Тепловое поле Донбасса

Розглянуто результати вивчення теплового потоку Донбасу. Визначено аномалії різної природи, проведено їх інтерпретацію. Побудовано теплову модель кори та верхньої мантії. Використано електричні термометри власної конструкції. Показано, що технологія буріння (без циркуляції промивальної рідини) та не...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Геофизический журнал
Date:2015
Main Authors: Гордиенко, В.В., Гордиенко, И.В., Завгородняя, О.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2015
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103736
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Тепловое поле Донбасса / В.В. Гордиенко, И.В. Гордиенко, О.В. Завгородняя // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 3-23. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860226338547302400
author Гордиенко, В.В.
Гордиенко, И.В.
Завгородняя, О.В.
author_facet Гордиенко, В.В.
Гордиенко, И.В.
Завгородняя, О.В.
citation_txt Тепловое поле Донбасса / В.В. Гордиенко, И.В. Гордиенко, О.В. Завгородняя // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 3-23. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Геофизический журнал
description Розглянуто результати вивчення теплового потоку Донбасу. Визначено аномалії різної природи, проведено їх інтерпретацію. Побудовано теплову модель кори та верхньої мантії. Використано електричні термометри власної конструкції. Показано, що технологія буріння (без циркуляції промивальної рідини) та невеликий час проходки свердловин призводили до дуже швидкого відстою. Вже через кілька годин після завершення буріння протягом кількох діб спостерігалися незмінні температури вибою. Більшість визначень теплового потоку виконано за результатами вимірів температури вибою стандартними каротажними термометрами у процесі геофізичних випробувань свердловин. Як правило, відстой свердловин становив від кількох годин до кількох діб. Інструментальну похибку такої операції оцінено у перші десяті частки градуса. Головна похибка явно пов'язана зі спотвореннями температури.
 За отриманими даними можна будувати карти теплового потоку та температури надр у масштабах 1:2 500 000-1:5 000 000. Наведено детальніші побудови для території Донбасу, де щільність сітки значно вища за середню по Україні. Інформацію про тепловий потік та глибинні температури доповнено картами геотермальних ресурсів території Донбасу. We estimate results of the study of deep heat flow of Donbas. Anomalies of different nature have been distinguished. Their interpretation has been conducted. The thermal model of the crust and upper mantle has been plotted. Self-constructed electrical thermometers have been applied. It was also shown, that the used drilling technology (without washing fluid circulation) and the short time of drilling provided a very short borehole "rest". Already in several hours after finishing drilling stable bottom borehole T were observed during several 24h terms. The main part of heat flow determinations were made by using the results of the borehole bottom Т measurements made by standard logging thermometers in the geophysical borehole logging. As a rule, the boreholes "rest" was from several hours to several days. Instrumental errors of this operation were repeatedly estimated and made the first tenth of a degree centigrade. The main error is clearly due to Т distortions. The data collected generally enable plotting heat flow HF and interior temperature maps scaled at 1:2 500 000 - 1:5 000 000. More detailed maps of the Donbas territory where the network density is well above the average one of the Ukraine have also been shown. The HF and deep temperature data are supplemented with the geothermal resource maps of the Donbas.
first_indexed 2025-12-07T18:20:28Z
format Article
fulltext Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 3 Введение. Донбасс — наиболее изученный в геотермическом отношении регион Украи- ны. Здесь установлено около 6 000 единичных значений глубинного теплового потока Земли (ТП) в отдельных скважинах, сгруппирован- ных примерно в 2700 пунктах на территории, ограниченной краевыми разломами, грани- цей с Россией и довольно условной линией, отделяющей западную часть Донбасса от со- седней Днепровско-Донецкой впадины (ДДВ). Соответствующая библиография, отражаю- щая результаты многолетних исследований, приведена в работах [Гордиенко и др., 2002; 2004а,б; Карта..., 2002а,б]. Тем не менее в регио- не остаются неизученными или малоизучен- ными фрагменты вне шахтных полей, где ко- личество буровых скважин и, соответственно, определений ТП, минимальны. Особенно это касается краевых частей Донбасса, где могут располагаться тепловые аномалии, важные для понимания природы молодых и современных глубинных процессов. Нерешенными оста- ются некоторые задачи интерпретации рас- пределения ТП, в частности согласование его с новыми данными сейсмологии (профиль ГСЗ DOBRE), увязки тепловых моделей тектоно- сферы со скоростными, геоэлектрическими, УДК 551. 24 Тепловое поле Донбасса © В. В. Гордиенко, И. В. Гордиенко, О. В. Завгородняя, 2015 Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина Поступила 30 апреля 2014 г. представлено членом редколлегии в. п. Коболевым Розглянуто результати вивчення теплового потоку Донбасу. Визначено аномалії різної природи, проведено їх інтерпретацію. Побудовано теплову модель кори та верхньої мантії. Використано електричні термометри власної конструкції. Показано, що технологія буріння (без циркуляції промивальної рідини) та невеликий час проходки свердловин призводили до дуже швидкого відстою. Вже через кілька годин після завершення буріння протягом кількох діб спостерігалися незмінні температури вибою. Більшість визначень теплового потоку вико- нано за результатами вимірів температури вибою стандартними каротажними термометрами у процесі геофізичних випробувань свердловин. Як правило, відстой свердловин становив від кількох годин до кількох діб. Інструментальну похибку такої операції оцінено у перші десяті частки градуса. Головна похибка явно пов’язана зі спотвореннями температури. За отриманими даними можна будувати карти теплового потоку та температури надр у масштабах 1:2 500 000—1:5 000 000. Наведено детальніші побудови для території Донбасу, де щільність сітки значно вища за середню по Україні. Інформацію про тепловий потік та глибинні температури доповнено картами геотермальних ресурсів території Донбасу. Ключові слова: тепловий потік, глибинні температурі, теплова модель тектоносфери. плотностными. Все это стимулировало авторов к проведению нового этапа исследований те- плового поля Донбасса. Новые определения ТП. Разработка новой методики расчета ТП по результатам измере- ний температур (Т) в скважинах (пробу ренных на площадях поисков и разведки углеводо- родов) при испытании предположительно про- дуктивных пластов позволила внести некото- рые дополнения в геотермическую изучен- ность территории региона. На его периферии располагаются небольшие месторождения газа, поэтому здесь может быть получена соответствующая информация. Измерения темпера тур в основном выполнены организа- циями Министерства геологии УССР в 70—80-е годы ХХ в. На температурных данных по окраинам Донбасса можно рассмотреть методическую задачу, для которой материал, использован- ный в работах по другим районам, неприго- ден, так как в них не испытывались горизонты со значительными залежами газа. Именно их вскрытие при испытаниях может привести за счет дроссельного эффекта к заметному по- нижению температуры, созданию аномалии, отличающей величину измеряемого параметра в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 4 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 от естественной. В рассматриваемом регионе можно сравнить температуры, полученные при испытаниях газоносных пластов с водо- носными и (привлекая материал по некоторым частям ДДВ) нефтеносными на тех же глуби- нах в пределах одних разведочных площадей. Результаты такого сравнения в виде ΔТ=Тг–Тв, н (где Тг — температура в газоносном пласте, Тв, н — в водоносном или нефтеносном пласте) приведены на рис. 1. Очевидно, что распределение довольно симметрично, а типичные расхождения со- ставляют только 2,5 °С, что заметно меньше, чем величины, обусловленные обычными по- грешностями забойных температур, использо- ванных ранее для расчета ТП [Карта..., 2002б]. Таким образом, применение нового варианта методики обещает не только отсутствие допол- нительных искажений естественных темпера- тур, но и их более точное определение. К анализу привлечены данные по восточ- ной части Рябухинcко-Северо-Голубовского, Кальмиус-Бахмутскому и Спиваковскому га- зоносным районам [Атлас…, 1998 и др.]