Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Краткий очерк геологического строения геопространства Кольской сверхглубокой скважины 7
Строение участка «Прибрежный» 8
Строение района бухты Амбарная 16
Строение района заложения района КСГ-3 21
Строение п-овов Средний и Рыбачий 28
Неотектонические исследования для Балтийского щита 39
Глава 2 Неотектоническая активизация
Печенгской структуры и ее обрамления 45
Анализ морфоструктуры поверхности геопространства 45
Обсуждение возможного времени формирования наблюдаемой морфоструктуры 61
Результаты изучения линеаментно-разрывной сети геопространства СГ-3 по материалам космо- и аэрофотосъемки 67
Анализ результатов дешифрирования космо-аэрофотофотоснимков разных масштабов 68
Анализ распределения разрывных нарушений по длинам 68
Анализ плотности разрывных нарушений разного ранга 77
Анализ простираний разрывных нарушений разной длины 83
Статистический анализ трещиноватости 91
Сейсмотектонические аспекты новейшей активизации объема геопространства 111
Возможный генезис новейшего поля напряжений с ЮЮЗ-ССВ
ориентировкой оси максимального сжатия 116
Глава 3 3D модель напряженного состояния геопространства СГ-3 126
История изучения напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины 126
Общая идеология исследования и методические подходы 130
Методика 131
Описание экспериментов и результаты моделирования 134
Модели с « площадным» типом нарезки 134
Сравнение результатов площадного моделирования полей напряжений с картой плотностей линеаментов 135
Моделирование на вертикальных разрезах 136
Обобщение результатов моделирования на разрезах 145
Сравнение результатов моделирования с данными по упругой анизотропии и палеонапряжениях вразрезе СГ-3 153
Заключение 157
Защищаемые положения 158
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации 159
Список литературы 161
- Строение района бухты Амбарная
- Строение п-овов Средний и Рыбачий
- Анализ морфоструктуры поверхности геопространства
- Общая идеология исследования и методические подходы
Введение к работе
Актуальность темы. В современных представлениях о характере структурообразования в земной коре особое значение придается тому, что ответственные за это тектонические процессы реализуются через иерархическую систему полей напряжений и деформаций, воздействующих на неоднородную, структурированную среду. Под структурированностью среды понимается наличие в ней разномасштабных, часто иерархически соподчиненных, разного рода структурно-вещественных неоднородностей, типа первичной расслоенности толщ, внедрившихся геологических тел (даек, силлов, интрузий), разрывных нарушений, кливажа, трещиноватости и так далее. Учитывая направления сжатия и растяжения в такой среде, можно более точно представить себе как формируется структура, где возникают области концентраторов напряжений, а где фиксируются области «тектонического покоя».
Однако классические методы тектоно физического моделирования дизъюнктивных структур земной коры, как правило, недоучитывают тектоническую расслоенность геологической среды, концентрируя внимания главным образом на субвертикальных разрывах. Изучение геопространства Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3), о которой речь пойдет ниже и которое послужило предметом данного исследования, показало, что важную роль в Печенгской структуре, в пределах которой расположена (СГ-3), играют как раз именно пологие надвиги, в то время как субвертикальные разрывы носят подчиненный характер.
Недоучет или игнорирование тектонической расслоенности геологической среды имеет своим следствием стремление при тектонофизическом моделировании ограничиться двумерной (2D) постановкой задачи реконструкции поля напряжений и деформаций только в горизонтальной плоскости. Это особенно характерно для физического моделирования с применением эквивалентных материалов, когда имеется возможность четко зафиксировать то, что происходит на поверхности модели, без возможности «заглянуть внутрь» модельного образца.
Учет же тектонической расслоенности геологической среды, наличия в ней полого наклонных нарушений, принципиально невозможно без трехмерного (3D) подхода к тсктонофизическому моделированию. Наличие в исследуемом районе глубокой и хорошо задокументированной скважины СГ-3 позволяет сопоставить результаты моделирования с природной картиной деформаций и напряжений. Учитывая направления сжатия и растяжения можно более точно представить себе, как формируется тектоническая структура,
где возникают области концентраторов напряжений, а где фиксируются области «тектонического покоя».
Цель и задачи исследований. Целью работы является анализ новейшего напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:
Изучить тектоническую делимость геопространства Кольской сверхглубокой скважины.
Провести структурно-парагенетический и кинематический анализ геологических объектов.
Разработать методику построения моделей напряженного состояния для полого-надвиговых структур.
Создать трехмерную тектонофизическую модель напряженного состояния Печенгской структуры и ее обрамления.
