10273—10448 м) гнейсов с ВКМ, амфиболитов и теневых мигматитов, VII толщей (10448—10601 м) гнейсов с ВГМ, VIII толщей (10601—11411 м) амфиболовых гнейсов, амфиболитов и теневых мигматитов, IX толщей (11411— 11708 м) гнейсов с ВГМ, X толщей (11708—12262 м) биотит-плагиоклазовых гнейсов с ВКМ и вкрапленностью магнетита [8].

Как следует из вышеприведенных данных, архейская часть разреза СГ-3 образована очень широким спектром пород разной степени переработки, ме-таморфизованности, со своими структурными и текстурными особенностями. Поэтому представляется особенно интересным выявить средние величины и вариации значений плотности, скоростей распространения продольных и поперечных волн, которые необходимо учитывать при интерпретации сейсмических зондирований. По полученным характеристикам могут быть также определены модули упругости и коэффициенты Пуассона, которые используются при расчетах напряженного состояния глубинных пород.

Однако изучение петрофизических свойств пород архейской части разреза показало, что при извлечении керна из больших глубин в породе происходят необратимые изменения, связанные с механизмом внутреннего разуплотнения [5]. 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. Для определения петрофизических характеристик, близких к имеющимся на месте залегания, из диапазона глубин 7263—11487 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 акустополярископа [3, 4]. 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 на- 32

блюдений на экране ультразвукового прибора фиксировали амплитуду огибающей импульса проходящих колебаний [3]. Измерения проводили в два этапа: сначала при параллельных (ВП), затем при скрещенных на 90° (ВС) векторах поляризации — и выполняли на всех трех парах граней кубического образца (рис. 2).

По акустополяриграммам ВП определяется наличие и степень проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП) [3]. Эффект ЛААП выявляется при уплощении диаграмм, 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 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 [3]:

D = A RE - A RR A RE + A RR

Рис. 2. Схема кубического образца и маркировка его осей

Fig. 2. Diagram of a cubic sample and marking of its axes

Акустополяриграммы, полученные в положении ВС, позволяют определить число и направленность проекций элементов упругой симметрии анизотропного образца [3]. 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 форме квазиматрицы [3]:

V 11 V 12 V 13

V i j = V 21 V 22 V 23 , ⁽²⁾ V 31 V 32 V 33

где V11, V22, V33 — скорости распространения продольных колебаний, измеренные в направлениях 1-1', 2-2', 3-3'; V12, V13 — скорости распространения поперечных колебаний, измеренные в направлении 1-1' при ориентировке векторов поляризации (ОВП) в направле- нии 2-2', 3-3'; V21, V,3 — скорости в направлении 2-2' при ориентировке ОВП излучателя поперечных колебаний (ВП) в направлении 1-1', 3-3'; VS1, V32 — скорость в направлении 3-3' при ОВП в направлении 1-1', 2-2' соответственно.

По данным квазиматрицы рассчитывали средние величины скорости продольной волны для образца: V PR = ( V 11 + V 22 + V ; ₃)/3. Средние величины скорости поперечной волны определены как V _SR = ( V _l2 + V ₁₃ + V 21 + V >3 + V и + V !2 )/6.

Как было отмечено выше, петрофизические свойства пород, находящихся на глубинах 7—12 км, отличны от свойств образцов, извлеченных на земную поверхность. В извлеченных образцах за счет разницы в коэффициентах расширения у разных минералов происходит образование разгрузочных микротрещин [3, 14]. В ряде работ показано, что значение р, V _Р, V _s пород на больших глубинах близки к тем, которые определены по их минеральному составу [1, 2, 12, 17]. Поэтому нами выполнен расчет величин плотности и скорости распространения продольных и поперечных волн по минеральному составу породы. В качестве исходных учитывались минеральный состав породы (табл. 1) и значения параметров отдельных минералов, слагающих породу [1, 15]. Расчеты средних значений плотности (р_с) и скорости распространения продольных ( V_PC) и поперечных ( V _SC) волн выполнены по формуле [8]:

ln V k = ^^ ,

^ Pi где Vk — средняя расчетная плотность (скорость) в породе, Vi — средняя плотность (скорость) в каждом минерале, Pi — 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 V52(3 Vp2/ Vs2-4)]/( Vp2/ Vs2- 1), G = Р Vs2, v = (Vp2/Vs2- 2)/(2Vp2/Vs2- 2).

