Відображення зон молодої активізації на території України в геофізичних полях та ізотопії гелію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Відображення зон молодої активізації на території України в геофізичних полях та ізотопії гелію

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтерес до вивчення зон сучасної активізації (віком кілька млн. р.) на континентах і, зокрема, на території України, виник як закономірний результат досліджень тектоносфери, що на протязі багатьох років проводяться у відділі тектоносфери Інституту геофізики НАНУ. В основу дослідження активних зон було покладено встановлення факту наявності активного процесу і типу ендогенного режиму за геологічними даними. По цим відомостям підбирався варіант гіпотези адвекційно-поліморфного процесу, будувалась модель тепломасопереносу для прийнятого віку і геометрії охопленого активізацією регіону на всю потужність тектоносфери. Відповідно з моделлю розподілялись фізичні властивості речовини тектоносфери. Частина прогнозних аномалій властивостей контролювалась безпосередньо геофізичними методами, що дозволяють порівняно повно вирішувати обернену задачу (зони зниженого електричного опору і швидкості сейсмічних хвиль порівнювались з результатами інтерпретації даних глибинної геоелектріки і сейсмології). Для інших аномалій вирішувались прямі задачі, результати порівнювались за спеціальними методиками з спостереженими тепловим потоком, гравітаційним та магнітним полями. Остання операція із-за обмеженої глибини магнітоактивних об'єктів і великої мінливості намагніченості порід нижньої кори грала підлеглу роль. Використовувалась і різноманітна геологічна інформація, зокрема, свідоцтва про РТ-умови утворення порід, зразки яких виносились на поверхню (глибинні ксеноліти), розглядались як геотермометри, що контролювали теплову модель. Використаними методами вдалось досягнути узгодження гіпотетичних глибинних механізмів з геолого-геофізичними даними в багатьох районах тектонічної активізації.

Існують випадки, коли використовуваний підхід непридатний. Після початку молодого глибинного процесу геологічні події в приповерхній зоні можуть бути невиразними чи просто відсутніми, тоді неможливо встановити факт активізації, тип ендогенного режиму і неможна вибрати район для постановки глибинних геофізичних досліджень, спрямованих на визначення і вивчення зони молодої активізації. Для первісного виділення подібних зон використовуються аномалії теплового потоку (ТП). В їх межах проводяться спеціальні глибинні геоелектричні і сейсмологічні роботи. Але легко уявити собі випадок ще більш молодого глибинного процесу, що не встиг створити помітну аномалію ТП через поверхню. Діагностика такої зони стає зовсім проблематичною. Наведені міркування привели до пошуку методу, котрий зміг би розширити застосований комплекс саме при пошуках зон сучасної активізації. Він повинен забезпечити їх незалежне виявлення відразу після початку глибинного процесу, тобто діагностувати установлення коро-мантійних зв'язків.

Таким вимогам відповідає вивчення ізотопії гелію. Різка різниця ізотопного складу корового і мантійного газу дозволяє вірогідно діагностувати появу в приповерхніх пробах мантійної складової. Велика проникність газу забезпечує надходження його до поверхні відразу після виносу разом з глибинною мантійною речовиною під кору. Інертність газу створює добрі передумови для малої контамінації породами проміжного шару.

Реалізації цій ідеї в умовах України і присвячена робота, на основі якої написана дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися в межах робiт за плановими темами відділу тектоносфери ІГФ НАНУ «Вивчення тектоносфери зон молодої активізації України» (1992-1996 р.р.) та «Геофізичні та геодинамічні моделі тектоносфери України» (з 1997 р.), а також в межах робіт по гранту U 59000 Міжнародного наукового фонду «Виділення та дослідження зон молодої активізації України», грантам 6.3/21 («Вивчення тектоносфери зон активізації Українського щита та Донбасу») Державного фонду фундаментальних досліджень України та проекту 3/97 («Розробка технології виділення по геофізичним даним ділянок, що перспективні на золоте зруденiння, в межах рудних полів Донбасу») Державної програми «Золото України».

Мета дослідження. Метою роботи є застосування ізотопії гелію до комплексу вже використовуваних геолого-геофізичних методів для створення методики «ранньої діагностики» зон молодої активізації.

Задача дослідження. Необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Впевнитись, що запропонований метод «спрацьовує».

2. У короткий термін провести експериментальні дослідження на великій території України.

3. Сформувати обґрунтовані уявлення про фон і аномалії.

4. Розробити методику обробки і якісної комплексної інтерпретації результатів стосовно вивченої території і зробити відповідні висновки.

5. Намітити перехід від вивчення ізотопії гелію до досліджень, що забезпечують вирішення тих самих задач, але менш трудомісткі і вартістні.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена нова методика «ранньої діагностики» зон молодої активізації на основі ізотопно-гелієвих даних.

2. Вперше на значній території України проведені ізотопно-гелієві виміри.

3. Визначені чисельні аномаліїї ізотопії гелію на континенті (і шельфі Чорного морю), пов'язаних з зонами молодої активізації, або з продовженням активного тектонічного процесу в регіонах альпійської і кімерійської складчастості.

4. Проведена комплексна інтерпретація ізотопно-гелієвих і геолого-геофізичних досліджень.

