Подземный феномен прикаспийской впадины.
А.А. Свиточ, доктор географических наук.
В низменных заволжских и зауральских степях Северного Прикаспия путешественников издавна поражали одиноко стоящие высокие холмы, возвышавшиеся над плоской равниной на десятки метров. Местные жители называли их горами – Индерские, Большое и Малое Богдо, Сасай, Улахан и др. Среди летнего зноя сухой степи они открываются для глаз внезапно, как мираж, среди окружающей низменной местности.
Гора Большое Богдо, возвышающаяся над оз. Баскунчак на 168 м, представляет собой крыло солевого купола.
Немногие знают, что эти горы – верхушки огромных массивов соли, глубоко скрытых в недрах Прикаспийской впадины. Прикаспий – не единственное место на Земле, где на поверхность выходят соляные горы. Их немало в районе Персидского залива, Северо-Германской впадины, на побережье Мексиканского залива, в Южной Австралии, Габоне, Канадском арктическом архипелаге. В нашей стране такие структуры известны на востоке Украины, в Прикарпатье, Западной Белоруссии, Южном Таджикистане, в бассейнах Хатанги и Вилюя. Однако проявление их не столь грандиозно, как в Прикаспийской впадине, в недрах которой находится целая страна погребенных соляных гор различной высоты, конфигурации и протяженности – от небольших соляных холмов до огромных многокилометровых массивов соли.
Соляные структуры Прикаспия представляют собой настоящий феномен. Действительно, в них собрано гигантское количество соли – около 1500 тыс. млрд. т. Это уникальное месторождение каменной соли, боратов и других видов ценного химического сырья, которое может длительное время обеспечивать потребности нашей страны (в настоящее время в мире добывают 150 млн. т. каменной соли). С соляными структурами Прикаспия связаны нефтяные месторождения, располагающиеся в породах, перекрывающих соляные массивы. Высокие изолирующие свойства каменной соли определяют большую вероятность существования под соляными слоями крупных газоконденсатных и нефтяных месторождений.
В Прикаспийской впадине соляные купола были обнаружены в 20-е годы нашего столетия русскими геологами Н.И. Тихоновичем и К.И. Богдановичем, искавшими в Эмбенском районе нефть. С тех пор они неизменно привлекают интерес исследователей, а образование куполов служит предметом активной научной полемики. Полученный за последние годы в Прикаспии обширный материал буровых и геофизических исследований позволил составить представление о структуре и условиях формирования этого феномена.
В настоящее время в Прикаспийской впадине известно более 1300 куполов, занимающих около 35% ее площади, в среднем на 1000 км2 приходится 3-4 структуры, строение которых разнообразно. Наиболее часто встречаются купола, состоящие из соляного ядра (штока) и надсолевого поднятия. Их структурные антиподы – мульды – впадины, образовавшиеся в результате оттока соли соляного пласта в ядра куполов. В штоках изначально горизонтальные слои соли превратились в вертикальные складки, сжатые с боков.
Характер пластических деформаций соли в ядре купола. Первоначально горизонтальные слои соли в результате ее течения превращаются в вертикальные складки. Зарисовка в шахте Соль-Илецкого купола.
Верхушки большинства соляных куполов Прикаспийской впадины располагаются на глубине нескольких сотен метров. Если мы мысленно спроецируем их на поверхность Земли, то их распределение будет бессистемным, но уже на глубине около километра значительная часть штоков, соединяясь соляными перешейками в гряды, принимает определенную ориентацию. Если бы удалось приподнять слой надсолевых осадков и заглянуть еще глубже, то мы бы убедились, что начиная с глубины 2 – 3 км большая часть соляных ядер, соединяясь перемычками соли, образует сложную структуру с преобладанием трех-четырехсторонних многоугольников. Именно такую картину дает сейсмическое зондирование. Правда, эта структура в значительной мере искажена влиянием рельефа подсолевого ложа, в особенности крупных уступов, образуемых разломами геологического фундамента впадины.
