Восстановление структуры земной коры Забайкалья по данным глубинных сейсмических исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ ЗАБАЙКАЛЬЯ ПО ДАННЫМ ГЛУБИННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Научная статья

Мельник Е.А.^1, *, Суворов В.Д.²

Аннотация

Профиль 1-SB длиной 1400 км включен в систему региональных геофизических профилей Российской Федерации и пересекает северную часть Центрального Азиатского складчатого пояса с выходом к Сибирскому кратону. Приводятся результаты изучения земной коры по данным преломленных и отраженных волн. Для земной коры Забайкалья в целом характерны пониженные значения средней скорости 6.2-6.4 км/с во всей ее толще по сравнению со значениями 6.4-6.5 км/с на Сибирской платформе и Алданском щите. При контрастных структурах верхней коры выявлен пологий рельеф Мохо, залегающей на глубинах около 40 км. По данным ГСЗ обнаружены неоднородности в земной коре и изменения скорости в верхах мантии, коррелирующиеся с структурно-тектоническими блоками по геологическим данным.

Ключевые слова: глубинное сейсмическое зондирование, лучевое трассирование, земная кора, Забайкалье.

земной кора рельеф мантия

Abstract

The 1400 km long 1-SB profile is included into the system of regional geophysical profiles of the Russian Federation and crosses the northern part of the Central Asian fold belt with access to the Siberian craton. The results of the study of the Earth's crust according to refracted and reflected waves are presented. The crust of Transbaikal as a whole is characterized by lower values of the average speed of 6.2-6.4 km/s in its entire thickness compared to 6.4-6.5 km/s on the Siberian platform and the Aldan shield. The sloping relief of Moho was revealed lying at depths of about 40 km with contrasting structures of the upper crust. According to the DSS data, heterogeneities in the Earth's crust and changes in velocity in the tops of the mantle are found correlating with structural-tectonic blocks according to geological data.

Keywords: deep seismic sounding, radial tracing, Earth crust, Transbaikal.

Введение

Рассматриваемые данные глубинных сейсмических зондирований (ГСЗ) вдоль профиля 1-СБ являются частью большого комплекса геофизических и геологических работ, входящих в систему опорных региональных профилей Российской Федерации [6, С. 28], [2, С. 44]. Задача исследований состоит в изучении глубинного строения крупных геологических провинций, создании современных комплексных геолого-геофизических, структурно-вещественных и геодинамических моделей земной коры и верхней мантии и выяснение закономерностей размещения полезных ископаемых относительно глубинных структур.

Профилем 1-СБ пересечен Монголо-Охотский эпиплатформенных пояс, являющийся частью Центрально-Азиатский орогенического пояса и, представленный разнообразными и разновозрастными тектоническими структурами такими как Аргунский срединный массив, Селенгино?Становая и Забайкальская складчатые области и Бодайдо-Патомская складчатая система.

Геофизическая изученность для этих районов является неравномерной. Для Забайкальского части профиля глубинное строение сейсмическим методом ранее практический не проводилось и основывается в основном на данных геологической съемки и грави- и электроразведки [1, С. 637], [8, С. 6]. Совсем другая картина складывается для Байкало-Патомского участка, где в 70-80 -х годах были проведены масштабные работы методом ГСЗ [3, С. 50], [4, С. 119], [5, С. 49], [9, С. 71] позволившие для Байкальской рифтовой зоны и близлежащих территорий выявить основные крупные черты строения и свойств земной коры и верхов мантии. Таким образом проведенные детальные сейсмические исследования по профилю 1-СБ позволяют существенно дополнить представления о глубинном строении Забайкальского региона в целом.

Методика работы

Наблюдения ГСЗ на профиле 1-СБ проводились в 2014-2015 гг. от п. Среднеаргунск - п. Усть?Каренга - г. Таксимо - п. Витим при протяженности профиля около 1400 км (рис. 1). Возбуждения производилось взрывами тротила до 4-6 т в мелких водоемах с шагом 15-30 км в зависимости от имеющихся возможностей размещения зарядов. Использованы наблюдения на разобщенных четырех канальных станциях “Роса-А” с группами вертикальных приборов СВ?5 и SG-5-Sercel с шагом между станциями 3-5 км.