5. Визначена відповідність аномалій изотопії гелію даним глибинної геофізики.

Достовiрнiсть отриманих результатiв. Забезпечується комплексним підходом вивчення зон молодої активізації і великим обсягом експериментальних даних по ізотопії гелію (понад 600 визначень R, де R - ³Нe/⁴He).

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень, наведені в дисертації, можуть бути використані науковими та виробничими організаціями геологічного профілю в Україні: об'єднаннями Госгеолкому України, ІГН НАНУ, ІГРГІ НАНУ. Вони вже знаходять застосування в дослідженнях ГІН РАН, УкрНІМІ НАНУ.

Публікації та апробація результатів дисертації. Результати опубліковані в 7 статтях, написаних в свівавторстві (та двох, написаних автором), доповідались на міжнародних нарадах: «Глибинна будова літосфери та нетрадиційне використання надр Землі» (1996, Київ). «Теплове поле Землі та методи його вивчення» (1997, 1998, Москва) - тези доповідей опубліковані. Дві сумісні (з російськими колегами) статті подані до друку.

Особистий внесок здобувача. Автор поставив експериментальні дослідження (безпосередньо приймаючи участь при відборі газових проб) з метою встановлення ізотопного складу гелію в наступних регіонах: Прикарпатті, Складчастих Карпатах, Закарпатті (1995 і 1998 рр.), Криму (1996 р.), ДДЗ, Донбасі та частині Воронезького масиву (1997 р.), приймав деяку участь у вивченні ТП двох зон (Кіровоградської, Донецької), в геоелектричному дослідженні Кіровоградської, Бєльцької, Прип'ятьської і Донецької зон активізації магнітотелуричними методами, проводив обробку і інтерпретацію отриманної інформації.

Гелієві ізотопні дослідження вдалося провести завдяки тісній взаємодії з співробітниками ГІН РАН А.Л. Чешко і Б.Г. Поляком та співробітником ГІ КФ РАН І.Л. Каменським, котрим автор висловлює щиру подяку як і співробітникам відділу тектоносфери Інституту геофізики, без допомоги яких робота не була б зроблена.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 6 глав, заключення й списку літератури (107 найменувань). Включає 138 сторінок тексту, 20 таблиць і 24 малюнка.

Короткий змiст роботи

аномалія ізотопія гелій

У вступі стисло розглянуто варіант комплексного підходу до вивчення зон молодої активізації, запропоновано новий метод, що значно доповнює геолого-геофізичний комплекс, і розкрита актуальність досліджуємої проблеми.

Глава 1. Стислий нарис геологічної будови території України.

В главі розглядаються тільки самі загальні відомості про геологію України, необхідні для тектонічної прив'язки досліджуваних регіонів та їх складових.

Глава 2. Зони сучасної активізації території України.

Розглянуто комплекс геолого-геофізичних методів, що застосовується для виділення зон молодої активізації. Він не є загальноприйнятним і в той же час - відносно новий.

Аномалії ТП вздовж західного кордону Східно-Європейської платформи (СЄП) формують єдину велику Трансєвропейську зону активізації (ТЗА), де територія України становить лише її малий фрагмент (В.В. Гордієнко). Внесок нестаціонарних джерел тепла (ДТ) (3-26 мВт/м²) виявлено: у Закарпатському прогині і Панонській западині (26), в Складчастих Карпатах (9-25), у Прикарпатському прогині (0-9), на фрагменті Західно-Європейської платформи (3), у Придобруджинському прогині (0-5), в Донбасі і перехідній зоні поміж ним і ДДЗ (4-6), у Приазов'ї (0-4), на Південноукраїнській монокліналі (0-7), в Гірському Криму і прилеглої до нього частини Скіфської плити на Чорноморсько-Азовському шельфі (7-13), в Північній Добруджі (4-8). Згідно з тепловими моделями регіонів - ДТ найбільших аномалій розподілені до глибин біля 100 км і з'явилися під час вторгнення перегрітої речовини з нижніх горизонтів верхньої мантії під земну кору і в неї. В Карпатах джерело гарячого матеріалу - вірогідно молода астеносфера. В Криму можлива повторна активізація реліктової астеносфери. Кіровоградська (УЩ) і Донецька (ДДЗ і перехідна зона до Донбасу) аномалії ТП - гідротермального походження - максимально проявлені в місцях проникних розломів. Вони частково відповідають ширшині одного «кванту тектонічної дії» (КТД) (70 км) (В.В. Гордієнко), з якими пов'язані всі зони молодої активізації в Україні.

Діагностика зон молодої активізації за геологічними даними утруднена, бо їх приповерхні прояви в геологічних подїях практично відсутні. В.В. Гордієнко побудована (за даними В.П. Палієнко) досить умовна схема формування рельєфу території України та Молдови за останні 5 млн. років. Рівень піднять склав у середньому 50 м - це фон. Аномалії ТП потрапляють на місця з амплітудою 100-150 м, це: південна частина Хелмської і Яворівська, Тернопільська, Чорновицька, Рейнійська, Південнодонецька. Тарханкутська аномалія (на фоні нульових та від`ємних амплітуд до -50 м) характеризується підняттям на 50 м. В межах Бєльцької аномалії сумарна амплітуда неоген-четвертинних рухів склала від -200 до +100 м. Проте за післясарматський час відбулося підняття до 220-340 м. Підняття Гірського Криму досягає 1100 м, у Східних Карпатах - в середньому 150-300 м.

