Введение к работе
Актуальность темы. Магнитотеллурические зондирования (МТЗ), использующие в качестве источника вариации естественного электромагнитного поля, являются одним из наиболее доступных, экологически чистых и эффективных методов изучения структуры земной коры и верхней мантии. Результаты интерпретации магнитотеллурических (МТ) данных позволяют получать информацию о распределении электропроводности литосферы, характеризовать флюидный и температурный режимы, а также реологию геологической среды. Глубинные электромагнитные методы являются неотъемлемой частью геофизического комплекса, применяемого при исследованиях глубинного строения Земли. В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в области электромагнитных методов зондирования, как в создании аппаратуры и в развитии программ инверсии данных [Fox, 2001; Варенцов, 2005; Мартышко, 1994], так и в углублённом исследовании комплексных электромагнитных параметров и процессов электропроводности для диэлектриков и полупроводников, [Эпов и др., 2009; Капура и др., 2009; Selway, 2012], что и явилось основой рассматриваемой работы. К настоящему моменту для территории Центрального Тянь-Шаня выделен коровый проводящий слой [Баталев и др., 1993; Трапезников и др., 1997; Рыбин, 2001], определены электромагнитные параметры крупнейших разломных зон [Баталев, 2002; Баталева, 2005; Рыбин, 2011], обнаружен эффект вытеснения поперечного тока [Баталев, 2002], выделены закономерности в соотношении распределения гипоцентров землетрясений и проводящих объектов в верхней части коры [Зубович и др., 2001]. Большой объем работ выполнен в ходе адаптации методики проведения и интерпретации данных электромагнитных зондирований в горных условиях [Трапезников и др., 1997; Рыбин, 2001, 2011; Баталев, 2002; Sokolova et al., 2008, 2010].
Несмотря на значительные успехи в развитии методики обработки и количественной интерпретации МТ-данных, до сих пор остается целый ряд нерешенных проблем. К наиболее важным относятся проблемы, связанные с геологической интерпретацией геоэлектрических моделей. В этом направлении очень перспективными представляются петрофизические исследования, поскольку создание структурно-вещественных моделей земной коры и верхней мантии является завершающим этапом изучения глубинного строения. Они существенно расширяют знания как о современных геодинамических процессах и явлениях, происходящих на больших глубинах, так и о палеопроцессах и вносят значительный вклад в решение фундаментальных проблем изучения эволюционного развития Земли. Определяющими параметрами
при создании петрофизических моделей являются электрические и скоростные характеристики образцов пород из глубинных комплексов, вынесенных на земную поверхность. При этом предполагается, что глубинные горизонты земной коры могут быть представлены массивами тех пород, которые выносятся на поверхность земной коры базальтами в виде ксенолитов. Построенные в настоящее время петрофизические модели, в основном, являются вероятностными. Отличительной особенностью данной работы является то, что для геологической интерпретации геоэлектрической модели зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня используются результаты петрологических анализов и лабораторных измерений ксенолитов, отобранных непосредственно в регионе исследований.
Объект исследования - распределение электрических параметров в земной коре и верхней мантии и их взаимосвязь с геодинамическими процессами и состоянием вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня.
Цель работы - построение структурно-вещественной модели литосферы Центрального Тянь-Шаня на основе изучения закономерностей распределения электропроводности, скоростей сейсмических волн и глубинных температур в сопоставлении с экспериментальными результатами измерений на образцах глубинных ксенолитов.
Основные задачи исследований:
1. Определить особенности глубинного геоэлектрического строения
Центрального Тянь-Шаня вдоль серии региональных профилей.
-
Построить структурно-вещественную модель литосферы зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня с использованием методики петрологической интерпретации на основе экспериментальных измерений электропроводности и скоростных свойств образцов глубинных ксенолитов, их вещественного состава и геотермического моделирования.
-
Определить закономерности поведения электропроводности и скоростей упругих волн для образцов ксенолитов на основе экспериментальных исследований при РТ- условиях нижней коры и верхней мантии.
-
Разработать геотермическую модель литосферы Тянь-Шаня вдоль профиля по 76в.д.
-
Определить состояние вещества и вещественный состав разреза литосферы Центрального Тянь-Шаня на основе сопоставления геоэлектрических и скоростных характеристик среды с данными лабораторных исследований образцов ксенолитов и сейсмичностью.
