Руководство по морфомeтрическому методу поисков тектонических структур

Книга рассчитана на широкие круги геологов нефтяной, газовой и других отраслей горной промышленности, а также на студентов старших курсов геологических вузов.

Печатается по решению Ученого совета геологического факультета и научно-исследовательского института геологии Саратовского университета.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Исследованиями геологов Саратовского университета, выполненными в бассейнах pp. Дона, Волги, Эмбы, Урала и Вилюя, четко установлена превалирующая роль тектонического фактора в формировании рельефа В.П. Философов, принимавший непосредственное участие в большинстве этих исследований, является последовательным защитником концепции о преимущественной обусловленности рельефа движениями и структурами земной коры.

В.П. Философов исходит из представлений о зависимости хода экзогенных рельефообразующих процессов от разности потенциала силы тяжести, обусловленной главным образом особенностями геологического строения и движениями земной коры. Эта гипотеза позволяет устанавливать связь рельефа со структурами земной коры, в том числе и с погребенными.

На основе указанной гипотезы В.П. Философовым разработан морфометрический метод выявления тектонических структур, что осуществляется путем анализа предложенных В.П. Философовым морфометрических карт, составляемых по топографическим картам.

Предлагаемая методика дает возможность выявлять особенности тектонического строения той или иной территории и оконтуривать площади с локальными и региональными положительными тектоническими структурами. Она применяется в ряде производственных и научных организаций системы нефтяной промышленности Саратовской, Куйбышевской, Оренбургской и Новосибирской областей, в Ставропольском крае и в др. местах.

Проведенные работы показали, что выделенные на основе морфометрического анализа тектонические структуры достаточно четко совмещаются со структурами, выявленными в результате геологических, геологоразведочных или геофизических работ.

Известны случаи, когда структуры, намеченные впервые по данным морфометрических карт, подтвердились последующим бурением или сейсморазведкой (Саратовская и Куйбышевская области, Ставропольский край).

Многочисленные запросы геологических организаций, поступающие в адрес Саратовского государственного университета о разрабатываемой В.П. Философовым методике морфометрического анализа, а также необходимость привлечения внимания геологической общественности к предлагаемому методу побудили Саратовский университет опубликовать эту работу. Следует, однако, указать, что как теоретические положения метода, так и отдельные приемы анализа морфометрических карт нуждаются в дальнейшей разработке.

При поисках антиклинальных структур основным методом является геологическое картирование. Поиски месторождений, заключенных в погребенных структурах, требуют применения бурения и геофизических методов, что сопряжено с большими затратами времени и материальных средств. Поэтому и возникает необходимость разработки более дешевых и ускоренных методов поисков локальных газонефтеносных структур, а так же других полезных ископаемых, месторождения которых приурочены к тектоническим структурам.

На территории Поволжья и средней части бассейна р. Дона в период с 1946 по 1955 г. автором, в результате выполнения геоморфологических работ с применением аэрометодов, была установлена определенная связь форм рельефа с тектоническими структурами, а проведенный затем анализ полевых и аэровизуальных наблюдений позволил разработать очень быстрый и дешевый морфометрический метод прогноза тектонических структур.

Морфометрический метод основан на изучении по топографическим картам рисунка долинной сети, асимметрии долин, водоразделов и бассейнов, а также на анализе специально составляемых карт: базисных поверхностей, остаточных высот, вершинных поверхностей и эрозионного размыва или сноса.

Указанный метод позволяет камерально, не применяя полевые работы, выявить тектонические особенности местности и намечать участки, заслуживающие внимания для постановки поисково-разведочных и геофизических работ на полезные ископаемые, связанные с тектоническими структурами.

Намечается возможность применения разрабатываемого метода и при других геологических и инженерно-геологических исследованиях.

Топографические карты, помимо морфографической характеристики рельефа, дают возможность производить измерительные морфометрические работы. Последние позволяют разлагать поверхность рельефа на составные части. По картам можно с большой степенью точности определить горизонтальную и вертикальную расчлененность рельефа, глубину врезания речных долин и ряд других Морфометрических характеристик рельефа, о которых говорится ниже.

На участках тектонических поднятий, лежащих выше базиса эрозии; происходят процессы размыва горных пород, непосредственно вызываемые различными физико-географическими агентами, а на участках тектонических опусканий, лежащих ниже базиса денудации, наблюдаются процессы амумуляции, протекающие также при непосредственном участии физико-географических процессов. В результате на участках тектонических поднятий в пределах суши создаётся расчленённый рельеф, а на участках опусканий образуется плоский, слабо расчлененный рельеф.

