Комплексные исследования глобальных и региональных геологических процессов и создание научных основ наращивания минерально-сырьевого потенциала и разработки полезных ископаемых.

Комплексные исследования глобальных и региональных геологических процессов и создание научных основ наращивания минерально-сырьевого потенциала и разработки полезных ископаемых.

В решении ряда фундаментальных задач геодинамики получены новые результаты, расширяющие представления во многих областях геологии. В Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии (ОИГГМ) установлено, что при современных тепловых потоках тепловые гравитационные течения в мантии Земли происходят при значении критерия Рэлея - 10⁶ и значении критерия Прандтля - 10²². Критерий Прандтля (Pr=v/a) является отношением ки-нетической вязкости к коэффициенту температуропроводности. Экспериментально найдена граница возникновения турбулентного режима течения в горизонтальном слое, подогреваемом снизу, и показано, что она практически не зависит от величины числа Прандтля. Критическое значение числа Рэлея равно 4·10⁵. Установлено, что конвективные течения в современной мантии Земли имеют турбулентный характер.
Показано, что в ранние периоды развития Земли, когда тепловые потоки (q) превышали современные средние в 5 и 10 раз, реология нижней мантии соответствовала реологии современных астеносферных течений в верхней мантии. Характерные времена пульсации тепловых потоков для q (современного), 5q и 10q соответственно равны 400 млн лет, 30 млн лет и 10 млн лет. Конвективные движения в ранние периоды развития Земли, характеризовавшиеся большими скоростями и неустойчивостью, способствовали образованию многочисленных, но кратковременных зон субдукции, где формировались архейские зеленокаменные пояса, многие породы которых имеют сходство с породами современных островных дуг.
Одним из проявлений континентальной коллизии является формирование комплексов метаморфических ядер кордильерского типа, установленных в Забайкалье. Геологами Института земной коры обнаружено широкое развитие процессов сдвигового течения в пологих зонах, окаймляющих гранитогнейсовые валы. При структурно- кинематическом анализе этих зон на макро- и микроуровнях и детальном изучении разнообразных тектонитов доказано, что транспортировка горных пород в мезозое происходила в юго- восточном направлении по плоскости глубинного срыва. Эти данные позволяют пересмотреть традиционные взгляды на природу гранитогнейсовых валов и предложить альтернативную геодинамическую модель тектонической экспозиции магматических и метаморфических комплексов глубоких уровней земной коры в процессе постколлизионного внутриконтинентального растяжения. Построены геолого-геофизические модели для Яблонового, Заганского, Безымянного и Цаган-Олуевского ядер.
В области стратиграфии и палеонтологии внесен значительный вклад в совершенствование Международной стратиграфической шкалы. Институтом геологии в сотрудничестве с отечественными и зарубежными специалистами дано обоснование нового эталона нижней границы эмского яруса девонской системы в стратиграфическом разрезе в Южном Тянь-Шане по ущелью Зинзильбан. Разрез определен Международной Подкомиссией по стратиграфии девона в качестве Глобального стратотипического разреза. Сущность полученного результата заключается в том, что разработана филогенетическая последовательность видов ранних полигнатид (конодонтов), которая в уникальной совокупности с ассоциациями по другим группам фауны и событийному рубежу позволяет распознавать данную границу глобально, практически как изохронную поверхность. Международная стратиграфическая комиссия ратифицировала решение Подкомиссии по девону.
В том же Институте совместно с ВНИИокеанологии и ВНИГРИ (Санкт- Петербург) для целей глобальной корреляции отложений меловой системы различных палеоклиматических зон Земли обоснована необходимость выделения самостоятельных стандартов ярусов меловой системы для субтропического тетического пояса и бореального пояса с умеренным климатом. В связи с этим крупным достижением является признание на 2-м Международном симпозиуме в Брюселле бореального стандарта берриасского яруса полного стратиграфического аналога берриаса тетического. В итоге огромная территория северного полушария, на которой развиты отложения бореального типа, получила собственный геохронологический стандарт. В качестве стратотипа предложен разрез на севере Восточной Сибири (п-ов Нордвик).
