На правах рукописи

Нургалиева Нурия Гавазовна

Литологические аспекты исследования

структуры стратиграфической записи

перми востока Русской плиты

25.00.06 – Литология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

КАЗАНЬ - 2008

Работа выполнена на кафедре геологии нефти и газа геологического факультета Казанского государственного университета им. В.И.Ульянова-Ленина

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Александр Васильевич Постников (РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, г. Москва) доктор геолого-минералогических наук Алексей Юрьевич Казанский (Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН, г. Новосибирск) доктор геолого-минералогических наук Урал Галимзянович Дистанов (ЦНИИГеолнеруд, г. Казань)

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, геологический факультет

Защита состоится «6» марта 2008 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д.212.081.09 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Казанском государственном университете по адресу: г. Казань, ул. Кремлевская, д.

4/5, геологический факультет КГУ, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГУ Автореферат разослан « » февраля 2008 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18, КГУ, служба аттестации научных кадров.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.081. доктор геолого-минералогических наук Р.Р. Хасанов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования Пермского периода и пермских отложений обусловлена тем, что на границе Палеозоя и Мезозоя произошли принципиальные изменения природной среды, выразившиеся в самой значительной биотической катастрофе в истории Земли (S.M.Stanley, 1987).

Резкое изменение биосферы, на этой границе, было обусловлено многими геологическими перестройками: тектоникой литосферных плит, изменениями состава атмосферы, океана, изменениями факторов формирования климата, т.е. всей совокупностью внешних и внутренних причин (Н.В.Короновский, А.Ф.Якушова, 1991). До сих пор не достигнуто полное понимание природных процессов, происходивших в эту далекую геологическую эпоху. Это, несомненно, актуальная научная и практическая проблема. К сожалению, исследование пермских отложений в советский период было направлено большей частью на решение практических задач, а фундаментальным литологическим реконструктивным аспектам стратиграфической записи уделялось недостаточное внимание. В последние годы интерес к этим вопросам существенно возрос в связи с тем, что палеоклиматические исследования и исследования особенностей окружающей среды в геологическом прошлом стали одним из ключей к пониманию современных климатических процессов. Исследование Пермского периода в одном из ключевых регионов востока Русской плиты - ВолжскоКамском регионе, где располагаются многочисленные естественные обнажения и скважины, вскрывающие отложения, характеризующие самые разнообразные фациальные особенности пермских палеобассейнов, открывает широкие возможности для понимания процессов, происходивших в конце Палеозойской эры. Основная актуальность данной работы состоит в том, что в ней впервые приведены принципиально новые данные об этом чрезвычайно интересном объекте, полученные современными физико-химическими и математическими методами. Были использованы геолого-статистические концепции и принципы, успешно опробованные на многих других объектах, но не применявшиеся для анализа данных по пермским толщам Волжско-Камского региона. Например, необходимо отметить, что интерпретация полученных данных базировалась на концепции цикличности осадконакопления, в некотором масштабе обусловленной астрономическими процессами и фиксирующейся в стратиграфической записи. Стратиграфическая запись циклична и обладает свойством самоподобия, поэтому использовались современные методы обработки рядов данных, позволяющие выявлять характер цикличности и самоподобия, а именно: спектральный анализ (метод максимальной энтропии и метод Фурье) и фрактальный анализ. Одним из ключевых понятий, использованных в данной работе, стало понятие «стратиграфическая запись». Мы полагаем, что стратиграфическая запись представляет собой проекцию конкретного разреза (последовательности слоев различных литологических типов осадков), находящегося в ненарушенном состоянии, на ось геологического времени. Такой подход позволяет неявно внести время в разрезы осадочных толщ. Чаще всего мы не знаем абсолютных величин геологического времени, мы можем рассуждать только в терминах «прерывистое осадконакопление», «размывы», «непрерывное осадконакопление». Но оказывается, мы можем оценить скорости осадконакопления за небольшие промежутки времени на участках «непрерывного осадконакопления», также оказалось возможным оценить в некоторых случаях длительность временного интервала между двумя слоями в разрезе путем определения длительности некоторых осадочных циклов. Таким образом, появилась возможность исследовать структуру стратиграфической записи, используя для этого самые различные литологические параметры пород.

