Геодинамічна еволюція Чорноморської мегазападини та структур її обрамування (за геофізичними даними)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна Академія Наук України

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна

УДК 550.83(26):551.24

Геодинамічна еволюція Чорноморської мегазападини та структур її обрамлення (за геофізичними даними)

04.00.22 - Геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора геологічних наук

КОБОЛЕВ Володимир Павлович

Київ - 2002

АНОТАЦІЯ

Коболев В.П. Геодинамічна еволюція Чорноморської мегазападини та структур її обрамування (за геофізичними даними). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена вирішенню проблемних питань механізму й історії формування Чорноморської мегазападини і структур її обрамування на базі нових теоретичних узагальнень і технологічних підходів до обробки й інтерпретації наявного геолого-геофізичного матеріалу. Розроблено апаратурно-методичне і програмно-алгоритмічне забезпечення морських геофізичних робіт на базі комплексування геотермічних, гравімагнітометричних та сейсмоакустичних досліджень. Наведено результати комплексних геофізичних досліджень по вивченню глибинної будови північної частини континентального схилу і зони переходу до глибоководної Чорноморської западини. Розроблено геодинамічну модель формування Чорноморської мегазападини і структур її обрамування в рамках єдиної концепції походження і розвитку Середземноморського складчастого поясу. Чорноморська мегазападина зазнала у своєму розвитку дві стадії. У прогресивну стадію сформувалися два палеосклепіння, які пов'язані з підйомом Східного і Західного мантійних діапірів. При рифтингу в середньоюрський час тут утворився Північний глибинний розлом з відповідним магматизмом. Регресивна стадія пов'язується з палеоцен-еоценом, коли відбулося різке занурення палеосклепінь у внутрішні області мантійних діапірів, що ознаменувалося відповідною екстракцією їхнього магматичного матеріалу уздовж глибинного Циркумчорноморського розлому. Уперше показано, що впровадження мантійних діапірів у континентальну земну кору привело, з одного боку, до формування палеосклепінь, а з іншого - до утворення за їхньою периферією синхронних з ними компенсаційних депресій-геосинкліналей.

Ключові слова: Чорноморська мегазападина, глибинна будова, мантійний діапір, рифтінг, геодинамічна модель.

АННОТАЦИЯ

Коболев В.П. Геодинамическая эволюция Черноморской мегавпадины и структур ее обрамления (по геофизическим данным). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора геологических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. Институт геофизики им. С.И.Субботина НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена решению проблемных вопросов механизма и истории формирования Черноморской мегавпадины и структур ее обрамления на базе новых теоретических обобщений и технологических подходов к обработке и интерпретации имеющегося геолого-геофизического материала.

Разработано аппаратурно-методическое и программно-алгоритмическое обеспечение морских геофизических работ на базе комплексирования геотермических, гравимагнитометрических и сейсмоакустических исследований. Приведены результаты комплексных геофизических исследований отдельных районов акватории Черного моря по изучению глубинного строения северной части континентального склона и зоны перехода к глубоководной впадине. Выполненные численные расчеты свидетельствуют, что коэффициент анизотропии теплопроводности верхней мантии является одним из факторов, влияющим на структуру ячеек тепловой конвекции, способствуя адвекции тепла, частичному плавлению в астеносфере и расслоению верхней мантии по вязкости. Показано, что в осадочном слое Черноморской мегавпадины существует благоприятная термобарическая обстановка для образования и стабильного существования газогидратов при глубине моря 600-650 м. Мощность слоя гидратообразования существенно зависит от величины теплового потока. Установлено, что нефтяные и газовые месторождения структур обрамления Черноморской мегавпадины приурочены к областям повышенных тепловых. При этом первые из них размещаются в центральных частях аномальных зон, а вторые - по их периферии.

С учетом обобщения всего имеющегося геолого-геофизического материала по тектонике и осадочному выполнению мегавпадины, геофизическим полям и глубинному строению тектоносферы в рамках единой концепции происхождения и развития Средиземноморского складчатого пояса разработана геодинамическая модель эволюции и формирования Черноморской мегавпадины и структур ее обрамления. Впервые детально обоснован и подтвержден большим объемом новейших геолого-геофизических данных плюм-тектонический механизм формирования впадин внутренних морей. Показано, что Черноморская мегавпадина является локальным участком Персидско-Британского горячего пояса, характеризующегося интенсивным глубинным магматизмом и напряжениями растяжения. В частности, Черноморская мультиинтрузия была бифуркирована древней перемычкой пород “гранитного” слоя (Центрально-Черноморское поднятие) на две магматические структуры более высокого порядка - Западный и Восточный мантийные диапиры. Время инициального магматизма обоих мантийных диапиров ориентировочно можно отнести к концу палеозоя - началу мезозоя. Формирование палеосводов закончилось в позднем мелу, а уже в палеогене произошло их резкое по механизму пландж-принципа погружение, чем исключается ведущая роль в этом процессе плотностного перехода “базальт-эклогит”. Формирование глубоководных котловин и самой Черноморской мегавпадины произошло в палеоцене-эоцене.

Черноморская мегавпадина испытала в своем развитии две стадии. В прогрессивную стадию оформились два палеосвода, связанные с подъемом Восточного и Западного мантийных диапиров. При рифтинге в среднеюрское время здесь образовался Северный глубинный разлом с соответствующим магматизмом. Внедрение мантийных диапиров в континентальную земную кору привело с одной стороны к формированию древних сводов, а с другой - к образованию по периферии синхронных внедрению компенсационных депрессий-геосинклиналей. Регрессивная стадия связывается с палеоцен-эоценом, когда произошло резкое погружение палеосводов во внутренние области мантийных диапиров, что ознаменовалось соответствующей экстракцией магматического материала по зоне глубинного Циркумчерноморского разлома, который контролируется континентальным склоном Черноморской мегавпадины.