. Измерения температуры выполнены на зна- чительных глубинах от 1000 до 4200 м, только в трех скважинах они проведены на сравнитель- но небольшой глубине (360—720 м), причем в двух случаях результаты дополнены и бо- лее глубинными данными в тех же скважинах (таблица). Точность измерений температур и их значения позволяют использовать единое значение температуры поверхности (10 °С) при расчете среднего значения геотермического градиента без увеличения погрешности ТП. В значения температуры были внесены по- правки, учитывающие влияние палеоклимата и инфильтрации [Карта..., 2002б] (на уровне оценок, так как систематическая информация о перетоках подземных вод на район исследо- ваний не распространяется). Теплопроводность пород в изученных ча- стях Донбасса (1,7—1,85 Вт/м °С) заметно не отличается от установленных в ДДВ на со- поставимых глубинах и мало изменяется от площади к площади. Ранее [Карта..., 2002б] авторы пришли к вы- воду о том, что при измерениях каротажными термометрами в невыстоявшихся скважинах неизбежны значительные различия темпера- тур от равновесных (не нарушенных тепловы- ми эффектами бурения), и шансы установить температуру с приемлемой погрешностью для расчета геотермического градиента даже на большой базе (более 500 м) сохраняются толь- ко при использовании забойных температур. Однако замена бурового раствора в скважи- не при испытаниях пластовой водой может способствовать определению температур, не искаженных процессом бурения. Это пред- положение проверено на многих примерах, подтвердивших его справедливость. Подобные данные можно привести и по Донбассу (рис. 2). Использованы сведения из работы [Атлас…, 1998], документация по сква- жинам и результаты измерений температур при испытаниях скважин на нескольких место- рождениях углеводородов, отобранных из-за неоднократности таких измерений в разных интервалах глубин в разных скважинах на каждом из месторождений. Очевидно, что отклонения от осредняющих прямых составляют в среднем около 1 °С. Это существенно меньше, чем при подобных по- строениях с использованием забойных темпе- ратур (3 °С). Причем надо учесть, что измерения проводились в различных скважинах на каждом месторождении, забойные температуры отби- рались в одной скважине. Линейное изменение температур с глубиной указывает и на выдер- жанность теплопроводности пород в больших интервалах глубин. Сравнение результатов расчета ТП в повторно изученных скважинах по рассматриваемым температурам приводит к выводу о согласовании их с вычисленными по забойным (см. ниже). Незначительное различие (в среднем — превышение новых значений над старыми на 3 мВт/м2) может указывать на про- грев продуктивных горизонтов сравнительно недавно внедрившимися флюидами. Для расчета геотермического градиента ис- пользовались температуры поверхности (на Рис. 1. Гистограмма различий в температурах в газонос- ных, водоносных или нефтеносных пластах. Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 5 глубине около 0,2 м), частично полученные на метеостанциях как среднемноголетние, ча- стично установленные по результатам экс- траполяции к поверхности термограмм в не- глубоких скважинах, проведенной с учетом изменяющейся теплопроводности. Всего новые значения глубинного ТП уста- новлены в 37 скважинах, распределенных по всему региону, но все же преимущественно тяготеющих к довольно узкой полосе вблизи северного краевого разлома. Эти результаты заметно не дополняют кар- тину распределения ТП в целом, но делают (вместе со сведениями по окраине склона Во- ронежского массива) достоверным факт су- ществования краевой аномалии (или цепочки аномалий) теплового потока. Существенным кажется и подтверждение аномалии ТП у само- Рис. 2. Результаты определений температур в скважинах нескольких месторождений северной окраины Донбасса и прилегающей части склона Воронежского массива. в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 6 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 го края Приазовского массива, вблизи южного краевого разлома. Распределение ТП в Донбассе. При постро- ении карты ТП региона были учтены и данные по прилегающим частям соседних тектониче- ских единиц. Для оценки ошибки проведено сопостав- ление вновь полученных значений ТП между собой, а также вновь полученных и рассчи- танных ранее. Имеются в виду те же сква- жины или находящиеся на расстоянии до 2 км. В 68 % случаев (170 скв.) разница между значениями составила 2—3 мВт/м2, часть ее явно вызвана реальными пространственны- ми изменениями ТП, т. е. собственно погреш- ность можно оценить величиной порядка 1—1,5 мВт/м2. Она сокращается и в резуль- тате использования осредненных значений в пунктах, вынесенных на карту. Такая точ- ность определений ТП позволяет проводить изолинии через 5 мВт/м2 (рис. 3). Этими изо- линиями выделены многие локальные детали внутренней структуры положительных ано- малий. В целом можно считать, что для боль- шей части бассейна построена карта масшта- ба 1:200 000. Т а б л и ц а . Результаты новых определений глубинного теплового потока в Донбассе Скважина Координаты Н, м Т, °С Градиент, °С/100 м Теплопро- водность, Вт/м·°С ТП, мВт/м2 с. ш. в. д. Южно-Граковская 6 49°39’ 37°00’ 2160 70 2,90 1,8 53 Южно-Граковская 6 49°39’ 37°00’ 4100 118 2,65 1,85 49 Южно-Граковская 7 49°41’ 37°01’ 4210 126 2,80 1,85 51 Боревская 4 49°38’ 36°59’ 1870 61 2,90 1,8 52 Шевченковская 1 49°39’ 37°07’ 3070 108 3,25 1,8 59 Шевченковская 1 49°39’ 37°07’ 3400 121 3,30 1,8 60 Шевченковская 2 49°40’ 37°08’ 3410 124 3,40 1,8 61 Шевченковская 3 49°41’ 37°09’ 3440 126 3,45 1,8 62 Искровская 1 49°37’ 37°16’ 3440 95 2,50 1,8 46 Искровская 1 49°37’ 37°16’ 3540 119 3,15 1,8 56 Искровская 2 49°36’ 37°15’ 3610 121 3,10 1,8 56 Искровская 2 49°36’ 37°15’ 3740 125 3,10 1,8 56 Искровская 15 49°35’ 37°14’ 3920 135 3,20 1,8 58 Вишневская 3 49°31’ 37°06’ 2950 91 2,80 1,8 51 Вишневская 8 49°30’ 37°07’ 3010 94 2,85 1,8 51 Максальская 2 49°20’ 37°24’ 1810 75 3,75 1,8 68 Максальская 2 49°20’ 37°24’ 3430 123 3,35 1,8 60 Миролюбовская 2 49°09’ 36°29’ 2420 73 2,70 1,8 49 Краснопоповская100 49°04’ 38°10’ 360 24 4,45 1,7 75 Краснопоповская100 49°04’ 38°10’ 1010 30 2,30 1,7 39 Краснопоповская 7 49°05’ 38°11’ 440 24 3,65 1,7 62 Краснопоповская 7 49°05’ 38°11’ 1010 30 2,30 1,7 39 Краснопоповская 3 49°03’ 38°11’ 1140 42 3,05 1,7 52 Краснопоповская 8 49°04’ 38°11’ 2410 92 3,50 1,8 63 Дробышевская 3 49°00’ 37°52’ 3490 100 2,6 1,8 47 Боровская 7 48°52’ 38°38’ 1470 48 2,80 1,8 50 Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 7 Скважина Координаты Н, м Т, °С Градиент, °С/100 м Теплопро- водность, Вт/м·°С ТП, мВт/м2 с. ш. в. д. Боровская 2 48°53’ 38°38’ 1730 60 3,05 1,8 52 Муратовская 1 48°48’ 38°42’ 2570 90 3,20 1,8 57 Муратовская 2 48°48’ 38°44’ 2610 92 3,20 1,8 57 Капитановская 1 48°48’ 38°52’ 1330 49 3,20 1,7 57 Капитановская 2 48°49’ 38°52’ 1470 53 3,15 1,8 56 Капитановская 2 48°49’ 38°52’ 1570 57 3,20 1,8 57 Капитановская 6 48°50’ 38°50’ 1580 58 3,20 1,8 57 Капитановская 7 48°48’ 38°48’ 1770 62 3,10 1,8 56 Капитановская 4 48°49’ 38°51’ 2110 64 2,70 1,8 49 Лобачевская 1 48°42’ 39°03’ 1350 44 2,75 1,8 49 Лобачевская 1 48°42’ 39°03’ 1620 51 2,70 1,8 49 Лобачевская 6 48°44’ 38°03’ 1880 54 2,50 1,8 45 Лобачевская 2 48°45’ 39°04’ 1910 55 2,50 1,8 45 Лобачевская 3 48°45’ 39°02’ 1960 57 2,55 1,8 46 Вергунская 1 48°39’ 39°17’ 1190 41 2,85 1,8 51 Вергунская 1 48°39’ 39°17’ 1680 54 2,80 1,8 50 Вергунская 8 48°38’ 39°16’ 1760 55 2,75 1,8 49 Вергунская 2 48°37’ 39°15’ 1740 56 2,80 1,8 51 Вергунская 6 48°38’ 39°17’ 1780 56 2,75 1,8 50 Вергунская 6 48°38’ 39°17’ 1810 58 2,80 1,8 51 Вергунская 7 48°37’ 39°16’ 2010 63 2,80 1,8 51 Лаврентьевская 1 48°00’ 37°08’ 720 33 3,60 1,7 61 Представляется весьма вероятным, что на большей части Донбасса распространены фоновые значения, не связанные с недавним активным глубинным тепломассопереносом вещества тектоносферы. Проведенные ранее оценки влияния на современный ТП таких про- цессов в герцинское и киммерийское время по- казали, что соответствующая положительная аномалия составляет всего 2,5—3 мВт/м2 в цен- тре бассейна и сокращается до 1—1,5 мВт/м2 на периферии [Гордиенко и др., 2002]. Построив гистограмму распределения пло- щадей распространения ТП разного уровня для Донбасса (рис. 4), обнаружили, что уровень ТП несколько ниже 50 мВт/м2 (с учетом естествен- ных вариаций, связанных с погрешностью