Именно на Авери Айленд в 1862 г. было сделано случайное открытие, что непосредственно под странными маленькими холмами на этой плоской низменности залегает каменная соль. Нефть впервые была открыта в южной Луизиане в 1901 г. в Дженнингс Хилл (холме Дженнингс), по очертаниям похожем на холмы группы Файв Айленде, расположенном примерно в 65 км к северо-западу от них. По мере того, как тесная связь между этими формами рельефа, каменной , солью и нефтью становилась яснее, все более нарастающими темпами шло изучение геологических структур этих нефтеносных областей. В результате под землей были обнаружены огромные куполообразные соляные тела, и выяснилось, что они поднялись к поверхности из глубины, вытолкнув и окружающие толщи. Круглые в плане холмы, такие, как например в группе Файв Айленде, являются отражением в рельефе до сих пор растущих соляных куполов.
Геофизические исследования (гравиразведка и сейсморазведка методом отраженных волн) позволили выявить соляные купола на глубине, где не было никаких топологических признаков их существования. Их присутствие было подтверждено глубинным бурением, производившимся в процессе успешной разведки запасов нефти и природного газа. Многочисленные соляные купола были обнаружены в южной Луизиане и на других участках побережья Мексиканского залива. Их расположение показано на рис. 2.VIII.1 (Шпиллерс, 1969). В штатах Алабама, Миссисипи, Луизиана и Техас на юге США и в штатах Веракрус и Табаско в Мексике известно более 300 соляных куполов.
Соляные купола не только ценный источник каменной соли для химической промышленности, но и сами по себе весьма интересны, так как образуют геологические структуры, с которыми связаны месторождения нефти и природного газа. Явление, при котором определенные массы горных пород, по-види-мому, выжимаются снизу вверх и выталкивают вышезалегающие толщи, долгое время называлось диапиризмом (Браун-штейн и О’Брейн, 1968). Шведский химик Аррениус [1], который заинтересовался соляными куполами (salt domes) на севере Европы, первым указал, что поднятие соли в перекрывающие формации, т. е. образование диапиров (diapirs) вызвано плавучестью (buoyancy), которая обусловлена относительно низкой плотностью соли. Если менее плотные толщи перекрываются относительно плотными толщами, то более легкий материал стремится подняться вверх. Если нижележащий менее плотный материал способен к пластическому течению, он начнет подниматься, деформируя окружающие формации горных пород. Серия структурных движений такого происхождения была установлена на севере Европы (на территории ФРГ) и получила название «соляная тектоника» (salstektonik). Трусхейм (1957) изучал эти движения и использовал название «галокинез» (halokiness), т. е. соляная тектоника (salt tectonics) для отличия их от орогенических движений, возникающих при боковом сжатии. В этом разделе мы рассмотрим ряд структурных проблем, связанных с развитием соляных куполов, используя в качестве примеров структуры, обнаруженные в южной части Северо-Американского континента.
Соляной купол Уикс Айленд
Топографическая карта Уикс Айленда, одного из холмов группы Файв-Айлендс на Луизианском побережье, приведена на рис. 2.VIII.2. Это небольшой холм, имеющий в поперечнике около 3 км, с высотой, немного превышающей 50 м. Диаметр залегающего под ним соляного купола составляет около 3 км, и центр его почти точно совпадает с центром этого круглого холма. Несколько восточнее центра расположена небольшая долина, простирающаяся в меридиональном направлении. Считают, что она является поверхностным отражением зоны смятия, развитой внутри соляного купола.
Форма соляного купола в целом была уточнена при геофизической съемке и непосредственно бурением. Подземные очертания купола (рис. 2.VIII.3) и геологический разрез (рис. 2.VIII.4) показывают, что по форме он фактически представляет собой круглую колонну. Однако, соляные купола не всегда растут прямо вверх; иногда верхушка купола расплющивается, образуя соляной карниз над нижней частью. Верхняя часть купола Уикс Айленд не достигает поверхности земли всего 26 м, и, как известно, он распространяется вниз до глубины, по крайней мере, 5 км. Полагают, что все соляные купола группы Файв Айленде происходят из материнского соляного слоя, называемого Луан Солт, который залегает на глубине 16—19 км, однако не установлено, все ли купола достигают этой глубины. Если они соединяются, то их внешняя форма будет напоминать длинные тонкие пальцы с отношениями диаметра к высоте от 1:5 до 1:6.