Ключевые слова: Черноморская мегавпадина, глубинное строение, мантийный диапир, рифтинг, геодинамическая модель.

ABSTRACT

Kobolev V.P. The geodynamic evolution of the Black Sea megadepression and the surrounding structures. A manuscript.

Thesis for the doctor's degree by specialty 04.00.22 - geophysics. The S.I. Subbotin Institute of Geophysics, National Academy of Science of Ukraine, Kiev, 2002.

The dissertation deals with solving principal problems related to mechanism and history of the origin of the Black Sea megadepression and surrounding structures on a basis of new theoretical generalizations and technological approaches to processing and interpreting geological and geophysical information available. Equipments and software have been developed to conduct marine interdisciplinary studies including geothermic, gravity, magnetic and seismic-acoustic methods. The results are presented of regional joint investigations of deep structure on the north continental slope and transitional zone to the deep water Black Sea depression. Based on the most comprehensive generalization of all available data on the geophysical fields, sedimentary cover, tectonics and deep structure of the tectonosphere, a new geodynamic model for the Black and the geological features of its surrounding regions has been constructed. The model differs principally from others because only for its constructing it has been developed a common mechanism of the origin and evolution of the Mediterranean folded belt in accordance with generally accepted view on kindred relations of all its deep water basins. For the first time, the Black Sea megadepression is shown to be a segment of the British-Persian hot belt that is responsible for the origin of the Mediterranean folded belt. It is given a new genetic interpretation of mobile geosynclines basins around the Black Sea megadepression as compensating subsidences. For the first time, the present-day Black Sea megadepression is considered to has experienced progressive and regressive stages in its tectonic history. During the first one 2 palaeovaults related to the upwelling of the East and-West mantle diapers have been formed. At the second stage (Paleocene-Eocene) the palaeovaults have rapidly subsided in the inner parts of the East and-West diapers, with submersion being governed by a plunge mechanism. Extraction of magmatic diaper material has occurred along the zone of the deep Circum-Black Sea fault controlled by the continental slope of Black Sea megadepression.

Key words: Black Sea megadepression, deep structure, mantle diapers, rifting, geodynamic model.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення України мінеральними ресурсами і, перш за все, нафтою і газом - одне із найактуальніших завдань сьогодення. Важливу роль в його розв'язанні відіграє власний видобуток вуглеводнів. Наявні геолого-геофізичні матеріали свідчать про винятково високі перспективи нафтогазоносності Чорноморської мегазападини, історії формування якої присвячена дисертаційна робота.

Чорноморська мегазападина входить до складу Середземноморського складчастого поясу, який розділяє Східно-Європейську й Африканську древні платформи, що розташовані відповідно з півночі і півдня від нього. Важливою особливістю тектонічного розвитку Середземноморського поясу є формування в його межах системи новітніх глибоководних западин. Вони накладені на різноманітні тектонічні структури поясу і заповнені водами внутрішніх морів - Чорного, Мармурового, Егейського, Іонічного, Адріатичного, Тірренського, Болеарського, Альборанського тощо. Глибокі депресії морів сформувалися за відносно короткий термін і являють собою не скомпенсовані осадовими відкладами тектонічні западини. Таким чином, вивчення глибинної будови Чорноморської мегазападини дозволить розв'язати проблему походження внутрішньоконтинентальних морів і еволюційної спрямованості геодинамічного розвитку Середземноморського поясу.

Незважаючи на те, що обговоренню геологічних проблем Чорноморської мегазападини присвячено десятки монографій і сотні статей, її походження й еволюція залишаються предметом жвавої дискусії. Аналіз літератури за останні 15 років свідчить, що у всіх спробах побудови її геодинамічної моделі використовується практично один і той же масив геолого-геофізичних даних, результати яких відрізняються в основному концептуальними підходами авторів покладеними в їх основу.

Існуючі точки зору на походження і тектонічний розвиток Чорноморського регіону можна об'єднати у дві групи. До першої групи слід віднести геодинамічні моделі, в яких вертикальні рухи літосфери розглядаються як головний тектонічний механізм формування і розвитку епіконтинентальної Чорноморської мегазападини. Другу групу складають дослідження, які ґрунтуються на концепції плитової тектоніки, де береться до уваги мобільність літосферних плит і фрагментарна природа земної кори.

Проте жодна з запропонованих геодинамічних моделей формування і розвитку Чорноморської мегазападини не здатна адекватно пояснити наявні геолого-геофізичні дані вивчення її глибинної будови, магматизм і режим осадконакопичення структур обрамлення, сейсмостратиграфію морських відкладів, включаючи їх локальні та регіональні деформації різного віку.

У зв'язку з цим вирішення проблеми створення геодинамічної моделі формування і еволюції Чорноморської мегазападини з урахуванням нових геолого-геофізичних матеріалів і технологій їхньої обробки і інтерпретації уявляється актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в рамках проектів “Нафта і газ”, “Чорне море”, “Геоморе” Національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну та інших регіонів Світового океану на період до 2000 р., у розробленні якої автор брав безпосередню участь.