В области теории нафтидогенеза в Институте геологии впервые выполнено научное обобщение по нефтегазоносности платформенных бассейнов мира с интенсивным проявлением базитового магматизма, типа Тунгусского региона Сибирской платформы.
В рамках этой работы:

сделаны теоретические и экспериментальные расчеты региональных реконструкций температурного режима недр;
в результате физико-химического моделирования выяснено, что при контактовом метаморфизме базитовыми интрузиями залежей нефти, углеводородных газов и горючих сланцев с сапропелевой матрицей происходит образование месторождений графита. При этих же условиях гумусовые угли метаморфизуются не выше антрацитовой стадии и месторождений графита не дают;
при моделировании взаимодействия в системе "осадочные породы - вода - нефть" вычислено, что в сульфатно-доломитовой породной матрице (эвапо-риты) при контактовом метаморфизме и катагенезе будут образовываться флюидные системы, содержащие CH₄, CO₂, H₂S, меркаптановые нефти (C_nH_2n+1SH), а в твердой фазе кальцит, сера и т.д., т.е. будет увеличиваться содержание газовой составляющей, твердых компонент, особенно серы и изменяться качество нефтей;
изучение флюидных и твердых включений в солях эвапоритовых пород нефтегазоносных бассейнов в зонах воздействия интрузий траппов показало, что частично их можно рассматривать как реликты гидротермальной системы с участием углеводородной фазы эпохи внедрения траппов.

Приведенные результаты являются теоретической основой разработки методов количественного и качественного прогноза нефтегазоносности осадочных бассейнов с интенсивным трапповым магматизмом, что очень важно для развития нефтегазового комплекса, схем переработки нефти и углеводородных газов, решения технологических и экологических проблем.
Якутским институтом геологических наук на основании современных методов органической геохимии (исследование молекул-биомаркеров, изотопного состава углеводорода и т.д.) на востоке Сибирской платформы выделено шесть генетических типов нефтей и природных битумов, имеющих в своей первооснове самостоятельные источники углеводородов. Геохимические критерии, в частности, состав и распределение в нефтях и природных битумах высокомолекулярных соединений (биомаркеров), унаследовавших свои структуры от исходного органического вещества, позволяют реконструировать условия седиментации и диагенеза нефтематеринских отложений (морские, континентальные и т.п.), определять состав первичной биомассы (планктон, водоросли, высшие растения и др.) и соответственно оценивать возможные источники углеводородов и направления их миграции.
Институтом геофизики для геологических нефтегазовых объектов Западной Сибири, характеризующихся терригенными отложениями, обоснована и опробована новая методика определения пористости и характера флюидонасыщения (нефть, газ, вода). Метод основан на комплексном использовании результатов геоакустических и электромагнитных исследований. Полученные теоретически и экспериментально данные по затуханию продольных и поперечных волн позволяют оценить как пористость, так и тип поронаполняющего флюида. Корректный учет по предлагаемой методике этих данных в скважинах обеспечивает достаточную информацию как в практике нефтеразведки, так и при мониторинге процессов разработки нефтегазовых залежей.
В Бурятском геологическом институте завершено обобщение геологических, минералогических и геохимических данных по гранитоидам шести фанерозойских (от позднекембрийской до позднепермской) сиенит-гранитных серий Забайкалья и сосуществующих базитов. Установлено, что в направлении от ранних магматических серий к поздним (или от островодужной стадии к внутриконтинентальной рифтогенной) сиенитоиды, граниты и базиты обнаруживают единый тренд изменения химического состава, выраженный в увеличении содержания калия, рубидия, других редких и редкоземельных элементов. Выявленная корреляция состава гранитоидов и сосуществующих базитов указывает на непосредственное участие мантийного вещества в формировании некоторых типов сиалических магм.