';

Цели работы Демонстрация высокой информативности целого ряда современных изотопногеохимических, магнитных и литологических методов для реконструктивных целей на примере пермских отложений Волжско-Камского региона.

Разработка методики циклического анализа с использованием спектрального и фрактального анализа результатов комплекса изотопных, магнитных и литологических методов для выявления характера цикличности и прерывистости стратиграфической записи на примере пермских отложений Волжско-Камского региона.

Оценка структуры стратиграфической записи перми по некоторым ключевым разрезам региона, определение длительности основных осадочных циклов, перерывов осадконакопления с использованием комплекса литологических параметров.

Задачи работы Поставленные цели определили ряд конкретных основных задач, которые были решены в процессе выполнения данной работы:

1. Обобщение данных по истории исследования пермской системы на востоке Русской плиты.

2. Обобщение современных представлений о стратиграфии и литологии отложений пермской системы Волжско-Камского региона – как одного из ключевых регионов, представляющих пермские палеобассейны востока Русской плиты.

3. Анализ вариаций данных по соотношениям стабильных изотопов стронция, кислорода и углерода в карбонатных отложениях перми Волжско-Камского региона.

4. Разработка методов анализа магнитных данных для получения информации о природе магнитных зерен в осадках и выдвижение на этой основе гипотезы об условиях формирования красноцветных пород.

5. Анализ вариаций данных по комплексу таких литологических параметров как: гранулометрический состав, карбонатность (выраженная в параметрах: массовая доля карбонатов в породе, отношение Ca/Mg, параметры спектров ЭПР Mn2+ и радикалов в карбонатных породах), магнитная восприимчивость, мощность слоев, сложенных различными петротипами.

6. Анализ существующих методов исследования цикличности, их обобщение, дополнение и использование для исследования ключевых объектов.

7. Обобщение и применение аппарата фрактальной геометрии для исследования стратиграфической записи на примере пермских отложений Волжско-Камского региона.

8. Разработка методики корреляции разрезов по кривым вариаций локальной фрактальной размерности Херста кривых ГК на примере разрезов структурных скважин в Мелекесской впадине.

9. Выявление структуры стратиграфической записи, полученной по некоторым ключевым разрезам региона, определение длительности основных осадочных циклов с использованием комплекса литологических параметров.

10.Обобщение ранее известных и новых полученных в данной работе результатов об особенностях палеоклимата и палеогеографии в свете современных представлений о планетарных палеогеографических изменениях в перми.

Защищаемые положения 1. Вариации соотношений стабильных изотопов 87Sr/86Sr, 13С и 18О, полученные для карбонатных отложений перми Волжско-Камского региона, позволяют проследить эволюцию пермских палеобассейнов востока Русской плиты и их связь с открытым морем. Использование изотопных данных позволяет уточнить природу некоторых литологических циклов.

2. Стратиграфическая запись, обнаруживаемая в разрезах пермских отложений востока Русской плиты (на примере Волжско-Камского региона), содержит палеоклиматические циклы астрономической природы, распознаваемые на основе спектрального анализа информативных литологических параметров (гранулометрия, значения гамма-активности пород, карбонатность, магнитные параметры).

3. Пермская стратиграфическая запись может быть описана фрактальными моделями, позволяющими оценить полноту стратиграфической записи и выявить коррелятивное значение фрактальных образов.

Впервые получена изотопная характеристика (13С и 18О) отложений пермских палеобассейнов Волжско-Камского региона, позволившая охарактеризовать изменения относительной палеобиопродуктивности пермских палеобассейнов и качественно оценить влияние гляциальных и негляциальных факторов на осадконакопление.

Впервые получено соотношение изотопов стронция (87Sr/86Sr) для карбонатных отложений опорных разрезов перми, позволяющее позиционировать пермские разрезы Волжско-Камского региона на Фанерозойской эволюционной кривой и выяснить перспективы использования стронциевой изотопной стратиграфии для целей региональной и глобальной корреляции.

Впервые разработан и практически использован новый подход к анализу структуры стратиграфической записи, заключающийся в комплексном анализе цикличности различных литологических параметров в разрезах пермских отложений востока Русской плиты и использовании предположения о самоподобии данной структуры в различных временных масштабах.