Фактический материал и методы исследования. В основу диссертации положены результаты комплексных геофизических
исследований по международным проектам «Геодинамика Тянь-Шаня», «MANAS» и «TIPAGE». Объем МТ/МВ-данных за период 1982-2012 гг., выполненных на территории Центрального Тянь-Шаня, составил более 900 зондирований. Метод МТЗ, который является базовым в настоящей работе, основан на изучении вариаций естественного электромагнитного поля Земли. Зондирования выполнялись в диапазоне периодов от 0.003 до 16000 сек с использованием новейших технологий и аппаратуры. Для обработки МТ-данных применялось стандартное программное обеспечение для станций EMI, LIMS и Phoenix MTU-5. Количественная интерпретация выполнена в программном комплексе GEOTOOLS. В работе приводятся результаты изучения ксенолитов, отобранных из выходов базальтов Ортосуу. Геохимические исследования минералов из ксенолитов проведены в Аналитическом центре ИГМ СО РАН. Для определения условий равновесия минеральных фаз использовались геотермометры и геобарометры [Вгеу, КоЫег, 1990; Harley, 1984; Nimis, 1999; Sachtleben, Seek, 1981 и др.]. Лабораторные измерения физических свойств ксенолитов выполнены во Франкфуртском университете им. Й.В. Гёте, под руководством проф. Н. Багдасарова. Определение концентрации Н20 в номинально безводных минералах методом ИК-спектроскопии - в лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН.
Защищаемые результаты:
1. Основными элементами глубинной геоэлектрической структуры
Центрального Тянь-Шаня являются:
Наклонные и субвертикальные проводящие тела, имеющие форму листрических разломов и соответствующие тектоническим нарушениям, шовным зонам и границам микроконтинентов.
Высокоомные коровые объекты, составляющие Иссык-Кульский микроконтинент, локализованные в верхней части земной коры.
Коровый проводящий слой с глубиной залегания 20-40 км и удельным сопротивлением 30-100 Омм.
Электропроводящие объекты литосферной мантии (80-110 км), находящиеся в зонах субдукции и эклогитизации океанической коры Туркестанского и Джунгаро-Балхашского бассейнов.
2. Разработана методика петрологической интерпретации, основанная на
сопоставлении геоэлектрической модели с петрофизическими
исследованиями образцов глубинных пород, анализа их вещественного
состава и геотермического моделирования, с применением которой
выделены области распространения эклогитов, лерцолитов и гранулитов в
разрезе Центрального Тянь-Шаня.
3. По результатам петрофизических измерений нижнекоровых
и верхнемантийных ксенолитов, отобранных непосредственно в регионе исследований, установлен тип электропроводности и показано отсутствие частичного расплава в литосферной мантии Центрального Тянь-Шаня.
-
Двумерная тепловая модель литосферы Тянь-Шаня по геотраверсу "NARYN", построенная с учетом данных по тепловому потоку в донных осадках оз. Иссык-Куль, характеризуется распределением температур близких к среднему значению для континентов и согласуется с глубиной залегания поверхности Кюри. Температура палеоповерхности Мохо (70 млн лет), определенная по результатам термобарометрии, на 100С выше, чем для современной границы Мохо, а глубина её залегания на 20 км ближе к поверхности.
-
На основании анализа корреляции аномалий электропроводности и сейсмических скоростей выведены основные положения структурно-вещественной модели литосферы Центрального Тянь-Шаня и проведена оценка состояния вещества и присутствия флюида:
Верхняя часть земной коры, в которой реализуется сейсмический процесс, свидетельствующий о её «жесткости», характеризуется положительными аномалиями скоростей Vp и высокими значениями электросопротивления.
Коровый проводящий слой Центрального Тянь-Шаня состоит из проводящих объектов листрической формы, разделяющих высоко-омные блоки земной коры. Его совпадение с отрицательными аномалиями скоростей продольных сейсмических волн (Vp) указывает на флюидную природу коровых геоэлектрических и сейсмических аномалий.
Электропроводящие объекты, расположенные в литосферной мантии Центрального Тянь-Шаня на глубинах 80-110 км и интерпретируемые как массивы эклогитов и эклогитоподобных пород соответствуют положительным аномалиями скоростей Vp.
Научная новизна работы:
-
На основе сопоставления геоэлектрических моделей, построенных вдоль 74в.д. и 76в.д., с гео лого-тектоническими схемами и разрезами выделены проводящие объекты, соответствующие границам Иссык-Кульского микроконтинента и Атбашинской аккреционно-коллизионной зоны, северные клинья которой обнаружены в геоэлектрическом разрезе Малонарынского профиля.