У роботі наведено результати досліджень, що проведені автором у відділі геотермії і сучасної геодинаміки Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України відповідно до виконання таких наукових тем: “Вивчення регіональних і локальних особливостей теплового поля і їхніх зв'язків з глибинними процесами і динамікою літосфери” (шифр 3.1.15.2., № держ. реєстрації 80038067), 1984 р.; “Теплові потоки і геотермічна модель земної кори” (шифр 3.1.14.8.1., № держ. реєстрації 01850029796), 1989 р.; “Тепловий режим і сучасна динаміка сейсмічних і асейсмічних областей південно-західної частини України” (шифр теми 1.5.2.22., № держ. реєстрації 1004868), 1996 р.; “Комплексний аналіз геотермічного режиму і сучасних рухів земної кори” (шифр теми 1.5.2.72., № держ. реєстрації 0197U006519), 2001 р.; “Плюмтектонічна модель Українського сектору Чорноморської западини в структурах Персько-Британського гарячого поясу” (шифр теми 1.5.2.102., № держ. реєстрації 0101U00450), 2001 р.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є створення цілісної геодинамічної моделі формування і еволюції Чорноморської мегазападини на базі комплексних технологічних підходів до обробки й інтерпретації накопиченого до цього часу геолого-геофізичного матеріалу про глибинну будову регіону і Землі в цілому. Для реалізації поставленої мети було визначено такі завдання:

розробити апаратурно-методичне і програмно-алгоритмічне забезпечення морських геофізичних робіт на базі комплексування геотермічних, гравімагнітометричних та сейсмоакустичних досліджень;

провести регіональні та детальні комплексні геофізичні дослідження окремих районів акваторії Чорного моря;

виконати теоретичне узагальнення всієї наявної геолого-геофізичної інформації щодо осадового чохла, тектоніки, геофізичних полів і глибинної будови тектоносфери мегазападини і структур її обрамлення;

створити геодинамічну модель еволюції й історії розвитку Чорноморської мегазападини і структур її обрамлення.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше, на основі одержаної автором нової геолого-геофізичної інформації, розроблена геодинамічна модель формування Чорноморської мегазападини в рамках єдиної концепції походження і розвитку Середземноморського складчастого поясу.

Уперше підтверджено значним обсягом новітніх геолого-геофізичних даних плюм-тектонічний механізм формування западин внутрішніх морів.

Уперше, виходячи з умов геодинамічного розвитку, Чорноморська мегазападина віднесена до Персько-Британського гарячого поясу, для якого характерним є інтенсивний глибинний магматизм та сполучення тектонічних напруг стиснення та розтягання.

Уперше для Чорноморської мегазападини визначено дві стадії її формування: прогресивну, у процесі якої сформувалися два палеосклепіння, що пов'язані з підйомом Східного і Західного мантійних діапірів; регресивна стадія пов'язується з різким (за механізмом пландж-принципу) зануренням палеосклепінь у внутрішні області мантійних діапірів, що ознаменувалося відповідною екстракцією їхнього магматичного матеріалу по зоні глибинного Циркумчорноморського розлому.

Уперше показано, що впровадження мантійних діапірів у континентальну земну кору привело, з одного боку, до формування палеосклепінь, а з іншого - до утворення за їхньою периферією синхронних з ними компенсаційних депресій-геосинкліналей.

Уперше досліджено взаємозв'язок між геодинамікою, азимутальною анізотропією теплопровідності і геотермічним режимом верхньої мантії, який є яскравим прикладом структурної самоорганізації процесів в надрах Землі.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена геодинамічна модель формування Чорноморської мегазападини має не тільки науково-теоретичне, але і прикладне значення як методична основа раціональної стратегії пошуків вуглеводнів, розробки методів прогнозування землетрусів тощо.

На основі аналізу теплового поля структур обрамлення Чорноморської мегазападини доведено, що нафтогазові родовища контролюються зонами підвищених теплових потоків і багаторазової тектонічної активізації. Причому, газові родовища тяжіють до центральних областей аномальних зон, а нафтові - до їх периферії.

За даними теоретичних та експериментальних геотермічних досліджень побудовано температурні розрізи та оцінено параметри зон можливого скупчення газогідратних покладів Західно-Чорноморської западини.

За даними сейсмоакустичних досліджень виділено мережу давніх річкових долин північно-західної шельфової частини Чорного моря, що були найбільш значними постачальниками теригенного матеріалу, а разом з ним і розсипних родовищ різноманітних корисних копалин.

Особистий внесок здобувача. Робота над дисертацією включала експедиційні експериментальні спостереження, теоретичні розробки апаратурно-методичного та програмно-алгоритмічного забезпечення морських геофізичних досліджень, обробки й інтерпретації отриманих даних, а також переінтерпретацію, узагальнення та аналіз наявного геолого-геофізичного матеріалу, побудову геодинамічної моделі еволюції Чорноморської мегазападини.

В усіх морських експедиційних дослідженнях, результати яких наведено нижче, автор брав безпосередню участь.

Моделювання теплового поля виконані автором, разом з Р.І. Кутасом, В.О. Цвященком і Г.Т. Продайводою. Програмно-алгоритмічне забезпечення й інтерпретація гравіметричних і магнітометричних досліджень здійснені з В.Б. Бур`яновим, Г.М. Корчагіним і О.М. Русаковим. Особливий вплив на світогляд автора справив доктор геол.-мін. наук Ю.П.Оровецький. Йому належить ідея гарячих поясів Землі, яка знайшла свій розвиток при побудові геодинамічної моделі розглянутого регіону. Всім їм автор щиро вдячний.

Основні наукові результати, представлені в дисертації, отримані автором особисто. В опублікованих у співавторстві статтях автору належать геологічне обґрунтування робіт, цілком чи частково результати експериментальних досліджень геофізичних полів та їх інтерпретація, основні результати і висновки.