Методика исследования. В данной работе использовался комплекс методов, включающий в себя полевые исследования структурно-вещественных неоднородностей, данные, полученные дистанционными методами, и результаты тектоно физического моделирования. Помимо этого, проводилось сопоставление результатов моделирования с наблюдениями напряженного состояния в стволе скважины на глубину до 12 километров.
Фактический материал. В основу диссертационной работы положены полевые материалы, полученные автором в составе Кольской геологической партии ИФЗ РАН с 2000 по 2007 год. Помимо этого, в диссертацию включены материалы, собранные в результате проведения хоздоговорных и госбюджетных работ по темам: «Природа разномасштабных структурно-вещественных неоднородностей земной коры на примере геопространства Кольской СГС», «Структурно-геодинамическое районирование площадей (с применением геоинформационных технологий), с выделением зон, перспективных для добычи метана из угольных пластов в Кузбассе (структурно-кинематические и тектонофизические критерии прогнозирования зон, перспективных для добычи метана из угольных пластов в пределах Талдинского и Нарыкско-Осташкинского месторождений южного Кузбасса)», «Создание тектоподинамической модели формирования нефтегазоносности Долгинского вала» на кафедре динамической геологии за период с 2000 по 2008 год. Они включают как авторские полевые и камеральные исследования, так и результаты специальной обработки и анализа фондовых и литературных данных.
Научная новизна. Впервые построена трехмерная модель современного напряженного состояния геопространства Кольской сверхглубокой скважины. Данная модель создана на основе детального изучения разноранговых дизъюнктивных нарушений, а также кинематического анализа борозд скольжения. Показано, что трещиноватость является наложенной и относительно молодой. По бороздам скольжения с помощью кинематического метода, морфоструктурпого анализа и решения очагов землетрясений установлено север северо-восточное сжатие. Предложена новая методика создания моделей напряженного состояния полого-надвиговых структур с использованием оптически активных материалов.
Практическая значимость работы. Для района Кольской сверхглубокой скважины построена трехмерная модель напряженного состояния. Модель позволяет выявить участки повышенных значений касательных напряжений, с которыми могут быть связаны различные опасные геологические процессы (сейсмичность, горные удары и т.д.).
При бурении глубоких скважин возникает проблема искривления ствола скважины, которое может быть связано с характером напряженного состояния среды. Так, в Кольской сверхглубокой скважине при бурении ствол имел тенденцию к искривлению, сохраняя перпендикулярность пластам. Все четыре аварии, произошедшие во время бурения, были связаны с зонами максимального искривления траектории бурения, которые, в свою очередь, связываются с резким изменением напряженного состояния среды.
Предложенная методика построения моделей напряженного состояния, может использоваться для моделирования газовых и нефтяных месторождений с трещиноватыми коллекторами. Так, данная методика использовалась при построении геолого-технологической модели Долгинского нефтяного месторождения, а также учитывалась при разработке метаноугольньгх месторождений Кузбасса.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались на международной научной конференции «Ломоносов 2006» и «Ломоносов 2007», XL Тектоническом совещании «Фундаментальные проблемы геотектоники» (Москва, 2007), XLI Тектоническом совещании «Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики» (Москва, 2008), конференции молодых ученых и специалистов ОАО "Промгаз" (Новокузнецк, 2006), симпозиуме «Неделя горняка-2006» (Москва, 2006), рабочем совещании «Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана» (С.-Петербург, 2007).
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 12 печатных работах, из них 8 в соавторстве, а также в 5 научно-производственных отчетах.
Структура работы. Работа состоит из введения, 3 глав и заключения, общим объемом 170 страниц машинописного текста, содержит 74 иллюстрации в виде 71 рисунка и 3 таблиц. Список использованной литературы включает 103 названия.
Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю, доктору геол.-мин. наук, заведующему лабораторией тектонофизики и геотектоники им. В. В. Белоусова Михаилу Адриановичу Гончарову за постоянную и разностороннюю помощь в ходе подготовки диссертации. Особую благодарность автор выражает начальнику Кольской геологической партии ИФЗ РАН доктору геол.-мин. наук Ю.А. Морозову, научному руководителю темы доктору геол.-мин. наук В.Н. Шолпо, а также всем геологам этого отряда: М.С. Фельдману, А.Л. Кулаковскому, А.В. Мараханову и всем друзьям и коллегам, принимавшим участие в полевых работах.
Слова признательности за постоянное внимание к работе и ценные консультации автор выражает заведующему кафедрой динамической геологии геологического факультета МГУ профессору Н.В. Короновскому и профессорам кафедры М.Г. Ломизе, А.Г. Рябухину, Н.А. Божко, а также сотрудникам и преподавателям кафедры Г.В. Брянцевой, А.И. Гущину, Л.И. Деминой, В.А. Зайцеву, B.C. Захарову, Н.В. Лубниной, Н.В. Макаровой, А.А. Наймарку, Л.В. Паниной, А.И. Полетаеву, А.Н. Стафееву, Н.С. Фроловой. Автор искренне благодарен М.А. Романовской за внимание, проявленное во время всего обучения.