В Україні, Білорусі і Молдові виявлені чисельні об'єкти підвищенної електропровідності на різних глибинах в земній корі і верхньої мантії. Геоелектричні аномалії: Приазовська, Гайворон-Добровеличківська, Волинська, Коростенська - зв'язані з особливим складом порід земної кори, тому для визначення процесу активізації непридатні. Аномалії електропровідності: Прип'ятьська, Яворівська, Чернівецька, Рейнійська, Тарханкутська, Карпатська, Бєльцька, Кіровоградська, Донецька, Дніпровсько-Донецька територіально відповідають аномаліям ТП. Глибини покрівлі провідних об'єктів (км) відповідають (5 - ?) - 26 (в корі) та 50-70 (в мантії) і сумарна подовжня провідність (См) - 400-20000 (в корі), 700-4000 (в мантії).

В північній частині Прип'ятьського прогину на фоні загального підвищення швидкостей з глибиною локалізовано декілька зон зі зниженими їх значеннями: глибини (км) - 18-28, 50-60, 80-90. В Одеській затоці - значення V росте від 8,0-8,1 до 8,3 км/с на глибині 80 км, в інтервалі глибин 80-100 км відбувається зниження V до 8,1 км/с, глибше швидкість повертається до рівня 8,3 км/с. В межах Кіровоградської аномалії ТП знижені значення V кори - приблизно на 0,2-0,25 км/с (на глибинах 15-35 км). В ДДЗ - швидкістна структура кори несе на собі сліди базифікації у період рифтогенезу, в зв'язку з чим збільшились швидкості повздовжних хвиль в середній і нижній частинах кори, хоча локальні зниження швидкості зрідка з'являються. Тільки відомості про слабку місцеву сейсмічність поблизу крайових разломів западини підтверджують зв`язок геоелектричної аномалії з активізацією. На території Молдавської плити за даними сейсмології (літосферний трансект Вранча-ЮУ АЕС та Вранча-Чорнобиль) під аномаліями ТП Бєльцькою і Бакеу фіксується зниження швидкості на 0,4 км/с на глибинах 50-100 км. В Панонії і Закарпатському прогині відмічається зона зниженних швидкостей у верхній мантії на глибинах від 50-60 до 200 км.

Таким чином, наведені в розділах глави 2 геофізичні дані показують, що зони молодої активізації, первісно виділені як аномалії ТП, характеризуються повним набором геофізичних ознак: зонами зниженого електричного опору в корі (хоча й не скрізь) й зонами знижених швидкостей і електричного опору в верхніх горизонтах мантії. Їм відповідають й деякі прояви геологічної активності, котрі в кращому випадку можуть служити для залучення уваги до цих регіонів, але не для діагностики характеру глибинних процесів, що відбуваються (типу ендогенного режиму), оскільки не містять вказівок на участь у процесах рухів мантійної речовини.

Глава3. Застосування ізотопії гелію для діагностики процесів в зонах молодої активізації

Перспективність ізотопно-гелієвого методу можливо визначити при наявності трьох видів ознак: свідоцтв про ізотопію гелію, явної тектонічної активності і відповідних аномалій фізичних полів та аномальних об`єктів в корі і мантії. Сформульованим критеріям відповідають - мегаантиклінорій Малого Кавказу (МК) і Центральний Французський масив (ЦФМ), де процеси активізації досягли більш зрілої стадії, ніж ті, що вивчаються на території України. Тут очевидна активізація з участю мантії (основний магматизм), виявлені аномальні об'єкти, пов'язані з перегрівом аж до часткового плавлення в корі і мантії, доволі детально вивчена ізотопія гелію, яка виявила аномалію величин R, вказуючу на активний глибинний процес й високу проникність кори. Територіально аномалії корелюють з геофізичними об'єктами.

Тектоносфера МК характеризується геофізичними моделями, побудованими вздовж профілю ГСЗ Маркара-Пойли, що перетинає поперек простягання Малокавказську геосинкліналь. Величина R тут змінюється в межах (0,95-6,0)10^-6, явно вказуючи на мантійне джерело гелію. Високі R просторово збігаються з центральними частинами геосинклінальної складчастої зони і областю вулканізму, відповідаючи Севанському оротектонічному поясу (Анкаван-Зангезурській зоні). Середні значення ТП складають 70-80 при фоновому 50 мВт/м². На глибинах 20 і 60-170 км припускається часткове плавлення речовини. Корова зона часткового плавлення добре збігається з вулканічним поясом території. За результатами МТЗ покрівля провідних об'єктів - на глибинах 15-25 (в корі) і 50-70 (в верхній мантії), дуже непогано узгоджується з тепловою моделлю. Профіль відмічається значною негативною аномалією в редукції Буге. Щільністна модель вказує на можливий зв'язок гравітаційного мінімуму з аномально низькими (3,0 г/см³) щільностями порід в верхній мантії. За сейсмологічними даними потужність кори в межах Транскавказського підняття змінюється від 35 до 50 км (середнє значення - 40 км). Найменший показник в центральній смузі регіону. Аномалії пов'язані з глибинними процесами, геологічним виявленням котрих є альпійська складчастість (віком 25-30 млн. р.) і молодий пліоценовий магматизм (6 млн. р.).