Достовірність отриманих результатів забезпечується великим обсягом морських геофізичних досліджень, різнобічної геолого-геофізичної інформації, яка після ретельного аналізу була оброблена і проінтерпретована у рамках єдиної концепції з урахуванням матеріалу про глибинну будову регіону і Землі в цілому. Незаперечним підтвердженням достовірності запропонованої моделі утворення і розвитку Чорноморської мегазападини служить її несуперечність основним сучасним геологічним і геофізичним даним.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційних досліджень доповідалися й обговорювалися на: міжнародному симпозіумі “Теплова еволюція літосфери і її зв'язок із глибинними процесами” (Москва, Росія, 1989); міжнародній конференції “Нові технології в геотермічних вимірах у свердловинах” (Берлін, Німеччина, 1993); 5-ому міжнародному симпозіумі “Теплові потоки і структура літосфери” (Костелець над Чорним Лісом, Чеська республіка, 2001); міжнародних конференціях “Теплове поле Землі і методи його вивчення” (Москва, Росія, 1997, 1998, 2000, 2002); 3-ій міжнародній конференції по нафтовій геології і газогідратному потенціалу Чорного і Каспійського морів (Нептун-Констанца, Румунія, 1998); 2-ому Балканському Геофізичному Конгресі і виставці (Стамбул, Туреччина, 1999); 1-ій міжнародній конференції “Тектоніка і нафтогазоносність Азово-Чорноморського регіону (Крим, Гурзуф, 1999); XIII міжнародній школі з морської геології (Москва, 1999); міжнародній науковій конференції “Геологія Чорного моря” (Київ, 1999); міжнародній конференції “Теоретичні і практичні проблеми інтерпретації потенційних полів” (Київ, 1999); 62-ій конференції Європейської асоціації геовчених і інженерів, (Глазго, Великобританія, 2000); міжнародній геофізичній конференції і виставці (Бухарест, Румунія, 2000); 2-ій міжнародній конференції “Тектоніка і нафтогазоносність Азово-Чорноморського регіону в зв'язку з нафтогазоносністю пасивних окраїн континентів” (Крим, Гурзуф, 2000); семінарі “Георифт, ЄВРОБРИДЖ і Кавказ” (Гурзуф, Крим, 2000); наукової конференції професорсько-викладацького складу геологічного факультету Київського національного університету ім. Тараса Шевченка (Київ, Україна, 2001); 3-ій та 4-ій міжнародних конференціях “Геодинаміка і нафтогазоносні системи Чорноморсько-Каспійського регіону” (Гурзуф, 2001, 2002).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 5 монографіях, 27 статтях у наукових журналах, 15 статтях у збірниках наукових праць, 29 доповідях у матеріалах і тезах наукових конференцій, 1 препринті і 2 депонованих рукописах. Усього за темою дисертації опубліковано 79 друкованих праць.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 317 сторінках (284 сторінки основного тексту з малюнками і таблицями) і складається із вступу, шести розділів, висновків, переліку посилань з 361 найменування. Робота містить 98 малюнків та 4 таблиці.

За постійну увагу і творчу підтримку у виконанні роботи автор глибоко вдячний академіку НАН України В.І. Старостенку. На вибір тематики досліджень істотно вплинув академік НАН України Є.Ф. Шнюков, під керівництвом якого виконані комплексні морські геолого-геофізичні дослідження в Чорному морі. Результати цих досліджень отримані завдяки самовідданій роботі в складних морських умовах великої кількості співробітників Відділення морської геології й осадового рудоутворення, Інституту геофізики, Інституту геологічних наук, Інституту геохімії, мінералогії і рудоутворення, Морського гідрофізичного інституту, Інституту біології південних морів НАН України й інших організацій. Усім їм автор щиро вдячний.

Автор висловлює щиру подяку В.С. Гейку, М.Є. Герасимову, О.Б. Гінтову, П.Ф. Гожику, В.В. Гордієнку, Д.С. Гурському, С.С. Красовському, І.Б. Щербакову, В.В. Юдіну за їх поради і об'єктивні зауваження, які сприяли роботі над дисертацією.

Автор глибоко вдячний співробітникам відділу геотермії і сучасної геодинаміки Інституту геофізики С.І. Субботіна Національної Академії Наук України М.І. Бевзюку, О.П. Кравчуку, Л.І. Невзгляд і С.І. Палій та ЗАТ “Інститут прикладної геофізики” В.М. Смагіну, С.В. Петрушенку, Т.І. Алексєєвій і С.О. Попенку за плідну співпрацю.

Особливо вдячний автор своїй дружині, Надії Іванівні, без неоцінимої допомоги, безмірної витримки та підтримки якої виконання цієї роботи було б неможливим.

2. КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Геофізична характеристика і геологічна будова Чорноморського регіону

Перші дані про будову Причорномор'я були відомі в XVIII сторіччі і належать В.Ф. Зуєву і П.С. Палласу, які проводили в той час геологічні спостереження в Гірському Криму. Подальші дослідження зв'язані в першу чергу з роботами Е. Зюсса, який звернув увагу на існування поперечних, стосовно загального простягання Чорного моря, тектонічних структур. Великий внесок у дослідження Чорноморського регіону зробили М.І. Андрусов (1885), К.К. Фохт і О.О. Борисяк (1887-1912), А.Д. Архангельський (1926), Ф.Ю. Левинсон-Лессинг (1933), М.М. Страхов (1938), М.В. Муратов (1949-1975), В.І. Славін (1960-1978) і багато інших.

Перше геофізичне вивчення Чорного моря належить Л.В. Сорокіну, який у 1930 р. виконав маятникову гравіметричну зйомку і встановив, що в регіоні переважають позитивні аномалії сили тяжіння в редукції Буге. Таким чином, уперше була показана наявність у земній корі Чорного моря аномальних високощільносних мас.

