Скважина заложена с целью изучения строения земной коры и рудоносных комплексов внутриконтинентальных подвижных поясов эвгеосинклинального типа и предусматривает решение следующих задач.
1. Изучение геологического разреза Тагильского прогиба и особенностей его геотектонического развития.
2. Установление состава, строения, возраста и природы фундамента; соотношение образований геосинклинального комплекса и фундамента; характер и степень его переработки геосинклинальным процессом.
3. Исследование глубинных процессов рудообразования, воссоздание моделей формирования типичных для прогиба месторождений и разработка новых методов эффективного прогноза и поисков минерального сырья.
4. Получение информации о физических свойствах пород на глубине, особенностях флюидного режима и природе сейсмических границ; выявление связи гравитационных, геотермических, геоэлектрических и магнитных полей с глубинным строением.
5. Выявление положения и морфологии стратиграфических и других границ раздела вещественных комплексов и структурных этажей.
Перечисленным не исчерпывается многообразие исследовательских возможностей СГ-4, о чем свидетельствуют опыт Кольской и других сверхглубоких скважин, а также ознакомление с зарубежными программами научного бурения. Показателен пример немецкой программы континентального бурения КТВ, в которой делается акцент на физическую и химическую сторону геологических явлений, изучение современного состояния земной коры и современных геологических процессов. Признавая правомочность такого подхода, целевое назначение-СГ-4 можно определить как фундаментальные исследования физических в химических условий и процессов в глубинных частях земной коры для понимания структуры, состава, динамики и эволюции Уральского подвижного пояса. Обращает внимание более конкретное звучание ряда научных задач, таких, как исследование глубин проникновения и влияния циркулирующих в земной коре растворов на образование месторождений минерального сырья, процессы деформации и конвекции, а также значение воды для динамических процессов, происходящих в. земной коре; изучение интенсивности дегазации и вещественного состава мантии Земли и континентальной части земной коры и др. Все это с поправкой на уральскую специфику справедливо и для СГ-4.
Необходимо было создать условия для максимальной реализации познавательных возможностей скважины и сопровождающего ее комплекса работ, а именно: обеспечение современного (мирового) уровня исследований на самой скважине; создание адекватной системы комплексных геолого-геофизических исследований в околоскважинном пространстве; привлечение к исследованиям, анализу и обобщению результатов наиболее компетентных специалистов; создание при проведении исследований обстановки гласности и широкого сотрудничества.
4 Геологический разрез СГ-4
Исследования керна ствола и района заложения скважины проводится Уральской ГРЭ СГБ НПО «Недра» совместно с организациями соисполнителями ПГО «Уралгеология», КамНИИКИГС, ИГиГ УрО АН СССР, ИГ УрО АН СССР, ВСЕГЕИ, ЦНИГРИ, ИГЕМ, ИМГРЭ, ВНИИгео-информсистем, ПГО «Аэрогеология», НПО «Союзпромгеофизика» и др.
Вскрытый скважиной разрез представлен силурийскими вулканогенными и вулканогенно-осадочными образованиями, относимыми согласно современной стратиграфической схеме к именновской свите (S1l3—S2ld).
Общее строение разреза, по результатам выполненной детальной документации керна, просмотра шлифов, вулкано-фациальных и геохимических исследований, установлено следующее.
40—430 м — эффузивная толша в основном базальтовых, андезитобазальтовых лав, в инт. 130—252 м — также ферробазальтов и палеоисландитов;
430—3070 м — монотонная толша грубообломочных и агломерато-грубопесчаных туфов основного состава типично именновского облика: никак не обработанный шлаковый и миндалекаменный материал обильнокрупнопорфировых обычно плагиоклаз-двупироксеновых базальтов и андезитобазальтов, нередко содержит примесь плагиофировых андезитов и калиевых базальтов и образует пласты и их серии мощностью 20—70 м, разделенные прослойками песчаных тефроидов, обычно слабо слоистых; на 1920—1940 м и около 3000 м появляются подводно-морские флишоиды с темными алевропелитами в верхах ритмов;
3070—3468 м — переслаивание туфов плагиофировых андезитов, местами с примесью базальтового материала и того же состава песчаных тефроидных флишоидов; с 3280 м туфы и тефроиды преимущественно более кислые — андезитодацитовые, часто с обилием витрокластики в виде обрывков и комочков пемз и перлитов;
3468—5006 м — флишоидное чередование туфов подводных пирокластических потоков однородно риодацитового состава (также с пемзами, перлитами и обилием осколков плагиоклаза), в инт. 3850—4297 м чаше всего повторно перемешенных как подводно-оползневые массы. Сопровождают их резко подчиненные по объемам более мелкопесчаные в разной степени отсортированные флишоидные тефроиды того же состава и темные силициты верхов ритмов, содержащие конодонты граничных слоев лланловери и венлокского ярусов раннего силура;
5006—5070 м — пачка темных зеленовато-серых силицитов, местами с обильными остатками радиолярий, в верхней половине — с прослойками кислых туфов и тефроидов;
5070—5401 м — кабанский комплекс, представленный в инт. 5072—5076 м темными туфопесчаниками с витрокластикой ос новного состава, переходящими вверху в алевропелиты и красные яшмоиды; ниже сплошь распространена краснообломочная сваренная пирокластика афировых преимущественно калиевых базальтов, исландитов и спилитов, которая перемежается с потоками неокисленных лав того же (5182—5215 м и др.) и кислого составов (5265—5312,4 м).