Обсуждение результатов

Фотографии шлифов преобладающих 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 (%): плагиоклаз (47—65), биотит (11—42), кварц (0.7— 24), гранат ~ 12 и кианит ~ 8. Присутствуют и акцессорные минералы — ильменит, эпидот, циркон, апатит, силлиманит. Сланцы характеризуются среднезернистой лепидогранобластовой структурой. Они содержат (%) 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,

Рис. 3. Фотографии шлифов преобладающих пород архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Гнейсы: а) SG-23881a, b) SG-41154-2, c) SG-42148-2. Сланцы: d) SG-23542h, e) SG-30025h, f) SG-39164. Амфиболиты: g) SG-23467, h) SG-28186h, i) SG-40903h.

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

Fig. 3. Photos of the thin sections of the predominant rocks from the Kola superdeep borehole (SG-3) Archaean section. Gneisses: a) SG-23881a, b) SG-41154-2, c) SG-42148-2. Schists: d) SG-23542n, e) SG-30025n, f) SG-39164. Amphibolites: g) SG-23467, h) SG-28186n, i) SG-40903n. Muscovite-epidote-plagioclase rock: j) SG-43384-3

рудные минералы. Текстура амфиболитов в основном среднезернистая, массивная (SG-40903h) и сланцеватая (SG-28186), структуры — нематогранобластовая, нематобластовая. Основными породообразующими минералами амфиболитов являются (%): амфибол (30—83), плагиоклаз (4—32), кварц ~11. В качестве акцессорных минералов представлены апатит, эпидот, ильменит, биотит, хлорит, циркон, рудные минералы.

Петрофизические свойства образцов приведены в табл. 2. В ней представлены: эксперименталь- 33

Таблица 1. Минеральный состав и структура пород образцов из архейской части разреза СГ-3 Table 1. Mineral composition and rock texture of the samples from the SG-3 Archaean section

Номер образца Sample No	Глубина, м Depth, m	Минеральный состав, % Mineral composition, %	Структура / Texture	Определение породы Rocks
Гнейсы / Gneisses
SG-23881a полир.	7382.1— 7396.1	Bt — 13.3; Grt — 6.5; Pl — 54.9; Qtz — 23.7; Ilm — 1.5; Ep — 0.05; Zrn — 0.05	с/з, лепидогранобластовая, порфировидная lepidogranoblastic, porphyry-like	гранат-биотитовый гнейс garnet-biotite gneiss
SG-38631H	10502.0— 10518.6	Bt — 34.6; Ms — 5.5; Pl — 47.3; Qtz — 10.4; Ilm — 2.2; ед. з-на Ap и Zrn	неравномерно-зернистая, лепидогранобластовая, слабая перекристаллизация, обособления Qtz-Pl состава irregular-grained, lepidogranoblastic, weak recrystallization, Qtz-Pl aggregates	мусковит-биотитовый гнейс muscovite-biotite gneiss
SG-41154-2	11324.0— 11336.0	Bt — 42.3; Ky — 8.4; Pl — 46.9; Qtz — 0.7; Ilm — 1.45; Ep — 0.25	с/з, лепидогранобластовая lepidogranoblastic	кианит-биотитовый гнейс глиноземистый kyanite-biotite aluminous gneiss
SG-42003H	~ 11487.05	Bt — 14.0; Ky — 5.3; Pl — 65.4; Qtz — 4.1; Ilm — 5.4; Ep — 4.25; Sil — 1.5; Ap — 0.05	с/з, лепидогранобластовая lepidogranoblastic	кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом kyanite-biotite aluminous gneiss with syllimanite
SG-42148-2	~ 11487.05	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 lepidogranoblastic, porphyry-like	гранат-кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом kyanite-biotite aluminous gneiss with syllimanite
Сланцы / Shales
SG-23542h полир.	7331.4— 7340.8	Bt — 41.6; Ms — 8.5; Pl — 42.9; 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 lepidogranoblastic, foliation, layered recrystaliization with Bt aggregates	сланец двуслюдяной bimica shales
SG-23696a	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 перекристаллизация с образованием Qtz-Pl-агрегатов lepidogranoblastic, foliation, layered recrystaliization with Qtz-Pl aggregates	сланец двуслюдяной, c гранатом bimica shales with garnet
SG-30025H	~ 8107.1	Ep — 12.4; Bt — 23.9; Pl — 47.3; Qtz — 12.6; Or — 3.5; Ttn — 0.3	неравномерно-зернистая, лепидогранобластовая, порфировидная перекристаллизация, обособления Or-Qtz-Pl-состава irregular-grained lepidogranoblastic, foliation, layered recrystaliization with Or-Qtz-Pl aggregates	эпидот-биотитовый сланец epidote-biotite shales
SG-34016h.	~ 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 lepidogranoblastic, recrystaliization with Qtz-Pl aggregates	эпидот-биотитовый сланец, с мусковитом epidote-biotite shales with muscovite
SG-39164	10666.8— 10679.0	Ep — 8.6; Bt — 28.3; Pl — 44.2; Qtz — 12.2; Chl — 1.2; Ilm — 2.2; Ttn — 3.3; ед. з — на Ap и Zrn	неравномерно-зернистая, лепидогранобластовая, легкая перекристаллизация, обособления Qtz-Pl-состава irregular-grained lepidogranoblastic, foliation, layered recrystaliization with Qtz-Pl aggregates	эпидот-биотитовый сланец epidote-biotite shales