-
Для территории Центрального Тянь-Шаня, с учетом новых данных по тепловому потоку в западной части оз. Иссык-Куль [Вермееш и др., 2004], создана двумерная тепловая модель. Реконструкция тепловой эволюции зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня выполнена при сопоставлении тепловой модели с результатами термобарометрии ксенолитов.
-
Впервые для интерпретации геофизических данных использованы результаты петрофизических и геохимических исследований ксенолитов глубинных пород непосредственно с места проведения натурных экспериментов.
-
Впервые получены диаграммы Аррениуса для электропроводности «сухих» гранулитовых и лерцолитовых ксенолитов и эклогитов Южного Тянь-Шаня и определено содержание Н20 в оливине из лерцолитов Ортосуу методом ИК -спектроскопии.
5. Установлено, что для зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня остывание
литосферы сопутствовало увеличению глубины залегания поверхности
Мохо, за период —70 млн лет температура на границе Мохо уменьшилась
на ~100С, глубина залегания увеличилась на 20 км.
Личный вклад. Основные результаты диссертационного исследования получены лично автором или при его непосредственном участии в Научной станции в г. Бишкеке РАН (НС РАН). Автором самостоятельно выполнены основные этапы работ, включая полевые наблюдения, обработку и анализ данных, а также их последующую интерпретацию. Для работы с экспериментальными данными диссертантом был разработан ряд программ: «FieldViewer» в системе C++ Builder 6.0 - для визуализации результатов трехмерного моделирования Randy-Mackie, большое количество утилит в табличном редакторе MS Excel для расчета функций отклика и их трансформант, вычисления и визуализации инвариантов тензора импеданса Бердичевского Zbrd,
кажущейся фазы фк фазового тензора и нормы W матрицы Визе-
Паркинсона и др. Практические рекомендации по совместной инверсии МТ/МВ-зондирований, разработанные совместно с коллегами, легли в основу методики трехуровневой инверсии, которая успешно используется при проведении МТ-исследований в НС РАН. На основе предложенного для синтетических моделей М.Н.Бердичевским метода псевдорельефов, автором реализован новый подход к качественной интерпретации площадных МТ-наблюдений по Центральному Тянь-Шаню, обеспечивающий визуализацию геоэлектрической структуры региона. Принципиальное значение имеет вклад автора в развитие методики интерпретации геофизических данных в зоне сочленения Тянь-Шаня и Тарима - от обнаружения выходов базальтов Ортосуу и отбора коллекции образцов ксенолитов, проведения лабораторных экспериментов по исследованию электрических и скоростных характеристик глубинных горных пород до построения геофизических моделей (геотермической и геоэлектрической) и их комплексной интерпретации. В совместных работах автор был либо инициатором и непосредственным исполнителем, либо руководителем проводимых исследований.
Теоретическое и практическое значение. Результаты диссертационного исследования расширяют и углубляют теоретические представления о вещественном составе и структуре земной коры и верхней мантии, о природе электропроводности и тепловой эволюции Тянь-Шаньского орогена. Получены результаты, многие из которых представляют собой новые знания о глубинной структуре Тянь-Шаня: построена геотермальная модель через Тянь-Шань; выделены структурные элементы в геоэлектрических разрезах, подтверждающие существующие геодинамические концепции [Dobretcov et al., 1996; Buslov et al., 2003; Gao, Klemd, 2003 и др.]. Результаты изучения распределения сейсмичности на территории Центрального Тянь-Шаня свидетельствуют о ярко выраженной приуроченности гипоцентров землетрясений к высокоомным блокам геоэлектрической модели, что может быть использовано при сейсморайонировании региона.
Применение нового подхода к интерпретации геофизических материалов, основанного на сопоставлении геоэлектрической модели с петрофизическими исследованиями образцов глубинных пород, является основой для построения структурно-вещественных моделей земной коры и верхней мантии. Такие модели могут быть использованы при характеристике глубинного строения литосферы, для выяснения причин металлогении активных зон в земной коре, флюидного режима формирования месторождений полезных ископаемых. Методика трёхуровневой MB-инверсии, в разработке и адаптации которой автор принимал самое непосредственное участие, используется различными группами ученых при исследовании Памира и Тибета.