На базе аппарата фрактальной геометрии разработана модель пермской стратиграфической записи для обнажений на берегах Волги и Камы и для Мелекесской впадины, позволяющая оценить полноту стратиграфической записи. На основе этой модели определена длительность казанского века, хорошо согласующаяся с оценками, сделанными по другим данным.

Впервые проведен спектральный анализ рядов литологических параметров разрезов перми Волжско-Камского региона и установлено, что ряды изменения песчанистости пород в разрезах наиболее близки к броуновскому шуму, в то время как ряды других литологических параметров содержат большую долю белого шума. Это свидетельствует о том, что изменение содержания песчанистого материала в осадках является наиболее важным и достоверным фактором выделения цикличности в разрезе. Спектры других параметров сильнее подвержены влияниям перерывов и размывов, но они могут быть с успехом использованы на участках с незначительным количеством (или отсутствием) перерывов для выделения циклов. Этот вывод имеет фундаментальное значение для дальнейшего исследования цикличности осадочных разрезов в целом.

Показано, что выявленные в данном регионе циклы могут иметь астрономическую (климатическую) природу, а, следовательно, – каждый цикл имеет определенную длительность, которая установлена с использованием комплекса литологических данных.

Построена корреляция фрактальной размерности Херста по значениям ГК диаграмм скважин Мелекесской впадины и прилегающих территорий, позволяющая выявлять характеристические границы седиментационных комплексов, например, комплексов низкого уровня моря, с которыми часто связаны ловушки углеводородов.

На основе совместного комплексного анализа изотопных и магнитно-минералогических данных, полученных по образцам пермских красноцветных пород, предложена гипотеза формирования окраски красноцветных отложений, основанная на идее биогенного происхождения пигмента отложений.

Практическая ценность Разработанная методика циклического анализа изотопных, магнитных данных, данных гранулометрии, карбонатности, гамма-каротажа, мощностных характеристик с применением спектрального и фрактального анализа, продемонстрированная на примере сложно построенной пермской стратиграфической записи может быть использована для анализа цикличности, исследования структуры стратиграфической записи и реконструкции условий окружающей среды и палеоклимата по любым осадочным толщам, сформированным в эпиконтинентальных мелководных бассейнах.

Данные по вариациям соотношения стабильных изотопов стронция могут быть использованы для корреляции пермских отложений востока Русской плиты, а также для глобальной корреляции.

В процессе выполнения работы получен ряд практических результатов, изложенных в научно-производственных отчетах. Например, показано, что данные об изменениях уровня моря могут быть использованы для построения научно обоснованных локальных схем расчленения и прогноза литологии отложений с целью оценки коллекторских свойств потенциальных резервуаров битумов в Волжско-Камском регионе. Большое практическое приложение может найти предложенный способ отображения скважинной геофизической информации (разрез локальной фрактальной размерности кривых ГК), позволяющий проводить секвенс-стратиграфический анализ по скважинным геофизическим данным.

Использованные материалы Полученные в рамках настоящей работы научные результаты основаны на большом объеме полевых и лабораторных данных. В обобщении использованы данные по более, чем 250 разрезам пермских отложений, вскрытых на территории Волжско-Камского региона (Закамье, Прикамье и Поволжье) скважинами структурного бурения, оценочными скважинами и представленных в опорных и сопутствующих им обнажениях. Литологическая характеристика пермских отложений основана на исследовании более чем 1500 шлифов, представляющих самые разнообразные литологические типы пород. Соотношение стабильных изотопов стронция, углерода и кислорода исследовано в общей сложности по почти 100 образцам карбонатных разностей пермских отложений. Для этих же образцов исследовано содержание марганца, железа и других элементов. По более, чем 800 образцам получены характеристики электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) спектров Mn2+ и радикалов. Магнитные свойства исследованы по более, чем 1600 образцам, среди них коэрцитивные спектры и термомагнитные кривые получены по 670 образцам.

Личный вклад автора Исследования по пермской тематике ведутся автором данной работы с 1988 года. Автором исследованы разрезы пермских пород в 12 естественных обнажениях и 25 скважинах, проведен анализ разрезов более чем 250 структурных скважин по описаниям и каротажным диаграммам.