определений) распространен на 2/3 террито- рии. Соответствующий массив данных легко отделяется от второго массива, представляю- щего собой характеристику аномальных ТП. Достоверные отрицательные аномалии ТП в регионе не выделяются: отличия от фона на не- больших территориях с пониженными значе- ниями не превышают утроенной погрешности. Значительная часть фоновых значений ТП приурочена к Кальмиус-Торецкой и Бахмут- ской котловинам и площади севернее Наголь- ного кряжа. У северного и южного краевых разломов протягиваются пятна высоких зна- чений ТП, максимальные значения достига- ются в пределах Главной антиклинали и на юго-западном Донбассе (в последнем случае — частично в районе с маломощным осадоч- ным слоем). Нередко аномалии протягиваются вдоль основных складок, их длина коррелирует с протяженностью структур, а ширина часто меньше ширины последних. Поэтому, скорее, аномалии связаны не с пликативными обра- зованиями, а с разломами. Тем более, что наи- в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 8 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 более интенсивные возмущения приурочены к районам пересечения разломов. Например, в юго-западной части региона увеличением ТП отмечено пересечение Михайловско- Рис. 3. Карта глубинного теплового потока Донбасса: 1 — границы бассейна, 2 — профили ГСЗ (D — профиль DOBRE). Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 9 Юрьевского и Волновахско-Чернухинского разломов (рис. 3, 5). Следует отметить, что у разломов отмеча- ется не только повышение, но иногда и по- нижение значений ТП (например, в северной части Еланчик-Ровеньковского разлома). Это указывает, скорее всего, на циркуляционную природу аномалий, подключение конвектив- ной теплопередачи. В то же время очевидно, что повышения ТП не фиксируют полностью по ширине и длине обширные зоны разло- мов, активизированные на последнем этапе развития Донбасса [Верховцев, 2006]. Таким образом, аномалии ТП могут быть связаны с движением подземных вод по относительно узким проницаемым зонам в верхней части земной коры, часто в пределах нарушений ее сплошности, возникших геологически давно. Именно здесь современная активизация про- является особенно сильно. Наиболее впечатляющее возмущение связа- но с Осевым разломом Главной антиклинали. Оно продолжается (и даже усиливается) на Дружковско-Константиновской антиклина- ли, повторяя смещение структуры и сопрово- ждающего ее разлома. На локальном уровне в последнем случае можно проследить три отдельных возмущения, связанных, вероятно, с циркуляцией вод в проницаемых зонах. На переходе к Нагольному кряжу аномалия не- сколько «расплывается» (возможно, это след- ствие недостаточной изученности), что соот- ветствует разделению структуры на несколько более локальных с изменением простирания по сравнению с Главной антиклиналью. На юго-западном борту бассейна четко прояви- лись аномалии значительной интенсивности, простирающиеся с северо-запада на юго- Рис. 4. Гистограмма распределения площадей распро- странения фоновых (1) и аномальных (2) значений ТП на Донбассе. Рис. 5. Схема разломов южной части Донбасса: 1 — зоны разломов, активизированных в последние 3 млн лет [Верховцев, 2006], 2 — крупные (глубинные) древние разломы [Карта…, 1988 и др.] (1 — Осевой Главной антиклинали (1а — разветвле- ние в районе Нагольного кряжа), 2 — Мушкетовско-Персиановский, 3 — Южно-Донбасский, 4 — Северно-Донбасский, 5 — Михайловско-Юрьевский, 6 — Криворожско-Павловский, 7 — Краматорский, 8 — Волновахско-Чернухинский, 9 — Еланчик-Ровеньковский). в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 10 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Рис. 6. Распределение температур на глубине 500 м в Донбассе, °С. восток над Южно-Донбасским, Криворожско- Павловским и Михайловско-Юрьевским раз- ломами. Сближенные аномалии создают пре- вышения фона и на пространстве между ними. Перечисленные положительные аномалии ТП в основном имеют простирание, согласное со структурами Донбасса. Заметное меридио- нальное возмущение, протягивающееся при- мерно вдоль 38°30’ от Главной антиклинали до северного краевого разлома, выпадает из этой Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 11 закономерности. Можно предположить, что оно связано с недавно активизированными разломами, не соответствующими известным древним нарушениям (см. рис. 5). Глубинные температуры и геоэнергети- ческие ресурсы Донбасса. На большей части региона глубины скважин редко превышают 1 км. Вычисленные значения ТП дают воз- можность определить температуры на глубине 0,5—1 км, полезные для практического при- менения (в частности, в качестве одного из параметров, которые необходимо учитывать при отборе метана из неработающих шахт). Процедура расчета проста: необходимо определить геотермический градиент (деле- нием ТП на теплопроводность), вычислить перепад температур для соответствующего интервала глубин, прибавить температуру по- верхности и исключить температурную по- правку за палеоклимат. Распределение тепло- проводности в интервалах 0—500 и 0—1000 м определялось в виде средних эффективных значений для нескольких районов Донбасса по сведениям о возрасте и литологии пройденных скважинами пород. В основном полученные значения колебались около 2 Вт/м °С, в райо- нах распространения сравнительно рыхлых осадков опускались до 1,7 Вт/м °С, в местах выхода на рассматриваемые глубины литифи- цированных пород нижнего карбона (преиму- щественно в центральной части Главной анти- клинали) достигали 2,4—2,6 Вт/м °С в случае преобладания в разрезе песчаников. Вариации температур на глубине 500 м не очень значительны (в пределах 15—30 °С), от- части они сглажены изменениями теплопро- водности (рис. 6). Региональные изменения составляют не более половины приведенного диапазона. Температура на глубине 1000 м (рис. 7) значительно увеличивается по сравнению с 500 м, находится в интервале 25—55 °С. На этой глубине преобладает влияние ТП на рас- четную температуру, максимальные значения сконцентрированы на Главной антиклинали. Приведенное выше предположение о приро- де находящегося здесь возмущения ТП (как о результате циркуляции подземных вод) не со- гласуется с использованным методом расчета температуры, но на рассматриваемой срав- нительно небольшой глубине отличие незна- чительно. При переходе к большим глубинам эту проблему следует рассмотреть специально. Температуры для больших глубин удобно изучать вместе с данными о геоэнергетических ресурсах региона. Соответствующие сведения неоднократно публиковались (здесь они будут лишь незначительно дополнены и детализо- ваны) [Гордиенко и др., 2002, 2004а,б и др.]. Поэтому ограничимся кратким изложением сути дела. Речь идет об исследованиях регионального характера, направленных на оценку плотности ресурсов (W) для циркуляционной технологии извлечения тепла из сухих пород [Дядькин и др., 1991 и др.]. Для нее и будут проведены рас- четы, которые при необходимости могут быть пересмотрены с учетом требований других технологий. Вычисления ведутся для реальных сейчас глубин бурения (до 6 км), учитываются требования разных потребителей энергии к температуре входа теплоносителя в теплооб- менник и его сброса. Рассматриваемые пер- спективные ресурсы категории С3 учитывают еще и экономическую целесообразность ис- пользования земного тепла, что выражается в ограничении их плотностями, при которых получаемая энергия может конкурировать с поставляемой традиционными источниками [Tester, Herzog, 1990 и др.]. При этом будем ориентироваться на ресурсы, пригодные для использования в теплоснабжении, т. е. для до- бычи из геоциркуляционной системы (ГЦС) воды при температуре более 60°С и сброса ее при 20°С. Это максимальные ресурсы, так как для обогрева и получения электроэнергии (пара для турбин) необходимы 100—40 °С и 210—70 °С соответственно. Рентабельность получения геотермальной энергии ГЦС для наиболее совершенных технологий достига- ется при уровне геотермического градиента 2,0—2,5 °С/100 м. Расчет плотности тепловых ресурсов вы- полняется следующим образом [Дядькин и др., 1991 и др.]: ( )з вW NKC Т Н Н= ∆ − , где N — норма расхода топлива на товарное теп ло — 0,34·10–10 т у.т./Дж (т у.т. — тонна услов- ного топлива: в 1 т нефти — 1,47 т у.т., в 1 т каменного угля — 0,9 т у.т., в 1 т конденсата — 1,54 т у.т., в 1000 м3 газа — 1,25 т у.т., в 1 т бурого угля — 0,49 т у.