Отдельную благодарность автор выражает всем сотрудникам НПЦ «Кольская сверхглубокая», директору НПЦ Д.М. Губерману, главному геологу Ю.Н. Яковлеву и заместителю главного геолога Ю.П. Смирнову.
Строение района бухты Амбарная
Изучаемый район является северо-восточным окончанием Мурманского гранит--мигматитового пояса (Мурманский блок), который протягивается вдоль Баренцевоморского побережья Кольского п-ова. И отделяется от Центрально-Кольского блока крупным разломом Колмозеро-Воронье. Этот разлом является одним из важнейших структурообразующих элементов первого порядка (наряду с Порьиташским разломом) в пределах всего объема геопространства. От кинематических и геодинамических условий функционирования этого разлома зависят многие особенности и закономерности формирования структуры в сопряженных с ним значительных объемах коры, направленность их эволюции на протяжении длительного отрезка времени от позднего архея и до, практически, новейшего времени. Сам разлом недоступен для непосредственного изучения, так как проходит, судя по геофизическим данным, уже за пределами суши, определяя в целом ее береговую линию.
Касаясь характера разреза изученного участка Мурманского блока (рис. 2), сразу следует сказать, что устанавливаются несомненные черты сходства с толщами Прибрежной зоны Печенгского побережья. И здесь и там в строении разреза принимают участие весьма характерные и схожие по своему облику и составу слюдистые мигматито-гнейсы и толщи гранитизированных амфиболовых гнейсов и амфиболитов. Но самое главное сходство заключается в том, что, как и в Прибрежной зоне, здесь практически на границе этих двух толщ, но со стороны слюдистых гнейсов появляются тела железистых кварцитов. Они имеют подобный же состав, облик, структурное положение, пространственно-генетическую Таблица 1 Морфологические и генетические типы, последовательность и кинематические условия формирования структурно-вещественных пеодпородностей в комплексе архейского фундамента.
Вообще, процессы гранитизации, которые проходят в гнейсовом субстрате, играют большую роль в формировании облика разреза, обладая значительной вариативностью от места к месту, проходя, во-первых, поэтапно, во-вторых, с различной интенсивностью в породах разного состава и строения и, в-третьих, в зависимости от формы проявления (инъекционная, с образованием агматитов, или объемно-метасоматическая, с формированием теневых гранито-гнейсов). На площади выявляются практически все стадии преобразований типичной петрохимической последовательности процессов гранитизации: от натровой к калиевой стадии с последующим кислотным выщелачиванием. Каждой стадии соответствуют пегматоидные жилы - Pl+Q; Pl+Q+Mi±Mus или существенно микроклиновые. Часто эта последовательность подтверждается структурными соотношениями жил. Нами было подмечено, что деформация, предшествующая или синхронная гранитизации, повышает активность процесса и наиболее интенсивно гранитизируются рассланцованные, будинированные и трещиноватые породы. Тем не менее, даже в случае преобразования субстрата до состава и облика гранита, в нем обычно сохраняются теневые линейные или сланцеватые текстуры, что делает гранитоиды схожими с так называемыми «серыми гнейсами». Картирование гранитизированных разностей пород, обладающих такой значительной вариативностью состава, облика и сложения, затруднительно, поэтому были выделены только две группы: 1) наименее гранитизированные породы с реликтовыми и теневыми структурами и 2) граниты и сильно гранитизированные породы, в которых субстрат неясен или определяется с трудом.