В этом куполе были прорыты туннели шириной около 20 м, высотой 20 м и длиной 1000 м в широтном и меридиональном направлениях. И потолок, и стены всех туннелей сложены полупрозрачными кристаллами каменной соли. Подсвеченные камеры изнутри блестят как снежные дворцы. Между туннелями, для предотвращения обрушения, была оставлена квадратная колонна, шириной 30 м в основании. Соль, из которой состоит соляной купол в наиболее чистых частях более чем на 99,5 % представлена NaCl. В соли наблюдаются блоковые текстуры, а также полосчатые слои, толщиной от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Такое строение объясняется слоистой текстурой, обусловленной чередованием белых слоев с высоким содержанием NaCl, и сероватых слоев, содержащих ангидрит (CaSO4) в количестве нескольких процентов. Считают, что черноватые прослои обусловлены незначительными примесями в ангидрите. Эти текстуры представляют собой чередующиеся слои, возникшие при образовании каменной соли как эвапорита. С одной стороны, если проследить эту слоистую текстуру в определенном направлении, то переход от белого слоя к темно-серому образует ровную плоскость; с другой стороны, там, где темно-серый слой переходит в следующий, белый, изменение происходит постепенно. Купфер (1962) утверждал, что этот тип взаимоотношений отражает последовательность отложения, аналогичную ритмической слоистости, и помогает в установлении вершины и подошвы в стратифицированных слоях соли. Эту стратификацию также можно использовать как средство для определения внутренней структуры соляного купола. Интересно отметить одну особенность соляных куполов Примексиканской низменности, которая заключается в том, что слоистость наклонена под углом около 80°, но простирание слоев меняется. Этот факт свидетельствует, что слои соли в куполе смяты в складки и что оси складок субвертикальны. Ритмическая слоистость позволяет определить, является ли структура синклинальной или антиклиналь-ной, даже если ось складки вертикальна. Когда слоистая структура обнажается на горизонтальной плоскости, то становятся видны замкнутые кривые (это особенно интересно в конфигурации складок и очень напоминает годичные кольца на срезе ствола дерева). Если, используя ритмическую слоистость, попытаться установить, выгнута структура вверх или вниз, то выясняется, что эти замкнутые кривые являются горизонтальными сечениями шипообразных замыканий, образуемых слоистой структурой. Кроме того, часто наблюдаются вторичная складчатость, когда однажды образовавшаяся складка подвергается новой деформации, и складчатость волочения, сопровождающая крупные складки.
Геология окружающей территории была детально изучена почти 300 скважинами, позволившими установить стратиграфическую последовательность от голоцена до олигоцена. Внешняя, довольно крутая, граница соляного купола на самом деле почти вертикальная, причем его вершина образует к северу небольшой карниз. Глубоко внизу, на глубине около 3000 м обнаружен слой глины, окружающей соляной купол, подобно воротнику. Между этой глиной и вышележащим слоем существует зона смятия. Считается, что глина текла, сопровождая подъем соли. Осадочные толщи, окружающие купол, по мере приближения к нему изгибаются более круто и их подземные контуры приобретают форму концентрических кругов вокруг соляного купола (рис. 2.VIII.5). От внешней границы соляного купола расходятся многочисленные разломы, но они не связаны с горизонтом глины. На больших глубинах осадочные толщи деформированы сильнее, что видно на разрезе, изображенном на рис. 2.VIII.4. Напротив, чем меньше глубина, тем более полого наклонены пласты. В пластах, окружающих соляные купола, особенно в тех, которые характеризуются высокой водопроницаемостью, аккумулируются природный газ и нефть. В регионе Файв-Айлендс главные нефтеносные слои сложены миоценовыми песчаниками. Соляная формация, ограничивающая этот крутопадающий слой, непроницаема для газа и нефти. В сочетании с перекрывающими осадочными толщами описанная структура образует нефтяной коллектор.
Процесс развития соляных куполов
По поводу происхождения холмов, испещряющих подобно островам южную часть Луизианской низменности, выдвигались различные гипотезы, например, что это вулканы, остатки природных даек, развитых вдоль р. Миссисипи или следы островов, возникших во время меловой трансгрессии. Некоторые ученые считали важным тот факт, что холмы группы Файв-Ай-лендс располагаются почти по прямой линии, параллельной направлению системы гор Вичита-Арбукл на юге шт. Оклахома. Они заявляли, что эти особенности рельефа связаны с крупными орогеническими движениями. Эти взгляды, главным образом, относятся к XIX в., когда присутствие соли еще не было обнаружено. После того, как Неттлетон (1934) произвел опыты по изучению явления плавучести в жидких веществах за счет разницы их плотностей, гипотеза Аррениуса [1] о том, что происхождение соляных куполов связано с плавучестью, стала общепринятой в США. Возникло убеждение, что соляные купола Техаса и Луизианы аналогичны соляным куполам, обнаруженным на территории ГДР, ФРГ или в Румынии.