В области изучения генезиса алмазов получены новые факты и разработан ряд физико-химических моделей. Институтом минералогии и петрографии совместно с Океанологическим институтом Вудсхолл (США) в результате изучения на ионном микрозонде распределения редких и рассеянных элементов в богатых хромом субкальциевых гранатах-включениях в алмазы трубки Мир впервые получены доказательства неоднородности распределения стронция и редкоземельных элементов как для различных включений граната в одном алмазе, так и в пределах отдельно взятого включения.
Эти особенности свидетельствуют о высоких скоростях роста кристаллов граната и алмаза и о неравновесных условиях роста. В свою очередь это доказывает, что время их кристаллизации относится не к 3 млрд лет тому назад, как принято считать большинством исследователей на основании определения модельного возраста таких гранатов, а относится к периоду, непосредственно предшествующему внедрению кимберлитов трубки Мир, т.е. 360 млн лет назад.
На основе разработанного в Институте геохимии им. А.П.Виноградова комплекса "Селектор" по физико-химическому моделированию природных процессов произведен расчет устойчивости газовой фазы, состоящей из углеводородов, в условиях мантии. Установлено, что молекулярный вес термодинамически равновесных углеводородов в верхней мантии увеличивается с глубиной. Метан в этих условиях неустойчив. Недосыщенные относительно твердого углерода флюиды верхней мантии с мольным соотношением H:C>2,1, поднимаясь вверх, становятся пересыщенными относительно графита и алмаза. На границе астеносфера литосфера выделяется зона выпадения алмаза из флюида с соотношением 2,1 < H:C < 4.
Сотрудниками Якутского института геологических наук открыт и научно обоснован принципиально новый по механизму образования и концентрации металла генетический тип россыпных месторождений эоловой природы. Открытие базируется на многолетних исследованиях по сравнительному изучению строения современных и ископаемых золотоносных россыпей, определении минералогических и морфологических особенностей россыпного эолота и сопутствующих минералов и на большой серии экспериментов по воссозданию ветрового переноса и обработки рудных частиц. Установлен очень широкий возрастной диапазон распространения месторождений этого типа от раннего протерозоя до современности. Кроме того, обнаружено, что россыпи эоловой природы приурочены к определенным палеогеографическим обстановкам аридным континентальным ландшафтам древних и молодых платформ и современных континентов. Это открытие касается не только образования золотоносных россыпей, но и россыпей с концентрациями других рудных минералов и металлов.
Коллективом исследователей завершено обобщение обширной геотермической информации по территории Сибири, включающее десятки тысяч измерений и оценок температуры и порядка двух тысяч определений плотности теплового потока. На этой основе составлена серия карт Геотермического Атласа Сибири и подготовлена его компьютерная версия, представленная набором из шести карт масштаба 1:5000000 (тепловой поток, распределение температуры на глубинах от 0,5 до 5км). Электронные карты и компьютерный Каталог данных представляют новые возможности для выявления природы и закономерностей формирования теплового поля земной коры Сибири. Так, например, установлено, что главной особенностью теплового поля Сибири является преобладание в ее пределах относительно холодных блоков литосферы, характеризующихся средним потоком порядка 40-50 мВт/м² и менее. На этом фоне выделяются четыре региональных геотермических аномалии: положительные - в пределах Западно-Сибирской плиты, Байкальского региона и Верхояно-Колымской области; отрицательная - в восточной части Якутии. Перечисленные аномалии связаны с тепловыми источниками в верхней мантии. Наличие криолитозоны обуславливает значительное охлаждение приповерхностных горных пород (Институт геофизики, ГИС-центр ОИГГМ, Институт земной коры, Институт мерзлотоведения СО РАН, Геологический институт PАН).