Толща, содержащая тела железистых кварцитов, появляется в ядре изоклинальной складки одной из ранних генераций, которая в свою очередь деформируется более поздней крупной картируемой складкой с субвертикальными шарниром и субширотной осевой плоскостью, южное крыло которой подворачивается около разлома Колмозеро-Воронье. Говоря о структуре участка в целом, следует отметить, что она определяется системами уже упомянутых двух генераций складок, а также наличием разновозрастных зон разрывных нарушений, отмеченных тектонитами разного уровня метаморфических преобразований. Ранние из них представлены высокотемпературными (уровня амфиболитовой фации) тектонитами, слагающими умеренно наклонные (35-50) разрывные нарушения, которые секут слоистость, гнейсоватость, плагиогранитные тела и зоны объемной гранитизации Рис.2. Схематическая геологическая карта участка Мурманского блока. 1 - слюдистые гнейсы и гранито-гнейсы, 2 - амфиболовые гнейсы, 3 - гранитоиды, 4 -зеленокаменный комплекс Колмозеро-Воронье, 5 - дайки метадолеритов, 6 - дайки оливиновых пироксенитов, 7 - высокотемпературные тектониты, 8 - тектониты зеленосланцевого уровня, 9 - надвиги, 10 - прочие разрывные нарушения, (по Ю.А. Морозову, 2001) и, стало быть, сформировались либо синхронно, либо после процессов плагиогранитизации. Они частично или полностью разворачиваются в изгибах складок второй генерации и «нарезают» толщи на серии пластин, возможно несколько усложняя разрез и увеличивая его мощность. Более поздние тектониты соответствуют уровню зеленых сланцев и по сути представляют собой диафториты по основным «разрезообразующим» разностям пород. Они часто проявляются в пределах зон ранее сформированных высокотемпературных тектонитов, накладываясь на них и перестраивая их текстуры, но могут образовывать и самостоятельные явно разрывные зоны, которые в совокупности создают сложный ветвистый в плане рисунок. И если для зон высокотемпературных тектонитов характерно преимущественно левосдвиговые компоненты смещений, то для разрывных зон зеленосланцевого уровня отчетливо устанавливается значительная надвиговая составляющая в южном направлении в сочетании с правосдвиговой компонентой. Об этом можно уверенно судить по смещениям даек метабазитов северо-восточной ориентировки, которые, как и в Прибрежной зоне, коррелируются с вулканогенными образованиями печенгского комплекса и соответствуют раннекинематической стадии карельского тектогенеза. Следует заметить, что эта кинематика точно соответствует кинематике этого же этапа собственно зоны разлома Колмозеро-Воронье, и поэтому система разрывных нарушений, отмеченных зеленосланцевыми диафторитами, может рассматриваться как оперяющие эту зону нарушения более высокого порядка. Помимо даек метадолеритов было зафиксировано несколько даек явно ультраосновного состава, которые имеют северозападную ориентировку. Схожесть состава и ориентировок позволяет предполагать их принадлежность к «нясюкскому» комплексу даек, знаменующих вторую кинематическую стадию карельской эпохи тектогенеза.
Помимо выше описанных нарушений, на площади картируется система крутых надвигов небольшой амплитуды (первые метры) с южной вергентностыо. Они отмечены зонами хрупкого развальцевания и трещиноватости и весьма отчетливо выражены в современной морфоструктуре. Это могут быть нарушения пострифейского тектогенеза, проявленного на полуостровах Рыбачий и Средний, которые к тому же были активизированы на новейшей стадии (постледниковой).
Касаясь самой зоны разлома Колмозеро-Воронье, следует отметить наличие в ее пределах совершенно самостоятельного структурно-вещественного комплекса, который иногда называют троговым верхнелопийским комплексом, иногда зеленокаменным комплексом Колмозеро-Воронье, возраст которого считается позднеархейским. В пределах рассматриваемого участка действительно выделяется довольно однообразный по составу и сложению комплекс метабазитового состава, который значительно тектонизирован и частично гранитизирирован телами и жилами плагио- и микроклиновых пегматитов. Первые, более ранние, значительно деформированы складками и тектонизированы, образуют в целом левосдвиговые кулисы, тогда как вторые, явно более поздние по сравнению с первыми, секущие их, располагаются в правосдвиговом кулисно-эшелонированном порядке. Определение абсолютного возраста подобных же микроклиновых пегматитов из Прибрежной зоны, сделанные Н.Е. Козловой и Т. Каулиной (устное сообщение), показывает интервал 2620+26 млн. л., что соответствует заключительным стадиям ребольского этапа тектогенеза. Позже эти пегматиты местами перерабатываются тектонитами зеленосланцевого уровня (карельский тектогенез).
Строение п-овов Средний и Рыбачий
Основные черты размещения и строения верхнепротерозойских отложений Кольского побережья. Верхнепротерозойсісие отложения побережья Кольского полуострова составляют лишь малую часть рифейско-вендского осадочного пояса акватории Белого и Баренцева морей. Слабо деформированные верхнепротерозойские породы несогласно залегают на гнейсах и гранитах архея и обнажаются в пределах ряда обособленных площадей. Наиболее крупные из них располагаются на полуостровах Среднем и Рыбачьем (рис. 5), о. Кильдин и на юге Кольского полуостров; небольшие поля выходов сохранились также в локальных грабенообразных депрессиях северного и восточного побережий Кольского полуострова. Наиболее полные разрезы рассматриваемых отложений обнажены на полуостровах Среднем, Рыбачьем и о. Кильдин, и именно эти разрезы имеют ключевое значение в региональном масштабе.