Отобрано более 1600 проб пермских пород из указанных разрезов. Исследовано более 1000 шлифов из образцов пермских отложений, проведены лабораторные исследования более 800 проб методом ЭПР, 250 образцов методами магнетизма горных пород. Автором проведены анализ и обобщение данных по истории исследования пермских отложений. Автору также принадлежат основные идеи данной работы – использование вариаций соотношения стабильных изотопов стронция для позиционирования региональных разрезов на глобальной эволюционной кривой и выяснения перспектив использования стронциевой изотопной стратиграфии в Волжско-Камском регионе, использование данных о стабильных изотопах кислорода и углерода для реконструкции условий окружающей среды в пермский период. Автором разработана методика циклического анализа стратиграфической записи, базирующаяся на применении спектрального и фрактального анализа.

Автором получены и сформулированы все основные научные результаты:

изотопная характеристика (13С и 18О) отложений пермских палеобассейнов ВолжскоКамского региона и интерпретация данных;

соотношения изотопов стронция (87Sr/86Sr), позволяющие выявить характер связи пермских палеобассейнов Волжско-Камского региона с палеокеаном;

гипотеза формирования окраски красноцветных отложений;

методика циклического анализа на базе спектрального анализа и фрактальных моделей стратиграфической записи условий пермского периода;

климатическая (астрономическая) природа цикличности пермских толщ Волжско-Камского Результаты, полученные при выполнении работы, были доложены на конференциях самого различного уровня. Результаты ежегодно докладывались на Итоговых научных конференциях Казанского университета 1988-2007 гг. Результаты научной работы также представлялись на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, наиболее значимыми из которых явились: Международная конференция «Пермская система мира» (г. Пермь, 1991 г.), XXVII Амперовский Конгресс (г.Казань, 1994), XIII International Congress of Carboniferous-Permian (Krakow, August 28-September 2, 1995, Poland), Республиканская пермская геологическая конференция (27 февраля- 1 марта, 1996 г., г. Казань), сессия EGS (г. Вена, 1996), 30 Международный геологический конгресс (4-14 августа, 1996г., г.Пекин, Китай), XIV Губкинские чтения «Развитие идей И.М.Губкина в теории и практике нефтегазового дела» (15-17 октября 1996 г., г. Москва), Международный симпозиум «Верхнепермские стратотипы Поволжья» (г. Казань, 1998 г.), Всероссийский съезд геологов и научно-практическая геологическая конференция «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России в конце XXI века» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), VI Международная конференция «Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа» (г. Москва, 2002 г.), Объединенная международная научная конференция (г. Казань, 25 августа – 5 сентября, 2003 г.), Чтения, посвященные 170-летию Н.А.Головкинского, 160-летию А.А.Штукенберга, 200-летию геологического музея (г. Казань, 2004 г.), Международный семинар «Палеомагнетизм и магнетизм горных пород: теория, практика, эксперимент» (г. Казань, 2004 г.), Международная конференция «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов» (г. Казань, 2005), семинары Института геологии ЕТН (г.Цюрих, Швейцария) в 2002, 2004 г.г. и семинары геологического исследовательского центра GFZ (г. Потсдам, Германия) в 2007 г., Пятая Всероссийская научнопрактическая конференция «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна»

(г.Тюмень, 25-27 апреля 2007 г.), Всероссийская конференция «Верхний палеозой России: стратиграфия и палеогеография» (г. Казань, 25-27 сентября, 2007 г.).

По теме работы опубликовано более 65 печатных работ, среди них: разделы в 2 монографиях, 16 статей в рецензируемых и реферируемых журналах, фигурирующих в списке ВАК, 24 статьи в сборниках материалов международных и всероссийских (всесоюзных) конференций, симпозиумов и совещаний и других сборниках, 4 учебно-методические разработки, а также более 20 тезисов к конференциям различного уровня.

Структура и объем работы. Диссертация основным объемом 391 страница состоит из введения, 8 глав и заключения, включает 42 таблицы, 163 рисунка, список использованных источников из 730 наименований, также в работе имеется 13 приложений на 55 страницах.

Исследование пермских отложений является традиционным направлением в Казанском университете. Формирование казанской школы геологов во многом связано именно с этим направлением научных исследований. В процессе выполнения данной работы мне посчастливилось воспользоваться советами и замечаниями ряда выдающихся представителей этой школы – доцента С.С.Эллерна, моего первого научного руководителя, профессора В.М. Винокурова, который был руководителем моей кандидатской диссертации и привел меня в интересный мир пермской системы и ЭПР спектроскопии.