ЦФМ характеризується проявом пізньокайназойського вулканізму, в альпійському циклі він являє собою область підняття, з неоген-четвертичним часом зв'язано слепінно-глибове здимання, що досягає амплітуди 1-1,5 км. Максимальне значення ТП - 105-110 на фоні 60-70 мВт/м². ТП свідчить про наявність в верхній мантії додаткового джерела тепла, згідно тепловій моделі на глибинах 25-30 км (в корі) і глибше 100 км (в мантії) можливо часткове плавлення. Значення R (7,23-7,64)10^-6 вказують на коро-мантійний зв'язок в межах вивчаємої території. Низькі R (фонові) з'являються поступово при наближенні до Приальпійського передового прогину, в осадках якого - типово коровий гелій. Територія відмічається інтенсивною негативною гравітаційною аномалією (до 70 мГл). Гравітаційний ефект земної кори і нормальної мантії не збігається з спостереженим полем (величина розходження 190 мГл), вказуючи на інтенсивну мантійну аномалію, не характерну для герцинід. МТЗ, виконані в Парижському басейні і на прилеглих виступах фундаменту (на північній периферії ЦФМ), показують, що до глибини 80 км опір високий і рівняється 5000 Омм, нижче - шар потужністю 60 км має низький опір - 60 Омм.

Таким чином, глибинні геофізичні об'єкти зон молодої активізації Арменії і Франції мають значну схожість. Тому здається перспективним в комплексі з геолого-геофізичними даними проведення спільних геотермічних і ізотопних гелієвих досліджень в Україні.

Проведені з участю автора дослідження ізотопії гелію в Україні дозволяють провести операцію, подібну виконаній на МК і ЦФМ, і для Закарпатського прогину. Активізація виявлена в інтенсивних вертикальних рухах останніх мільйонів років (через 20-25 млн. р. після основної фази складчастості), магматизмі (вік останніх ефузивів - меньш ніж 1 млн. р.) і гідротермальній діяльності. Аномалія ТП інтенсивністю до 120-130 на фоні 80-90 мВт/м² займає значну частину території Закарпатського прогину. Сейсмологічними дослідженнями виявлені коровий і мантійний шари знижених швидкостей - покрівлі на глибинах біля 15-29 та 55-70 км відповідно. Визначені об'єкти, вірогідно, зв'язані з зонами часткового плавлення. З висновком добре узгоджуються свідоцтва про глибини осередків молодого магматизму (60-65 і 10-30 км), встановлені по даним про температуру Кюрі тітаномагнетитових ефузивів (А.М. Глевасська). Гравітаційний ефект земної кори і нормальної мантії виявляє розходження з спостереженим полем на рівні 200 мГл. Основна частина негативної мантійної аномалії пов'язана з процесами в надрах альпійської геосинкліналі, але тільки їми аномалію пояснити не можна, необхідно ввести й уявлення про активний процес, супроводжуваний перегрівом кори й самих верхніх горизонтів мантії після періоду головної складчастості. За геоелектричними даними в Закарпатському прогині і на Панонському масиві виявлено преривчастий провідник в центральній частині кори і провідник в верхній мантії з глибиною покрівлі біля 70 км. Сумарна подовжня проводимість цього об'єкту дуже велика - 6000 См. Реальна ступінь плавлення піроліту виявляється на рівні кількох процентів. За результатами досліджень ізотопії гелію виділена яскраво виражена аномалія R=(200-300)10^-8 поблизу межі Закарпатського прогину і Панонської западини і кількох десятків на іншій стороні аномалії ТП - біля межі Закарпатського прогину і Складчастих Карпат. Дуже інтенсивні аномалії R (до кількох сотен) виявлені за межами України в Панонській западині. Обидві зони високих значень R приурочені до глибинних розломів.

Таким чином, перелічені геолого-геофізичні дані цілком певно вказують на дуже інтенсивну активізацію регіону з яскраво вираженою мантійною складовою. У регіоні України, де можливий одночасний розгляд усіх трьох критеріїв активізації - досягнуто їх узгодження. Наведена інформація підтверджує справедливість прогнозу про можливість використування ізотопії гелію для виявлення зон молодої активізації і дозволяє сподіватись на успішну розробку відповідної методики.

Глава 4. Ізотопія гелію - опис методу.

Гелій - найбільш рухомий газ в умовах Землі, складається з двох стабільних ізотопів ³Не і ⁴Не, стійких хімічних сполук не утворює. Генетично розрізняють гелій: а) первинний (R=310^-4) - захоплений нашою планетою під час її акреції; б) радіогенний (R=210^-8) - безперервно виникаючий в результаті розпаду радіоактивних елементів. Мантійний гелій (R=310^-5) утворився при змішуванні радіогеного та первинного гелію в пропорції ⁴Не_Р/⁴Не_П=10: 1. Атмосферний гелій (R=1,3910^-6) - результат дегазації Землі з переважною дисіпацією ізотопу ³Не у космічний простір. Коровий гелій - радіогенний. Ширшина варіацій величини R робить гелій незамінним параметром дослідження внутрішньоземних процесів, наявності коро-мантійних зв'язків, дозволяє охарактерізувати природу джерела і визначити час геологічних подій.