Сравнительно большая деформированость отложений п-ова Рыбачьего позволила А.А. Полканову в 1925-1935 гг. высказать мнение, что эти отложения древнее пород, развитых на п-ове Среднем и о. Кильдин, и надвинуты на шгх. Подобные соотношения, по мнению А.А. Полканова, наблюдаются и на п-ове Варангер. К тако\гу же выводу в 1929 г. пришел и финский геолог К. Вегманн, а в последующие годы - Б.М. Келлер, Б.С. Соколов. Результаты работ по проекту "Северный район" с учетом структурной зональности подтвердили правильность выводов А.А. Полканова Верхнепротерозойские толщи п-ов Среднего и Рыбачьего и о. Кильдин простираются в северо-западном направлении и имеют устойчивое северо-восточное падешіе. Оші могут рассматриваться как часть юго-западного крыла крупной синклинальной структуры, расположенной в акватории Баренцева моря. Общая схема расчленения рассматриваемых отложений Кольского побережья в итоге исследований последних лет представляется следующей. Наиболее древней является эйновская серия, нижняя граница которой неизвестна, а на эту серию с согласно налегает баргоутная серия, для которой неизвестна верхняя стратиграфическая граница. Эти отложения распространены только на п-ове Рыбачьем. Более молодыми считаются отложения кильдинской серии, которая без явного несогласия, но с перерывом перекрывается волоковой серией, венчающей разрез верхнего протерозоя Мурманского побережья. Породы кильдинской серии распространены на п-ове Среднем и о. Кильдин, а также частично на юге п-ова Рыбачьего, но, как было установлено во время совместных работ с геологами Норвежской геологический службы, соприкасаются на дневной поверхности с отложениями эйновской серии только по разрывным нарушениям (рис. 5 и 6). Эту точку зрения разделил и принимавший участие в названных работах В.З. Негруца, который ранее придерживался мнения о налегании эйновской серии на кильдинскую. Волоковая серия распространена только в северо-западной части п-ова Среднего. На южном, Терском берегу Кольского п-ова обнажаются толщи, коррелирующиеся в основном с кильдинской серией, а также более древние отложения, условно сопоставляемые с баргоутной серией.
Характерной чертой рифейско-вендских отложений района является их фациальная зональность, отражающая условия накопления в субширотно вытянутых тектонических зонах. Эта зональность впервые была намечена Б.М. Келлером и Б.С. Соколовым (1960), которые выделили две структурно-фациальные зоны: внешнюю платформенную, включающую п-ов Средний, мыс Мотка п-ова Рыбачьего и о. Кильдин, и внутреннюю миогеосинклинальную, которая охватывает п-ов Рыбачий. Наличие подобной зональности позднее было подтверждено исследованиями В.З. Негруцы (1971), Э.И. Сергеевой (1973) и В.В. Любцова (1975). Последние данные позволяют теперь говорить о выделении трех зон распространения различных разрезов верхнепротерозойских (верхнерифейских и вендских) отложений на Кольском п-ове - 1) Рыбачинской, 2) Кильдинской, которые отвечают двум зонам, намеченным Б.М. Келлером и Б.С. Соколовым (I960), и 3) Терской. Рис. 6. Принципиальные структурно-геологические разрезы (а,б) к карте (рис. 1-4 ). Условные обозначения и местоположение профилей показано на карте. На в - зарисовка модельного образца глиняного многослоя, деформированного в условиях транспрессии и ПоЮ.А.Морозову(2001)
Работы по проекту "Северный район" дали ряд новых сведений о строеіши и развитии крупной линейной дизъюнктивной структуры (рис. 7), которая разграничивает северовосточную и юго-западную структурно-фациальные зоны. Эта структура общей протяженностью более 1000 км определяется в норвежской части Баренцевоморского региона как зона разломов Трольфиорд-Комагельв, а далее к юго-востоку она разделяет полуострова Средний и Рыбачий и проходит севернее о. Кильдин. На п-ове Канин данный линеамент отделяет район хребта Пае (Кшшн Камень) от района мысов Лудоватых и уходит в стороігу Тимана. Данная структура выражается системами разрывных нарушений, сопровождаемых складками разного масштаба. Имеющиеся данные показывают, что в позднем протерозое она имела конседимеїгкщиошіьтй характер и отделяла край континента от активного континентального склона.