В разное время я пользовалась поддержкой и помощью многих исследователей КГУ – доцента Г.Р.Булки, профессора Б.В.Бурова, профессора Н.К.Есауловой, доцента А.А.Галеева, доцента И.Я.Жаркова, доцента Ш.З.Ибрагимова, доцента Н.П.Лебедева, профессора Н.М.Низамутдинова, профессора Д.К.Нургалиева, доцента В.В.Силантьева, доцента В.М.Смелкова, доцента Е.Е.Сухова, доцента Р.К.Тухватуллина, профессора Б.В.Успенского, доцента Д.И.Хасанова, доцента Р.Р.Хасанова, старшего научного сотрудника Н.М.Хасановой, доцента Э.В.Утемова, доцента И.Ю.Черновой, доцента П.Г.Ясонова, а также доктора геол.-мин.наук В.А.Пономарчука (г. Новосибирск), профессоров Фридриха Хеллера и Хельмута Вейссерта (ЕТН, Цюрих), доктора Хеди Оберхенсли (GFZ, Потсдам), которым я выражаю искреннюю благодарность.

Работа выполнена при поддержке грантов Минобразования РФ (E00-9.0-114, Е02-9.0-41), 7SUPJ062095), грантов Министерства экологии и природных ресурсов РТ. Автор выражает благодарность всем этим фондам.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. История исследований и развитие представлений о строении и происхождении В данной главе, в разделах 1.1-1.2 рассмотрены основные исторические этапы становления стратиграфии пермской системы:

- введение ее в Международную стратиграфическую шкалу в 1841 г. английским исследователем Р.И.Мурчисоном;

- классический период пермской стратиграфии с момента ее открытия до 20-х годов XX века, представленный фундаментальными исследованиями Н.А.Головкинского А.А.Штукенберга (1882-1888), С.Н.Никитина (1887), А.П.Карпинского (1874), М.Э.Ноинского (1899, 1924), А.В.Нечаева (1915) и многих других исследователей, позволившими сконструировать основу современной пермской стратиграфии;

- постклассический период (по настоящее время) развития стратиграфии пермской системы, охарактеризованный специализацией и детализацией исследований пермских отложений в разных областях геологии, увеличением объектов изучения (благодаря бурению скважин) и проведением исследований на разных уровнях организации вещества благодаря появлению и развитию новых методов и технологий.

В главе также рассмотрены вопросы Международной стратиграфической шкалы пермской системы, возрастные оценки стратиграфических границ и взаимоотношения региональных стратиграфических схем.

В разделе 1.3 представлена общая петрографическая характеристика пермских (верхнепермских) осадочных комплексов в виде обзора петротипов карбонатной, терригенной и эвапоритовой компонент пермских осадочных последовательностей с использованием классификаций В.Б.Татарского и В.Д.Шутова, треугольных компонентных диаграмм, таблиц типоморфных особенностей аллотигенных минералов, многочисленных фотографий шлифов основных петротипов, электронно-микроскопических снимков доломитов морских и эвапоритовых фаций, сводных диаграмм вариаций гранулометрического состава и парамагнитных меток.

В разделе 1.4 освещены геодинамические, палеогеографические и палеоклиматические факторы формирования пермской осадочной толщи на востоке Русской плиты, охарактеризованы основные черты региональной геодинамики и палеогеографии:

- перикратонная геодинамика, обусловленная влиянием Уральского коллизионного орогенического пояса как основного тектонического фактора (В.И.Игнатьев, 1976 г.);

- значительное структурное преобразование восточной периферии Восточно-Европейской платформы в позднепермскую эпоху: мощная орогения на Урале вызвала инверсию Предуральского краевого прогиба и ундационное погружение края Восточно-Европейской платформы (В.И.