Проте, по суті до середини 50-х років ХХ ст., вся інтерпретація геологічної сутності земної кори Чорного моря, а, отже, і висновки про її тектонічну природу, зводилися до інтерполяційних побудов, що спиралися на матеріали дослідження навколишньої суші. Об'єднуюча їх точка зору зводиться до епіконтинентального характеру природи Чорноморської мегазападини.

З кінця 50-х років до вивчення Чорноморського регіону були широко залучені геофізичні методи. В результаті їх проведення з'явилося чимало робіт, що були присвячені геологічній інтерпретації одержаних матеріалів. Це роботи Б.К. Балавадзе, Б.С. Вольвовського, І.О. Гаркаленка, В.П. Гончарова, М.В. Короновського, Я.П. Маловицького, Є.Є. Мілановського, Д.А. Туголєсова, Ю.П. Непрочнова, В.Б. Соллогуба, С.І. Субботіна, А.В. Чекунова, Є.Ф. Шнюкова, О.Л. Яншина та багатьох інших. Серед них слід зазначити узагальнюючі роботи сімдесятих років В.П. Гончарова, Ю.П. Непрочнова, А.Ф. Непрочнової “Рельєф дна і глибинна будова Чорноморської западини” (1972), “Земна кора й історія розвитку Чорноморської западини”, за редакцією Ю.Д. Буланже, М.В.Муратова, С.І. Субботіна, Б.К. Балавадзе (1975) і “Геологічна історія Чорного моря за результатами глибоководного буріння” за редакцією Ю.П.Непрочнова (1980). В результаті цих досліджень було встановлено значну потужність осадових відкладів, стоншення консолідованої кори і відсутність в центральній частині Чорного моря “гранітного шару”, що вимагало перегляду колишніх уявлень про тектонічну природу депресії Чорного моря.

У 1987 р. вийшла у світ чудова робота А.В. Чекунова “Проблеми Чорноморської западини”, у якій, у результаті скрупульозного аналізу фактичного матеріалу і уявлень різних авторів, запропоновано нове геологічне трактування тектонічної природи, історії і механізму формування басейну Чорного моря, основні ідеї якої знайшли продовження і розвиток у цій роботі.

Сучасні погляди на будову і розвиток Чорноморської мегазападини дуалістичні. З одного боку, на основі накопичення геолого-геофізичної інформації самозатверджується модель, в основі якої лежить епіконтинентальний принцип. З іншого боку, останнім часом активізувалися прихильники плейттектонічних побудов.

Вертикальні рухи, що, на думку прихильників уявлень першої групи, вносять домінуючий вклад у походження й еволюцію Чорноморської мегазападини, можуть бути пов'язані з процесами деструкції континентальної кори - еклогітизації (Артюшков, 1979), рифтизації (Лєвин, 1982), астенолітизації (Чекунов, 1987), адвекції (Гордієнко, 1993) чи пасивної еволюції реліктової океанічної кори Тетіса (Мілановський, 1967).

У рамках парадигми плитової тектоніки запропоновано три основних варіанти геодинамічної моделі Чорноморської мегазападини різного ступеня детальності:

динамічний останець океанічної плити Тетіс, що простягається під гірські хребти обрамлення (Dewey et al, 1973; Хаін, 1982, 1984);

фрагмент крейдово-палеогенового задугового басейну, що сформувався до півночі від складчастого поясу Середньогір`я - Понтіди - Малий Кавказ (Zonenshain, Le Pichon, 1986; Dercourt et al, 1993; Okay et al, 1994; Robinson, Spadini. 1995);

ансамбль колізійних швів палеомікроконтинентів Дзерулія і Мізія (Кримсько-Кавказький і Печенега-Кастамону), рифтогенних прогинів (Західно- і Східно-Чорноморський), залишкових рифтогенних склепінь (Центрально-Чорноморське, Шатського і Полшкова), центриклінальних закінчень рифтів (прогини Істринський, Ріонський і Нижньокамчийський), аналогів крайових прогинів (Сорокіна і Туапсинського) і реліктів ранньомезозойської пасивної окраїни Лавразії (Юдін, Герасимов, 1995).

Проте жодна з запропонованих моделей формування і розвитку Чорноморської мегазападини не здатна адекватно пояснити наявні геолого-геофізичні дані. Навіть у рамках найбільш популярної задугової моделі існують розбіжності щодо віку початку розкриття Чорноморської мегазападини, визначення місця, кількості і розміру первинних фрагментів Неотетіса.

В межах Чорноморської мегазападини виконано значний обсяг геофізичних досліджень, результати яких дозволяють на більш високому науковому рівні висвітлити основні проблеми глибинної будови й історії геологічного розвитку цього регіону.

За результатами досліджень гравітаційного поля побудована карта потужності земної кори Чорноморського регіону. Аналіз щільнісної моделі кори дозволив зробити надзвичайно важливий висновок про те, що в земній корі глибоководної частини Чорноморської мегазападини зосереджено маси щільних порід, які, ймовірно, являють собою інтрузивні тіла основного та ультраосновного складу. За результатами гравітаційного моделювання встановлено залягання верхніх границь локальних об'єктів у кайнозойських відкладах, що свідчить про молодий вік основного й ультраосновного магматизму шельфу і континентального схилу Чорного моря.

Магнітне поле глибоководної западини Чорного моря характеризується слабкою розчленованістю й інтенсивністю. У центральній частині, на фоні переважно позитивного поля, чітко виділяються великі за площею східний і західний максимуми різного простягання. Ці локальні аномалії ототожнюються з магматичними породами основного й ультраосновного складу, які розміщені в осадовому чохлі земної кори і під границею М.

