Анотація до роботи:

Шепель С.І. Електричні властивості порід в термобаричних умовах літосфери і геоелектричні моделі. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора геологічних наук по спеціальності 04.00.22 – геофізика. Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена вивченню комплекса електричних параметрів (питомий електричний опір r, відносна діелектрична проникність e, енергія активації струмоносіїв Е_о, передекспоненційний коефіцієнт r_о, коефіцієнт визваної поляризації h) магматичних і метаморфічних порід при високих температурах (Т) до 1200^оС, тисках (Р) до 5,6 ГПа в широких інтервалах вологості (W) і мінералізації (C) флюїдів з метою моделювання глибинних умов і створення геоелектричних моделей. Було виконано вдосконалення створених раніше установок, розроблені нові методичні прийоми виконання експериментів. Створена також методика побудови геоелектричних моделей земної кори на основі лабораторних дослідів. Встановлено характер диференціації основних типів порід Українського щита (УЩ) по комплексу їх електричних параметрів при високих Т. Виявлено новий тип електропровідності (поляронна) в гірських породах, виявлені перколяційні ефекти. Вивчено вплив високого квазігідростатичного тиску до 5,6 ГПа на електричний опір порід. Досліджені електричні характеристики глибоких і надглибоких свердловин та виконано порівняльний аналіз польових і лабораторних матеріалів. Для порід УЩ встановлено вплив основних породоутворюючих мінералів на їх електричні властивості. Досліджено характер кореляційних зв’язків між різними фізичними параметрами. Встановлені основні фактори, що визначають зміни r до глибин 150 км. Отримані петроелектричні критерії диференціації гнейсів центральної частини УЩ з потенційно продуктивних і непродуктивних на золото товщ. Створені геоелектричні моделі ряду регіонів. Запропонована нова гіпотеза про природу аномалій електропровідності в земній корі континентального типу.

Ключові слова. Електричний опір, діелектрична проникність, гірська порода, температура, тиск, вологість, мінералізація, Український щит, літосфера.

У підсумку виконаних досліджень отримані слідуючі основні результати.

1. Проведена модернізація камери високого квазігідростатичного тиску, яка дозволяє досліджувати електричні властивості мінеральної речовини в умовах відкритої, частково закритої та закритої систем, що наблизило умови експериментів до реально існуючих в глибинних зонах літосфери термобаричних та флюїдних обстановок.

2. Запропонована методологія побудови геоелектричних моделей земної кори на основі лабораторних РТ-досліджень електричних властивостей порід і петрошвидкісних розрізів, отриманих по матеріалах глибинного сейсмічного зондування і даних про швидкості пружних хвиль в породах при високих тисках і температурах.

3. Встановлено характер диференціації основних типів кристалічних порід як по r, так і по e. Найбільш високоомними з найменшою e в сухому стані являються кислі породи. При збільшенні основності порід фіксується пониження r та підвищення e. Найбільш електропровідними являються залізисті кварцити та вуглисті сланці. Проміжне положення займають основні та ультраосновні породи. Самим інформативним петроелектричним параметром являється низькочастотна діелектрична проникність.

4. Отримані температурні (до 1200^оС) і температурно-часові залежності r та e дозволили виявити основні фактори, які визначають ступінь їх змін в температурному полі. Встановлено, що градієнт змін r та e залежить від типу породи, температурного діапазону, незворотніх фізико-хімічних перетворень мінеральної речовини та фазового стану породи.

5. В результаті вивчення температурних залежностей r сухих порід в інтервалі температур від кімнатних до 200—300^оС встановлено для гірських порід новий тип носіїв струму (полярони) і відповідно крім домішкової та власної електропровідності виділити також і поляронну, що характеризується найменшими величинами енергій активації.

6. Вивчення електричних характеристик керну надглибоких сверловин при високих РТ-параметрах дозволило виконати порівняльний аналіз лабораторних та електрокаротажних результатів. На порівняно великих глибинах встановлена значна різниця значень r, отриманих в лабораторних і польових умовах. Детально проаналізовані причини такої невідповідності.

7. Встановлено вплив вологості на r та e основних типів порід. Виявлено аномальний характер змін електричних характеристик мінеральної речовини у вузьких діапазонах вологості, обумовлений перколяційними процесами. Вперше для гірських порід визначені пороги перколяції; розглянуті причини, які обумовлюють порівняно низькі значення цього параметру.