Гелій вперше виявлено у 1868 р., ⁴Не (1895 р.), ³Не (1939 р). До 1966 р. сформувалась концепція виключно радіогенного походження гелію на Землі. З 1966 р. за ініціативою І.Н. Толстіхіна група співробітників ІГГД АН СРСР, ВНІГРІ, ФТІ АН СРСР проводить ізотопні гелієві дослідження в різних земних об'ектах, одночасно удосконалюється високопродуктивна мас-спектрометрична методика. У 1968 р. на Другому Всесоюзному Симпозіумі по застосуванню стабільних ізотопів в геохімії, вперше зроблено повідомлення про первинне джерело гелію в мантії Землі, що базувалося на даних по Куріло-Камчатському регіону, де були виявлені аномально високі R - в 6-10 разів вищі за такі в атмосфері і більше ніж у 100 разів - у природніх газах кори. Одночасно американськими вченими в водах Тихого океану визначена надмірність ³Не, що також пояснювалась додатком мантійного гелію. В 70-90-х роках отримані чисельні результати розподілу значень R у підземних флюїдах різних регіонів земної кулі. Зараз найбільший інтерес виникає до регіонів, де виявлені прояви молодої активізації.

Досліджувані проби, отримані за участю автора у 1995-1998 р., представляють собою вільні гази, що спонтанно виділяються з підземних флюїдів при їх витіканні крізь свердловини, оснащені занурюванними насосами, самовиливні свердловини чи джерела, або вільні гази пластовых газових покладів, розкритих бурінням. Для відбору та збереження проб природнього гелію використовувались пляшки місткістю 200-500 см³. Відбір проб здійснен стандартним методом витискування. Труднощі, як правило, виникали при відборі проб із слабогазуючих джерел і свердловин, тому що зростав час відбору і, відповідно, імовірність контамінації гелієм атмосфери. Використання глибинних пробовідбірників має більше переваг, бо дозволяє виявити закономірності розподілу ізотопії гелію як по латералі так і в вертикальному розрізі пунктів опробування (за їх допомогою на початку 70-х років був отриман значний фактичний матеріал про розподіл значень R в межах УЩ та ін.).

Концентрації і ізотопний склад інертних газів вивчено в мас-спектрометричних лабораторіях геохронології і геохімії ізотопів ГІ КНЦ РАН (І.Л. Каменський) і ВНІГРІ на магнито-резонансному мас-спектрометрі МІ-9302. Точність вимірів: відносна похибка єдиничного визначення при R 10^-5 складає близько 5% і не більше 20% при R 10^-8. Для визначення величини R достатньо 5-10 см³ газу. Виділення гелію із проби і очистка його від хімічно активних газів і аргону виконана на приладі конструкції Хлопіна-Герлінга.

В роботі розглянуті деякі прийоми, котрі використувалися для сортування даних по ізотопії гелію не викривлені різними впливами і вільні від них. Величина поправки у більшості випадків не перевищує 10% вимірянного значення R і звичайно ще менша. В пробах, де відношення ⁴Не/²⁰Ne не вимірялось, величина R розраховувалась відповідно зі складом повітряного аргону. При концентраціях гелію набагато більше атмосферного (5,24 ррm), виправлення величини R несуттєве.

Вимірювання R, проведене на початку 70-х років в Україні, не супроводжувалося ізотопними даними неону і аргону. Просте сортування отриманих даних дозволило припустити, що починаючи з глибини близько 100 м вплив атмосфери відсутній. У більшості випадків це справедливо, але не виключені і відхилення, тому сумнівні, з точки зору подальшої інтерпретації, значення R були виключені. Порівнювання розрахункових і експериментальних даних (УЩ) показує, що при високій гелієносності вод, коли концентрація гелію в газовій фазі вод перевищує 0,01 см³/л, присутність в водах атмосферного гелію практично не впливає на ізотопний слад розчиненого гелію, R варіює в межах (1-3)10^-8.

З загальних позицій походження гелію зроблено спробу пояснити фон і його регіональні і локальні варіації в приповерхній зоні, зв'ясовано, чи не можуть бути джерелом гелію з аномальними R породи нижній частини кори («базальтового» шару), а не мантії. Із проведених розрахунків виходить, що концентрації утворених в нижній і верхній частинах кори радіогеного ³Не і ⁴Не вже в перші 500 млн. років набагато перевищують первинні. Для сучасного «базальтового» шару розрахункове R 110^-8, а для «гранітного» R 210^-8. Фонове значення R на УЩ повністю відповідає природі зустрінутого тут гелію. Однак, породоутворюючі мінерали неоднаково продуцують і затримують ³Не і ⁴Не (І.Н. Толстіхін), що може приводити до помітного відхилення розрахункового R від виміряного. Розрахункове радіогенне R осадового шару збігається з R «гранітного». Але в регіонах з перевагою глинистих порід, в котрих трохи підвищені концентрації літію помітне збільшення R. Не виключено, що цим пояснюється підвищений фон осадових басейнів України, а локальний ріст концентрацій приводить до місцевих аномалій. Необхідні подальші дослідження.