У результаті інтерпретації даних глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ) було отримано перші уявлення про глибинну будову регіону. Зокрема, встановлено, що потужність земної кори в Західно-Чорноморській і Східно-Чорноморській западинах оцінюється в 18-19 і 23 км відповідно, при відсутності в глибоководних частинах геофізичного гранітного шару. Під Центрально-Чорноморським підняттям, яке їх розмежовує, поверхня М занурюється глибше ніж на 30км. Важливим результатом ГСЗ виявилося те, що в гранітному шарі зафіксовано незвичайно високу швидкість сейсмічних хвиль (6.8 км/сек), що вказує на його збагачення магматитами основного складу.

Осадова товща детально вивчена сейсмічними спостереженнями методом відбитих хвиль загальної глибинної точки. Ці результати узагальнені у вигляді карт потужностей різновікових шарів у масштабі 1:1000000.

Вивчення теплового потоку в Чорноморській западині здійснювалось багатьма дослідниками (Сисоєв, 1960; Любимова, 1966; Савостін та ін., 1974; Смирнов та ін., 1976; Золотарєв та ін., 1979; Золотарєв, Кобзар, 1980; Кондюрін, Сочельніков, 1983; Дучков, Казанцев, 1985 та ін.). Всі геотермічні дослідження, які виконувались в 1960 -- 1990 роках проводились автономними зондами різної конструкції. Свердловинні визначення виконані лише в шельфовій зоні (Гордієнко та ін., 1993) і в 3-х свердловинах, пробурених з борту судна “Гломар Челленджер”. Придонна геотермічна зйомка в 80-х роках проводилась співробітниками Інституту геології и геохімії горючих копалин НАН України під керівництвом проф. В.Г. Осадчого.

Впровадження на початку 90-х років телеметричного апаратурно-вимірювального комплексу “ГЕОС” значно розширило мережу спостережень, якість та інформативність геотермічних матеріалів (Коболев та ін., 1993).

На сьогодні у Чорному морі виконано більше 600 визначень теплового потоку. Однак розміщення пунктів спостережень вкрай нерівномірне. Більшість з них зосереджені в південно-західному секторі Чорного моря і в центральній частині Західної глибоководної западини. Східна глибоководна западина, як і вал Андрусова, вивчені значно гірше. Практично невивченими залишаються південь Чорноморської западини, її континентальний схил та шельфова зона.

У розділі приводиться загальна характеристика геологічної будови земної кори Чорноморської мегазападини.

2. Апаратурно-методичне та програмно-алгоритмічне забезпечення комплексних морських геофізичних досліджень

Проведення морських наукових досліджень пов'язано із значними фінансовими витратами. Найбільш ефективними такі дослідження є за умови організації багатоцільових морських експедицій для всебічного вивчення різних елементів морських природних систем. Досвід проведення таких експедицій на науково-дослідних судах “Київ”, “Академік Вернадський”, “Професор Водяницький” показав, що розширення комплексу геофізичних методів дозволяє істотно збільшити обсяг одержуваної інформації практично без додаткових фінансових витрат. При геолого-геофізичних дослідженнях морських акваторій доцільно використовувати гравіметричні, магнітометричні, сейсмоакустичні і геотермічні спостереження. Застосування такого комплексу методів дозволяє раціонально використовувати судовий час при проведенні морських геолого-геофізичних експедицій.

Підвищенню ефективності морських наукових досліджень сприяє використання сучасних комп'ютерних технологій і програмного забезпечення для реєстрації, обробки, аналізу, візуалізації й інтерпретації результатів експериментальних спостережень. Для проведення комплексних морських геолого-геофізичних спостережень за участю автора розроблено:

сучасний комп'ютерний комплекс реєстрації координат і глибин уздовж траси проходження судна;

комп'ютеризований вимірювально-обчислювальний комплекс для диференційних гідромагнітних досліджень;

програмне забезпечення для обробки, аналізу, візуалізації й інтерпретації результатів гравіметричних і магнітометричних спостережень;

сучасний комп'ютерний комплекс реєстрації, обробки, візуалізації й інтерпретації даних морських геотермічних спостережень.

У розділі наведено основні методичні та технічні характеристики гравіметричного, магнітометричного, геотермічного і сейсмоакустичного апаратурних комплексів, за допомогою яких отриманий оригінальний експериментальний матеріал.

Розглянуто методичні особливості інтерпретації магнітного та гравітаційного полів в морських акваторіях, зокрема, формальний автоматизований підбір джерел гравітаційних и магнітних аномалій та методичні прийоми моделювання по регіональних профілях методом розв'язання лінійної оберненої задачі.

3. Результати експериментальних морських геофізичних спостережень

У третьому розділі наведено основні результати морських гравімагнітометричних та сейсмоакустичних спостережень, виконаних у рамках Національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну й інших регіонів Світового океану.

Виконано значний обсяг гравімагнітометричних спостережень при деякій хаотичності й нерівномірності мережі спостережень. Для вивчення регіональної складової поля сили тяжіння сформовано три регіональних профілі, що перетинають Західно-Чорноморську западину в північно-східному напрямку.