Рис. 1 ? Схема наблюдений ГСЗ (пункты взрыва ? черные кружки) на фрагменте цифровой Тектонической (геолого-структурной) карты России. М-б 1:2 500 000, ФГУП “ВСЕГЕИ”, 2003 г

Количественная интерпретация заключалась в построении сейсмического разреза методом лучевого трассирования. Его основой является численное решение прямой кинематической задачи сейсмики в двумерно-неоднородной среде, реализованной в комплексе программ SeisWide [10, С. 17-19], позволяющей выполнять корреляцию годографов, а также расчет времен пробега и лучевые траектории различных типов сейсмических волн. Преимуществом данной программной реализации лучевого метода является возможность задания блоковой скоростной модели среды. При этом, вследствие условия непрерывности сейсмических границ на протяжении всего профиля, блоковая модель задается прерывистыми выклинивающимися слоями и блоками с латеральными неоднородностями внутри слоев. Параметры разреза определялись методом целенаправленного перебора, при которых различие между наблюденными и теоретическими временами пробега волн, как правило, не превышает 0.1-0.15 с. Однако, в отдельных случаях, вследствие криволинейности профиля наблюдений, это различие может быть и больше из-за влияния трехмерных приповерхностных неоднородностей в горных условиях, где кривизна профиля наибольшая. При моделировании данных ГСЗ использовался сейсмический разрез верхней части земной коры, полученный для профиля 1-СБ по данным кинематического метода преломленных волн (КМПВ) [7, С. 446].

Основными опорными волнами, выделяемыми в волновой картине, являются: P_g, Р_с1 - распространяющиеся в верхах земной коры, P_cP, Р_сР₁, Р_сР₂ и P_mP - отраженные от внутрикоровой границы и поверхности Мохо и P_n - преломленная на границе кора-мантия.

На рисунке 2 представлены результаты моделирования разреза земной коры для ПВ 5, расположенного в районе Куренгинского структурного шва, на котором наиболее полно удалось выделить основные опорные волны ГСЗ. До удалений около 25 км видно волну в первых вступлениях, распространяющуюся с кажущейся скоростью 5.7-5.9 км/с, далее, практически на всем интервале прослеживания кажущаяся скорость увеличивается и достигает 6.0-6.3 км/с. Начиная с 180 км в первые вступления выходит волна, преломленная на границе Мохо, с кажущейся скоростью около 8.3 км/с. В целом волны, регистрирующиеся в первых вступлениях и распространяющиеся в земной коре достаточно интенсивны и их корреляция не вызывает больших затруднений.

Рис. 2 ? Результаты моделирования разреза земной коры в окрестности ПВ 5:

вверху сейсмограмма с наблюденными годографами (красные линии) и теоретическими (зеленые) в редуцированном масштабе времен; внизу лучевая схема распространения волн в скоростной модели; толстые линии - сейсмические границы, тонкие - лучевые траектории и и изолинии скорости с шагом 0.1 км/с

Дополнительно к традиционной корреляции волн в первых вступлениях сделана попытка выделить волны в последующих, которые, вследствие значительных удалений от источника возбуждений, можно отнести к закритическим отраженным волнам от границ в земной коре. В последующих вступлениях выделены отраженные волны, которые могут быть приурочены к отражающим границам в коре (волны P_cP₁, P_cP₂, P_cP₃) для которых кажущаяся скорость равна 6.3-6.5 км/с и отраженную волну от границы Мохо (PmP). На левой части сейсмограммы для ПВ 5 удалось выделить волну PmP в закритической области. Асимптотическое значение кажущейся скорости волны PmP не превышает 6.7-6.8 км/с. Важно отметить, что природа выделенных волн подтверждается результатами лучевого моделирования.

Как видно, полностью подобрать параметры модели так, чтобы теоретические и наблюденные годографы совпали с точностью до фазы, не удалось, но в целом теоретические годографы первых вступлений повторяют основные аномальные особенности формы годографов. Особый интерес представляют локальные понижения времен пробега волн в первых вступлениях на удалениях от приемника 60 и 100 км в прямом направлении от ПВ. Одну из таких волновых аномалий удалось смоделировать путем локального прогиба кровли четвертого слоя, возможно представляющую собой глубинное продолжение Монголо-Охотского разлома.