8. Для кристалічних порід УЩ встановлено вплив пористості та мінералізації флюїдів на електричні властивості. Чітко виділяються два діапазони пористості з різними градієнтами зменшення r та три інтервали мінералізацій з різними інтенсивностями змін e.

9. В результаті дослідів в різних середовищах виявлено, що при температурних вимірюваннях в інертному середовищі (аргон) та окислювальному (повітря), значне неспівпадіння величин r спостерігається лише при Т > 400—600^оС, що пов’язано з менш інтенсивним окисленням заліза в аргоні (лише за рахунок внутрішнього кислородного потенціалу) порівняно з повітрям, в якому кисень знаходиться в достатній кількості.

10. На прикладі турмалінів і біотиту показано вплив незворотніх фізико-хімічних процесів на зміни електричного опору. Різний характер температурних залежностей r турмалінів в аргоні і повітрі пояснюється тим, що в першому випадку утворюється високопровідний магнетит, а в другому — високоомні гематит і бюргерит.

11. Для основних типів кристалічних порід УЩ досліджено вплив високоомних та порівняно низькоомних мінералів, скла на комплекс електричних параметрів.

12. Встановлені досить сильні кореляційні зв’язки між фізичними параметрами деяких типів кристалічних порід при нормальних і високих температурах.

13. Вивчена електрична анізотропія порід Криворіжської надглибокої свердловини, встановлені основні фактори, які її визначають. Виявлена значна різноманітність коефіцієнтів анізотропії r, e різних типів порід. Встановлено, що висока температура (до 900^оС) і мінералізація флюїдів зменшують коефіцієнт анізотропії r, а тиск його збільшує.

14. Встановлені петроелектричні критерії диференціації гнейсів центральної частини Українського щита потенційно продуктивної на золото і непродуктивної товщ. Гнейси першої з них описуються більш низькими значеннями r і підвищеними e та h. З ростом температури диференціація по r зберігається, а по e значно збільшується.

15. По результатах термобаричних досліджень електричних характеристик порід глибоких та надглибоких свердловин побудовані електричні розрізи, в тому числі і до глибин, не пройдених бурінням. Побудовані синтезовані геоелектричні моделі земної кори Українського щита та Індійського океану. В межах літосфери виділені три глибинні геоелектричні зони.

16. Запропонована нова гіпотеза про природу аномалій електропровідності в земній корі, яка доповнює існуючі погляди на цю проблему. Мінімальні значення r в зонах аномалій можуть бути досягнуті під впливом температури і великих значень мінералізації глибинних флюїдів, що обумовлює плавні зміни r в межах земної кори континентального типу.

СПИСОК

основних робіт, опублікованих по темі дисертації

1. Шепель С.И. Природа аномалий электропроводности в земной коре // Доклады АН Украины. — 1993. — №3. — С. 117—119.

2. Шепель С.И. Влияние минерального состава на электрические характеристики некоторых гранитоидов Украинского щита // Геофизический журнал. — 2003. — Т.25, №4. — С. 98—106

3. Шепель С.И. Корреляционные связи электрических параметров некоторых пород

центральной и приазовской частей Украинского щита //Геофизический журнал. — 2000. — Т.22, №6. — С. 197—204.

4. Shepel S.I., Latovickova M. Effect of the time factor on the temperature dependence of electrical resistivity of some rocks // Studia geophysica et geodaetica. — 1991. — №35. — Р. 36—40.

5. Физические свойства минерального вещества в термобарических условиях литосферы /Лебедев Т.С., Корчин В.А., Савенко Б.Я., Шаповал В.И., Шепель С.И./ — К.: Наукова думка, 1986. — 200 с.

6. Петрофизические исследования при высоких РТ-параметрах и их геофизические приложения / Лебедев Т.С., Корчин В.А., Савенко Б.Я. , Шаповал В.И., Шепель С.И., Буртный П.А./ К.: Наукова думка, 1988. — 248 с.

7. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Электрические свойства пород повышенной проводимости в глубинных термобарических условиях // Геофизический журнал. — 1980. — Т. 2, №6. — С. 54-68.

8. Лебедев Т.С., Шепель С.И. О природе повышенной электропроводности некоторых пород // —Геофизический журнал. 1981. — Т. 3, №6. — С. 3—14.