т.), К — коэффициент температурного извлечения (принят в работе [Дядькин и др., 1991] равным 0,125), С — объ- емная теплоемкость пород, ее можно считать практически постоянной — 2,5·106 Дж/м3 °С, ΔТ — разница в температуре теплоносите- ля и сброса — 40 °С, Нз — глубина забоя, на в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 12 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 которой определена нижняя Т, в м, Нв — глу- бина, температура на которой обеспечивает среднюю температуру (Тср= 60 °С) в интерва- ле Нз–Нв, определяется как (Тз–Тт)/0,5γ, где Тт  — температура теплоносителя, γ — средний геотермический градиент в интервале. Со- ответственно W=0,000425(Нз–Нв) в т у.т./м2. При высокой температуре в нижней точ- ке оказывается, что верхняя точка попадает выше поверхности. Для недопущения этой ситуации для температуры в верхней точке вводится ограничение: она должна быть на 10 °С выше температуры сбрасываемой воды, т. е. 30 °С. В этом случае надо учесть разницу между Тср добываемой воды и стандартным значением 60 °С. Она создает дополнительный Рис. 7. Распределение температур на глубине 1000 м в Донбассе, °С. Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 13 множитель в формуле расчета W, составляю- щий (Тср–20)/40. Таким образом, задача сводится к расчету температуры для данного региона (распре- деления теплопроводности с глубиной) при разных реальных для региона ТП и после- дующему расчету W для глубины бурения 6000 м (проведены и вычисления для 4500 и 3000 м). Учет конкретной температуры по- верхности в месте расчета глубинных тем- ператур дает вариации значений W до ±4 % (например, при замене 80 °С на 6—10 °С). Поэтому, в принципе, можно в каждом ре- гионе ввести одно значение Т0 при расчете температуры по ТП. Очевидно, что коэффициент температурно- го извлечения — не константа. Его необходимо определить, ориентируясь на реальные усло- вия рассматриваемой процедуры. Он опреде- лен для градиентов: 0,02—0,108, 0,03—0,127, 0,04—0,136, 0,05—0,141 °С/м. Для вычислений использовались сред- ние значения теплопроводности (2; 2,1; 2,3; 2,5 Вт/м °С) в интервалах глубин 0—1,5, 1,5—3, 3—4,5 и 4,5—6 км соответственно. При оценке значений ТП, мВт/м2 (44, 48,56,64,73,81,90), при которых достигается определенный уровень W6, т у.т./м2 (2,5, 3, 4, 5, 6, 7, 8) соответственно, 44—2,5, 48—3, 56—4, 64—5, 73—6, 81—7, 90—8 т у.т./м2 убеждаемся, что плотности ресурсов, подходящие катего- рии С3, довольно широко распространены. Представляет некоторый интерес сравне- ние значений W с данными по месторождениям углеводородов. Рассмотрим плотность запасов энергии, которую можно получить в виде то- варного тепла из крупного нефтяного место- рождения в ДДВ (без учета затрат энергии на транспортировку нефти и при КПД преобразо- вания в полезное тепло 0,8). Примем такие ре- альные параметры месторождения: мощность продуктивного слоя — 180 м, пористость пород коллектора — 0,15, коэффициент заполнения пор — 0,75, коэффициент извлекаемости — 0,37, плотность нефти — 0,8 т/м3. Получаем 8,8 т у.т./м2. На мелком месторождении (которое в условиях Украины считается рентабельным эксплуатировать при наличии готовых сква- жин) плотность запасов на порядок меньше. Таким образом, даже по концентрации гео- термальная энергия сопоставима в некоторых районах с сосредоточенной в традиционно ис- пользуемых месторождениях углеводородов. Площади распространения ее несопоставимо больше (рис. 8). Приведенный выше расчет К предусматри- вает «одноразовую» методику добычи тепла. В этом смысле значение W6 представляется резко заниженным. Понятно, что извлечение энер- гии можно продолжать и после истощения ее источника на глубине 5,5—6 км (не исключено, что без бурения дополнительных скважин). Возможным представляется получение энер- гии с глубины не менее 2,5—3 км при геотер- Рис. 8. Распределение геоэнергетических ресурсов и температур на глубине 2—6 км на территории Донбасса. в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 14 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 мическом градиенте 2 °С/100 м. Проведя соот- ветствующие вычисления для других глубин подошвы эксплуатируемого интервала (Н, км), получим значения W=(0,427Н–0,07)(γ–2,7+0,3Н). Например, при типичном в ДДВ тепловом по- токе 45 мВт/м2 «полное» значение W увели- чится по сравнению с W6 в 4,5 раза. Отметим, кстати, что, используя данные по регионам, для которых характерны различные значения W6, легко получить (для диапазона W6=2,5–10) W3=0,53(W6–1,5) и W4,5=0,78(W6–0,8). В основе расчета глубинных температур для оценки геоэнергетических ресурсов лежит представление о кондуктивном теплопереносе в рассматриваемом интервале глубин. Выше было приведено предположение о наличии в верхней коре под интенсивными аномалиями ТП значительного конвективного теплопере- носа. Ниже вопрос рассматривается подроб- нее, здесь лишь отметим, что при включении этого компонента W и T при тех же ТП заметно увеличатся. Соответствующие оценки сделаны для наиболее прогретых (сравнительно мало распространенных в Донбассе) районов с W6 6 и 8 т у.т./м2. Результаты (приведены в скобках в таблице на рис. 8) свидетельствуют о суще- ственном увеличении плотности геоэнерге- тических ресурсов и глубинных температур. В рассмотренных районах возможно полу- чение теплоносителя с Т ≥210 °С, т. е. производ- ство пара, пригодного для выработки электро- энергии без догрева извлекаемой воды. При- чем такая процедура осуществима не только на максимальной глубине, но и на 3 и 4,5 км. Это уникальная ситуация для территории Украины, подобная существует еще только на части За- карпатского прогиба. Наиболее перспективным представляется (если исключить сжигание угля как экологиче- ски неприемлемое) комплексное использова- ние на электростанциях в Донбассе нагретого флюида и угольного метана. Его запасы в за- крытых шахтах составляют около 90 млрд м3, во всех шахтах — около 800 млрд м3 [Азаров и др., 2009]. На всей площади бассейна суммарные ре- сурсы категории W4 составляют около 0,1 трлн т у.т., что в 2,5 раза больше всех запасов горючих ископаемых (они более чем на 95 % состоят из каменного угля Донбасса) Украины [Гордиенко и др., 2002]. Напомним, что при использовании тепла не только на максимальной, но и на про- межуточных глубинах ресурсы увеличиваются в несколько раз. Интерпретация распределения ТП. Анали- зируя выявленное распределение глубинно- го ТП в Донбассе, необходимо прежде всего объяснить его фоновое значение, установить аномалии и провести их интерпретацию, по- строить тепловую модель тектоносферы. Первый этап представляет собой расчет мантийной и коровой составляющих ТП. Ман- тийная составляющая представляет собой следствие всей известной тепловой истории мантии [Гордиенко, 2012 и др.], включающей эффекты действия радиогенных источников тепла, кондуктивного охлаждения через по- верхность, выноса тепла периодическими ак- тами мантийной адвекции. При нормальной теплогенерации (ТГ) в фанерозое на значи- Рис. 9. Связь ТГ со скоростью распространения продольных сейсмических волн для песчано-глинистых осадков и ме- тапелитов (а) и пород консолидированной коры (б). Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 15 тельном временном расстоянии от последнего акта адвекции она равна примерно 20 мВт/м2. Для Донбасса нет оснований пересматривать эту величину. Коровая составляющая обусловлена значе- ниями ТГ пород в этом интервале глубин, для ее определения можно использовать решение прямой стационарной задачи. Распределение ТГ устанавливается по скоростям распростра- нения продольных сейсмических волн, полу- ченным в виде разрезов вдоль профилей ГСЗ. В бассейне можно использовать данные по четырем профилям (см. рис. 3), пятый (XVI) относится к переходной зоне, но расчетный ТП вдоль него не отличается от остальных че- тырех (см. ниже). Виды связи ТГ и скорости распространение продольных сейсмических волн приведены на рис. 9. На скоростных разрезах вдоль профилей ГСЗ в Донбассе в их верхней части выделяет- ся слой с относительно низкими скоростями (VP=5,7÷5,9 км/с), глубина подошвы которого в центре бассейна достигает 15—20 км [Иль- ченко, Степаненко, 1998, Grad et al., 2003 и др.]