Аналіз результатів інтерпретації геофізичних матеріалів виявив досить складну будову консолідованої кори. З півночі і півдня Західно-Чорноморську западину обрамляють структури з континентальним типом кори - Скіфська плита і Західні Понтіди. У межах Скіфської плити поверхня поділу кора-мантія залягає на глибині 38,5-39 км, лише під Кілійським підняттям підошва кори занурюється до позначки 40,5 км. Під північним узбережжям Туреччини потужність кори складає близько 40 км. У центральній частині Західно-Чорноморської западини, між підняттями Дружба і Полшкова, межа кора-мантія залягає на глибині 22-26 км, а потужність консолідованої кори складає 9-14 км. Тип кори на ділянці між підняттями Полшкова і Кілійським за своїми параметрами є проміжним між океанічною і континентальною корою потужністю 20-22 км. Покрівля фундаменту без явно виражених нерівностей. Підошва кори в центрі цього блоку залягає на глибині 28 - 31 км, підіймаючись на краях на 2-3 км.

За магнітними даними субокеанічна ділянка земної кори значно відрізняється від континентальної і субконтинентальної. Власне субокеанічна ділянка не має в корі великих намагнічених блоків. Аномальні тіла тяжіють до її країв - межі з підняттями Полшкова і Дружба. Причому, ці тіла поширюються на всю потужність кори, що може свідчити про їхній зв'язок з мантійними процесами. На континентальній і субконтинентальній ділянках магнітні об'єкти поширені за всією площею. Вони, як правило, мають приповерхневе залягання, що вказує на їхнє осадочно-метаморфічне походження.

Отримані оцінки глибини залягання верхньої границі магнітоактивних мас (14 км) добре узгоджуються із сейсмічними даними. У той же час дані про глибину їх нижньої границі (36 км) входять у суперечність з інформацією про положення поверхні М на глибинах порядку 22-25 км і, у незначній мірі, з розрахунками глибини залягання ізотерми Кюрі магнетиту (580°С) - 25-30 км.

Представлено результати аналізу структури й інтерпретації гравітаційних і магнітних полів південно-західного флангу складчастих споруд Гірського Криму, занурених під дно Чорного моря. Значну увагу при цьому було приділено району Ломоносівського підводного масиву (ЛПМ), відкритого в 1989 році з борту науково-дослідного судна “Михайло Ломоносов” експедицією під керівництвом академіка Є.Ф. Шнюкова. На сьогоднішній день це єдине відоме відслонення кристалічних порід на дні Чорного моря, розташоване в межах північно-західної частини континентального схилу, в 50 км на південний захід від Севастополя.

Складний розподіл вулканічних і плутонічних гірських порід різного (крейда-палеоген) віку в межах одного масиву визначається значною мірою тим, що ЛПМ знаходиться на границі різних типів кори. З цієї причини тут спостерігається складна структура фундаменту, наявність окремих блоків, включень гетерогенних вулканічних утворень і окремих вулканічних апаратів. У підніжжі континентального схилу в корі виявлено блок з підвищеною щільністю - 2,83 г/см3. Цей блок простежується під осадовим чохлом на південь у межах північної частини западини. Його ширина складає близько 8 км, контакт із навколишнім середовищем різкий, границі майже вертикальні.

За характером залягання поділу кора-мантія тут можна виділити дві ділянки. У межах шельфу і верхньої частини континентального схилу глибина поділу кора-мантія зменшується з півночі на південь. Під нижньою частиною схилу і північною частиною Західно-Чорноморської западини вона залягає майже горизонтально на глибині 26,5 км, слабо здіймаючись до її центру. Щільність порід верхньої мантії уздовж підошви кори змінюється мало.

Сейсмоакустичне профілювання дозволило охарактеризувати структуру і провести розчленовування донних утворень у зоні переходу континентального схилу до глибоководної Чорноморської западини на південь від Криму. Установлена шарувата, без значних тектонічних порушень, структура континентального схилу, який перекритий зсувними утвореннями. Під схилом виявлені неглибокі каньйони, заповнені уламковим матеріалом. Структура залягання відкладів і наявність каньйонів свідчить про існування в низах схилу розломної зони.

Більшість виявлених гідроакустичними дослідженнями газових виділень у північно-західній частині Чорного моря локалізується на зовнішньому шельфі і континентальному схилі. Результати сейсмоакустичних досліджень газовипромінюючих структур дна Чорного моря дають можливість припустити, що область газоутворення знаходиться на глибинах більш ніж 400 м. Газ із зон локалізації надходить повздовж порушених структур тектонічного походження до приповерхневих шарів на відстань 10-20 м від дна, де, взаємодіючи з донними відкладами і збагачуючи останні, концентрується у вигляді конусів, лінз до перевищення тиску навантаження. Потім газ, прориваючи верхні шари сучасних відкладів й слабо порушуючи їхню горизонтальну структуру, вздовж тонких каналів надходить у водну товщу.

Детальні сейсмоакустичні спостереження древньої річкової системи південно-західного шельфу Чорного моря, перекритої сучасними відкладами, дозволили виділити 19 ділянок, які представляють річкові ерозійні врізи. Характер їх сейсмоакустичних границь з осадовим заповненням свідчить про різний вік утворення стародавніх витоків річок.

4. Результати геотермічних досліджень Чорноморського регіону

Методика визначення теплового потоку на акваторіях базується на роздільному вимірі теплопровідності осадів і геотермічного градієнта. Основна вимога до будь-якої експериментальної методики - об'єктивність одержуваних з її допомогою даних, впевненість у тім, що ці дані відображають притаманні об'єкту властивості, а не особливості вимірювань.

При геотермічних вимірюваннях у донних осадах зондовим методом у першу чергу необхідно оцінити якість впровадження зонду у дно моря, умови теплообміну на границі вода-осади, вплив рельєфу, деформації осадів тощо. Використання телеметричного автоматизованого геотермічного комплексу “Геос” дозволяє у реальному масштабі часу контролювати момент, уклін і глибину впровадження зонда у дно моря, активно керувати процесом вимірювань на кожній станції спостережень.