Геоморфологические исследования, выполненные в последние годы, показывают, что в результате поднятия местности над уровнем моря, или, точнее над базисом эрозии, горизонтальная и вертикальная расчлененность рельефа возрастает, а следовательно, увеличиваются глубины врезания долин и их количество. В результате тектонического опускания глубина долин уменьшается. При этом незначительные долины могут целиком выполниться осадками и перестать существовать в виде отрицательных форм рельефа. Как следствие этих процессов, относительная высота водоразделов над долинами понижается.

В процессе становления и развития Земли проявляется многообразие форм тектонических движений, приводящее к изменению структур земной коры и ее рельефа. В результате этих движений поверхностные слои земной коры вступают во взаимодействие с атмосферой, гидросферой, биосферой и криосферой. Перемещения горных пород кaк внутри, так и на поверхности Земли, происходящие в результате взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов, создают формы рельефа и их абсолютные и относительные высоты. Поэтому геоморфологические процессы теснейшим образом связаны с тектоническими и не могут быть от них отделены при изучении рельефа и строения земной коры.

Хорошо известно, что высоты местности тесно связана с силой тяжести, При возрастании высоты местности сила тяжести в данном районе уменьшается, а при понижении высоты сила тяжести возрастает [7, 8, 9].

Для понимания причин развития рельефа большое значение имеет представление об уровенных поверхностях, которые являются поверхностями равных потенциалов силы тяжести * [7, 8, 9].

* Потенциал силы тяжести данной точки равен произведению силы тяжести на высоту точки.

На уровенной поверхности невозможна работа силы тяжести, а следовательно, невозможен и перенос горных пород. Движение выветренных горных пород по земной поверхности идет в результате денудации и эрозии и возможно только с одной уровенной поверхности на другую, нижележащую. Высоты уровенных поверхностей зависят от тектонических движений и строения земной коры, особенно ее верхних частей. Там, где в земной коре залегают мощные толщи сравнительно тяжелых пород, расстояния между уровенными поверхностями будут меньше, чем в районах сложенных значительной толщей менее плотных осадочных пород. Таким образом, уровенные поверхности являются не параллельными поверхностями. Непараллельность их объясняется сложным строением земной коры. Положение уровенных поверхностей изменяется в результате движения земной коры и связанных с ними процессов денудации и аккумуляции, а также с формированием тектонических структур. Процессы денудации и эрозии, при прочих равных условиях, идут тем интенсивнее, чем больше градиент между уровенными пoверностями. Наибольшие градиенты потенциала силы тяжести наблюдаются на границах между тектоническими поднимающимися и опускающимися участками земной коры. К этим границам и приурочен наибольший размыв суши агентами денудации. С этими границами обычно связаны наиболее глубоко врезанные долины с крутыми продольными профилями, которые постепенно выполаживаются в тектонических впадинах.

Высоты рельефа и геоморфологические процессы непосредственно зависят от распределения масс в земной коре. Благодаря этому по рельефу, в частности по распределению абсолютных и относительных высот, можно определять не только поверхностные, но и глубинные, погребенные тектонические структуры.

Рельеф местности генетически связан со всем ходом геологической истории и в том числе с формированием тектонических структур. Структуры земной коры, как поверхностные, так и глубинные часто непосредственно отражаются в рельефе страны и обусловливают интенсивность экзогенных процессов.

Основными формами рельефа на большей части суши являются долины и разделяющие их междуречья.

Речные долины обычно приурочены к тектоническим ослабленным нарушенным зонам, а именно: разломам, сбросам, зонам тектонической трещиноватости и к прогибам. Долины возникают только по тем тектоническим нарушениям, по которым идут движения и которые в то же время совпадают с векторами потенциала силы тяжести.

На изучении описанных закономерностей и основан морфометрический метод исследования связи рельефа с тектоническими структурами.

Рельеф выражает как качественные, так и количественные формы связи его с движениями и структурами земной коры. Поэтому морфометрические данные, являющиеся количественным выражением форм рельефа, отражают структуру и движения земной коры. Морфометрический метод позволяет по крупномасштабным топографическим картам выделить как региональные, так и локальные тектонические структуры и, кроме того, определить новейшие движения земной коры.

Разработанный автором морфометрический метод заключается в графическом разложении на составные части рельефа, изображенного на топографической карте горизонталями, и составлении на основе этого ряда специальных карт с последующей геолого-геоморфологической интерпретацией их. На основании анализа морфометрических карт составляется карта прогноза тектонических структур, перспективных на нефть и газ или другие полезные ископаемые, связанные с движениями и структурами земной коры.