Сняв полностью покров надсолевых пород, мы бы увидели, что по краям Прикаспийской впадины преобладают узкие, сильно вытянутые гряды соли высотой 2 – 6 км, разделенные глубокими ложбинами. К центру впадины конфигурация и ориентация структур становится иными. Среди соляных гор преобладают структуры типа наковальни или цилиндрические, реже грибовидные и кольцевые. Данные сейсморазведки позволяют предполагать, что некоторые купола имеют каплевидную форму, при этом «капля» (соляной шток) иногда отрывается от своего основания. В центральных районах Прикаспия, в значительной части межкупольных зон соль, по-видимому, полностью выжата в смежные купола и надсолевые отложения прямо ложатся на породы подсолевого ложа. Штоки здесь достигают 9 км, т.е. превышают высочайшую вершину Земли – Эверест. Некоторые из куполов имеют гигантские размеры. Например, площадь Челкарского соляного массива равна 2700 км2. Он образован при слиянии по крайней мере семи отдельных штоков и содержит 25 тыс. км3 соли.
Если представить всю каменную соль Прикаспийской впадины в виде единого пласта, то мощность его окажется огромной – от 0,5 км по краям впадины до нескольких километров в центральной части. Наибольшего значения (более 4 км) толщина пласта, по-видимому, достигала в долине р. Урал, в районе Челкарского соляного массива, а также в Астраханско-Волгоградском Поволжье и западной части междуречья Урала и Волги, там, где находятся соляные гиганты – купола Енотаевский и Солено-Займищенский.
Накопление огромного количества соли в Северном Прикаспии происходило в кунгурский век пермского периода, приблизительно 300 миллионов лет назад. В геологическом смысле оно шло весьма быстро – в течение нескольких десятков-сотен тысяч лет в огромном солеродном водоеме. У геологов нет единого мнения относительно характера этого бассейна и источников поступления в него соли. Одни исследователи считают, что это был водоем, имевший глубину, соизмеримую с мощностью первичного пласта соли. Другие полагают, что бассейн был мелководным, типа залива Кара-Богаз-Гол на Каспии, где в условиях жаркого сухого климата происходит активное осаждение соли.
Подсчитано, что накопление соли, заключенной в куполах Прикаспия, необходимо испарить в относительно короткое время 1/10 объема Мирового океана при современной солености его вод. Эти, а также другие затруднения при объяснении происхождения соли Прикаспийской впадины из перенасыщенных морских вод заставили некоторых исследователей обратиться к гипотезе поступления соли по разрывам и трещинам земной коры из мантии и ее накопления в глубоководных бассейнах. Однако и эти представления не совсем согласуются с имеющимся фактическим материалом. В частности, в пластах соли обнаруживают ископаемую пыльцу и споры растений – находки явно неглубинного происхождения. Известно также, что соляные пласты в центральных районах впадины по направлению к ее краям переходят в типично прибрежно-лагунные осадки. Это также указывает на относительно небольшие глубины древнего солеродного бассейна.
Развитие солевой структуры
Изучение геолого-геофизического строения, состава, мощности и физических свойств пород Прикаспийской впадины позволяют представить развитие ее солевого комплекса.
Зарождение ядер соляных куполов Прикаспия началось около 250 миллионов лет назад, не позднее конца пермского периода. К этому моменту уже имелись различия в первичной мощности соляного пласта, мощности и плотности перекрывающих пород и уровня подсолевого ложа. Наиболее подходящие условия для пластического течения соли и образования ядер куполов, по-видимому, существовали в опущенных районах впадины, где толщина соли была наибольшей, и на нее давили мощные породы, нагрузка которых составляла порядка 250 кг/см2. Температура у верхней границы солевого пласта (кровли) была около 50º, а перепад давлений между поднятыми и опущенными участками этой границы, по-видимому, мог достигать 15-20 кг/см2. Этого оказалось достаточно, чтобы соль могла перемещаться в ядре купола.