Институтом проблем освоения Севера в целях выяснения влияния эволюции криолитосферы на глобальные изменения климата планеты выполнены численное моделирование и расчет серии меридиональных разрезов криолитосферы (по эмпирическим и экспериментальным данным) с учетом поверхностного рельефа. Проведены расчеты положения нижней границы мерзлых пород в шельфовых и континентальных зонах п-ов Ямал. Показано, что нижняя граница может достигать глубины 400 м на континенте и подниматься до малых глубин на шельфе. Для проверки расчетных результатов и чтобы распространить их на всю криолитосферу начаты работы по обустройству глубоких термометрических скважин по семидесятому меридиану.
Институтом мерзлотоведения на примере Яно-Чукотской горной страны выявлены закономерности изменения мощности криолитозоны в зависимости от среднегодовой температуры на поверхности, направленности неотектонических движений и скорости осадконакопления или денудации.
Данные математического моделирования подтверждают возможность формирования многолетнемерзлых пород (ММП) аномально большой (Ольская депрессия - 350 м, Сеймчано-Буюндинская впадина - 550 м) или аномально малой мощности (например, западный склон Сеймчано-Буюндинской впадины - 30-80 м). Резкие изменения мощности ММП на небольших расстояниях могут служить индикатором тектонических разломов, активных в верхнем плейстоцене и голоцене, т.е. на основе эмпирики и численных моделей установлено, что мощность криолитозоны при неотектонических движениях увеличивается с прогибанием и компенсационным осадконакоплением и уменьшается при положительных движениях.
В Институте криосферы Земли теоретически предсказано и впервые обнаружено при кристаллизации водных коллоидных растворов возникновение динамических мембран. Между образовавшейся мембраной и льдом существует пленка незамерзающей воды, по которой через систему каналов в мембране к растущим кристаллам транспортируется вода. Размеры каналов и толщина пленки лимитируют доступ ко льду примесей, задерживаемых мембраной и концентрирующихся в ней. Рост льда приводит к обезвоживанию близлежащего слоя (1-3 мм) и увеличению в нем концентрации полимера в 2-3 раза, что снижает гидравлическую проводимость в 3-5 раз. Случайный выступ на поверхности растущего льда растягивает полимерную пленку, снижая ее толщину и гидравлическое сопротивление, что приводит к дендритному росту льда в объеме геля. Проникновению льда в мембрану препятствует незамерзшая пленка воды. Температура ее существования зависит от концентрации полимера в мембране. Например, для желатина переохлаждение (в градусах К) определяется линейной зависимостью: Т=0,02С, где С концентрация полимера в весовых процентах.
В Якутском институте геологических наук создана кинетическая модель плит и блоков территории Южно-Якутского региона. Показано, что современные тектонические и сейсмические процессы протекают здесь в условиях сжатия, обусловленного взаимодействием Байкальской рифтовой зоны, Становой складчатой области и Алданского щита Сибирской платформы. Указанное напряженное состояние земной коры способствовало развитию здесь активных сдвигов, надвигов и взбросов, а также возникновению сильных 9-балльных землетрясений с магнитудой до 7,0. Аналогичные схемы построены для Алтае- Саянской области (ОИГГМ) и Байкальского региона (ИЗК).
В полевой сезон 1995г. с использованием вибросейсмического комплекса Быстровского полигона был поставлен широкомасштабный международный эксперимент по детальному исследованию вибросейсмического поля на профиле 95км с шагом5 км и точками 120 и 160 км в направлении профиля, а также дополнительными точками на расстоянии 20, 60 и 320км в других направлениях. В эксперименте приняли участие Вычислительный центр (Новосибирск), НОМВЭ, Институт геофизики СО РАН, Центр ГЕОН (Москва) и Институт исследования землетрясений (Япония) с цифровыми системами регистрации вибросейсмических сигналов. Подобный эксперимент поставлен впервые и не имеет аналогов.