Связь работы с научными проектами. Работа проводилась согласно планам НИР Научной станции РАН. Выполненные исследования были поддержаны грантами РФФИ (04-05-64970, 04-05-65103, 07-05-00594, 08-05-00875, 10-05-00572, 11-05-00840, 11-05-12042, 12-05-10042) и Минобрнауки РФ (госконтракты №02.515.12.5001, №02.740.11.0730, соглашение №8670) и проектом DFG (GZ:BA1443\18-1 AOBJ:562885).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования, изложенные в диссертации, были представлены в более чем 70 докладах на различных крупных международных и всероссийских совещаниях, таких как Тектоническое совещание (Новосибирск, 2004; Москва, 2001, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010, 2012, 2013); «Problems of Geocosmos» (Санкт-Петербург, 2000, 2004, 2010, 2012); Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли (Москва, 2005; Звенигород, 2007; Санкт-Петербург, 2011; Новосибирск, 2013); Первом-пятом международных симпозиумах по проблемам геодинамики и геоэкологии высокогорных регионов (Бишкек, 2000, 2002, 2005, 2008,
2011); The 23rd General Assembly of the IUGG (Sapporo, Japan, 2003); The 1st General Assembly European Geosciences Union (Nice, France, 2004); The 6th Workshop of Asia-Pacific Space Geodynamics Program ICC (Jeju, Korea 2006); The 19th Workshop, IAGA WG 1.2 on Electromagnetic Induction in the Earth (Beijing, China, 2008); The 11th Scientific Assembly IAGA (Sopron, Hungary, 2009); The International Workshop in memory of Mark N. Berdichevsky and Peter Weidelt «Electromagnetic soundings: theory and applications» (Moscow, 2010); Генеральной Европейской Ассамблее по геологическим наукам (EGU) (Vienna, Austria, 2004, 2009, 2010, 2011); The 21st EM Induction Workshop (Darwin, Australia, 2012); The 1st International workshop on geodynamic evolution of the Central Asian orogenic belt (St. Petersburg, 2012) и др.
По теме диссертации опубликовано 117 научных работ, из которых 30 статей в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в Перечень ВАК Минобрнауки России, 2 - коллективные монографии, 9 -статьи в международных рецензируемых журналах, 52 - материалы международных конференций, симпозиумов, совещаний и др.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 351 наименований. Объем диссертации составляет 282 страницы, включая 107 рисунков и 4 таблицы.
Благодарности. Диссетация посвящается светлой памяти Юрия Андреевича Трапезникова, Марка Наумовича Бердичевского и Владимира Ивановича Макарова, под руководством которых была получена большая часть представленных результатов. Без их дружеской и бескорыстной поддержки данная работа была бы просто невозможна.
Автор выражает особую благодарность академику Добрецову Н.Л. за неоценимые консультации в выработке общей концепции работы и постоянный интерес к творческим работам диссертанта. Считаю своим долгом выразить благодарность академику НАН Киргизской Республики Бакирову А.Б. за предоставленные консультации. За моральную поддержку, ценные советы, а также за предоставленную возможность и помощь в получении результатов ИК-спектроскопии искренне признателен Пальянову Ю.Н. Автор выражает огромную благодарность Бу слову М.М., за содействие в организации полевых работ и всестороннюю поддержку. Автор выражает свою глубокую благодарность проф. Н. Багдасарову за методические разработки для проведения лабораторных экспериментов и предоставленные возможности их реализовать. Неоценимую помощь при отборе образцов ксенолитов на выходах базальтов Ортосуу и в проведении аналитических работ по определению состава минералов оказала Егорова В.В., весьма полезными
были консультации сотрудников ИГМ СО РАН Симонова В.А., Литасова Ю.Д. Автор выражает особую благодарность Варенцову Ив.М, Соколовой Е.Ю. и Пушкареву П.Ю. за многолетний интерес к исследованиям, поддержку и совместные работы по развитию методики интерпретации МТ данных в горных условиях. Автор считает приятным долгом выразить глубокую признательность Зейгарнику В.А. и Щелочкову Г.Г. за всестороннюю поддержку инициативных исследований. Искреннюю благодарность хочется выразить Братину В. Д., Погребному В.Н., Неведровой Н.Н. и Баталевой Е.А. за оптимизм, преданность общему делу и моральную поддержку. Качество работы во многом улучшилось благодаря полезным и конструктивным замечаниям научного консультанта - Рыбина А. К. Автор искренне благодарен коллегам из лаборатории, в которой он работал более тридцати лет, за помощь в сборе полевого материала, разделение романтики и трудностей экспедиционных будней - Матюкову Е.К., Лосихину Л.Н., Матюкову В.Е., Пазникову В.А., Петрову П.П., Тимонину Г.Н., Черненко Д.Е.