Игнатьев, 1976 г., Г.В.Котляр и др., 1984 г.);

- проникновение вод бореального пермского моря в сформированный в краевой части платформы протяженный прогиб, выделяемый как Приуральский бассейн форланда (Г.В.Котляр и др., 1984 г., С.М.Зорина и др., 2004 г.);

- максимальная трансгрессия в начале казанского века, приведшая к образованию двух заливов на территории Лавразии (О.В.Богоявленская, 2001 г.): один залив обогнул Балтийский щит и скандинавские каледониды, захватил территорию современных Северного моря, севера Германии и Польши, часть Литвы. Второй залив располагался на изучаемой нами территории востока Русской плиты и назван Казанским палеоморем (М.Э.Ноинский, 1899, 1924);

- усиление аридизации климата и регрессионных тенденций к концу казанского века и в татарский век, выраженных в характерной смене петротипов по разрезам, продвижении эвапоритовых фаций, обеднении комплексов фаунистических и флористических остатков (Б.В. Буров и др., 2003 г.).

Глава 2. Характеристика исследованных объектов пермской системы.

Объектами изучения в данной работе являются разрезы пермских отложений в ВолжскоКамском бассейне, исторически известном как стратотипическая местность верхнепермских отложений. В таблице 1 перечислены объекты и основные виды исследований, проведенных по ним.

На рис.1 схематически показано расположение объектов исследований.

Одним из ключевых объектов в указанном списке является разрез Печищи. Это один из классических разрезов верхнеказанских отложений (мощностью ~50 м) в Волжско-Камском регионе, открытый в фундаментальных работах М.Э.Ноинского (1899, 1924). В разрезе Печищи замечательно выражаются три цикла Ноинского, связанные с циклами эвапоритизации Казанского палеоморя. Происхождение эвапоритовой компоненты связано с широким признанием представления о том, что солеродные бассейны должны быть частично изолированы от открытого моря каким-либо порогом или валом (баром), что дает возможность объяснить увеличение солености воды (Scruton, 1953, Sugden, 1963).

Изучение изотопных отношений стронция, углерода и кислорода (25 образцов) в разрезе Печищи и в его нижнепермском продолжении (скв.1/97) позволяет более достоверно выявить его связь с открытым морем и выяснить влияние фактора эвапоритизации в процессах формирования верхнеказанских отложений.

Разрез Монастырское известен как парастратотип татарского яруса у с. Монастырское на правом берегу р.Волги. Данный разрез неоднократно изучался при стратиграфических, литологических (Ю.В.Сементовский, 1973; А.К.Гусев, 1996), палеомагнитных (Б.В.Буров, В.П.Боронин, Б.В.Буров, Д.К.Нургалиев, И.Я.Жарков, Ф.Хеллер, и палеонтологических (В.В.Силантьев, 1993; Н.К.Есаулова, 1996) исследованиях. Из описанного разреза было отобрано 295 образцов.

Разрез Кзыл Байрак явился паратипом разреза Монастырское в объеме первой и второй свит татарского яруса общей мощностью ~65 м (отобрано 168 образцов).

Разрез Шереметьевка - это опорный разрез (р. Кама), представленный красноцветными терригенно-карбонатными отложениями белебеевской свиты и уржумского горизонта. Общая мощность разреза 80-90 м. Из разреза отобрано 333 образца.

Б.В.Селивановский, Е.И.Тихвинская, Н.Н.Форш, 1951, 1955; Ю.В.Сементовский, 1962, 1973, 1979;

Р.Х.Сунгатуллин, В.В.Уманцев и др., 1996). Из «лингуловых глин» этого разреза отобрано 60 образцов.

Изучение разрезов скважин Мелекесской впадины и сопряженных с ней территорий происходило, в основном, на основе макроскопических исследований керна, оцифровки диаграмм ГИС (в основном гамма-каротажа) преимущественно казанских, меньше уфимских, отложений по фонду, в общей сложности, ~ 260 скважин для целей циклического анализа с помощью спектрального и фрактального методов. На рис.2 в качестве примера фактического материала, подвергнутого обработке, показан фрагмент профиля II-II, на котором на основе сопоставления ГК диаграмм демонстрируется соотношение основных стратиграфических подразделений Мелекесской впадины.

Одним из основополагающих методов системного анализа осадочных комплексов является циклический анализ (раздел 3.1), позволяющий на разных уровнях организации вещества (минерально-компонентном, породно-слоевом и фациально-генетическом) выявлять в стратиграфических записях основные условия и закономерности их формирования.

Первое прямое упоминание понятия «осадочный цикл» известно еще у Дж. Ньюберри (1860), а впервые циклический механизм слоеобразования (образование «геологической чечевицы») показан Н.А.Головкинским (1868).