Глава 5. Вивчення ізотопії гелію в Україні

Починаючи з 70-х років в Україні і на прилеглих територіях Білорусі, Молдови, Росії і Угорщини в різній ступені вивчені УЩ та його західний схил (В.С. Глебовська), Прип'ятьська западина і ДДЗ (А.Г. Травнікова), вал Карпинського, Крим, Індоло-Кубанський прогин (Б.Г. Поляк), Прикарпатський прогин (Е.М. Прасолов), Панонська западина та ін. За участю автора отримані нові результати в Закарпатському і Передкарпатському прогинах, Східних Карпатах, Криму, ДДЗ, Донбасі і на шельфі Чорного морю.

Сформована вибірка значень R не викривлена поверхніми процесами, проведено узагальнювання існуючих даних про R в Україні і в прилеглих до неї областей, оцінка фонових і аномальних величин R в різних регіонах. Значення R для гелію, розчиненого в тріщинних водах УЩ і його західного схилу, змінюються в широких межах: (1-77)10^-8. Однак великі R відносно рідкі і пов'язані з утворюваннями певного елементного складу. Порівнюючи їх з R, встановленими для гелію в породах щита і Прип'ятьської западини, виявляємо добру відповідність основних частин цих масивів даних: модальні значення і стандартні відхилення (2,42,0)10^-8 і (2,02,0)10^-8 відповідно. На основі понад 600 визначень R встановлено: фонові R (без мантійних впливів), відповідають (2,0-2,5)10^-8, збігаючись з середнім для всієй СЄП - (2,010^-8) (Б.Г. Поляк); аномальні R (з кларковою концентрацією літію) - що перевищують 6,510^-8.

З цієй точки зору важко віднести до аномальних основну масу значень R, установлених для гелію попутних і водорозчинених газів Прип'ятьської западини, ДДЗ, Криму и Передкарпатського прогину. Модальне значення тут - 4,510^-8, стандартне відхилення - 2,710^-8. Отримане ізотопне відношення дещо вище, ніж розраховане для звичайної кількості літію і U/Th в теригенних породах - (3,0-3,5)10^-8. Приблизно таке ж значення R установлено в Тімано-Печорській провінції (4,210^-8), на валу Карпінського і в Індоло-Кубанському прогині (510^-8).

У Прип'ятьській западині і ДДЗ відзначена деяка кількість явно аномальних значень R. У першому випадку це дані на ділянках, що примикають до Речицького розлому, де значення R складають у середньому 14,510^-8. Характерно, що в свердловинах Речицької ділянки, де проби відібрані з різних глибин, R в підсольовій товщі вище, ніж у сольовій. В ДДЗ аномальні R складають у середньому 1110^-8. Частина ділянок з підвищеними R у ДДЗ збігаються з областю перетину западини Кіровоградською аномалією електропроводності, розташованої в середній і нижніх частинах кори. Значення R у осі Кіровоградської аномалії, явно перевищують фонове в центральній частині щита, пристосовані до Кіровоградського розлому і досягають (10-20)10^-8. На південному схилі УЩ R встановлює 810^-8, на перетині з ДДЗ - (10-20)10^-8.

В середньому Приднестров'ї (ділянка Сорокська), на краю Бєльцької зони активізації, зафіксовані фонові величини: (2,0-2,5)10^-8.В межах Середньоднєстровського (Подільского) глибинного розлому виявлена велика аномалія концентрацій гелію в водах: його тут 15-20% газової фази тріщинних вод порівняно з 0,01-0,2% на УЩ. На такому фоні додаток мантійного гелію неможливо вловити.

Велика область сучасної активізації, що займає значну частину Панонської западини і тильних прогинів Карпат, вивчена за межами України. Тут кора скороченої потужності порушена чисельними глибинними розломами, що і призводить до максимальних у Європі значень R - до 810^-6.

Таким чином, була визначена необхідність продовження досліджень по ізотопії гелію в Україні для створення достатньо щільної сітки спостережень, котра дозволяла б діагностувати активізовані регіони. Перш за все подібні роботи слід виконати в регіонах, де є більше шансів на виявлення аномалій R: у Карпатах, Криму, Донбасі, на Волино-Подільській і Молдавській плитах, у Придобруджинському прогині і на південному схилі УЩ.

Досліджені в Східних Українських Карпатах флюїди представляють собою різноманітні за складом гази: вуглеводневі, азотні і вуглекисневі. Виміряні концентрації гелію змінюються в широкому діапазоні від 0,1 до 249 ppm, відбиваючи зональний характер розподілу газу. В газах Передкарпатського прогину - 5-249 ppm (метанові і азотні), Складчастих Карпат - 0,1-23 ppm і Закарпатського прогину - 4-58 ppm (вуглекисневі).

Найменьші величини R відзначаються в Передкарпатьскому прогині - (1,4-4,8)10^-8, R_сер=(2,80,6) 10^-8 - відповідаючи типовому радіогенному гелію. Малі варіації є, очевидно, відбиттям змінення уран-торієвих і літієвих компонентів. У зоні активізації північного Прикарпаття в районі Яворівської аномалії ТП, з деякою долею ймовірності, могла би спостерігатися аномалія R. Її відсутність відповідає геоелектричним даним, провідний (проникний) глибинний розлом тут не виділяється.