Рефрагированная волна P_c1 (удаления от ПВ 100-120 км), проникает в слой пород со скоростью 6.2-6.3 км/с, и кровля этого слоя залегает на глубине около 10-15 км и наблюдается в первых вступлениях только в центральной части профиля.

Пример влияния низкоскоростной неоднородности в верхней части коры на результат моделирования виден на встречном годографе (ПВ 10) на удалениях около 60 км от ПВ 5 низкоскоростная неоднородность резко увеличивает теоретические времена пробега волн.

В то же время в наблюденном поле увеличение времен пробега волн не наблюдается, что коррелируется с различием положении профилей КМПВ и ГСЗ и обусловлено латеральной неоднородностью верхней коры. В последующих вступлениях помимо волны, отраженной от Мохо, выделяются еще две группы колебаний, которые с учетом теоретических расчетов были отнесены к границам в земной коре залегающими на глубинах 20-28 км.

На рисунке 3 представлен пример волновой картины и результатов теоретического моделирования опорных волн ГСЗ для ПВ 26 для всей земной коры в редукции 8 км/с.

Плотная система наблюдений позволяет надежно коррелировать в первых вступлениях преломленную волну на Мохо с кажущейся скоростью для этой части профиля равной 7.9-8.0 км/с.

Рис. 3 ? Результаты моделирования разреза земной коры в окрестности ПВ 26. Вверху сейсмограмма с наблюденными годографами (красные линии) и теоретическими (зеленые) в редукции 8.0 км/с

В последующих вступлениях на встречном годографе надежно выделяется волна, отраженная от Мохо (P_mP). В редукции 8.0 км/с видно, что асимптотическое значение кажущейся скорости волны P_mP не превышает 6.7-6.8 км/с, что ограничивает максимальную скорость в нижней коре. Важно отметить, что природа выделенных волн подтверждается результатами лучевого моделирования. Некоторая новизна в обработке данных ГСЗ заключается в оценке максимально возможной мощности нижней коры, при которой годографы распространяющейся в ней преломленно-рефрагированной волны с кажущейся скоростью более 6.6-6.7 км/с, выпадают из первых вступлений. С уменьшением глубины залегания кровли нижней коры преломленная волна может быть обнаружена. Дополнительные данные о ее глубине на уровне 20-28 км получены по отраженной волне.

Сейсмическая структура земной коры

Сейсмический разрез коры и верхов мантии представлен на рисунке 4. Особой характеристикой кристаллической коры Забайкалья в целом является пониженные значения средней скорости 6.2-6.4 км/с по сравнению с 6.4-6.5 км/с на Сибирской платформе и Алданском щите, в нижней коре которых присутствует слой с повышенной до 6.7-6.9 км/с.

Рис. 4 ? Сейсмический разрез земной коры по данным рефрагированных волн и ГСЗ:

толстыми линиями показаны сейсмические границы со скачком скорости, тонкими ? ее изолинии, в км/с.; треугольниками с номерами показано положение источников возбуждения; структурно-тектонические единицы соответствуют тектонической карте М 1:1000000, листы М-50, N-50, O-49, O-50

Мезокайнозойские осадочные отложения распространены чаще всего в зонах глубинных разломов и в протяженных прогибах в пределах Монголо-Забайкальской (0-180 км) и Муйской рифтогенной впадин с мощностью до 3 км. Для верхней части кристаллической коры этих блоков характерна существенная неоднородность, выраженная в локальных изменениях глубины залегания изолиний скорости практически от 0 до 3-5 км. Осадочные отложения Сибирской платформы характеризуются двухслойным прогибом, в верхней части которого залегают породы со скоростью около 3.8 км/с и более мощного второго слоя (5-8 км), заполненного отложениями характеризующиеся скоростями 5.3-5.9 км/с. В целом мощность осадочной толщи может достигать 7-8 км.