Структурно-фациальная зона, лежащая к северо-востоку от этой линии, далее в тексте упоминается как зона Баренцси-Рыбачий (I на рис. 5). Ведущими особешюстями этой зоны являются: 1 - присутствие, а на п-ове Рыбачьем исключительное распространение турбидитпых ассоциаций верхнего рифея, в том числе нижних его горизонтов (формация Конгсфиорд, серии эйновская и баргоутная) и отсутствие наблюдаемой нижней границы этих толщ; 2 - распространение на п-ове Варангер и более молодых верхнерифейских и вендских толщ (верхи серии Баренцси, серии Леквикфьеллет); 3 - интенсивное проявление в породах катагенетических изменений; 4 - значительные тектонические деформации (мелкие складки, кливаж) и довольно широкое развитие проявлений кварцевых и карбонат-кварцевых жил альпийского типа
Краткая характеристика строения верхнепротерозойских отложений полуостровов Средний и Рыбачий Эйновская серия, развитая на перешейке и п-ов Среднего и Рыбачего и на п-ове Рыбачьем, начинает рифейский разрез рассматриваемого района (рис. 8) и делится на три свиты (снизу вверх) - мотовскую, лонскую и перевалыгую. Мотовская свита (видимая мощность до 350 м) распространена на перешейке п-овов Среднего и Рыбачьего и на мысе Мотка п-ова Рыбачьего, где она тектонически сбліокена с различными свитами кильдинской серии. Вдоль этой зоны сближения, являющейся частью линеамента Трольфиорд-Комагелов-Рыбачий-Кильдин-Кашш, мотовская свита обнажается только к северо-востоку от него, а кильдинская и волоковая серии - к юго-западу. В составе мотовской свиты господствуют недифференцированные отложения - переслаивающиеся грубые кварцито-песчаники суб-грауваккового и грауваккового типов, брекчии и полимиктовые, преимущественно гранитоидные валунно-галечные конгломераты, переходящие вверх по разрезу в мелкогалечные конгломераты, гравелиты и песчаники.
Лонская свита (700 м) содержит конгломераты, гравелиты, субграувакковые и граувакковые песчаники, алевролиты, аргиллиты, реже топкие прослои глинистых известняков и мергелей. Вышележащая перевальная свита (до 2000 м) сложена однородными грубозернистыми граувакковыми и субграувакковыми песчаниками и гравелитами. Баргоутііая серия, развитая на п-ове Рыбачьем в единой последовательности включает три свиты майскую, зубовскую и ципнаволокскую (рис. 8). Кроме того, к этой серии обычно относят так называемую скарбеевскую свиту, которая обнажается в обособленном тектоническом блоке.
Анализ морфоструктуры поверхности геопространства
Изучение морфоструктуры проводилось как для всего геопространства в целом, так и для некоторых его отдельных участков, характеризующих различные геоструктурные зоны, путем анализа топографической основы разных масштабов и аэрофотоснимков поверхности или их накидных моптажей. Этот анализ включает выявление особенностей морфоструктуры рельефа и гидросети через выделение и характеристику: проявленных в рельефе разрывных нарушений в виде выступов и стенок, с указанием поднятых и опущенных блоков и высоты уступов; углов и направления наклона поверхностей денудации; конфигурации озерных впадин и зон их скоплений; мест подпруженных и заболоченных берегов; различных элементов гидросети, включая ориентировку прямолинейных отрезков рек и ручьев, оврагов и обрывов и т.д.; системы выраженных в рельефе поверхностей древних разрывов, амплитуды и возможной кинематики смещения по ним. Кроме того, анализ включал выявление закономерностей в пространственном распределении всех этих элементов и в их взаимосвязях, возможную оценку кинематики движений с помощью методов традиционного структурно-парагенетического анализа в приложении к морфоструктуре. Морфоструктура площади геопространства, в целом. На основе серии топографических карт масштаба 1:100 000 была составлена морфоструктурная схема геопространства, включающая систему разрывных нарушений, выраженных в рельефе, и картину распределения поднятых и опущенных участков. Анализ всей схемы и отдельных ее фрагментов выявил определенные закономерности в характере, особенностях и результатах проявления процессов, ответственных за формирование современного рельефа на площади региона.