Продолжение таблицы 1 / Table 1 continued

Амфиболиты / Amphibolites
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 габбро-офитовой, линзовидные обособления Hb-Qz-Cb-состава nematogranoblastic, gabbroophytic relics, lens-like aggregates of Hb-Qz-Cb composition	Амфиболит полевошпатовый Feldspar amphibolite
SG-26158a, H.	~ 7695.25	Hbl — 83.3; Pl — 4.1; Bt — 3.6; Ilm — 4.2; Srp — 4.4; Ep — 0.4	м/з, гранобластовая, реликты панидиоморфно -зернистой структуры granoblastic, panidiomorphograined relics	Амфиболит анхимономинеральный (метапироксенит) Anchymonomineral amphibolites (metapyroxenite)
SG-26977h полир.	7994.4— 8000.3	Hbl — 46.8; Bt — 11.1; Pl — 22.1; Qtz — 0.2; Or — 2.4; Ep — 15.1; Ttn — 2.3	с/з, нематогранобластовая, интенсивное рассланцевание nematogranoblastic, foliation	Амфиболит полевошпатовый Feldspar amphibolite
SG-28186h	8213.9— 8222.0	Act — 30.0; Bt — 5.2; Pl — 42.8; Qtz — 4.4; Or — 3.0; Ep — 14.3; Ttn — 0.3	с/з, нематогранобластовая, интенсивное рассланцевание, перекристаллизация, обособления Or-Qtz-Pl-состава nematogranoblastic, foliation, recrystallization, Or-Qtz-Pl aggregates	Амфиболит полевошпатовый Feldspar amphibolite
SG-31093h	8701.2— 8715.7	Hbl — 61.7; Bt — 0.2; Pl — 32.9; Ilm — 5.2	с/з, нематогранобластовая, интенсивное рассланцевание, перекристаллизация, обособления, с образованием к-з-агрегатов Hbl и линзовидных агрегатов зерен Ilm nematogranoblastic, foliation, recrystallization, Hbl and lens-like Ilm aggregates	Амфиболит полевошпатовый Feldspar amphibolite
SG-37263	~ 10253.7	Hbl — 62.1; 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, слабое рассланцевание nematogranoblastic, weak foliation	Амфиболит полевошпатовый Feldspar amphibolite
SG-40903H	11253.7— 11263.0	Hbl — 66.9; Pl — 22.1; Qtz — 7; Ep — 0.35; Ilm — 3.6; Ap — 0.05	с/з, нематогранобластовая, слабое рассланцевание nematogranoblastic, weak foliation	Амфиболит полевошпатовый Feldspar amphibolite
Мусковит-плагиоклазовая порода / Muscovite-plagioclase
SG-33386h	9016.2— 9022.9	Pl — 78.3; Ms — 6.4; Ep — 15.1; Ttn — 0.2	с/з, аллотриоморфно-зернистая allotriomorphograined	Мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода Muscovite-epidote-plagioclase
SG-37208h	10002.6— 10005.4	Qtz — 22.4; Pl — 75.2; Ms — 2.15; Ep — 0.03; Ilm — 0.2; Chl — 0.02	с/з, аллотриоморфно-зернистая allotriomorphograined	Мусковит-кварц-плагиоклазовая порода Muscovite-epidote-plagioclase
SG-43384-3	10996.5— 10997.2	Pl — 60.3; Qtz — 33.2; Ms — 4.4; Ep — 2.1	с/з, аллотриоморфно-зернистая allotriomorphograined	Кварц-плагиокла-зовая порода, перекристаллизованная, с мусковитом Quartz-plagioclase, recrystallized with muscovite

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

Note. Minerals are described according to Kretz R. [13].