. По распространенному мнению, он сложен осадками. Учитывая величину эрозионного среза в регионе [Корчемагин, Рябоштан, 1987 и др.], следует допустить исключительную мощность осадков (до 25 км). Большая их часть, веро- ятно, должна приходиться на девон (что не согласуется с известными фактами о составе и скорости накопления его пород) или гипо- тетический в регионе рифей. Однако этому противоречит герцинская тепловая история Донбасса. В период максимального региональ- ного метаморфизма основной части слоя (т. е. в герцинское время) ТП по региону в среднем достигал 70—75 мВт/м2, что видно и по данным геологических термометров (см. ниже). Таким образом, глубже 11 км (6—7 км от современной поверхности) метаморфические породы долж- ны присоединиться к консолидированной коре и стать практически неотличимыми от нее по скоростной характеристике. Оценим современные значения VP в бас- сейне на глубине 10—20 км для двух вариантов состава пород этого слоя коры: 1) породы, обра- зованные в результате метаморфизма осадоч- ных образований, 2) породы изначально были кристаллическими. В первом случае на глубине 11—25 км (герцинское время) при Т=400÷800 °С возникли образования от зеленосланцевой до амфиболитовой фаций метаморфизма пе- литового ряда. Скорости сейсмических волн для них в условиях поверхности составляют в среднем около 6 км/с. Для нормальных совре- менных температур названных глубин около Рис. 10. Теплогенерационные разрезы земной коры Дон- басса вдоль профилей ГСЗ и расчетный фоновый ТП. Цифры — теплогенерация слоев коры, мкВт/м3. в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 16 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 300 °С (т. е. для ситуации, не предусматри- вающей современной глубинной активизации Донбасса) они должны достигать 6,15 км/с. Для второго варианта можно воспользоваться ско- ростным разрезом кристаллических пород на тех же профилях ГСЗ вне Донбасса на глубине 0—10 км — в среднем 6,15 км/с, увеличив эти значения для нужных глубин до 6,2—6,3 км/с. При современной активизации рассматри- ваемый интервал глубин прогревается при- мерно на 300 °С, соответственно скорость сокращается до 0,2 км/с. Для достижения на- блюдаемого уровня необходима, скорее всего, флюидизация этой части разреза (она харак- терна для части коры над слоем частичного плавления, расположенным на глубине более 20 км) с концентрацией жидкости в первые проценты. Это объяснение скоростного раз- реза ведет к резкому понижению расчетной ТГ в рассматриваемом интервале глубин (см. рис. 9). К вычисленному мантийному и коровому эффектам добавлена незначительная величина (2±1 мВт/м2) остаточного аномального ТП, со- хранившегося от герцинских и киммерийских активных процессов (см. выше). В результате (рис. 10) получены практически постоянные по площади бассейна значения около 45 мВт/м2, близкие к установленном по эксперименталь- ным данным (см. рис. 4). Учитывая погрешности расчета фона (судя по вариациям ТГ при постоянной скорости, они составляют не менее нескольких мВт/м2) и экспериментальных данных (см. выше), будем считать достоверными аномалиями значения ТП 30—35 и 55—60 мВт/м2. Отрицательные аномалии не фиксируются, положительные логично связать с современной активизацией региона. Кроме приведенных выше соображе- ний в пользу этого мнения свидетельствуют поднятие поверхности за последние 3 млн лет [Верховцев, 2006], отрицательная мантийная гравитационная аномалия, данные геоэлектри- ки [Гордиенко и др., 2006 и др.]. Выявленные аномалии представляют со- бой возмущения интенсивностью от 10—15 до 30—40 мВт/м2, по крайней мере частично приуроченные к разломам. Аномалии такой интенсивности встречаются и во многих дру- гих зонах современной активизации, в том числе в ДДВ. Здесь они представлены очень незначительными по площади возмущениями, большая часть которых не может быть пока- зана на карте. При приближении к Донбассу их количество растет, создается впечатление объединения аномалий, в результате чего они занимают уже заметную площадь. Но единич- ные аномалии, возможно, такие же узкие, как и в ДДВ (рис. 11). В некоторых случаях можно наблюдать не только ограниченную ширину, но и сравни- тельно небольшую длину локальных аномалий, лишь в несколько раз превосходящую ширину. В ДДВ на территории аномалий пройдены глубокие скважины, они выявляют природу возмущений — инжекцию глубинных тер- мальных вод по проницаемым зонам разломов. Источник флюидов располагается на глубине несколько более 6 км. Этот уровень характерен для кровель магматических внедрений из слоя частичного плавления в средней коре периода активизации: на меньшей глубине быстро рас- тет температура солидуса пород амфиболито- вой фации метаморфизма [Гордиенко, 2012 и др.]. Такую же схему можно предположить и для Донбасса, хотя не исключено, что этапы современной активизации не совпадают. Мо- дель процесса удобно рассмотреть на приме- ре предыдущей, киммерийской, активизации фрагментов Главной антиклинали, так как в этом случае возможен ее основательный кон- троль довольно хорошо изученными послед- ствиями преобразований пород, окружающих проницаемую зону [Александров и др., 1996]. По ним установлено и наличие интрузии ким- мерийского возраста с кровлей на глубине 6—7 км. Фоновые температуры, естественно, отличаются от современных в верхней коре: тогда сравнительно недавно завершился гер- цинский геосинклинальный процесс. Второе отличие от современной ситуации — суще- ствование у поверхности малопроницаемого слоя перми. Отметим также, что в мезозое температура поверхности была на 20 °С выше современной. Следует подчеркнуть, что распределение температур между поверхностью и резервуа- ром флюида перед началом циркуляции мало различается в месте будущей ячейки и в бли- жайших окрестностях. Интенсивная конвек- ция развивается именно в зоне повышенной проницаемости. По проявлениям гидротермальной деятель- ности определена ширина и длина конвек- тивной ячейки, точнее ее восходящей ветви. Определено число Релея для процесса в по- ристой среде [Гершуни, Жуховицкий, 1972]: Ra=gαKHΔТ/νa=3,3·10–17м2·К, где g — ускорение силы тяжести, α — коэффициент температур- ного расширения флюида (для необходимых Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 17 РТ-условий — около 8·10–4 °С–1 [Справочник…, 1969; Ribando et al., 1978 и др.], К — коэффи- циент проницаемости среды, Н — мощность конвектирующего слоя (6,5 км), ΔТ — перепад температур на его границах (~375 °С), v — дина- мическая вязкость флюида (8·10–8м2/с) [Спра- вочник…, 1969; Ribando et al., 1978 и др.], а — температуропроводность среды (7·10–7м2/с). Значение К для пористости в 1 % (характерной для зоны позднего метагенеза терригенных пород Донбасса и вообще для пород, вмещаю- щих гидротермальные месторождения [Шара- пов, 1992], и океанической коры [Fehn et al., 1983 и др.]) составляет 5·10–15м2. Это значение примерно согласуется с установленным для пород Шебелинского месторождения — 3·10– 15м2 [Ромм, 1966]. Для случаев трещиновато- сти (даже микротещиноватости, заметно не увеличивающей объем пустот) К резко рас- тет. Коэффициент увеличивается и с ростом температуры [Ромм, 1966]. Э. М. Галимовым экспериментально установлено определяющее значение сотрясаемости для роста К примерно на 2—3 порядка [Галимов, 1973]. Современная сейсмичность в Донбассе плохо изучена, одна- ко не вызывает сомнений, что она, конечно, Рис. 11. Локальные аномалии ТП в Донбассе (1 — Михайловская, 2 — Константиновская) и ДДВ (3 — сводная аномалия для нескольких площадей центральной части ДДВ, 4 — Малодевицкая, 5 — Яблуновская), 6 — Никитовское рудное поле в Донбассе. Точки — экспериментальные данные, линии — расчетные. в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 18 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 была и при киммерийской активизации. Оцен- ка реального К должна быть на уровне 5·10–13м2, а значение Ra=2·105. Время оборота флюида в ячейке составит t=H2/aVRa, нахождения в вертикальной ветви (1/6 полного времени) — около 600 лет. Впро- чем, использованное выражение получено для движения всей среды, а не жидкости в порах. Поэтому лучше воспользоваться величиной критерия Нуссельта, хотя для больших чисел Релея он устанавливается ненадежно. Оценка Nu по Ra составляет 50 [Механика…, 1984]. Время пребывания флюида в восходящей вет- ви t=mH2/aNu(cρф/cρп), где m — пористость (1 %), cρф и cρп — объемные теплоемкости флюида и породы. Результат согласуется с приведенным выше — 600 лет. Расчет выполнен для условия, что через каждые 600 лет восходящая ветвь заполняется новой порцией флюида с темпе- ратурой источника около 400 °С на глубине 7 км. Аномальная температура внутри рас- сматриваемого объема изменяется во време- ни и пространстве в связи с теплоотдачей в окружающую среду и суммарным эффектом предшествующих внедрений флюида. Стаби- лизация «теплового купола» происходит через 50—70 тыс. лет. Изменение температуры внутри восходя- щей ветви шириной 2 км во времени для глуби- ны 4,5 км (примерно современная поверхность Земли) на разных расстояниях от центра объ- екта показано на рис. 12. Необходимо доказать, что