Результаты широкомасштабного эксперимента показали возможность вибросейсмического просвечивания района 200x200кв.км, что обосновывает возможность проведения активного мониторинга сейсмоопасных зон с использованием мощных излучателей сейсмических волн. Оценена точность определения времен пробега волн, составляющая 0,02%, что дает возможность использовать этот признак в качестве количественного критерия изменчивости напряженно-деформированного состояния очаговых зон в проблеме прогноза землетрясений.
Институтом земной коры разработан и теоретически обоснован аргоновый метод оценки возраста подземных вод (темпов водообмена). Новый геохронометр основан на том, что водовмещающие породы с постоянной скоростью теряют радиогенный аргон, растворяющийся в водах, количество которого является исходным параметром для расчета меры водообмена. Определение радиогенного аргона в воде осуществлялось масс-спектрометрическим методом изотопного разбавления.
В 1995 г. был продолжен цикл исследований, направленных на установление механизмов обмена глубинных вод Байкала, определяющих поступление кислорода в область максимальных глубин и доставку биогенных элементов в фотический слой озера. Лимнологическим институтом и Вычислительным центром (Новосибирск) в результате численного моделирования выявлен еще один, принципиально новый крупномасштабный механизм, включающийся в работу в самом начале весны, до формирования термобаров. Оказалось, что проникновение огромных количеств холодной поверхностной воды на дно происходит в период таяния льда. Этот процесс, поддерживающийся, как и в случае термобаров, уплотнением при смешении холодных поверхностных и более теплых глубинных вод, индуцируется динамическими воздействиями на поверхность озера. Установлено, что вследствие разнообразия механизмов глубинной конвекции обмен глубинных вод идет крайне неравномерно в пространстве. Из полученных количественных данных об интенсивности вертикального обмена получены важные характеристики тепло- и массообмена на границе верхней и глубинной зон.
Изучение Телецкого озера в Горном Алтае, которое может служить природной моделью ранней стадии эволюции Байкала, в последние три года стало объектом комплексного изучения рядом институтов СО РАН (Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии, Институт водных и экологических проблем, Лимнологический институт) совместно с Королевским музеем Центральной Африки и Королевским институтом естественных наук (Бельгия). Подводя итоги трехлетнему циклу исследований, следует отметить, что с использованием современного гидрофизического и навигационного оборудования уточнена карта подводного рельефа, получены обширные данные по вертикальному распределению температуры, содержанию растворенного кислорода, водородному показателю, солености и прозрачности воды озера. Впервые получены сейсмические данные по мощности и структуре осадков озера и отобраны керны донных отложений из наиболее глубокой части. Их изучение даст дополнительную информацию об истории формирования озера, его фауны и флоры, о палеоклимате, а также позволит оценить поступление загрязняющих веществ и радионуклидов с водосборного бассейна. В частности, в верхнем слое (0,5 см) донных отложений южной части Телецкого озера была обнаружена диатомовая водоросль, по предварительным данным идентифицированная как Stephanodiscus qrandis. Возможно, что она и сейчас обитает в Телецком озере, но до настоящего времени в водной толще не обнаружена. Примечательно, что этот вид является ведущим в плейстоценовых отложениях Байкала и до настоящего времени считался вымершим байкальским эндемиком.
Институтом географии выполнено природно-хозяйственное районирование Сибири. Выделены районы трех иерархических уровней: природно- хозяйственные регионы, дробные районы и подрайоны. Основная цель дробного природно-хозяйственного районирования - выделение территориальных единиц, в пределах которых природопользование характеризуется, с одной стороны, одинаковыми природными и социально-экономическими условиями, а с другой - на этот процесс накладывается ряд ограничений, обусловленных своеобразием природной среды и исторически сложившимися формами ее использования коренным населением. Результаты этих исследований будут использоваться при разработке концепций развития производительных сил Сибири в разрезе крупных административно-террито-риальных образований в ранге "область", "край", "республика".

В оглавление. Далее.