В целом разрез вулканокластической и переходной толщ малоконтрастный, содержит в разных пропорциях признаки как вулканогенного, так и осадочного происхождения. Толщина этих пород увеличивается с глубиной. Флишоидная толща при слабых фациальных отличиях от низов переходной резко отличается более кислым составом обломочного материала.
При сопоставлении вскрытого разреза с проектным установлено превышение мощности отложений в 1,5 раза. В результате бурения возникли вопросы, касающиеся геометрии, пространственных и генетических взаимоотношений слагающих верхнюю часть прогиба комплексов. Решение их возможно при дальнейшем углублении СГ-4 и выполнении целенаправленных исследований в околоскважинном пространстве, включая бурение вспомогательных структурных скважин.
При проведении циклического анализа в пределах вскрытого скважиной разреза выделено пять мегаритмов, границы которых совпадают или близки к границам отмеченных толщ и под-толщ на глубинах 3487 м, 2640 м, 1919 м и 430 м и характеризуются резким изменением литологии пород.
Нижний мегаритм 3487—4064 м соответствует флишоидной толще и является вулканогенно-осадочным. В разрезе полностью не вскрыт. Он сформировался в условиях слабой вулканической активности. В нем преобладают удаленные мелкообломочные фации андезидацитового состава, широко развиты тонкослоистые алевролитовые и алевропсаммитовые разности осадочных пород, доля которых к верхам мегаритма возрастает до 80—90 %. Чередование тонкослоистых прослоев, характеризующихся маломощной (0,01— 0,5 м) двухчленной, реже трехчленной ритмикой со слабо дифференцированными гравийными, образует контрастные мезоритмы мощностью от 10 до 75 м.
Мегаритм 2640—3487 м, условно относимый к вулканогенно-осадочному типу, характеризуется тем, что на фоне мелкой ритмичности (от долей до 5 м) мелкопсефито-псаммитовых разностей проявлены контрастные гетерообломочные ритмы мощностью от 2—3 до 15—20 м, где крупнопсефитовые и агломератовые обломки изолированно погружены в псаммитовый субстрат. Периодически повторяющиеся интервалы развития алевропелитовых разностей позволяют выделить ряд мезорит-мов с границами на 3986 м, 3332 м, 3276 м, 3160 м, 3083 м и 2986 м. Отмеченные особенности мегаритма, вероятно, обусловлены неравномерными проявлениями вулканической активности и грязекаменных потоков.
Три верхних мегаритма (1919— 2540 м, 430—1919 м, 0—430 м) вулканогенные, частью оеадочно-вулканогенные. Они сформировались в результате нескольких вспышек вулканической деятельности с общей тенденцией к ее нарастанию.
Строение первых двух в общих чертах близкое. В их основании ритмичность относительно мелкая, с мощностью преобладающих элементарных ритмов 2—3 м. В центральных частях мегаритмов выделяются крупные ритмы мощностью до 10—30 м и более. Доля грубообломочного материала вырастает здесь до 70—90 %. В верхних; частях снова отмечена мелкая ритмичность (от 0,1—0,2 м до 2—3 м). В составе ритмов увеличивается доля сортированного вулканогенного материала, а в некоторых из них в интервале 1919—2007 м появляются прослои кремнистых алевропелитовых пород мощностью 0,2—5 см.
Верхний—эффузивный мегаритм (О—430 м) сформировался в результате нескольких импульсов вулканической деятельности с короткими перерывами между ними (88—105 м). Нижняя часть мегаритма сложена обильно-порфировыми пироксен-плагиофировыми базальтами, в средней (120— 262 м)—залегают подушечные лавы афировых андезибазальтов-базальтов, а в верхах—плагиофировые андезибазальты.
В фациальном отношении в развитых по всему разрезу отложениях отмечаются подводные условия образования, на отдельных глубинах отличающиеся характером вулканизма и удаленностью зон аккумуляции вулканического материала от береговой линии, что выражается различиями его гранулометрического и вещественного состава, а также разной степенью перемыва и сортировки. В целом, по-видимому, господствовала обстановка островных вулканов с преобладанием фации субаквальных пирокластических. и подводных гравитационных грязекаменных потоков. При этом нижняя часть разреза на интервале развития алевритистых, песчаных и гравийныу ритмов флишоидной толщи отвечает наиболее глубоководной, удаленной от вулканических построек области. Выше по разрезу преобладают мелководные склоновые фации вплоть до субаэральных, регистрируемых горизонтами с красноцветными гематизированными обломками.