Таблица 2. Петрофизические свойства образцов (экспериментальные и расчетные данные) из архейской части разреза СГ-3

Table 2. Petrophysical properties of the samples (experimental and calculated data) from the SG-3 Archaean section

Номер образца Sample No	Наименование породы Name of rocks	p R , г/см3	Р с , г/см3	Матрица скорости V j , км/с Velocity matrix, km/ sec	V PR, км/с	V PC, км/с	V SR, км/с	V SC, км/с	ЛААП: D 1 , D 2 , D 3
Гнейсы Gneisses
SG-23881a полир.	гранат-биотитовый гнейс garnet-biotite gneiss	2.68	2.82	5.87 2.47 3.11 2.54 5.62 2.80 1.97 1.94 4.24	5.24	6.33	2.47	3.64	0.53 0.70 0.0
SG-38631H.	мусковит-биотитовый гнейс muscovite-biotite gneiss	2.50	2.81	3.36 2.42 2.19 2.59 3.28 2.53 --‘ --‘ 3.06	3.23	6.15	2.43	3.35	0.29 0.01 0.20
SG-41154-2	кианит-биотитовый гнейс глиноземистый kyanite-biotite aluminous gneiss	2.97	2.92	3.87 2.36 2.19 --‘ --‘ --‘ --‘ --‘ --‘	3.87	6.39	2.28	3.38	0.28 0.45 0.58
SG-42003h.	кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом kyanite-biotite aluminous gneiss with sylimanite	2.63	2.89	2.57 1.93 2.16 1.96 1.33 1.91 --‘ --‘ --‘	1.95	6.44	1.99	3.55	0.62 0.77 0.02
SG-42148-2	гранат-кианит-биотитовый гнейс глиноземистый, с силлиманитом garnet-kyanite-biotite aluminous gneiss with sylimanite	2.85	2.97	2.41 1.70 1.48 1.43 2.95 1.56 --‘ --‘ --‘	2.68	6.63	1.54	3.70	0.51 0.29 0.06
Среднее / Average		2.73± 0.17	2.88± 0.06		3.39± 1.11	6.38± 0.16	2.14± 0.34	3.52± 0.14	0.35± 0.26
Сланцы / Shales
SG-23542h. полир.	сланец двуслюдяной bimica shales	2.89	2.85	1.40 1.83 1.73 1.40 2.46 2.44 4.64 --‘ 5.41	3.09	6.39	2.41	3.29	0.72 0.88 0.54
SG-23696a	сланец двуслюдяной, cгранатом bimica shales with garnet	2.67	2.76	4.76 2.30 2.90 2.53 4.15 2.09 2.60 2.65 5.89	4.93	6.44	2.50	3.51	0.25 0.65 0.34
SG-30025H.	эпидот-биотитовый сланец epidote-biotite shales	2.53	2.83	4.72 2.33 2.02 2.06 2.65 1.76 1.68 1.67 1.91	3.09	6.63	1.92	3.50	0.18 0.58 0.58
SG-34016h.	эпидот-биотитовый сланец, с мусковитом epidote-biotite shales with muscovite	2.59	2.73	5.51 3.05 2.51 2.50 4.29 2.21 1.94 2.01 4.29	4.70	6.25	2.37	3.53	0.43 0.66 0.69
SG-39164	эпидот-биотитовый сланец epidote-biotite shales	2.78	2.93	4.81 2.57 2.31 2.00 3.14 1.98 1.48 1.36 --‘	3.98	6.31	1.95	3.48	0.40 0.75 0.75
Среднее / Average		2.69± 0.13	2.82± 0.07		3.96± 0.77	6.40± 0.13	2.23± 0.24	3.46± 0.09	0.56± 0.20
Амфиболиты / Amphibolites
SG-23467 полир.	амфиболит полевошпатовый feldspar amphibolite	2.80	3.06	6.81 4.12 3.91 3.77 6.56 3.78 3.65 3.10 6.44	6.60	6.77	3.72	3.81	0.05 0.03 0.13
SG-26158a, H.	амфиболит анхимономинеральный (метапироксенит) metapyroxenite	3.08	3.18	5.80 3.76 2.68 2.50 3.26 2.24 2.05 2.39 3.97	4.34	7.04	2.56	3.89	0.29 0.48 0.39
SG-26977 h. полир.	амфиболит полевошпатовый feldspar amphibolite	2.96	3.09	5.77 2.58 2.61 2.79 3.75 2.36 1.84 1.68 2.34	3.95	6.85	2.31	3.77	0.02 0.0 0.07
SG-28186 h.	амфиболит полевошпатовый feldspar amphibolite	2.87	2.87	2.57 2.40 2.25 2.44 4.55 2.62 1.71 2.38 3.26	3.46	6.59	2.30	3.65	0.08 0.29 0.59
SG-31093H.	амфиболит полевошпатовый feldspar amphibolite	2.93	3.07	5.96 2.21 2.53 2.28 4.83 2.68 2.58 2.62 6.20	5.66	6.87	2.48	3.82	0.55 0.16 0.0