Интересным локальным свойством, обнаруженным в земной коре, является прослеживание корня Кутомарской гранитогнейсовой купольной структуры со скоростью 6.3 км/с на глубину до 10-12 км, где он теряется на фоне такой же скорости, характерной для протяженного слоя мощностью также около 10 км. Вообще следует отметить, что скорость 6.3 км/с наблюдается на заметно изменяющейся глубине от 10 до 18 км, коррелируясь со структурами верхней коры. Она образует пологий подъем с апикальной частью на глубине около 10 км под Кутомарским куполом, погружается до 12-13 км в районе г. Александровский завод. Следующий выступ до уровня 9-10 км наблюдается на участке между г.г. Сретенск и Чернышевск, погружается под Западно-Становой складчатой системой и вновь поднимается до 10-11 км под Селенгино-Яблоновой складчатой системой. В Селенгино-Становой области рельеф изолиний скорости 6.2-6.3 км/с в верхней коре менее контрастный. Исключением являются высокоскоростные блоки на северном т южном бортах Муйской впадины. В целом же скорость 6.2 км/с наблюдается на значительно большей глубине 10-15 км.

На глубине 10-18 км удалось частично (там, где скачок скорости достигает 0.1 км/с и более) проследить границу в верхней коре с граничной скорость 6.3 км/с. В первых вступлениях мы наблюдаем преломленную волн от этой границы только на ее приподнятых участках, когда эта волна наблюдается в первых вступлениях. Граница образует пологий подъем протяженностью около 200 км с апикальной частью на глубине около 10 км в окрестности Монголо-Охотского разлома (250-450 км профиля) затем погружается под Западно-Становую складчатую систему (450-650 км). Под Алдано-Становым щитом (650-900 км) она снова поднимается до 10-11 км, и при переходе в Байкальскую складчатую зону вновь погружается до глубин 16-20 км и на такой же глубине прослеживается при переходе в Сибирскую платформу.

Кровля нижней коры со скачком скорости 6.35-6.6 км/с залегает под Монголо-Забайкальской системой на глубине 20-23 км и погружается в зоне Монголо-Охотского разлома, образуя локальный прогиб (220-450 км профиля), заполненный линзообразной неоднородностью со скоростью 6.45-6.5 км/с. Глубина залегания кровли этой линзы определена по отраженной волне. Далее к северу под Селенгино-Становой складчатой области (450-970 км) отмечается пологое поднятие внутрикоровой границы до глубины 20 км с амплитудой около 10 км. Скорость 6.6-6.7 км/с в нижней коре вдоль всего профиля остается практически постоянной.

При столь контрастных структурах верхней коры несколько неожиданным является довольно пологий рельеф Мохо, залегающей на глубине от 39-40 км на участке профиля 0-600 км и постепенно увеличивающейся до 45-47 км под Байкальской складчатой областью. Под Сибирской платформой глубина Мохо уменьшается до 40-42 км. При этом значительно более контрастно изменяется скорость в верхах мантии. В начальной части профиля на участке 0-170 км скорость равна 8.3 км/с. Затем на локальном участке между Борзя-Газимурским и Куренгинским структурными швами, протяженностью около 110 км скорость увеличивается до 8.5 км/с. Далее, на участке от Куренгинского шва до Урюмского разлома (окрестность п. Букачача) скорость уменьшается до 8.4 км/с. Под Саяно-Байкальской складчатой зоной, включающей в себя Западно-Становую и Селенгино-Яблоновую складчатые системы скорость на Мохо равна 8.3 км/с. Для Селенгино-Становой складчатой области скорость на границы Мохо в целом составляет 8.3 км/с и только для отдельной Витимо-Урюмской тектонической зоны протяженностью 160 км она понижена до 8.1 км/с. Под Байкальской складчатой зоной фиксируются пониженные скорости в верхах мантии порядка 8.0 км/с. Минимальное значение 7.9 км/с характерно для района Байкальской рифтовой зоны. Под Сибирской платформой скорость на границе Мохо равна 8.2 км/с.

Таким образом, аномальным по скорости на Мохо является южный участок профиля 180-480 км, в пределах которого верхняя кора характеризуется наиболее контрастными сейсмическими характеристиками. Так, участок с аномальной скоростью 8.5 км/с коррелируется со смещением по горизонтали на примерно 25 км (угол падения около 40^о) с Газимурской составной тектонической зоной, заключенной между Борзя-Газимурским и Куренгинским структурными швами и включающей в себя Верхне-Удинский интрузивный массив, подстилаемый практически однородным блоком со скоростью 6.0-6.1 км/с на глубине 3.0-13 км.