Топографические и гипсометрические карты совмещают в себе все основные морфографические и морфометрические характеристики, которые могут быть получены при составлении специальных карт [19].

В платформенных равнинных условиях с резко выраженным рельефом для морфометрического анализа (применительно к поисковым работам) лучше всего пользоваться картами в масштабе 1:100000, с сечением рельефа через 20 м. В условиях слабо расчлененного рельефа, при наличии небольших абсолютных и относительных высот, лучше всего использовать карты масштаба 1:50000 или даже 1:25000, с сечением рельефа соответственно через 10 и 5 м. При проектировании разведочных работ на нефть и газ следует составлять Морфометрические карты масштаба 1:100000 или 1:50000, а при слабо расчлененном рельефе и более крупного масштаба.

Для морфометрических работ лучше всего пользоваться картами последних лет издания. При этом предпочтение следует отдавать картам, составленным по более крупномасштабным источникам, перед картами, составленными по съемкам того же масштаба. Наиболее точными картами масштаба 1:100000 являются карты, составленные по картам масштаба 1:25000 или 1:10000, на которых рельеф нарисован по аэрофотоснимкам стереоскопическим методом. Карты, на которых рельеф нарисован с применением мензулы и кипрегеля, менее точны. На них иногда наблюдаются пропуски небольших долин и несколько субъективный рисунок горизонталей.

Точность изображения рельефа по высоте для углов наклона, не превышающих 5°, составляет 1/4 сечения горизонталей. Таким образом, точность рисовки горизонталей на карте масштаба 1:100000 при сечении рельефа в 20 метров равна 5 метрам. Для карт масштаба 1:50000 и 1:25000, при сечении рельефа соответственно в 10 и 5 метров, точность рисовки горизонталей будет 2,5 и 1,25 м. При больших углах наклона точность рисовки горизонталей уменьшается.

На топографических картах масштаба 1:100000 или 1:50000 формы рельефа, имеющие в длину несколько десятков метров или занимающие в плане площади в несколько сот квадратных метров, обычно не изображаются. Ввиду этого микрорельеф, обязанный своим происхождением различной стойкости пород к выветриванию, на картах не выражается.

1. 
   Карта порядков долин
   

Указанная карта является основой для составления последующих карт. Поэтому на точность составления ее должно быть обращено особое внимание. На приготовленной заранее топографической основе поднимают синей тушью все реки и озера том числе и пересыхающие (последние коротким линейным пунктиром). Овраги закрашивают в коричневый цвет. Тальвеги балок и ложбин стока, используя рисунок горизонталей, поднимают линейным пунктиром коричневого цвета (см. черт. 1—2).

Затем определяют порядок долин согласно методу, предложенному Р.Э. Хортоном [27], а также Б.П. Пановым [15] и уточненному В.П. Философовым [23]. По этому способу долиной первого порядка считается долина, не принимающая ни одного притока, т. е. неразвётвленная. Долина второго порядка возникает в результате слияния двух долин первого порядка. Долина третьего порядка образуется от слияния двух долин второго порядка и т. д. При этом впадение долин первого или второго порядка в долину третьего порядка не увеличивает ее порядка. Таким образом, порядок долин постепенно возрастает от верховий к низовьям. Главная долина системы имеет наиболее высокий порядок, кото­рый увеличивается от верховий к низовьям после слияния однопорядковых долин. Методика определения порядка долин хорошо видна на прилагаемых чертежах (см. черт. 3). Указанный метод дает возможность рассматривать долину в развитии, позволяя сравнивать ее с другими долинами [23].

К долинам первого порядка относятся ложбины стока, возникающие в пределах равнинных водораздельных пространств. Это обычно неясно выраженные полые удлиненные формы рельефа с пологими, едва заметными склонами, переходящими без каких-либо перегибов как в водораздельные пространства, так и в дно долины. Ложбины стока имеют в длину от нескольких десятков метров до нескольких сот метров. Глубина их достигает максимально 30—50 см. Такие ложбины обычно распахиваются и засеваются. Благодаря этому они плохо различаются при наземных наблюдениях и на них геологи мало обращают внимания.

Напротив, при аэровизуальных наблюдениях и на аэрофотосхемах крупного масштаба

Чертеж 1 Нанесение тальвегов долин по рисунку горизонталей. 1. Ложбины стока и балки. 2. Пересыхающие реки

ложбины стока хорошо просматриваются. На топографических картах крупного масштаба эти ложбины изображаются небольшим затяжением горизонталей (см. черт. 1).