Таблица 1.

1 – основная территория исследований, 2 – скважина, 3 - обнажение, 4 – линия профиля (I-I – субмеридиональный -107 скважин; II-II – субширотный – 106 скважин).

Рис.2. Сопоставление кривых гамма-каротажа (ГК). Фрагмент профиля II-II с запада на восток (рис.1). Реперная линия –кровля сакмарского яруса. 1 – ассельский ярус, 2 – сакмарский ярус, 3 – уфимский ярус, 4 – нижнеказанский подъярус, 5 – верхнеказанский подъярус, Цикличность выражает закономерную смену элементов, фаз, стадий внутри цикла или другой единичной целостности. Продолжительность циклов ранжируется в десятках порядках величин от микроритмов до серий формационных рядов (В.Е.Хаин, 1973) или от наноциклов до мегациклов (Н.Б.Вассоевич, 1977). По определению Ю.Н.Карагодина (1980), «циклит – это комплекс естественных породных тел, характеризующийся (в вертикальном разрезе скважины, обнажения и т.д.) направленностью и непрерывностью изменения структурных и вещественных элементов, отражающимся в характере границ между ними, и двуединым строением».

Чаще всего сама природа обозначает циклиты, в том числе, осадочные, разделяя слои границами разной резкости (В.Т.Фролов, 1995). Наиболее резкие границы, чаще всего подкрепленные наиболее грубозернистыми породами, принимают за границы наиболее крупных циклитов, а менее резкие – за границы все более мелких циклитов. Резкие границы являются явными или скрытыми границами несогласия, определяющими относительно крупные циклиты, какими, например, являются секвенсы – результаты циклов относительных колебаний уровня моря (L.L.Sloss, 1963;

P.R.Vail et al., 1977). В настоящей работе используется одна из современных классификаций циклов, включающая в себя четыре основных типа (таблица 2). Эти четыре типа отражают региональную тектонику и эвстатические колебания уровня моря. Указанные процессы связаны с изменениями в глобальном климате, магнетизме, биоте, в циркуляции воды в океанах, в углеродных, кислородных, стронциевых и других циклах.

В уфимском, казанском и татарском мегациклах востока Русской плиты проявляются циклы и 5 порядков, к которым относятся циклы Миланковича, выражающиеся в климатических изменениях, индуцируемых вариациями орбитальных параметров Земли: эксцентриситета Земли (форма земной орбиты) E, наклона земной оси O и прецессии земной оси P. Эти параметры имеют следующие периоды: E~100 тыс. лет и 400 тыс. лет; O~41 тыс. лет, и P~21 тыс. лет. Орбитальные сигналы накладываются друг на друга, в результате чего интенсивности отдельных сигналов изменяются со временем и широтой района исследований.

Цикличность (включая цикличность Миланковича) выявляется в осадочных комплексах мелководных палеобассейнов путем исследования мощностей литотипов, вариаций в них карбонатности, песчанистости, глинистости, изотопных соотношений, магнитных минералов и других параметров, в том числе, путем спектрального анализа (раздел 3.2). Большинство стратиграфических записей состоят из примерно синусоидальных осцилляций, поэтому используется упомянутая группа функций и Фурье-анализ. В данной работе также использован один из адаптивных методов спектрального анализа с повышенной разрешенностью - метод максимальной энтропии (МЭМ).

Этот метод эффективен для не очень длинных рядов данных и позволяет определять гармоники, период которых сравним с длиной ряда.

В разделе 3.3 – фрактальный анализ, рассмотрена теория фракталов и ее методическое значение при изучении стратиграфической записи. Впервые прямое сравнение стратиграфической записи с фракталом прозвучало в знаменитой работе Бенуа Мандельброта в 1967 году. Позднее было показано, что перерывы, несогласия, диастемы доминируют на протяжении всего геологического времени, а эпохи седиментации составляют лишь его малую часть – фрактальную пыль с размерностью меньше 1 (R.E.Plotnick, 1986). Эти представления стали теоретическим обобщением эмпирических результатов P.M.Sadler (1981), который показал, что перерывы существуют в пределах всей геологической шкалы и во всех разрезах. Чем больше рассматриваемый временной интервал, тем больше в нем перерывов и тем они продолжительнее. Позднее в работе (G.Korvin, 1992) было предложено, что фрактальная модель канторовых множеств может описать статистическое распределение стратиграфических перерывов. Описанные представления были развиты в данной работе и использованы для описания пермской стратиграфической записи на примере пермских отложений Волжско-Камского региона. Для конструирования фрактальной модели стратиграфической записи необходимо иметь следующие данные: оценки скоростей осадконакопления для различных интервалов осреднения (циклов) и величину временного разрешения стратиграфической записи. Фрактальную размерность стратиграфической записи можно оценить путем построения билогарифмической зависимости средних скоростей осадконакопления от длительности временных интервалов, для которых эти осреднения произведены. Получив по данному графику значение показателя степени А, можно определить значение фрактальной размерности D=А+1. Затем можно оценить полноту стратиграфической записи по формуле:

где t – время разрешения, T – временной интервал разреза, A – коэффициент прямой в билогарифмическом масштабе.

В работе также используется понятие локальной фрактальной размерности для корреляции разрезов на основе диаграмм ГК, вычисляемой через показатель Херста (H): D=2-H.

Показатель Херста оказывается информативной характеристикой, позволяющей диагностиH ( x, z ) ровать реальные изохроны осадконакопления: H z ( x, z ) = В разделе 3.4 – изотопный анализ, проведен обзор по таким инструментам изотопногеохимического анализа как изотопные отношения углерода, кислорода и стронция в карбонатных породах.

Изотопы углерода фракционируют в ходе неорганических реакций обмена и при фотосинтезе в зеленых растениях. Доминантным механизмом, определяющим общий уровень 13С, является фотосинтетическое превращение углекислого газа в органический углерод, как в зоне фотосинтеза в океане, так и на суше. В процессе фотосинтеза фитопланктон избирательно поглощает преимущественно углекислоту с легким изотопом С. В результате вертикального переноса и последующего разложения остатков отмерших организмов на дне происходит высвобождение изотопно легкой углекислоты. Таким образом, карбонаты скелетных остатков, обитавших в фотической зоне, могут обогащаться тяжелым изотопом С. Степень такого обогащения отражает интенсивность изъятия изотопно легкой углекислоты в процессе фотосинтеза, то есть интенсивность продуцирования органического вещества (Д.П. Найдин, С.И. Кияшко, 1989).

Изотопное фракционирование кислорода существенно отличается от изотопного фракционирования углерода. Главная фаза кислородного фракционирования происходит в ходе кристаллизации карбонатов, а конечное значение 18О в кристаллах карбонатов сильно зависит как от температуры, так и изотопного состава водной среды, в которой происходит кристаллизация осадка.

Изменения значений 18О в карбонатах, по мнению (W.T.Holser et al, 1995) отражают климатические вариации, связанные, прежде всего с гляциальными факторами, приводящими к тому, что в эпохи похолодания легкий кислород накапливается во льдах, а океаническая вода обогащается тяжелым изотопом. Уменьшение значений 18Овода происходит при смене ледникового периода межледниковым из-за таяния льда и обогащения морской воды легким кислородом. Такой эффект может наблюдаться и при потеплении климата без явного гляциального влияния. Испарение морской воды удаляет более легкий изотоп 16О, обогащая, таким образом, морскую воду более тяжелым изотопом О. Негляциальные эффекты могут быть ярче выражены в солоноватых водах, которые образуются в прибрежной зоне при смешивании пресных континентальных и соленых морских вод. Здесь значение 18О изменится на несколько промилле в отрицательную сторону (обогащение воды легким кислородом). Воды окраинных морей, в которых идут более интенсивные процессы испарения, будут становиться на несколько промилле «тяжелее» из-за увеличивающегося содержания тяжелого кислорода в воде.

Соотношение 87Sr/86Sr обусловлено взаимодействием двух главных источников стронция, поступающего в океан: зон выветривания силикатных минералов – так называемого «речного (тяжелого) стронция» и гидротермальных источников срединно-океанических хребтов - «ювенильного (легкого) стронция» (E.T.C. Spooner, 1976; G. Faure, 1989), поэтому это соотношение является информативным показателем связи осадочного бассейна с открытым морем.

Первичный изотопный состав карбонатов может нарушиться из-за их вторичных изменений.

Степень сохранности (измененности) карбонатов оценивалась по определенным критериям. При