Схема развития соляного купола. Зарождение куполов Прикаспийской впадины началось около 250 млн. лет назад. К этому времени возникли различия в толщине первичного соляного пласта, мощности и плотности перекрывающих его пород, неровности ложа солевого пласта. Уже 230 млн. лет назад на всей территории впадины существовали купола, выходящие на поверхность. 70 миллионов лет назад они были перекрыты толщей морских осадков и располагались значительно ниже поверхности. Подсолевое ложе к этому времени в центральных районах впадины опустилось с глубины 6 км до 8,5-9 км. 5 млн. лет назад соляные купола вновь вышли на поверхность. В настоящее время кровля большинства куполов центральных районов впадины находится на глубине 0,5 км, а подошва на глубине 9 км.
К концу позднепермской эпохи на всей территории впадины, по-видимому, уже существовали многочисленные купола, которые, как правило, поднимались на поверхность. Следовательно, соляные ядра к этому времени уже прорвали мощную толщу надсолевых пород. Можно предположить, что кровля подсолевого ложа в это время располагалась на глубине около 6 км.
В середине юрского периода, около 170 млн. лет назад, вершины большинства соляных куполов были существенно ниже поверхности, а подсолевое ложе к этому времени в результате прогибания впадины опустилось до 8 км.
В мезозойскую эру и палеогеновый период своды большинства куполов были перекрыты мощной толщей морских и континентальных пород и соль нигде не выходила на поверхность. Подсолевое ложе в это время продолжало опускаться.
Около 5 миллионов лет назад, в предакчагыльскую эпоху, в ядрах многих куполов Прикаспия соль находилась вблизи поверхности, а кровля подсолевого ложа – на глубине около 9 км. Тогда же, по-видимому, из значительной части мульд соль была полностью выжата, а надсолевые отложения легли непосредственно на подсолевое ложе.
Таким образом, начиная с момента зарождения куполов кровля соляных штоков находилась вблизи поверхности, лишь в отдельные эпохи опускаясь на 1 км. Подсолевое ложе впадины, судя по суммарной мощности надсолевых пород (более 5 км), за это время опустилось также на 5 км (с 4 до 9 км). Отсюда видно, что, несмотря на относительно непрерывный рост соляных ядер куполов, их кровля не претерпевала резких гипсометрических колебаний. Следовательно,, скорость роста куполов примерно равнялась скорости опускания подсолевого ложа впадины, и вся соль, выжатая из межкупольных зон, наращивала соляные ядра снизу, как бы компенсируя опускание впадины.
Судя по различию в мощностях и характере залегания надсолевых отложений, данным о внутренней структуре соляных ядер и положению окружающих их прогибов, купола развивались по-разному. Но при всем многообразии этих процессов у соляных структур Прикаспийской впадины отмечаются эпохи относительно ускоренного развития. На всей площади впадины достаточно уверенно устанавливаются этапы усиленного роста куполов – около 230 млн. лет назад (конец поздней перми) и около 5 млн. лет назад (предакчагыльская эпоха), во время которых соль в большинстве куполов выходила на поверхность, где активно разрушалась и размывалась. В последний геологический период, охватывающий миллион лет, продолжается рост большинства куполов впадины. Это устанавливается как по изгибу речных русел, подъему речных террас и рельефа местности, так и по сокращению мощности четвертичных отложений. Установлены и скорости современных движений куполов. Так, например, крыло купола Баскунчак, по данным повторных геодезических нивелировок, поднимается со скоростью 0,5 мм/год, а купол Эльтон – около 1,3 мм/год. В среднем же скорость современного роста купола составляет доли миллиметра в год.
Скопления каменной соли в Прикаспийской впадине. В плане соляные купола имеют различную конфигурацию. По краям впадины преобладают узкие сильно вытянутые гряды, совпадающие с тектоническими уступами подсолевого ложа. В центральных районах купола в основном имеют неправильную форму. Купола-гиганты: Челкарский (I), Енотаевский (II), Солено-Займищенский (III) – приурочены к участкам максимальной мощности первоначального пласта соли (более 4 км).