Продолжение таблицы 2 / Table 2 continued

SG-37263 амфиболит полевошпатовый feldspar amphibolite 2.93 3.02 5.22 2.69 2.58 2.91 7.18 4.14 2.42 2.66 5.47 5.96 6.84 2.90 3.89 0.09 0.07 0.14 SG-40903H. амфиболит полевошпатовый feldspar amphibolite 2.97 3.06 3.55 2.77 2.71 1.87 3.00 1.89 1.65 1.69 2.33 2.96 6.89 2.10 3.88 0.07 0.08 0.05 Среднее / Average 2.93± 0.08 3.05± 0.09 4.70± 1.27 6.84± 0.13 2.62± 0.50 3.82± 0.08 0.17± 0.18 Мусковит-плагиоклазовая порода Muscovite-plagioclase rocks SG-33386h. мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода muscovite-plagioclase rocks 2.57 2.74 4.17 2.52 2.47 2.16 3.64 1.85 2.02 2.00 2.66 3.49 6.43 2.17 3.56 0.07 0.30 0.07 SG-37208h. мусковит-кварц-плагиоклазовая порода muscovite-plagioclase rocks 2.61 2.65 3.78 2.28 2.00 2.48 4.22 2.57 2.87 2.30 4.44 4.14 6.23 2.42 3.59 0.11 0.11 0.04 SG-43384-3 кварц-плагиоклазовая порода, перекристаллизованная, с мусковитом quartz-plagioclase rocks recrystallized with muscovite 2.74 2.65 6.11 2.87 3.55 3.54 6.18 3.62 3.36 3.38 6.04 6.11 6.21 3.39 3.67 0.06 0.03 0.17 Среднее / Average 2.64± 0.08 2.68± 0.52 4.58± 1.11 6.29± 0.10 2.66± 0.52 3.61± 0.04 0.11± 0.08 но измеренная плотность (pR) и рассчитанная по минеральному составу (рс); матрица скорости Vj, средние скорости распространения экспериментально определенных продольных (PpR) и поперечных (VSr), волн. В таблице также приведены рассчитанные скорости продольных (РрС) и поперечных (VSc) волн и показатели ЛААП D. В отдельной таблице 3 представлены динамические модули упругости и коэффициенты Пуассона пород.

Сравнение петрофизических свойств образцов преобладающих пород из разреза архейской части СГ-3 (табл. 2) показывает, что плотность, полученная в лабораторных условиях ( P r ), несколько меньше, чем рассчитанная по минеральному составу (р с ), как для гнейсов, так для сланцев и амфиболитов. Это объясняется трещинной пористостью, образовавшейся в результате разгрузки от литостатических напряжений глубинных образцов [5,14]. В этих работах показано, что освобождение глубинных пород от геостатиче-ского давления (при выбуривании и извлечении керна на поверхность) приводит к разуплотнению, разрушению внутренних прочностных связей минерального скелета. Основной механизм этого явления состоит в том, что при освобождении внешней нагрузки в породе происходит расширение каждого минерального зерна в соответствии с его константами упругости. Деформации, возникающие в каждом анизотропном минеральном зерне, приводят к разрыву первоначально прочных межзеренных контактов. В целом освобождение кристаллической горной породы от действующих в массиве сжимающих напряжений связано с разуплотнением, обусловленным анизотропией механических свойств минеральных зерен. Это разуплотнение сопровождается снижением плотности, скорости распространения упругих колебаний, возрастанием пористости и проницаемости образцов пород.

Предварительный анализ упругих свойств образцов можно выполнить по очертаниям акустополяри-грамм (рис. 4). Заметим, что диаграммы ВС большей части образцов имеют форму четырехлепестковых фигур, что свидетельствует о наличии в них упругой анизотропии. Минимумы диаграмм ВС дают возможность определить пространственное положение элементов симметрии [3].

Акустополяриграммы образцов гнейсов: SG-23881a, SG-41154-2, SG-42148-2 — характеризуются четко выраженным проявлением эффекта ЛААП по всем граням с высокими показателями ЛААП. Для образца SG-23881a показатель D 1 = 0.53, D 2 = 0.7. Для образцов SG-41154-2 SG-42148-2 показатели D находятся в пределах 0.28—0.58. Фотографии шлифов (рис. 3) показывают, что зерна минералов этих образцов имеют удлиненную форму, что объясняет наличие эффекта ЛААП. На фотографии шлифа SG-42148-2 имеется крупное включение, что, вероятно, повлияло на изломанную форму диаграммы ВП, полученной на 3-й грани. Следует отметить, что шлиф этого образца сделан только в одном сечении и не отражает объемную текстуру породы.

Акустополяриграммы ВП образцов сланцев (SG-23542н, SG-30025h, SG-39164) показали еще более значимое влияние линейной акустической анизотропии поглощения. Это подтверждается очень высокими показателями ЛААП. Для образца SG-23542H показатели D 1 , D 2 , D 3 соответственно равны 0.72, 0.88, 0.54. Для образца SG-39164 эти показатели равны 0.40, 0.75, 0.75. Соответственно, на фото шлифов сланцев отмечается более строгая ориентировка вытянутых в одном направлении зерен, чем в гнейсах. Следует отметить, что эффект ЛААП в большой степени отражает контраст акустических свойств на контактах, ориентированных в одном направлении соседних зерен минералов и микротрещин, развитых на этих контактах.