Над участком между Курунгинским швом и Урюмским разломом, где на Мохо скорость повышена до 8.4 км/с, в верхней коре наблюдается выступ границы со скоростью 6.3 км/с и амплитудой около 5-8 км, который в нижней коре компенсируется линзой мощностью до 10 км и скоростью 6.45-6.5 км/с.

Заключение

Установленная связь между региональными структурами верхней коры, выявленными по геологическим и сейсмическим данным, свидетельствует о достаточно высокой эффективности методов сейсморазведки при решении задач структурно-тектонического районирования складчатых областей Забайкалья.

Региональные структурно-тектонические блоки земной коры по данным ГСЗ выделяемые по корреляционным признакам между приповерхностными и глубинными сейсмическими характеристиками не полностью соответствуют основным структурным элементам, выделенным по тектоническим картам и требует уточнения и более обоснованного комплексного геолого-геофизического изучения структурно-тектонических и вещественных характеристик земной коры.

Список литературы

1. Диденко А. Н. Структура литосферы и мезозойская геодинамика востока Центрально-Азиатского складчатого пояса / А. Н. Диденко, В. Б. Каплун, Ю. Ф. Малышев и др. // Геология и геофизика. - 2010. - т. 51. - № 5. - С. 629--647.

2. Кашубин С. Н. Государственная сеть опорных геолого-геофизических профилей, параметрических и сверхглубоких скважин - основа глубинного 3D картографирования территории РФ и ее континентального шельфа / С. Н. Кашубин, Е. Д. Мильштейн, И. Ю. Винокуров и др. // Региональная геология и металлогения. - 2016. - № 67. - С. 43-48.

3. Крылов С. В. Недра Байкала (по сейсмическим данным)/ С. В. Крылов, М. М. Мандельбаум, Б. П. Мишенькин и др. - Новосибирск : Наука, 1981. - 104 с.

4. Мишенькин Б. П. Трехмерная сейсмическая модель земной коры и верхов мантии на северо-востоке Байкальской рифтовой зоны / Б. П. Мишенькин , З. Р.Мишенькина , Е. Н. Тен и др. // Геология и геофизика. - 1989. - № 2. - С. 115-123

5. Мишенькина З. Р.Изучение зоны перехода от земной коры к мантии на северо-востоке Байкальской рифтовой зоны по данным рефрагированных и отраженных волн / З. Р. Мишенькина, Б. П. Мишенькин // Физика Земли. - 2004. - № 5. - С. 47-57.

6. Сержантов Р. Б. Глубинное геолого-геофизическое изучение недр России: Современное состояние и основные задачи / Р. Б. Сержантов, С. Н. Кашубин, Ю. М. Эринчек и др. // Региональная геология и металлогения. - 2013. - № 53. - С. 26-31.

7. Суворов В. Д. Региональное структурно?тектоническое районирование верхней коры Забайкалья по сейсмогравитационным данным вдоль опорного профиля 1?СБ / В. Д. Суворов, Е. А. Мельник, Е. В. Павлов и др. // Геодинамика и тектонофизика. - 2018. - Т. 9. - № 2. - С. 439-459.

8. Шевченко Б. Ф. Модель глубинной геодинамики области сочленения Евразиатской и Амурской литосферных плит / Б. Ф. Шевченко, В. Б. Каплун // Литосфера. - 2007. - № 4. - С. 3-20.

9. Suvorov V. D.Structure of the crust in the Baikal rift zone and adjacent areas from Deep Seismic Sounding data / V.D. Suvorov , Z. R. Mishenkina , G. V. Petrick, I. F. Sheludko and others // Tectonophysics. - 2002. - Т. 351. - № 1-2. - С. 61-74

10. Zelt C.A. Seismic traveltime inversion for 2D crustal velocity structure / C.A. Zelt, R. Smith // Geophys. J. Int. - 1992. - V. 108. - P. 183-204.

Размещено на Allbest.ru