Прежде всего, следует отметить явные неоднородности распределения разрывных нарушений, как по их удельной плотности, так и по предпочтительности направлений, что подробно будет рассмотрено ниже. Здесь же можіо отметить лишь сам факт заметной изменчивости от места к месту, т.е. в различных блоках, характера интегральной сети разрывных нарушений. Например, к востоку от Печенгской губы ее рисунок ветвистый, составленный преимущественно разрывами северо-западной и северо-восточной ориентировки. При этом в рисунке наблюдается отчетливая асимметрия относительно протяженного разлома северо-западного простирания, отходящего от губы Амбарной, так как к востоку от него доминируют разрывные нарушения северо-западной ориентировки, а к западу развита диагональная сеть разрывов и северо-западного и северо-восточного направления, при некотором доминировании последних. Наоборот, к западу от Печенги в устойчиво однообразной на обширной площади диагональной сети более протяженными и доминирующими выглядят разрывы северо-западной ориентировки. На юго-востоке района исследований предельно резко преобладают разрывы северо-восточного простирания, которые образуют здесь особенно густую и однообразную сеть. Кстати говоря, мелкие разрывы и трещиноватость этого же направления, образующие на крупномасштабных снимках густую "штриховку", в той или иной степени проявлены если не повсеместно, то, во всяком случае, на весьма значительной площади. В отдельных местах происходит резкая и неоднократная смена ориентировок такой "штриховки" на некоторый угол, что свидетельствует либо о развороте отдельных блоков в процессе деформации, либо о вариациях локальных полей напряжений. Вообще смена характера разрывной сети от места к месту может быть связана и с литологией, и с возрастом разрывов, и с особенностями локального и регионального полей напряжения, и требует специального рассмотрения и оценки.
Для анализа морфоструктуры не менее важен характер группирования морфологических впадин и озер, их конфигурация, приуроченность к определенным линейным направлениям. Вот что можно сказать в этом плане на основе анализа морфоструктуриой схемы геопространства. Совершенно очевидна и вполне естественна связь и приуроченность впадин и речных долин к отдельным разрывам или к зонам разрывных нарушений. При этом можно выделить два доминирующих направления, соответствующих предпочтительным ориентировкам разрывов: северо-восточное и северозападное. В обоих случаях видно кулисообразное расположение заболоченных долинок и удлиненных впадин, как бы «оперяющих» протяженные линейные долины, к которым приурочены крупные разрывы и где сконцентрированы многочисленные небольшие и крупные озерца, часто вытянутой формы. Такой характер расположения впадин, в соответствии с установками структурно-парагенетического анализа, достаточно определенно указывает на динамические условия их заложения и на совершенно определенную кинематику движений. Например, отчетливо линейно и кулисообразно расположена цепочка озер (озера Питкяярвн, Сориярви, Сантаярви и др.) в долине северо-восточного простирания между поселками Луостари и Спутник, под углом и с устойчивым разворотом против часовой стрелки к этому простиранию (рис. 10). Это соответствует левосдвиговой кинематике по разлому, который, несомненно, здесь существует и определяет это направление в морфоструктуре. Кстати, он является продолжением крупного Луоттнинского разлома, выделяемого в пределах Печенгской структуры, для которого на неотектоническом этапе также устанавливается левосдвиговая составляющая смещений, судя по линзовидно-сигмоидальному, «8»-образному очертанию озера Луоттнъяур, предполагающему раздвиговую («пулл-апартную») природу (рис. 11). В долине реки Титовка, определяемой одноименным линеаментом северо-восточного простирания, можно видеть подтверждение левосдвиговой кинематике в виде отчетливой трапстепсивной структуры подобного же облика, охватывающей линзовидный участок «S «-образной конфигурации, переполненный мелкими озерцами (рис. 12). Точно также, иногда сама форма озер напоминает ромбовидные или линзовидные структуры "пул-апарта" (или транстенсивных впадин), возникающие, как известно, в режиме сочетания простого сдвига с раздвигом. Типичный и яркий пример этому - озеро Трифонаярви (рис. 10), где сама его форма и факты заболоченности юго-западного и северо-восточного берегов и, наоборот, подпруженности северо-западной и юго-восточной сторон, свидетельствуют о левостороннем сдвиге вдоль субмеридионального разрыва, оперяющего линеамент по долины реки Печенги.
Общая идеология исследования и методические подходы
Принципиально важной, можно даже сказать, основополагающей особенностью «идеологического» подхода в данном исследовании является понимание того факта, что все деформации в природе проходят в исходно структурированной среде, где их реализация принципиально отлична от их протекания в однородном материале. Это определяет ту направленность изучения и анализа первичного геологического материала, специфику его обобщения и достаточно-необходимого упрощения в приложении к задачам тектонофизического моделирования, которые требовалось провести для достижения целей, обозначенных в рамках сформулированной проблематики.
Говоря о структурированности среды, мы подразумеваем наличие в ней разномасштабных, часто иерархически соподчиненных, разного рода структурно-вещественных неоднородностей, типа первичной расслоенности толщ, внедрившихся геологических тел (даек, силлов, интрузий), разрывных нарушений, кливажа и трещиноватости и т.д. Т.е. всех тех элементов внутренней структуры толщ, которые определяют характер «поврежденности» геологической среды, степень нарушения ее сплошности, а, соответственно, и ее проницаемости для газово-флюидной субстанции, и которые обычно выступают в качестве концентраторов напряжений при деформации.