9. Шепель С.И. К вопросу о частотных зависимостях электрических свойств некоторых образцов гипербазитов Украинского щита при высоких температурах // Математическое моделирование геофизических полей. — К.: Наукова думка. — 1982. — С. 81—83.

10. Лебедев Т.С., Савенко Б.Я. Шепель С.И. Физические свойства минерального вещества в термобарических условиях земных недр // Геофизический журнал. — 1982. — Т.4, №6. — С. 93—97.

11. Лебедев Т.С., Шепель С.И., Буртный П.А., Русаков О.М. Электрические характеристики донных образований Индийского океана // Геофизический журнал. — 1983. — Т.5, №1. — С. 45—56.

12. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Шепель С.И. Связь упругих и электрических параметров горных пород в различных термобарических режимах // Геофизический журнал. — 1983. — Т.5, № 6. — С. 34—38.

13. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Электрические характеристики гранитоидов в различных РТ-условиях // Новые методы, аппаратура и результаты экспериментальных исследований физических и структурных свойств минералов и горных пород при высоких термобарических режимах. — Мишкольц (ВНР). — 1983. — С. 103—106.

14. Лебедев Т.С., Шаповал В.И., Савенко Б.Я., Корчин В.А., Шепель С.И., Василяка В.Т., Правдивый А.А. Некоторые аппаратурно-методические разработки в связи с термобарическими исследованиями физических свойств минерального вещества // Новые методы, аппаратура и результаты экспериментальных исследований физических и структурных свойств минералов и горных пород при высоких термобарических режимах. — Мишкольц (ВНР). — 1983. — С. 75—83.

15. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Термобарические исследования электрических параметров гранитоидов // Геофизический журнал. — 1984. — Т. 6, №4. — С. 14—23.

16. Physical properties of mineral system of the Earth’h interior / Avaliani Z.S., Babuka V., Bakiev M.Kh., Balasanyan V.S., Balbachan M.Ya., Bartoek J., Bautsch H.J., Bayuk E.I., Bochniek J., Burtnyi P.A., Chanishvili Z.V., Chelidze T.L., Chelishvili M.L., D’yaur N.I., Efimova G.A., Engler R., Fojtek A., Franck S., Gotesmann B., Hejda P., Ibragimov A.Kh., Jech J., Jelfnek V., Kalinin V.A., Kapika A., Khatiashvili N.G., Kireenkova S.M., Kopf M., Korchin V.A., Kropaek V., Latovikova M., Lebedev T.S., Levykin A.I., Martinec P., Muller H.J., Nurmamatov O.N., Parkhomenko E.I., Podroukova Z., Pros Z., Rodkin M.V., Safarov I.B., Savenko B.Ya., Seifert M., Seipold U., Shapoval V.I., Shepel S.I., Stiller H., vec J., Togonidze D.A., Tomashevskaya I.S., Vakov V., Volarovich M.P., Vollstdt H., Zelinka T. / Praha. — 1985. — 201 p.

17. Лебедев Т.С., Шепель С.И., Фабер И., Фройнд Д. Электрические свойства некоторых пород при высоких давлениях (до 5,6 Гпа) и температурах (до 300^оС) // Физические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах. — Ереван. — 1985. — С. 137—138.

18. Шепель С.И., Буртный П.А., Русаков О.М. Термобарические изменения электрических свойств пород дна Индийского океана // Физические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах. — Ереван. — 1985. — С. 148—149.

19. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Роль минерального и химического состава в повышении электропроводности некоторых пород // Геофизические исследования литосферы. — Киев: Наукова думка, 1985. — С. 89—92.

20. Шепель С.И. Воздействие квазигидростатического давления на электрическое сопротивление низкоомных и высокоомных пород Украинского щита // Алгоритмы, методика и результаты интерпретации геофизических данных. — Киев: Наукова думка. — 1985. — С. 166—169.

21. Шепель С.И. Методика исследований температурно-временных зависимостей электрических свойств пород // Алгоритмы, методики и результаты интерпретации геофизических аномалий. Киев: Наукова думка. — 1985. — С. 163—166.

22. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Электрические свойства гранитоидов Украинского щита при высоких Р и Т // Петрофизические исследования на щитах и платформах. — Апатиты. — 1985. — С. 86—89.