В Складчастих Карпатах значення R у флюїдах значно вищі - (15,7-100)10^-8, R_сер=4510^-8. Величини R яскраво вказують на попадання в флюїди мантійного гелію, незважаючи на відсутність проявів найновішого магматизму.

Максимальні величини R зафіксовані в двох пунктах Закарпаття - Берегово R=20110^-8 і Шаян R=31410^-8, засвідчуючи про ще більші домішки мантійного гелію у флюїдах. Обидва пункти розташовані в зоні Припанонського глибинного розлому. Зона характеризуєтся широким розповсюдженням магматичних утворень. Однак, в районі Ужгорода спостерігаються майже такі ж низькі значення R (3,810^-8 і 5,710^-8), як і в Передкарпатському прогині, що поки не має однозначного пояснювання.

Кореляція поміж виміряними величинами R і ⁴Не спостерігається тільки во флюїдах Складчастих Карпат (засвідчуючи про змішення мантійного і корового гелію), у Передкарпатському прогині її немає, в Закарпатському прогині - вона не обгрунтована із-за недостатності даних, але певно існує.

Встановлена кореляція значень ТП і R, з всіма ознаками активного глибинного процесу в Закарпатському прогині і Складчастих Карпатах. Аномалія R відсутня в Передкарпатському прогині, під котрим КТД не піднімались.

Концентрації гелію в різних типах флюїдів Криму має широку межу варіацій - від 30 до 6767 ppm. Мінімальні значення відмічені в газах Індоло-Кубанського прогину (30-140), в Рівнинному Криму - 180-260. Тут гази характеризуються перевагою концентрацій CH₄ (40,2-98,5% об). Підвищеними концентраціями гелію відмічаються гази Кримського мегаантиклінорію - (300-463 ppm), представлені азотними газами (68,2-93,7% об).

Азотні гази зустрічаються і в Рівнинному Криму, в місцях неглибокого залягання фундаменту (м. Євпаторія: палеозой - на глибинах 841-870 м), де концентрація гелію (6603, 6767 ррm) на порядок перевищує таку в Гірському Криму. В пункті відбору (п.в.) Саки (2668) в загальному газовому складі превалює азот - 96,2% об, в п.в. Сізовка (1730) - азота 68,5% об. В п.в. Янтарне (2850) домінує метан - 68,2% об, азоту - 22,5% об.

Переважна частина зразків має неатмогенне походження гелію. Розкид значень концентрацій гелію в газовій фазі флюїдів викликаний їх неоднаковою загальною газонасиченістю, що визначена макрогазами. Величина R у флюїдопроявах Криму змінюється від 3,110^-8 до 40,8 10^-8. Аномальні R отримані практично повсюди, що свідчить про наявність в досліджуваних газах додатку мантійного гелію, за виключенням газів Керченського півострову. Керченсько-Таманській брудовулканічній області відповідає R_сер= 4,3610^-8 (Б.Г. Поляк).

Розкид єдиничних R в газах Рівнинного Криму і його північно-західного шельфу складає (3,1-24,4)10^-8, R_сер=110^-7. В межах Тарханкутської зони активізації на Глібовській ділянці (12-18)10^-8, побудована геоелектрична модель, не дає можливості судити про наявність чи відсутність добре проникній зони розлому. В даних по шельфовим свердловинам Чорного моря (Каркінітського прогину) прослідковується чітка тенденція зростання значень R з глибиною, по мірі наближення до фундаменту.

Гази Кримського мегаантиклінорія вказують на присутність в них 1,5-3,2% мантійного гелію, R=(6,1-40,8)10^-8, R_сер=2110^-8. Найбільша в Криму величина R=40,8 10^-8 відзначена на джерелі Аджи-Су, яке розташовано в межах Качинського підняття Гірського Криму.

Зіставлення величин R і ТП в Криму показує, що зв'язок не дуже виразний, однак обидва параметри мінімальні в межах Індоло-Кубанського прогину і підвищені на Скифській плиті (Б.Г. Поляк). Позитивна кореляція цих параметрів виявляється в Качинському піднятті Гірського Криму (Аджи-Су). Така ж кореляція відзначається і в межах Тарханкутської зони активізації, але відсутність даних по значенням R в межах центральної ділянки Криму не дозволяє підтвердити тут позитивну аномалію ТП.

Гелієві ізотопні дослідження чорноморською експедицією США і Турції (1988 р.) в межах південної частини Чорного моря, показують, що в водній колонці знаходиться в середньому 13% надлишку (³He).

Мала кількість визначень R в Донбасі, на примикаючих частинах схилу Воронезького масиву дозволяє зробити тільки попередні висновки про рівень параметру. Фонові значення тут близьки - 2 і 3 відповідно, і помітно не відрізняються від отриманих у ДДЗ (41).