Таким образом, рельеф круглых холмов группы Файв-Ай-лендс обусловлен наличием непосредственно под ними плавно поднимающихся огромных колонн, сложенных солью. Однако, во многих местах соляные тела не оказывают видимого влияния на рельеф. Возможно, соль и теперь постепенно поднимается из глубины земной коры и со временем образует на поверхности холмы, подобные холму Уикс-Айленд. Если рост соляных структур вверх продолжается, то возможно, что часть их прорвется на поверхность. Сообщают, что в 'Иране, например, соль стекает с вершин гор, образуя соляные глетчеры (Кент, 1958). То, что соляные тела все еще находятся в движении, можно наблюдать в туннелях, пройденных в них. Нам известен пример в ФРГ, где ствол шахты необходимо было проходить заново каждые 18 месяцев. Еще один пример — в Техасе, где пластическое течение в туннеле происходит со скоростью 0,9 мм в год. На основании того, что существуют различные формы соляных тел и некоторые из них до сих пор находятся в движении, мы можем сравнить структуры, встречающиеся во всем мире, и понять последовательность развития, опираясь на их морфологическое сходство и различия. Это дает возможность предположить, каким образом соляной купол растет из материнского слоя, в конце концов превращаясь в соляной глетчер (см. гл. 5, рис. 5.33).
Как описано ранее, шилообразные замыкания и вторичная складчатость часто наблюдаются внутри соляных куполов. Эти особенности показывают, что движение соли вверх происходит не равномерно во всей массе, а в нескольких отдельных зонах. Внутренняя структура дает возможность представить себе механизм поднятия соляного купола. Внутри он разделен на отдельные шипообразные зоны. Вся структура движется вверх благодаря тому, что эти зоны толчками поднимаются относительно друг друга. При таком дифференцированном движении внутри соляного купола, вероятно, образуются зоны смятия, но их редко можно опознать как разрывные нарушения, потому что и эти зоны вновь текут и деформируются.
Окружающие купол осадочные толщи тянутся вверх и изгибаются под действием движения соли, а иногда могут деформироваться до такой степени, что становятся вертикальными или местами опрокидываются. Деформации развиты лишь вокруг внешней границы соляного купола. Их масштаб и формы тесно связаны с размерами купола. Там же, где соляной формации нет, фактически нет и деформации осадочных толщ; т. е. даже в областях, не подвергавшихся никаким региональным структурным движениям, присутствие мощных соляных толщ и пластическое течение в них могут привести к локальному образованию независимых мелких складчатых структур.
Плотности минералов, слагающих соляные купола, показаны в табл. 2.VIII.1. Плотность галита (каменной соли) явно ниже плотности породообразующих силикатных минералов. Замеренная в соляных куполах плотность каменной соли колеблется в пределах 2,0—2,2 г/см3; это несколько ниже, чем плотность чистого NaCl, благодаря присутствию небольших количеств сильвина и порам между минералами. Сжимаемость галита составляет около (V0—V)/V0 = 400 ГПа-1 (V0 и V — объемы до и после компрессионного сжатия, соответственно), и, следовательно, вплоть до глубин около 10 000 м изменение плотности галита незначительно. Напротив, плотность осадочной породы в неконсолидированном состоянии около 1,6 г/см3. Так как она перекрывается осадками и подвергается сжатию, ее плотность, вероятно, возрастет в соответствии с графиком, изображенным на рис. 2.VIII.6. Из этого рисунка следует, что на глубинах, превышающих 900 м, плотность осадочных пород станет больше, чем плотность галита.
Попытаемся рассчитать разность гидростатических давлений, которая возникнет из-за разности плотностей галита и осадочных пород. Если мы примем, что с глубины 8500 м вверх развита соляная формация высотой около 1500 м, то гидростатическое давление у ее основания будет меньше, чем если бы вместо соли залегали бы осадочные породы с плотностями, показанными на рис. 2.VIII.6. Таким образом, разность этих гидростатических давлений, рассчитанная по разности плотностей на глубине 8500 м, будет составлять почти 4,5 МПа. Взаимосвязь между весом соляной колонны и разностью гидростатических давлений у ее основания может быть вычислена и будет соответствовать кривой, изображенной на рис. 2.VIII.6. Эти результаты показывают, что по мере выдавливания вверх соляного слоя он образует колонну, проникая все выше, так что разность эффективных гидростатических давлений у его основания возрастает и, следовательно, возрастает эффект плавучести (потеря веса по закону Архимеда).