Акустополяриграммы ВП первых двух граней (1-1’, 2-2’) образца амфиболита SG-23467 указывают на наличие умеренной анизотропии, практически без влияния ЛААП (рис. 4). Это же отражено в показателях D. На всех трех гранях наблюдаются минимумы диаграмм ВС. Из обзора фотографии шлифа прослеживается директивная ориентировка зерен минералов. Анализ аку- 37

Рис. 4. Акустополяриграммы преобладающих пород архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Гнейсы: а) SG-23881a, b) SG-41154-2, c) SG-42148-2. Сланцы: d) SG-23542h, e) SG-30025h, f) SG-39164.

Амфиболиты: g) SG-23467, h) SG-28186h, i) SG-40903h. Мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода: j) SG-43384-3. Синяя линия — векторы параллельны; красная — скрещены

Fig. 4. Acoustopolarigrams of the predominant rocks of the Kola superdeep borehole (SG-3) Archaean section.

Gneisses: a) SG-23881a, b) SG-41154-2, c) SG-42148-2. Schists: d) SG-23542n, e) SG-30025n, f) SG-39164.

Amphibolites: g) SG-23467, h) SG-28186n, i) SG-40903n. Muscovite-epidote-plagioclase rocks: j) SG-43384-3. Blue line — parallel vectors, red line — crossed vectors стополяриграмм образца амфиболита SG-28186h указывает на наличие эффекта ЛААП практически на всех гранях. Для образца SG-28186h величины D 1 = 0.08, D2 = 0.29, D3 = 0.59 довольно значительны. На фото шлифов образца SG-28186h хорошо видна достаточно четкая ориентировка зерен минералов.

Диаграммы ВП на всех трех гранях образца SG-43384-3 (кварц-плагиоклазовая порода) близки к круговым, без влияния эффекта ЛААП ( D 1 = 0.06, D ₂ = 0.03, D ₃ = 0.17). Диаграммы ВС первой и второй граней образца демонстрируют малое наличие анизотропии. Таким образом, данный образец можно условно отнести к упругоизотропным. Это объясняется низким содержанием сугубо анизотропного минерала мусковита (4.4 %, табл. 1) и большим содержанием кварца, упругая анизотропия которого мала [1]. Кроме этого, на фотографии шлифа породы (рис. 3) видимой ориентировки зерен не наблюдается.

Сравнение средних значений ЛААП для породы в целом показывает, что этот показатель численно отражает степень рассланцевания породы. Например, для сланцев, ориентированная структура которых в шлифах наиболее выражена, D _сл = 0.56 ± 0.20. Для гнейсов она составляет D _гн = 0.35 ± 0.26. В амфиболитах, в которых содержится наименьшее количество слюд, D _гн = 0.17 ± 0.18.

При экспериментальных определениях скоростей, замеренных в образцах в лабораторных условиях, полная квазиматрица V ij получена не для всех образцов. Из-за сильного затухания ультразвуковых волн в некоторых образцах величины скорости полу- 38

чены в двух или одном направлении. Неполные матрицы скорости получены на образцах SG-23542H, SG-38631H, SG-39164, SG-41154-2, SG-42003h и SG-42148-2. Причем измеренные скорости имеют необычно низкую величину, нехарактерную для крепких скальных пород [9, 10]. Вариации изменения средних значений скорости распространения для продольных колебаний гнейсов расходятся в широком диапазоне V _PR = (1.95—5.24) км/с. Такой же разброс наблюдается для скорости распространения поперечных волн: V _SR = (1.54—2.47) км/с. Среднее значение экспериментально замеренных продольных скоростей гнейсов составило 3.39 ± 1.11 км/с, поперечных — 2.14 ± 0.34 км/с. Широкие пределы разброса экспериментальных скоростей наблюдаются у сланцев и у амфиболитов. Такие низкие значения средних продольных и поперечных скоростей и их большой разброс не являются реальными для гнейсов, сланцев, амфиболитов и других пород, слагающих разрез СГ-3. Снижение величин скорости, как продольных, так и поперечных, происходит за счет трещинной пористости, образовавшейся в результате разгрузки от литостатических напряжений глубинных образцов [5, 14]. Даже микронные трещины представляют существенное препятствие для распространения ультразвуковых волн в твердом теле [3].