Основой методического подхода в решении задачи исследования было тектонофизическое моделирования деформаций в структурированной среде на оптически активных материалах. При этом, в качестве исходной структурированности модельных образцов принималась их предельно упрощенная «нарезка» на блоки системой разрывных нарушений, включающей крупнейшие из всей совокупности разрывов, рассекающих объем геопространства. Методика Поляризациошю-оптический метод исследования напряжений на прозрачных моделях (метод фотоупругости) позволяет получать распределение и величину напряжений для решения целого ряда практических задач (Фрохт, 1948; Трумбачев, 1963; Осокина, 1963; Осокина, Бондаренко, 1989; Бондаренко, 1989, Осокина, 1989). Поляризациошю-оптический метод основан на способности большинства прозрачных изотропных материалов (стекло, целлулоид, бакелит, отвержденные эпоксидные смолы, желатин, агарин и др.) под действием напряжений (деформаций) приобретать свойство двойного лучепреломления. Величина двойного лучепреломления связана с величиной напряжения и может быть измерена оптическим методом. Экспериментальные исследования проводятся на прозрачных моделях путем просвечивания их поляризованным светом.
Естественный свет представляет собой поток частиц, имеющих колебания в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения. Эти колебания, хаотические в общем случае, могут быть систематизированы, т. е. приведены в одну плоскость с помощью прибора, называемого поляризатором. Поляризатор пропускает лучи только одного направления, имеющие колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации.
Установка, состоящая из источника света, двух поляроидов и экрана, представляет собой простейший поляризационный прибор и называется плоским полярископом. Первый поляроид (ближайший к источнику света) называется поляризатором, второй - анализатором (рис. 58). Исследуемая модель устанавливается между поляризатором и анализатором так, чтобы ее плоскость была перпендикулярна лучам поляризованного света, идущим от поляризатора.
Каждый элемент прозрачного напряженного изотропного тела ведет себя подобно кристаллу с двойным лучепреломлением. Под действием напряжений возникают деформации, вызывающие оптическую анизотропию материала. В точках модели, в которых световые колебания поляризованного луча не совпадают с направлением одного из главных нормальных напряжений, луч света при прохождении через модель разложится на два луча, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны и совпадают с направлениями главных напряжений. Оба эти луча проходят через модель с различными скоростями. Величина скорости прохождения этих лучей зависит от величины напряжения.
Колебания двух лучей проходят через анализатор и приводятся в одну плоскость. Лучи интерферируют, давая определенную разность хода.
В точке модели, в которой плоскость колебания луча совпадает с направлением одного из главных нормальных напряжений, двойного лучепреломления не произойдет. Через модель пройдет только один луч. Если поляризатор и анализатор поставлены на темноту, т. е. их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, то через анализатор этот луч не пройдет. На экране на цветном изображении модели в соответствующем месте появляется темная точка. Вблизи такой точки найдется целая серия других точек, в которых главные напряжения имеют такие же направления, как и в данной. Эти точки образуют кривую линию, которая называется изоклинической линией или изоклиной). Следовательно, изоклина представляет собой геометрическое место точек, направления главных напряжений в которых параллельны.
Моделирование проводилось нами на желатино-глицериновых студнях, физические свойства которых хорошо изучены, и разработаны критерии применимости таких материалов для тектонофизического моделирования (Трумбачев, 1963, Осокина, 1963, 1989 и др.). Желатина представляет собой смесь сложных белковых веществ, получающуюся в результате взаимодействия кожного и костного коллагена с водой при 60-100.
Желатина не имеет ни вкуса, ни запаха, химически нейтральна. Она почти не растворяется в холодной воде, а только набухает, увеличиваясь в объеме. Набухшая желатина при нагревании растворяется, а при охлаждении раствор переходит в студень. Сухая желатина гигроскопична и в сыром помещении впитывает влагу. Желатина не растворяется в органических растворителях. Формалин, алюминиевые и хромовые квасцы ее задубливают. Щелочи и сильные кислоты ее разлагают, особенно интенсивно при нагревании. При длительном нагревании в воде она разлагается (гидролизуется) и теряет способность застудневать.
Моделирование осуществлялось на желатиновых моделях, нагружение которых приводит к возникновению неких картин, видимых в поляризованном свете и выраженных распределением в модели цветовых изохром (полос, окрашенных в различные цвета светового спектра), соответствующих линиям максимальных касательных напряжений. В зависимости от интенсивности нагружения в разных местах модели могут появляться изохромы нескольких порядков, наиболее высокие из которых соответствуют максимальным напряжениям. В конечном счете, в моделях качественно выделялись области с изотропными характеристиками напряженного состояния и участки с повышенными значениями напряжений - концентраторы.