С этой точки зрения рассмотрим результаты, полученные при экспериментах по деформации каменной соли (Хэндин и Хэгер, 1958). Соль определенно деформируется намного легче, чем песчаник или известняк, что видно на рис. 2.VIII.7. Предел прочности соли заметно уменьшается с ростом температуры, падая до 10 МПа при 300 °С и всестороннем давлении 200 МПа. Более того, каменная соль может деформироваться без дробления. Экспериментальные исследования Ле Кома (1965) свойств ползучести позволили построить кривую ползучести для каменной соли, выраженную формулой ε = А + Btn. Константы, определяемые условиями среды, а именно температурой, скоростью деформации и дифференциальным напряжением, приняты как А, В > 0, деформация ε выражена в процентах, а время t в часах. Константа n тогда будет заключена в пределах 0 < n < 1,0. Например, при всестороннем давлении 100 МПа, дифференциальном напряжении 6,9 МПа и температуре 104,5°С, ε = (64,0 + 5,540,622)·10-4. По этим результатам можно сделать заключение, что соль с легкостью будет течь в верхних слоях земной коры. Если допустимо рассматривать соль как вязкую жидкость, то возможно рассчитать ее вязкость по величине деформации. Оде (1968) получил вязкость η = 4·1017 Па·с по скорости пластической деформации 0,9 мм/ год, измеренной в соляном туннеле. На основании многочисленных экспериментов и наблюдений он пришел к выводу, что вязкость соли составляет 1016—1017 Па·с.
Распространение соляных куполов
Известно, что на дне Мексиканского залива существует ряд топографических возвышенностей, шириной 35—40 км. Сейсмические исследования и опробование с помощью бурения выявили присутствие соляных куполов внутри каждого такого поднятия. Вокруг соляных куполов обнаружены обломочные осадочные отложения палеоген-четвертичного возраста, состоящие, главным образом, из турбидитов. Осадочные слои плавно наклонены наружу от купола и по направлению к центру структуры становятся тоньше. По краю континентального шельфа обнаружены крутопадающие сбросы, простирающиеся субпараллельно подводным горизонтам. Некоторые слои срезаются этими сбросами и последовательно опускаются в Мексиканский залив. Полагают, что эти сбросы были активны в течение позднетретичного времени и в голоцене. Отмечено, что край континентального склона, который называется Сигсби Скарп, является подводным выражением огромного соляного вала, в котором несколько соляных формаций, образующих купола, соединяются вместе. Лехнер (1969) рассмотрел все эти особенности и пришел к заключению, что соль также растекалась в стороны в результате неравномерной нагрузки, обусловленной аккумуляцией континентальных отложений. Если вспомнить физические свойства каменной соли и перекрывающих ее пород, то весьма правдоподобно, что пластическое течение соляных формаций могло происходить не только вверх, но и в стороны. Происхождение всех структур, наблюдаемых в южной части Северо-Американского континента и продолжающихся в Мексиканском заливе (рис. 2.VIII.8), связано с пластическим течением соли. Они представляют собой типичные примеры структур, образовавшихся в результате соляной тектоники.
Полагают, что соль, слагающая описанные выше соляные купола, имеет общий источник в виде огромного материнского слоя, глубоко залегающего под этим регионом. Допуская, что он имеет среднюю мощность 300 м и площадь 5,5 X 105 км2, общий объем содержащейся в нем соли составит 165000 км3, и вполне может быть еще больше (Муррей, 1968). Сравнение этого объема с объемом материала, слагающего г. Фудзияма, т. е. около 400 км3, показывает, насколько огромно это количество. Соль является эвапоритовым отложением (evaporite deposite), образующимся при испарении морской воды. Для образования такого огромного количества соли потребовалось бы испарение невообразимого объема морской воды. Условия, при которых ни глина, ни песок не смешивались с солью во время процесса испарения, должны были господствовать в течение длительного времени и на обширной территории. Кёркленд и Джерхард (1971) исследовали пыльцу, полученную с соляного купола в Мексиканском заливе и определили возраст соли как юрский. В то время весь регион Мексиканского залива, вероятно, был в условиях, благоприятных для образования эвапоритов.
Рассмотрим более внимательно эти условия во времени и в пространстве. Эвапориты, соляные купола и сопровождающие их складчатые структуры известны не только на Северо-Американском континенте, но и в Южной Америке, и в Африке, и на океаническом дне. По мере того как существование соляных слоев подтверждалось и устанавливались их стратиграфические взаимоотношения, геологи начали обнаруживать значительное сходство между ними. Их распространение (рис. 2.VIII.9) и стратиграфия (рис. 2.VIII.10) прослежены от шельфа о. Ньюфаундленд до Марокко, Габона и Южной Бразилии. По возрасту соль в более северных областях относится к триасу, тогда как в южных областях она значительно моложе и относится к мелу. Эти факты свидетельствуют, что, как показано на рис. 2.VIII.9, окружающая среда была благоприятна для отложения эвапоритов примерно в то время, когда континенты, образовывавшие единую структуру, стали откалываться друг от друга; это началось с развития огромных зон разломов. Такие движения в триасе привели к образованию структур, напоминающих современную систему Африканских рифтов. Затем, вероятно, морская вода заполняла рифтовые зоны, испарялась и, таким образом, образовывала месторождения каменной соли.