Значения скоростных характеристик, близкие к условиям глубинного залегания породы, получены с учетом их минерального состава по формуле (3) (табл. 2). По данным расчетов, средние значения характеристик продольных и поперечных волн, рас- считанных по минеральному составу, у гнейсов изменяются в пределах Vpc = 6.15—6.63 км/с и V5с = = 3.36—3.70 км/с соответственно. Средняя величина продольной скорости составила (6.38 ± 0.16) км/с, поперечной — (3.52 ± 0.14) км/с. Для сланцев вариации скоростных характеристик составляют Vpc = = 6.25—6.63 км/с и VSC = 3.29—3.53 км/с. Средняя продольной скорости составила (6.40 ± 0.13) км/с, поперечной — (3.46 ± 0.09) км/с. Интервал изменения средних значений характеристик продольных и поперечных волн для амфиболитов составил Vpc = = (6.59—7.04) км/с и VSc = (3.65—3.89) км/с. Их среднее — (6.84 ± 0.13) км/с и (3.82 ± 0.08) км/с соответственно. Согласно полученным средним, наибольшие скорости отмечаются у амфиболитов, промежуточные — у гнейсов, меньшие — у сланцев. Поскольку расчет величин скорости производился по минеральному составу породы, эти средние отражают влияние более высокоскоростного амфибола у амфиболитов и низкоскоростных слюд у сланцев.

Эти данные следует сравнить с результатами исследований методами акустического каротажа (АК) и вертикального сейсмического профилирования (ВСП), полученными в архейской части разреза СГ-3. Методы АК и ВСП определяют параметры пород, расположенных наиболее близко к самой скважине. Согласно работам [7, 8, 10, 11, 13], вариации продольной скорости, измеренные методом АК, составляют 5.7—7.4 км/с. Причем нижний предел величины объясняется высокой степенью деформированности пород, повышенной трещиноватостью, вывалообразо-ванием. В том же интервале методом ВСП определены скорости 6.1—6.2 км/с. Как следует из сопоставления, наши данные находятся в пределах данных, полученных методом АК. Понижение средних величин скорости продольных волн, зарегистрированных ВСП, по-видимому, объясняется водонасыщенностью пород, обнаруженной в архейской части разреза СГ-3 [7, 8].

Средние значения модулей упругости ( Е) и сдвига ( G), коэффициентов Пуассона (v) для глубинных ус-

Таблица 3. Модули упругости и коэффициенты Пуассона образцов из архейской части разреза СГ-3 Table 3. The elastic moduli and Poisson's ratios of the samples from the SG-3 Archaean section

Номер образца Sample No Наименование породы / Name of rocks Глубинные условия / Abyssal conditions Е-10"4, МПа| G-10"4, МПа ν Гнейсы 1 Gneisses SG-23881 а полир. гранат-биотитовый гнейс / garnet-biotite gneiss 9.35 3.73 0.252 SG-38631 н. мусковит-биотитовый гнейс / muscovite-biotite gneiss 8.14 3.16 0.288 SG-41154-2 кианит-биотитовый гнейс глиноземистый kyanite-biotite aluminous gneiss 8.73 3.34 0.306 SG-42003 h. кианит-биотитовый гнейс глиноземистый с силлиманитом kyanite-biotite aluminous gneiss with syllimanite 9.34 3.64 0.282 SG-42148-2 гранат-кианит-биотитовый гнейс глиноземистый с силлиманитом garnet-kyanite-biotite aluminous gneiss with syllimanite 10.36 4.07 0.273 Среднее / average 9.18±0.74 3.6±0.32 0.290±0.020 Сланцы / Shales SG-23542 н. полир. сланец двуслюдяной / bimica shales 8.02 3.09 0.300 SG-23696 а сланец двуслюдяной c гранатом / bimica shales with garnet 8.60 3.40 0.265 SG-30025 h. эпидот-биотитовый сланец / epidote-biotite shales 8.85 3.46 0.278 SG-34016 h. эпидот-биотитовый сланец с мусковитом epidote-biotite shales with muscovite 8.62 3.41 0.265 SG-39164 эпидот-биотитовый сланец / epidote-biotite shales 9.11 3.56 0.281 Среднее / average 8.65±0.37 3.39±0.16 0.280±0.020 Амфиболиты 1 Amphibolites SG-23467 полир. амфиболит полевошпатовый / feldspar amphibolite 11.27 4.44 0.268 SG-26158 а, н. амфиболит анхимономинеральный (метапироксенит) metapyroxenite 12.32 4.81 0.280 SG-26977 н. полир. амфиболит полевошпатовый / feldspar amphibolite 11.24 4.38 0.284 SG-28186 h. амфиболит полевошпатовый / feldspar amphibolite 9.78 3.82 0.279 SG-31093 h. амфиболит полевошпатовый / feldspar amphibolite 11.41 4.47 0.277 SG-37263 амфиболит полевошпатовый / feldspar amphibolite 11.53 4.57 0.261 SG-40903 h. амфиболит полевошпатовый / feldspar amphibolite 11.72 4.62 0.267 Среднее / average 11.33+0.72 4.45±0.29 0.280±0.017 Мусковит-плагиоклазовая порода / muscovite-plagioclase rocks SG-33386 h. мусковит-эпидот-плагиоклазовая порода muscovite-plagioclase rocks 8.86 3.46 0.279 SG-37208 h. мусковит-кварц-плагиоклазовая порода muscovite-plagioclase rocks 8.55 3.42 0.252 SG-43384-3 кварц-плагиоклазовая порода перекристаллизованная с мусковитом quartz-plagioclase rocks recrystallized with muscovite 8.80 3.57 0.232 Среднее / average 8.73±1.34 3.48±0.63 0.254±0.019 ловий приведены в табл. 3. Значения технических постоянных, рассчитанных по минеральному составу, модуля Юнга (E), модуля сдвига (G) и коэффициент Пуассона (v) составляют: для гнейсов (9.18 ± 0.74) 104 МПа, (3.60 ± 0.32)-104 МПа, 0.290 ± 0.020; для сланцев (8.65 ± 0.37)-104 МПа, (3.39 ± 0.16)-104 МПа, v = 0.280 ± 0.020; для амфиболитов (11.33 ± 0.72)-104 МПа, (4.45 ± 0.29)-104 МПа, v = 0.280 ± 0.017. Соотношения величин модулей у разных пород проявляют те же тенденции, что и средние скорости, величины которых меньше у сланцев, средние у гнейсов, большие у амфиболитов. Средние значения плотности, модулей упругости и сдвига, коэффициентов Пуассона для поверхностных и глубинных условий как производные от величин плотности и скоростей отражают поведение последних. Эти параметры могут быть использованы при оценке напряженного состояния массивов на больших глубинах.