в течение 60 тыс. лет можно в резервуаре на глубине около 7 км и более поддерживать Тffi400 °С, несмотря на многократно усиленный по сравнению с кондуктивным отток тепла. Расчет доказывает реальность этого временного интервала. Он основан на предположении, что под кровлей интрузии на небольшой глубине располагают- ся частично расплавленные породы (с Т=600 °С и более), протягивающиеся до глубины более 20 км. В такой конструкции неизбежна кон- векция, выносящая тепло к кровле интрузии [Механика…, 1984]. Тепла магматического резервуара, запасенного в виде перегрева, по сравнению с температурой солидуса (даже без учета скрытой теплоты плавления) достаточ- но для поддержания необходимой темпера- туры в верхней, уже закристаллизовавшейся части интрузии и флюидной конвекции. Од- нако значительное превышение расчетного времени маловероятно. Тепломассоперенос в интервале глубин под источником флюида может осуществляться и по другой схеме. В магматическом очаге на глубинах более 20 км формируются порции вещества, которые пе- риодически (с интервалами меньше 600 лет) выбрасываются в верхнюю кору, как это по- казано для Камчатки [Славина и др., 2011]. Воз- можно, что импульсы активизации нижне- и среднекорового очага магмы стимулируются вторжениями из мантии. Впрочем, такой вари- ант скорее характерен для районов активного вулканизма, а не присутствия телетермальных проявлений активизации. Таким образом, доставка необходимого количества энергии в конвектирующий объ- ем возможна, но она приведет к аномально быстрому охлаждению и кристаллизации ин- трузии. Процессы оказываются геологически синхронными и мгновенными. При изменении ширины восходящего тече- ния на указанной выше глубине в центре купо- ла получим расчетные Т=390÷270 °С. Последнее значение температуры относится к минималь- ной ширине проницаемой зоны в первые сотни метров. Именно его можно сравнить с экс- периментальным в узкой зоне центральной части Главной антиклинали (Ольховатской) и Нагольного кряжа (рис. 13). В выходящих на современную земную поверхность породах узких антиклинальных складок с наклонными по простиранию замками можно проследить ката- и метагенетические изменения на разных глубинах в пределах «термальных куполов» и за их границами во время постгерцинской активизации. Естественно, используются и данные по керну скважин, пробуренных на со- ответствующих участках антиклиналей в связи с изучением золотосульфидного оруденения. Рис. 12. Аномальная температура в «термальном куполе» в зависимости от времени действия конвекции и расстояния от центра. Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 19 Фиксируемые этими геотермометрами темпе- ратуры практически полностью совпадают с расчетными, установленными по приведенной выше схеме. Применение разработанной схемы расчета для объяснения современных аномалий ТП позволяет получить согласующиеся с наблю- денными величины практически при тех же па- раметрах конвективной системы (см. рис. 11). Формирующиеся в этом случае температуры (на глубине до 6 км) представлены на рис. 8. Практически аналогичные (по времени фор- мирования стабильного термального купола, аномальным температурам и проницаемостям разломных зон) модели формирования получе- ны у разломов центральной части Украинского щита, Рейнского грабена и Галапагосского рифта [Fehn et al., 1983 и др.; Гордиенко, 2000; Bachler et al., 2002]. Представляется вполне вероятным, что природа аномалий ТП Донбасса не до кон- ца изучена. В районах распространения об- ширных по площади аномалий со значениями ТП=55÷60 мВт/м2 часто создается впечатление, что более интенсивные узкие аномалии разви- ты на этом повышенном фоне. Возможно, здесь тепловая волна от среднекоровых источников, связанных с современной активизацией, уже достигла поверхности. Это характеризует воз- раст образования корового этажа процесса — более 4 млн лет. Отметим, что такой воз- раст вполне реалистичен, для него рассчитана приведенная на рис. 14 тепловая модель коры и верхних горизонтов мантии региона. Перед ее построением необходимо было от- ветить на вопрос о размерах части территории Донбасса, охваченной современной активиза- цией. Возможны два варианта ответа: 1) в се- верной части бассейна активизация затронула только незначительную площадь (в основном у северного краевого разлома), 2) активизация происходит во всем бассейне, но в указанной северной части коровый этаж возник сравни- тельно поздно и его тепловой эффект не достиг поверхности. В качестве предпочтительного рассмотрен первый, при этом учтено распро- странение максимальных поднятий за послед- ние 3 млн лет в южной части бассейна и при- уроченность к ней максимальных мантийных гравитационных аномалий [Гордиенко и др., 2006]. Существенную определенность должны внести данные глубинной геоэлектрики. Они получены почти исключительно вдоль профиля ГСЗ XI, для него и построена тепловая модель, хотя это наименее изученная часть Донбасса (см. рис. 3). Стартовая тепловая модель, существовав- шая более 4 млн лет назад перед началом со- временной активизации, представляла собой платформенное распределение температуры в тектоносфере, несколько осложненное сле- дами тепловых аномалий обоих знаков, воз- никших в герцинское и киммерийское время. Над подошвой верхней мантии выделяется довольно мощный слой незначительного ча- стичного плавления. Вещество его верхней ча- сти (интервал глубин 350—400 км) адвективно перемещается на глубину 200—250 км, затем на 50—100 км. Из возникающего здесь слоя частичного плавления вещество выносится в Рис. 13. Сравнение расчетных распределений температуры (1) с данными геотермометров по золотосульфидным ме- сторождениям Главной антиклинали Донбасса [Александров и др., 1996](а) и Нагольного кряжа [Курило, 1980](б); 2, 3 — данные геотермометров (2 — вне термальных куполов, 3 — в термальных куполах). в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 20 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 кору, занимая в ней на глубине 40—30 км по- ловину объема, на 20—30 км — четверть. На его место опускается относительно холодное эклогитизированное основное вещество коры, на глубине более 20 км формируется зона ча- стичного плавления. В последней в течение примерно 0,2 млн лет происходит внутрикоро- вая адвекция: возникают кислые или средние интрузии с верхними кромками на глубине около 6—7 км и флюидная циркуляция в осла- бленных дайкообразных структурах над ними, вплоть до поверхности. Результаты моделиро- вания иллюстрирует рис. 14. В верхней мантии температура солидуса на глубине 50 км принята равной 1200 °С, на 100 км — 1370 °С [Гордиенко, 2012 и др.]. В коре она составляет 600 °С для пород амфиболито- вой фации метаморфизма, которым соответ- ствует скорость распространения продольных сейсмических волн менее 6,8 км/с. Глубина приведенной на рис. 14 скоростной границы в районе активизации должна быть признана максимальной, так как прогрев понижает ско- рость. Тем не менее мощность зоны частичного плавления невелика, не исключено, что она в настоящее время почти не проявлена. Все же над ней должна сохраниться зона флюидизации, дополненная аналогичным об- разованием над кровлей интрузий в верхнюю кору. Последние локальны в отличие от рас- положенных ниже. С локальными зонами флю- идизации (циркуляции по ослабленным зонам разломов) связана неполнота модели. Она по- лучена как результат решения кондуктивной задачи и не может отражать последствия вод- ной циркуляции, в частности наблюдаемую величину ТП в аномалиях и распределение температур на небольших глубинах под ними. Реальные значения температур показаны на рис. 8. Варьируя интенсивность конвекции и ширину ее восходящих ветвей, можно по- лучить весь спектр наблюдаемых аномальных ТП, но по имеющимся данным о параметрах циркуляционных систем нельзя предсказать такие аномалии. Один из вариантов дополне- ния кондуктивной модели показан на врезке рис. 14. Неполнота модели обусловлена также ее ограничением территорией Донбасса. Вполне вероятна современная активизация Приазов- ского массива практически рядом с бассейном. В этом случае температуры в коре и верхней мантии юго-западной части модели должны быть выше. Заключение. Новый этап изучения теплово- го поля Донбасса, результаты которого пред- ставлены в статье, позволил: − дополнить имевшуюся информацию о распределении ТП в регионе, преимуще- ственно на северной, в меньшей степени изученной окраине; − построить более подробную карту ТП, Рис. 14. Распределение температур в коре и верхних горизонтах мантии вдоль профиля ГСЗ XI. На врезке — аномаль- ные температуры, дополняющие модель, связанные с одним из вариантов конвекцией в проницаемой зоне разлома: 1 — изотермы, °С, 2 — скоростная граница 6,8 км/с по данным с профилей ГСЗ XI и D, 3 — зоны частичного плавления. Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 21 точнее определить фон и выделить ме- нее значительные по площади аномалии; − обосновать происхождение фонового ТП, распространенного на большей ча- сти территории Донбасса; − построить карты распределений темпе- ратур на глубинах 0,5 и 1 км, имеющие прикладное значение; − изучить с большей детальностью гео- энергетические ресурсы региона, вы- делить территории, где возможно по- лучение теплоносителя с температурой, допускающей получение пара для произ- водства электроэнергии; − рассмотреть природу различных анома- лий ТП кондуктивной и конвективной природы, обосновать аномальный рост проницаемости, необходимый для вы- носа тепла с интенсивностью, обеспе- чивающей возникновение наблюдаемых аномалий ТП; − построить тепловую модель коры и верхних горизонтов мантии Донбасса, согласующуюся с распределением ТП в бассейне и допускающую независи- мый контроль геолого-геофизическими методами. Именно такая проверка даст возможность выбрать наиболее вероятные варианты приро- ды теплового поля Донбасса (структуры тепло- массопереноса) и конструкции отражающей его тепловой модели тектоносферы. азаров н. я., анциферов а. в., Голубев а. а., Ка­ нин в. а., Майборода а. а., Крижановская л. н. Ресурсы угольных газов Украины и перспективы их добычи на совре мен ном этапе. наукові праці УкрнДМІ нан України. 2009. № 5 (частина I). С. 352—372. александров а. л., Гордиенко в. в., Деревская е. и., Земсков Г. а., иванов а. п., панов б. с., Шумлян­ ский в. а., Эпов о. Г. Глубинное строение, эволю- ция флюидно-магматических систем и перспек- тивы эндогенной золотоносности юго-восточной части Украинского Донбасса. Киев: ИФИ УНА, 1996. 74 с. атлас родовищ нафти і газу України: в 6 т. Під ред. М. М. Іванюти. Львів: Центр Європи, 1998. верховцев в. Новітні вертикальні рухи земної кори території України, їх взаємовідношення з лінійними та кільцевими структурами. В кн.: енергетика Землі, її геолого­екологічні прояви, науково­практичне використання. Київ: Вид. КНУ, 2006. С. 129—137. Галимов Э. М. Изотопы углерода в нефтегазовой геологии. Москва: Недра, 1973. 384 c. Гершуни Г. З., Жуховицкий е. М. Конвективная не- устойчивость сжимаемой жидкости. Москва: Наука, 1972. 392 с. Гордиенко и. в. Интерпретация Кировоградской аномалии теплового потока. Геофиз. журн. 2000. Т. 22. № 3. С. 82—89. Гордиенко в. в. Процессы в тектоносфере Земли. (Адвекционно-полиморфная гипотеза). Saar- brücken: LAP, 2012. 256 c. Гордиенко в. в., Гордиенко и. в., Завгородняя о. в. Список литературы Геоэнергетические ресурсы Донбасса. Докл. нан Украины. 2004а. № 4. С. 103—105. Гордиенко в. в., Гордиенко и. в., Завгородняя о. в., Ковачикова с., логвинов и. М., пек Й., Тара­ сов в. н., Усенко о. в. Днепровско-Донецкая впа- дина (геофизика, глубинные процессы). Киев: Корвін-пресс, 2006. 142 с. Гордиенко в. в., Гордиенко и. в., Завгородняя о. в., логвинов и. М., Тарасов в. н., Усенко о. в. Гео- термический атлас Украины. Киев: Изд. ИГФ НАНУ, 2004б. 60 с. Гордиенко в. в., Гордиенко и. в., Завгородняя о. в., Усенко о. в. Тепловое поле территории Украины. Киев: Знание, 2002. 170 с. Дядькин Ю. Д., богуславский Э. и., вайнблат а. б., остроумова и. М., Троицкая е. б., Моисеен­ ко У. и. Геотермальные ресурсы СССР. В кн.: Геотермические модели геологических структур. Санкт-Петербург: Изд. ВСЕГЕИ, 1991. С. 168— 176. ильченко Т. в., степаненко в. М. Скоростная модель земной коры и верхов мантии Донбасса и ее гео- логическая интерпретация. Геофиз. журн. 1998. Т. 20. № 2. C. 95—105. Карта геотермальних ресурсів України. 1:2 500 000. Укладачі: В. В. Гордієнко, І. В. Гордієнко, О. В. Завгородня. Київ, 2002а. Карта глибинного теплового потоку України. 1:2 500 000. Укладачі: В. В. Гордієнко, І. В. Гордієнко, О. В. Завгородня, О. В. Усенко. Київ, 2002б. Карта разрывных нарушений и основных зон ли- неаментов юго-запада СССР. 1:1 000 000. Ред. Н. А. Крылов. Москва: Мингео СССР, 1988. 4 л. в. в. ГорДиенКо, и. в. ГорДиенКо, о. в. ЗавГороДняя 22 Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 Корчемагин в. а., рябоштан Ю. с. Тектоника и поля напряжений Донбасса. В кн.: поля напряжений и деформаций в земной коре. Киев: Наук. думка, 1987. С. 164—170. Курило М. в. Условия формирования полиметал- лической минерализации Нагольного кряжа в Донбассе: Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. Киев, 1980. 25 с. Механика деформируемого твердого тела. Итоги науки и техники. Ред. А. И. Михайлов. Т. 17. Москва: ВИНИТИ, 1984. 154 с. ромм е. с. Фильтрационные свойства трещиноватых пород. Мoсква: Недра, 1966. 271 с. славина л. б., пивоварова н. б., сенюков с. л. Скоростное строение коры и верхней мантии в районе северной группы вулканов Камчатки. Геофизические процессы и биосфера. 2011. № 3. С. 38—50. справочник физических констант горных пород. Ред. С. Кларк. Москва: Мир, 1969. 544 с. Шарапов в. н. Развитие эндогенных флюидных рудообразующих систем. Новосибирск: Наука, 1992. 144 с. Bachler D., Kohl T., Rybach L., 2002. Characteristics of upper crust convective flow in the Rhine graben: ap- plication to the Gamma fault at Landau (Germany). In: The Earth’s thermal field and related research methods. Moskow: RUPF, P. 10—11. Fehn K., Green R., Von Herzen L., Cathles M., 1983. Numerical models for the hydrothermal field at the Galapagos Spreading Center. J. Geophys. Res. 88(2), 1033—1048. Grad M., Gryn D., Guterch A., Janik T., Keller R., Lang R., Lyngsie S. B., Omelchenko V. D., Starostenko V. I., Ste­ phenson R. A., Stovba S. M., Thybo H., Tolkunov A., 2003. DOBREfraction’99 — velocity model of the crust and upper mantle beneath the Donbas Foldbelt (east Ukraine). Tectonophysics 371, 81—110. Ribando R., Torrance K., Turcotte D., 1978. Numerical models hydro thermalcirculation in the oceanic crust. J. Geophys. Res. 81(17), 3007—3017. Tester J., Herzog H., 1990. Economic Predictions for Heat Mining: A Review and Analysis of Hot Dry Rock (HDR) Geothermal Energy Technology. Mas- sachusetts Institute of Technology Energy Labora- tory report 90-001. 180 p. Thermal field of the Donbas © V. V. Gordienko, I. V. Gordienko, O. V. Zavgorodnyaya, 2015 We estimate results of the study of deep heat flow of Donbas. Anomalies of different nature have been distinguished. Their interpretation has been conducted. The thermal model of the crust and upper mantle has been plotted. Self-constructed electrical thermometers have been applied. It was also shown, that the used drilling technology (without washing fluid circulation) and the short time of drilling provided a very short borehole «rest». Already in several hours after finishing drill- ing stable bottom borehole T were observed during several 24h terms. The main part of heat flow determinations were made by using the results of the borehole bottom Т measurements made by standard logging thermometers in the geophysical borehole logging. As a rule, the boreholes «rest» was from several hours to several days. Instrumental errors of this operation were repeatedly esti- mated and made the first tenth of a degree centigrade. The main error is clearly due to Т distortions. The data collected generally enable plotting heat flow HF and interior temperature maps scaled at 1:2 500 000 — 1:5 000 000. More detailed maps of the Donbas territory where the network density is well above the average one of the Ukraine have also been shown. The HF and deep temperature data are supplemented with the geothermal resource maps of the Donbas. Key words: heat flow, deep temperatures, thermal model of tectonosphere. References Azarov N. Ya., Antsiferov A. V., Golubev A. A., Kanin V. A., Mayboroda A. A., Kryzhanovskaya L. N., 2009. Ukraine coal gas resources and prospects of their production at the present stage. Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine (5, part I), 352—372 (in Russian). Aleksandrov A. L., Gordienko V. V., Derevskaya E. I., Zemskov G. A., Ivanov A. P., Panov B. S., Shumlyan­ skiy V. A., Epov O. G., 1996. Deep structure, the evo- lution of fluid-magmatic systems and perspectives of endogenous gold mineralization south-eastern part of the Ukrainian Donbas. Kiev: IFI UNA, 74 p. (in Russian). Atlas Ukrainian oil and gas deposits, 1998. Vol. I—VI. Ed. M. M. Іvanyuta. Lvіv: Tsentr Evropy (in English and Ukrainian). Тепловое поле Донбасса Геофизический журнал № 6, Т. 37, 2015 23 Verkhovtsev V., 2006. The newest vertical crustal move- ments in Ukraine, their relationship with linear and circular structures. In: Power of the Earth, its geological and ecological implications, scientific and practical applying. Kyiv: KNU, P. 129—137 (in Ukrainian). Galimov E. M., 1973. Izotopy hydrocarbons in oil-gas geology. Moscow: Nedra, 384 c. (in Russian). Gershuni G. Z., Zhukhovitskiy E. M., 1972. Convective instability of a compressible fluid. Moscow: Nauka, 392 p. (in Russian). Gordienko I. V., 2000. Intertretation of Kirovograd heat flow anomaly. Geofizicheskiy zhurnal 22(3), 82—89 (in Russian). Gordienko V. V., 2012. Processes in the Earth tectono- sphere (advection-polymorphic hypothesis). Saar- brücken: LAP, 256 p. (in Russian). Gordienko V. V., Gordienko I. V., Zavgorodnyaya O. V., 2004a. Geothermal resourses of Donbassa. Doklady NAN Ukrainy (4), 103—105 (in Russian). Gordienko V. V., Gordienko I. V., Zavgorodnyaya O. V., Kovachikova S., Logvinov I. M., Pek J., Tarasov V. N., Usenko O. V., 2006. Dniper-Donets basin (geophys- ics, deep processes). Kiev: Korvіn-press, 142 p. (in Russian). Gordienko V. V., Gordienko I. V., Zavgorodnyaya O. V., Logvinov I. M., Tarasov V. N., Usenko O. V., 2004b. Geothermal atlas of Ukraine. Kiev: IGF NANU, 60 p. (in English and Russian). Gordienko V.V., Gordienko I. V., Zavgorodnyaya O. V., Usenko O. V., 2002. Heat pole of Ukrainian territory. Kiev: Znanie, 170 p. (in Russian). Dyadkin Yu. D., Boguslavskiy E. I., Vaynblat A. B., Os­ troumova I. M., Troitskaya E. B., Mouseenko U. I., 1991. Geothermal resources of SU. In: Geother­ mal models of geological structures. St. Petersburg: VSEGEI, P. 168—176 (in Russian). Ilchenko T. V., Stepanenko V. M., 1998. Velosity model of earth’s crust and upper mantle Donbas and its geological interpretation. Geofizicheskiy zhurnal 20(2), 95—105 (in Russian). Map of geothermal recourses Ukraine, 2002a. 1:2 500 000. Mapmaker V. V. Gordіenko, І. V. Gor- dі enko, O. V. Zavgorodnya. Kyiv (in Ukrainian). Map of deep heat flow Ukraine. 1:2 500 000. Mapmaker V. V. Gordіenko, І. V. Gordіenko, O. V. Zavgorodnya, O. V. Usenko. Kyiv 2002b. (in Ukranian). Map of faults and main lineament zones south-west SU, 1988. 1:1 000 000. Ed. N. A. Krylov. Moscow: Publ. of the Ministry of Geology of the USSR, 4 p. (in Russian). Korchemagin V. A., Ryaboshtan Yu. S., 1987. Tectonics and stress field of Donbass. Stress and strain fields in the earth’s crust. Kiev: Naukova Dumka, P. 164—170 (in Russian). Kurilo M. V., 1980. Conditions of formation of polyme- tallic mineralization Nagolny ridge in the Donbas: Abstract of dissertation of the candidate of geolo- gical-mineralogical sciences. Kiev, 25 p. (in Russian). Mechanics of deformable solids. Results of science and technology, 1984. Ed. A. I. Mikhaylov. Vol. 17. Moscow: VINITI, 154 p. (in Russian). Romm E. S., 1966. Filtration properties of fractured rock. Moscow: Nedra, 271 p. (in Russian). Slavina L. B., Pivovarova N. B., Senyukov S. L., 2011. Velocity structure of the crust and upper mantle in the vicinity of the northern group of volcanoes in Kamchatka. Geofizicheskie protsesy i biosfera (3), 38—50 (in Russian). Handbook of Physical Constants, 1969. Ed. S. Clark. Moscow: Mir, 544 p. (in Russian). Sharapov V. N., 1992. Development of endogenous fluid forming systems. Novosibirsk: Nauka, 144 p. (in Russian). Bachler D., Kohl T., Rybach L., 2002. Characteristics of upper crust convective flow in the Rhine graben: ap- plication to the Gamma fault at Landau (Germany). In: The Earth’s thermal field and related research methods. Moskow: RUPF, P. 10—11. Fehn K., Green R., Von Herzen L., Cathles M., 1983. Numerical models for the hydrothermal field at the Galapagos Spreading Center. J. Geophys. Res. 88(2), 1033—1048. Grad M., Gryn D., Guterch A., Janik T., Keller R., Lang R., Lyngsie S. B., Omelchenko V. D., Starostenko V. I., Ste­ phenson R. A., Stovba S. M., Thybo H., Tolkunov A., 2003. DOBREfraction’99 — velocity model of the crust and upper mantle beneath the Donbas Foldbelt (east Ukraine). Tectonophysics 371, 81—110. Ribando R., Torrance K., Turcotte D., 1978. Numerical models hydro thermalcirculation in the oceanic crust. J. Geophys. Res. 81(17), 3007—3017. Tester J., Herzog H., 1990. Economic Predictions for Heat Mining: A Review and Analysis of Hot Dry Rock (HDR) Geothermal Energy Technology. Mas- sachusetts Institute of Technology Energy Labora- tory report 90-001. 180 p.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103736
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0203-3100
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:20:28Z
publishDate 2015
publisher Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
record_format dspace
spelling Гордиенко, В.В.
Гордиенко, И.В.
Завгородняя, О.В.
2016-06-23T13:23:53Z
2016-06-23T13:23:53Z
2015
Тепловое поле Донбасса / В.В. Гордиенко, И.В. Гордиенко, О.В. Завгородняя // Геофизический журнал. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 3-23. — Бібліогр.: 29 назв. — рос.
0203-3100
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103736
551.24
Розглянуто результати вивчення теплового потоку Донбасу. Визначено аномалії різної природи, проведено їх інтерпретацію. Побудовано теплову модель кори та верхньої мантії. Використано електричні термометри власної конструкції. Показано, що технологія буріння (без циркуляції промивальної рідини) та невеликий час проходки свердловин призводили до дуже швидкого відстою. Вже через кілька годин після завершення буріння протягом кількох діб спостерігалися незмінні температури вибою. Більшість визначень теплового потоку виконано за результатами вимірів температури вибою стандартними каротажними термометрами у процесі геофізичних випробувань свердловин. Як правило, відстой свердловин становив від кількох годин до кількох діб. Інструментальну похибку такої операції оцінено у перші десяті частки градуса. Головна похибка явно пов'язана зі спотвореннями температури.
 За отриманими даними можна будувати карти теплового потоку та температури надр у масштабах 1:2 500 000-1:5 000 000. Наведено детальніші побудови для території Донбасу, де щільність сітки значно вища за середню по Україні. Інформацію про тепловий потік та глибинні температури доповнено картами геотермальних ресурсів території Донбасу.
We estimate results of the study of deep heat flow of Donbas. Anomalies of different nature have been distinguished. Their interpretation has been conducted. The thermal model of the crust and upper mantle has been plotted. Self-constructed electrical thermometers have been applied. It was also shown, that the used drilling technology (without washing fluid circulation) and the short time of drilling provided a very short borehole "rest". Already in several hours after finishing drilling stable bottom borehole T were observed during several 24h terms. The main part of heat flow determinations were made by using the results of the borehole bottom Т measurements made by standard logging thermometers in the geophysical borehole logging. As a rule, the boreholes "rest" was from several hours to several days. Instrumental errors of this operation were repeatedly estimated and made the first tenth of a degree centigrade. The main error is clearly due to Т distortions. The data collected generally enable plotting heat flow HF and interior temperature maps scaled at 1:2 500 000 - 1:5 000 000. More detailed maps of the Donbas territory where the network density is well above the average one of the Ukraine have also been shown. The HF and deep temperature data are supplemented with the geothermal resource maps of the Donbas.
ru
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
Геофизический журнал
Тепловое поле Донбасса
Thermal field of the Donbas
Article
published earlier
spellingShingle Тепловое поле Донбасса
Гордиенко, В.В.
Гордиенко, И.В.
Завгородняя, О.В.
title Тепловое поле Донбасса
title_alt Thermal field of the Donbas
title_full Тепловое поле Донбасса
title_fullStr Тепловое поле Донбасса
title_full_unstemmed Тепловое поле Донбасса
title_short Тепловое поле Донбасса
title_sort тепловое поле донбасса
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103736
work_keys_str_mv AT gordienkovv teplovoepoledonbassa
AT gordienkoiv teplovoepoledonbassa
AT zavgorodnââov teplovoepoledonbassa
AT gordienkovv thermalfieldofthedonbas
AT gordienkoiv thermalfieldofthedonbas
AT zavgorodnââov thermalfieldofthedonbas