Детальна вивченність ТП у ДДЗ і Донбасі дозволяє провести порівняння R з ТП при відстанях поміж пунктами визначень параметрів не більше декількох кілометрів. Між величинами R і ТП встановлена позитивна кореляція. Фоновому значенню ТП у ДДЗ (45 мВт/м²) відповідає близьке до фону значення R в п.в. Шебелінка, декілька підвищеному ТП у п.в. Богатойське (R=9,510^-8) і Єфремовське (9,6). Фоновий ТП Донбасу - 50 мВт/м², що співпадає з середньою його величиною в п.в. з середнім R=3 (5010 мВт/м²). Аномальний ТП п.в. Константінополь відповідає єдиному значенню R, що відрізняється від фону в Донбасі (12,3). Пункт визначення знаходиться в зоні глибинного розлому, поперечного простягання Донбасу. До нього приурочена і аномалія ТП.

На Єфремівській площі виявлена зосередженість підвишення R до розлому, поперечному простягненню ДДЗ і локальної структури. Вже на невеликій (в перші кілометри) відстані від нього виникає скорочення R (16-8-4 відповідно) до фонової величини. Побудовано узагальнений розподіл ТП для п'яти структур ДДЗ з високими значеннями R (в середньому 124). Виявлена локальна позитивна аномалія ТП, максимум котрої (65 мВт/м²) відповідає поперечному розлому. Спад аномалії до фонових значень виникає на відстані в 2 км. Тому здається цілком зрозумілим, що в п.в. Новоселівка фіксується територіальна близість високого ТП і практично фонового (після введення поправки) R.

По геологічним даним аномалії R і ТП пов'язані з наближенням до поверхні по проникним зонам розломів глибинних високонапірних флюїдів із мінералізацією, що вказує на їх магматичне походження. Це частина процесу сучасної активізації Донбасу і більшій частини ДДЗ, котрий викликав, зокрема, формування багатьох родовищ вуглеводнів.

Глава 6. Ізотопні аномалії і зони сучасної активізації території України

Основні результати роботи

Відображають перший етап роботи по вивченню зон молодої активізації України з використанням даних по изотопії гелію. З початку досліджень (5-6 років) вдалось отримати досить значні результати, основні з котрих такі:

1. Розроблена методика виявлення зон молодої активізації в Україні на основі вивчення ізотопії гелію в комплексі з геолого-геофізичними методами.

2. Проведено експериментальне дослідження ізотопії гелію в різних геологічних регіонах України: Складчастих Карпатах, Закарпатському і Передкарпатському прогинах, Криму Чорноморському шельфі, ДДЗ, на схилі Воронезького масиву, Донбасі та Південноукраїнській монокліналі.

3. Виявлені аномалії ізотопного відношення гелію в Складчастих Карпатах, характеризуючі власне альпійску геосінкліналь Карпат.

4. Встановлені аномалії ізотопії гелію в зонах молодої активізації Закарпаття, Тарханкутського півострову Криму та шельфу Чорного моря, Гірського Криму, Донбасу, ДДЗ, Прип'ятьської западини і Кіровоградського блоку УЩ, що однозначно вказують на мантійну природу тутешніх активних процесів.

5. Встановлена кореляція ізотопного відношення гелію з тепловим потоком (котра відрізняється від середньосвітової), зонами гідрохімічної інверсії в осадових басейнах України (і намічено розширення тематичного діапазону досліджень), з деякими проявами нафтогазоносності (родовищами, що виникли на останньому етапі активізації), що складають значну частину відомих покладів вуглеводневої сировини в ДДЗ.

Перелічине дозволяє стверджувати, що поставлена на початку роботи задача в основному вирішена і дослідження розглянутого характеру можуть бути продовжені в майбутньому.

Основні матеріали дисертації опубліковані у роботах

Тарасов В.Н. Изотопия гелия в зонах молодой активизации (на примере мегаантиклинория Малого Кавказа территории Армении) // Докл. НАН Украины. - 1997. - №3. - С. 132-136.

Тарасов В.Н. Тепловой поток и изотопия гелия зон молодой активизации (на примере Центрального Французского массива) // Докл. НАН Украины. - 1998. - №4. - С. 158-160.

Гордиенко В.В., Завгородняя О.В., Тарасов В.Н., Усенко О.В. Изотопный состав гелия в породах и природных газах земной коры территории Украины // Геофиз. журн. - 1997. - 19, №4. - С. 24-36.

Бурахович Т.К., Кулик С.Н., Логвинов И.М., Гордиенко И.В., Тарасов В.Н. Электропроводность земной коры северо-запада Украинского щита // Докл. НАН Украины. - 1997. - №10. - С. 125-128.

Бурахович Т.К., Гордиенко И.В., Кулик С.Н., Логвинов И.М., Тарасов В.Н. Магнитотеллурические исследования зоны молодой активизации тектоносферы северной части Молдавской плиты // Геофиз. журн. - 1997. - 19, №5. - С. 44-49.

Бурахович Т.К., Кулик С.Н., Логвинов И.М., Пинчук А.П., Тарасов В.Н. Геоэлектрическая модель тектоносферы Припятского прогиба // Геофиз. журн. - 1996. - 18, №5. - С. 71-79.

Тарасов В.Н., Гордиенко В, В. Тепловой поток и изотопия гелия зон молодой активизации // Тепловое поле Земли и методы его изучения. Cб. научн. трудов / отв. ред. Хуторской М.Д., Попов Ю.А., М.: Изд-во РУДН, 1997, С. 180-183.