Заключение

Изучены петрофизические свойства гнейсов, сланцев, амфиболитов, которые представляют наиболее распространенные породы архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Их главными породобразующими минералами являются плагиоклаз, роговая обманка, слюды, кварц. Текстура пород в основном среднезернистая, структура нема-тогранобластовая, лепидогранобластовая. Обзор аку-стополяриграмм показал, что большинство образцов относятся к упругоанизотропным средам. Эффект линейной акустической анизотропии (ЛААП) проявляется в той или иной мере в большинстве образцов. Сравнение показателя ЛААП для разных пород выявило, что эта характеристика может численно отражать степень рассланцевания породы.

Плотность образцов из разреза архейской части СГ-3, полученная в лабораторных условиях, несколько меньше, чем рассчитанная по минеральному составу, причем она меньше у сланцев и больше у амфиболитов. На величины скорости распространения продольных и поперечных волн в образцах, извлеченных с глубин 7—12 км, значительное влияние оказывает эффект разуплотнения. Извлечение куска породы с большой глубины и освобождение от внешней нагрузки сопровождаются расширением каждого минерального зерна в соответствии с его константами упругости. Деформации, возникающие в каждом анизотропном минеральном зерне, приводят к разрыву первоначально прочных межзеренных контактов и образованию микротрещин. Из-за этого измеренные на образцах скорости имеют необычно низкую величину, нехарактерную для крепких скальных пород, которые залегают на глубине извлечения. Поэтому более реальными являются скоростные характеристики пород, рассчитанные по их минеральному составу. По данным расчетов, наибольшие скорости отмечаются у амфиболитов, почти равные у гнейсов и сланцев. Средние значения скорости продольных волн у гнейсов, рассчитанные по минеральному составу — (6.38 ± 0.16) км/с, поперечных — (3.52 ± 0.14) км/с. Для сланцев средняя продольной скорости равна (6.40 ± 0.13) км/с, поперечной — (3.46 ± 0.09) км/с. Средние значения скорости продольных и поперечных волн для амфи- 40

болитов равны (6.84 ± 0.13) км/с и (3.82 ± 0.08) км/с соответственно. Сравнение этих данных с результатами исследований методами акустического каротажа (АК) и вертикального сейсмического профилирования (ВСП), полученными в архейской части разреза СГ-3, показало их близкое сходство. Соотношения величин модулей сжатия и сдвига у разных пород проявляют те же тенденции, что и средние скорости, однако последние меньше у сланцев, средние у гнейсов, большие у амфиболитов.

Таким образом, экспериментальные данные, полученные на образцах, извлеченных из глубины в несколько километров, непосредственно не могут быть использованы для оценки скоростных характеристик пород. Близкие значения продольных и поперечных скоростей в породах на глубине можно получить расчетным методом, используя данные по минеральному составу. Большой объем информации о свойствах пород можно получить, применяя акустополяризацион-ный метод исследований.