23. Лебедев Т.С., Шепель С.И., Фабер И., Фройнд Д. Изменения электрических свойств некоторых пород в условиях высоких давлений (до 5,6 ГПа) и температур (до 1200⁰С) // Геофизический журнал. — 1985. — Т.7, №5. — С. 26—35.

24. Лебедев Т.С., Савенко Б.Я., Шепель С.И. Новый этап исследований физических свойств минерального вещества при высоких давлении и температуре // Геофизический журнал. — 1986. — Т.8, №2. — С. 88—93.

25. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Электрические свойства водонасыщенных пород в различных термобарических условиях // Геофизический журнал. — 1986. — Т. 8, №3. — С. 13—19.

26. Лаштовичкова М., Лебедев Т.С., Шепель С.И. Воздействие среды на электрические параметры пород в различных термобарических условиях // Геофизический журнал. — 1987. — Т. 9, №4. — С. 85—95.

27. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Шепель С.И., Савенко Б.Я., Шаповал В.И., Буртный П.А. Петрофизическое моделирование океанской литосферы на основании термобарических исследований физических свойств донных образований и геолого-геофизической информации // Проблемы геофизики морского дна. — М.: Изд-во Института океанологии АН СССР. — 1987. — Т.11. — С. 24—25.

28. High Pressure Investigations in Geosciences / Bakiev Muz.K., Bayuk E.I., Bayuk E.I., Bayuk I. O., Balakishiev S.A., Czechovski Z., Danukalov K.N., D’yaur N.I., Efimova G.A., Egerer F., Emirov S.N., Franck S., Freund D., Fojtek A., Glos M., Gasanov A.B., Ibragimov A.K., Kalinin V.A., Kapika A., Kopf M., Korchin V.A., Kraft A., Kresl M., Kropaek V., Latovikova M., Lebedev T.S., Leliva-Kopystyski J., Levitova E.M., Martinec P., Novik G.Y., Parkhomenko E.I., Podroukova Z., Pralat A., Rodkin M.V., Savenko B.Y., Seifert F., Seipold U., Shepel S.I., Silbersmidt M.G., Stiller H., vec J., Tomashevskaya I.S., Ullmann W., Zavorikina T.K., Zhukov I.V., Ziemann M./ Berlin, Akademie-Verlag. — 1989. — 250 p.

29. Lebedev T.S., Korchin V.A., Savenko B.Ya., Shapoval V.I., Shepel S.I. New results of the thermobaric studies of some basic petrophysical characteristics // High pressures in science and tecnology. — Kiev: Naukova Dumka. — 1989. — V. 2. — P. 96—99.

30. Latovikova M., Lebedev T.S., Shepel S.I. Changes in electrical resistance of rocks in different media at high PT-parameters // High pressures in science and tecnology. — Kiev: Naukova dumka. — 1989. — V. 2. — P. 100—103.

31. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Шепель С.И., Савенко Б.Я., Шаповал В.И., Буртный П.А. Петрофизическое моделирование океанической литосферы // Геофизический журнал. — 1989. — T. 11, №4. — С. 19—28.

32. Шепель С.И. Сравнительный анализ влияния давления и температуры на электрическое сопротивление пород на глубинах до 150 км // Тезисы докладов Восьмого Всесоюзного совещания по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах. — Уфа. — Ч.1. — 1990. — С. 90—91.

33. Шепель С.И., Лаштовичкова М. Температурно-временные зависимости электросопротивления некоторых пород в аргоне и воздухе // Геофизические свойства вещества и внутреннее строение Земли. — Махачкала. — 1990. — С. 48.

34. Лаштовичкова М., Лебедев Т.С., Шепель С.И. Электрические свойства турмалинов при высоких давлении и температуре // Геофизический журнал. — 1990. — Т.12, №2. — С. 44—51.

35. Latovikova M., Shepel S.I. Electrical resistivity of some rocks at high temperatures and for extended time // Annales Geophysicae. Supplement to volume 9. — Wiesbaden: Springer International. — 1991. — P. C45.

36. Лебедев Т.С., Шепель С.И. РТ-исследования физических свойств пород верхней части разреза Криворожской сверхглубокой скважины. 1. Электрические параметры // Геофизический журнал. — 1992. — T.14,.№4. — С. 30—47.

37. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Корнейчик Г.Н., Буртный П.А., Шепель С.И., Шаповал В.И. Петрофизические особенности потенциально золотопродуктивной гнейсовой толщи Украинского щита // Геофизический журнал. — 1992. — T. 14, №1. — С. 40—47.

38. Польшин Э.В., Литовченко А.С., Ильченко Е.А., Ишутина О.Д., Шепель С.И. О механизме окисления и дегидроксилации биотита // Минералогический журнал. — 1994. — T.16, №2. — С. 27—35.

39. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Влияние водонасыщенности и пористости на электрические свойства пород, вскрытых Криворожской сверхглубокой скважиной (Украина) // Геофизический журнал. — 1996. — T. 18, №1. — С. 62—72.

40. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Электрические свойства пород и петроэлектрические модели земной коры района Южно-Украинской АЭС // Геофизический журнал. — 1996. — Т.18, .№4. — С. 46-55.

41. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Исследования РТ-изменений электрических свойств горных пород нижней части разреза Криворожской сверхглубокой скважины /Украина/ // Геофизический журнал. — 1997. — T. 19, №2. — С. 44—57.

42. Шепель С.И. Вторая Украинская Антарктическая экспедиция // Геофизический журнал. — 1998. — Т.20, №6. — С.124—125.

43. Шепель С.И., Буртный П.А., Корчин В.А., Шаповал В.И.. Физические свойства пород района станции Академик Вернадский // Бюлетень Українського Антарктичного центру. — 1999. — Вип. 2. — С. 85—90.

44. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Электрические свойства гнейсов Украинского щита при высоких термобарических режимах // Геофизический журнал. — 2000. — Т.22, №2. — С. 95—106.

45. Lebedev T.S., Shepel S.I. Geoelectrical modelling of the Krivoy Rog ultrdeep borehole section based on thermobaric studies of rocks // Extend Abstrасt Book the 62 th EAGE Confеrence. — Glasgow, Scotland. — 2000. — P.162. — P. 1—4.

46. Шепель С.І., Сухорада А.В., Тютюнник Д.М. Про педофізичні особливості деяких зональних і гідроморфних грунтів України // Вісник Київського національного університету ім. Тараса Шевченка. Геологія. — 2001. — Вип.19. — С. 65—69.

47. Шепель С.І., Сухорада А.В., Шепель А.С. Електрометрія чорноземів Харківської області // Вісник Київського національного університету ім. Тараса Шевченка. Геологія. — 2002. — Вип. 23—24. — С. 30—32.

48. Лебедев Т.С., Шепель С.И. Термобарические изменения электрической анизотропии некоторых пород Криворожской сверхглубокой скважины (Украина) // Геофизический журнал. — 2001. — Т.23, №5. — С. 69—80.

49. Шепель С.И. Электрические свойства магматических пород района станции Академик Вернадский // Бюлетень Українського Антарктичного центру. — 2002. — Вип.4. — С. 76—82.

50. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Шаповал В.И., Савенко Б.Я.,Шепель С.И. Буртный П.А. Физические свойства пород Криворожской сверхглубокой скважины // Геофизический журнал. — 2002. — Т.24, №2. — С. 8—40.

51. Лебедев Т.С., Шепель С.И., Корчин В.А., Буртный П.А., Савенко Б.Я., Шаповал В.И., Карнаухова Е.Е. Петрофизические характеристики горных пород западного побережья Антарктического полуострова и прилегающих островов в районе станции “Академик Вернадский” // Геофизический журнал. — 2002. — Т.24, №6. — С. 93—115.

52. Физические свойства и вещественный состав петрографических комплексов материковой окраины Гвинеи (Западная Африка). / Русаков О.М., Лебедев Т.С., Карабович С.В., Корчин В.А., Шаповал В.И., Шепель С.И.. Буртный П.А., Третяк Л.А., Феоктистова Н.В., Барри С., Демедюк Ю.Н./ — К.: 1987. — 50 с. (Препр. / АН УССР. Институт геофизики).

53. Геофизические исследования в Украинских морских антарктических экспедициях / Бахмутов В.Г., Козленко Ю.В., Корчагин И.Н., Орлова М.И., Соловьев В.Д., Шепель С.И., Якимчук Н.А., Якимчук Ю.Н. / Институт геофизики НАН Украины. — Киев, 2001. — 323 с. Деп. в ГНТБ Украины 9.04.2001 г., № 70-Ук2001.