Ложбины стока являются переходной формой от плоскостной денудации к линейной эрозии. В их пределах плоскостной сток, а следовательно, и плоскостной смыв, переходит в линейный сток и в линейный размыв. По ложбинам стока протекают только временные ручьи, возникающие в период весеннего таяния снега или при обложных, ливневых дождях. Ложбины стока обычно заканчиваются промоинами или оврагами. Иногда ложбины переходят в балки.

Чертеж 2 Нанесение оврагов и балок. 1. Овраги. 2. Пересыхающие рек. 3. Балки.

Тальвеги долин 1-го порядка, или ложбин стока, сравнительно легко наметить, когда заложения между горизонталями небольшие. В этих условиях по карте нетрудно определить направление ложбин стока, их слияние и переход в долины более высоких порядков (см. черт. 1, 2). Напротив, когда заложения между горизонталями превышают 1,0—1,5 см, точное определение направления ложбин стока и их слияние затруднено и поэтому здесь могут быть допущены ошибки (см. черт. 4—7). Чтобы избежать этих ошибок, следует использовать на участках со слабо расчлененным рельефом более крупномасштабные карты, с меньшим сечением рёльефа или же аэрофотоснимки, на которых положение тальвегов хорошо заметно. Используя указанные карты или аэрофотоснимки, можно более точно нанести тальвеги ложбин стока. Ложбины стока, как было сказано выше, являются долинами первого порядка. Но иногда встречаются и ложбины второго порядка, образующиеся от слияния двух ложбин первого порядка. Такой случай обычно наблюдается на обширных плоских водоразделах с затрудненным поверхностным стоком.

Овраги начинаются вблизи слияния ложбин стока и, таким образом, являются обычно долинами второго и, третьего порядка. Овраги представляют собой типично эрозионную форму, возникающую в результате воздействия временного поверхностного стока на почву. Значительный рост оврагов может полностью уничтожить ложбины стока, тогда местность превращается в резко расчлененную равнину с господством грядовых водоразделов. В этих условиях уклоны местности резко возрастают и ложбины стока обычно не возникают. Плоскостной сток непосредственно переходит в линейный, овражный, способствуя дальнейшему расчленению местности. При этом долинами первого порядка будут уже не ложбины стока, а овраги. Здесь могут наблюдаться овраги первого, второго и более высоких порядков. Реки появляются, как правило, в долинах третьего или четвертого порядка.

Чертеж 3 Схемы образования порядков долин; а. Долинная система 1-го порядка. б. Долинная система 2-го порядка в. Долинная система 3-го порядка. г. Долинная система 4-го порядка

Чертеж 4	Чертеж 5
Правильное нанесение тальвегов долин при большом заложении горизонталей.	Неправильное нанесение тальвегов долин при большом заложении горизонтален

В пределах слабо расчлененной плоской местности переход долин младших порядков в долины более высо­ких порядков происходит иначе. В этих случаях очень широко распространены ложбины стока и балки, причем первые имеют иногда третий порядок, а балки достигают пятого и даже шестого порядка, не переходя в реки. Овраги совершенно отсутствуют, а реки начинаются с долин пятого или более высокого порядка (см. черт. 8).

Очевидно, что при таком определении соподчиненности долин речные долины, как самые крупные, будут иметь наиболее высокий порядок. Предложенная методика создает объективные условия для сравнения между собой долин, принадлежащих как к одному, так и к разным бассейнам.

Величину порядка долин подписывают на карте близ мест слияния однопорядковых долин, а также через 10—12 см друг от друга по длине долин.

Исходя из вышеизложенной, классификации долин, следует признать, что порядок долины главной реки системы не является постоянным, а меняется на протяжении истории развития бассейна. При этом основное значение имеет укрупнение речных систем, идущее путем перехвата рек, захвата рек других бассейнов и слияния рек смежных бассейнов.

Следует, однако, указать, что определение порядка долин по указанной системе на практике наталкивается на известные трудности.

Так, на топографических картах масштаба 1:10000 или 1:25000 изображены все долины первого порядка.

На картах масштаба 1:100000 или 1:200000 можно точно определять долины, начиная только со второго или третьего порядка. В то же время по картам среднего масштаба нельзя определить порядок долин, выходящих за рамки карты. Нельзя также установить порядки всех долин, входящих в «состав бассейна большой реки, так как для этого требуется значительное количество карт.

В то же время по картам среднего и мелкого масштабов, на которых наиболее полно изображены большие реки, опущены их незначительные притоки. Поэтому точные подсчеты порядков долин по этим картам невозможны.

Чертеж 6 Правильное нанесение тальвегов долин при большом заложении горизонталей	Чертеж 7 Неправильное нанесение тальвегов долин при большом заложении горизонталей