Причины образования куполов
В настоящее время из множества гипотез формирования соляных куполов у исследователей пользуются успехом две: тектоническая и гравитационная. Теоретическим обоснованием первой, более популярной гипотезы является признание существования течения соли в результате общих, либо местных поднятий подсолевого ложа и давления надсолевых пород. При вертикальных движениях геологического фундамента впадины в толщах надсолевых и подсолевых пород возникают напряжения, приводящие к выдавливанию соли в зоны, расположенные между приподнятыми и опущенными участками подсолевого ложа. Но эти основные положения сторонников гипотезы тектонических движений при формировании куполов Прикаспия не согласуются с фактами. Известно, что Прикаспийская впадина является областью длительных опусканий, охватывающих не менее 90% всего времени ее существования. В остальные эпохи тектонический режим впадины был, по-видимому, относительно спокойным, а поднятие дна впадины относительно ее бортов вообще сомнительно. Даже если оно и существовало, то и тогда при вертикальных подъемах подсолевого ложа соль не испытывала бы никаких дополнительных напряжений из-за отсутствия давления сверху. Все давления снизу соль передавала бы надсолевым породам, залегающим в межкупольных пространствах, а на участках полностью отжатой соли – надсолевым породам, лежащим прямо на породах подсолевого ложа.
Влияние перемещения земной коры на формирование соляных куполов несомненно, но его, по-видимому, надо связывать не с гипотетическими эпохами поднятия подсолевого ложа Прикаспийской впадины, а с реально отмечавшимися этапами ускоренного опускания. Тогда за счет накопления дополнительной мощности надсолевых пород в некоторых зонах возникали новые нагрузки на соль, стимулировавшие ее выжимание в соляные штоки куполов.
По гравитационной гипотезе, образование куполов Прикаспийской впадины связывается с изостатической и конвективной неустойчивостями. Для формирования куполов под действием гравитационных сил необходимы высокая пластичность соли и разные давления на различных участках соляного пласта. Конвективная неустойчивость в земных недрах возникает при большей плотности лежащих выше отложений. При этом более легкие нижние породы всплывают вверх.
Фрагмент схемы сейсмо-геологического профиля Восточного Прикаспия. Среди солевых массивов преобладают структуры типа наковальни. В некоторых межкупольных зонах соль полностью выжата в купола, и надсолевые отложения ложатся на породы подсолевого ложа.
Такие условия в недрах Прикаспийской впадины существовали еще в конце пермского периода. Каменная соль, слагающая купола, как правило, отличается хрупкостью, но уже при небольшом давлении и температуре она становится похожей на вязкую жидкость и способна к пластическим изменениям. Характер проявления пластических деформаций соли аналогичен явлениям, возникающим при плотностной инверсии в вязких жидкостях. Экспериментально установлено, что соль становится пластичной при давлениях около 100 кг/см2, при увеличении давления и температуры текучесть соли усиливается. Каменная соль имеет плотность 2,2 г/см3, существенно более низкую, чем плотность большей части надсолевых пород (средние значения – 2,3 – 2,4 г/см3). Учитывая плохую сжимаемость соли, можно предположить, что инверсия плотностей в недрах впадины существовала, когда кунгурская каменная соль была перекрыта верхнепермскими породами с плотностью 2,55 г/см3. По-видимому, существовала и изначальная неравномерная нагрузка на кровлю соли, обусловленная неодинаковым опусканием дна впадины и, как следствие, неровностями подсолевого ложа и кровли соли. В настоящее время еще не ясно, какие силы преобладал при формировании куполов Прикаспийской впадины. Имеющийся материал (многоугольная структура соли, плотностная инверсия и т. д.) как будто свидетельствует в пользу преобладания конвективной неустойчивости. Однако и сегодня очевидно, что одной из основных причин подземного феномена Прикаспийской впадины являются физические особенности каменной соли – относительно высокая пластичность и практическая несжимаемость. Первая выражается в способности соли при сравнительно невысоких давлениях и температурах перемещаться в направлении градиента давления, вторая приводит к тому, что соль с увеличением глубины залегания все больше отличается по плотности от окружающих ее пород и характеризуется неустойчивостью в поле тяготения. Это и есть основной энергетический потенциал формирования куполов.
Изложенные представления – один из вариантов возможного объяснения формирования соляных куполов. Только комплексной изучение этих структур позволит всесторонне осветить этот феномен, имеющий важное народнохозяйственное значение.
Природа. 1987. №7