Принципи реєстрації геотермічних параметрів на дні моря засновані на припущенні про сталість температури в придонному шарі води нижче рівня сезонних коливань температури. Максимальні коливання температур у Чорному морі спостерігаються в приповерхньому шарі води. З глибиною температура зменшується і досягає в термоклині 6,8-8,7°С на глибинах 50-100 м. Температура термоклина протягом року змінюється мало. Нижче температури складають 7,9-8,6°С, а на глибинах 2000-2200 м досягають 9,0-9,2°С. Якщо добові і річні коливання температури відбуваються у відносно тонкому поверхневому шарі (для добових коливань - 0,2-1,2 м, для річних - 18-21 м), то сезонні коливання температури поширюються до глибин 300-400 м. Більшість геотермічних вимірів виконано на глибинах моря понад 400 м.

У різних частинах континентального схилу вплив рельєфу на величину теплового потоку істотно відрізняється. У західному секторі континентальний схил пологий і практично не впливає на розподіл температур і геотермічних градієнтів. Пов'язані з рельєфом спотворення геотермічного градієнта в східному секторі змінюються від 1-2% до 50-70%. У разі рівномірного заглиблення схилу в районі 33° східної довготи, кут нахилу складав би тут 12-17° і відповідно тепловий потік був би занижений у верхній частині схилу на 8-12% і завищений у нижній на 10-15%. Рельєф схилу істотно неоднорідний і тому його вплив на розподіл геотермічних параметрів брався до уваги на кожній станції.

Вплив на тепловий потік структурних форм, утворених породами різної теплопровідності, розглядався багатьма дослідниками, як у загальному вигляді, так і з точки зору впливу конкретних тектонічних структур. Задача вирішувалась як аналітичними, так і чисельними методами. При її розв'язанні виходили з припущення про сталий розподіл температур і теплових потоків. За даними чисельних розрахунків, викликане рефракцією зменшення теплового потоку в центральній частині мегазападини не перевищує 5 %. Більш істотним може бути спотворення поля в деяких прибережних районах, де підвищення теплового потоку за рахунок ефекту контрастної теплопровідності досягає 40%, при відношенні коефіцієнтів теплопровідності (л1/л2) рівному 2. При відношенні л1/л2 = 3 це розходження збільшується до 60%. Збільшення теплового потоку над Центрально-Чорноморським підняттям може досягати 20%. Однак отримані варіації теплового потоку на основі аналітичних рішень неоднозначні. Це обумовлено як наближеною апроксимацією теплофізичних неоднорідностей тілами правильної геометричної форми, так і вибором теплофізичних параметрів.

У процесі діагенезу осадів відбувається їхнє ущільнення й віджимання порових вод. Ці води просочуються догори через осадову товщу або рухаються вздовж субгоризонтальних проникних шарів і розвантажуються в проникних порушених, ослаблених чи контактних зонах. Якщо припустити, що швидкість вертикальної фільтрації через осади не перевищує швидкості накопичення осадів (чи обсяг флюїду, що виноситься, через 1 м2 дна не перевищує обсягу осадів), то винос тепла складе не більш 1 мВт/м2. Більш істотну роль відіграє рух флюїдів у порушених зонах.

На основі виконаних досліджень встановлено інтенсивну аномалію теплового потоку в зоні Південнобережного й Одеського глибинних розломів. Поле тут сильно диференційовано. Аномалія теплового потоку не симетрична і має обмежену ширину. У її межах і по периферії виявлені грязьові вулкани, водогазові фонтани, діапірові структури. Усі перераховані особливості аномального поля свідчать про інтенсивний тепломасоперенос в цій зоні. Очевидно, тепло виноситься локалізованими струменями, нерівномірно розсіяними в зоні розлому. Вони можуть функціонувати як безперервно, так і періодично. Висхідні потоки розвантажуються в придонному шарі осадів чи безпосередньо на поверхні дна у вигляді джерел, газо-водяних струменів тощо. При базовому тепловому потоці 55 мВт/м2 середній винос тепла конвекційним шляхом складає 30-35 мВт/м2 і відношення конвекційної і кондуктивної складових дорівнює 0,64±0,5.

Аналіз розподілу теплових потоків, розташування виходів газу і флюїдів, грязьових вулканів, діапірових структур дозволяє віддати перевагу механізму формування потоків флюїдів у результаті віджимання порових вод і їхнього розвантаження в прибортових зонах глибоководної западини. У східному прикримському секторі перехідної зони між глибоководною западиною і Скіфською плитою, де континентальний схил практично збігається з границею глибоководної западини, водогазові фонтани і грязьові вулкани локалізуються в основному біля його підніжжя з боку глибоководної западини. У західному секторі поля водогрязьових фонтанів, грязьових вулканів і діапірових структур поширюються на південний край шельфу, де під молодими осадами простежується борт донеогенової западини.

З огляду на нерівномірний розподіл пунктів визначення теплового потоку, вплив умов виміру у приповерхневому шарі осадів, що створюють значну їх латеральну мінливість, було проведено осереднення отриманих значень у межах площадок географічної мережі 1°х 1° і 20ўх20ў. Отримані середні значення відносилися до центру площадок і були використані для побудови схеми теплового потоку, аналізу теплового поля, побудови геотермічних моделей .

У Чорному морі переважають низькі значення теплових потоків (20 - 40 мВт/м). Найнижчі значення (менш 30 мВт/м) зареєстровані в центральних частинах Західно- і Східно-Чорноморської западин з максимальною потужністю молодих відкладів.

У Західно-Чорноморській западині низькі значення теплового потоку охоплюють практично всю її площу. Поле слабо диференційовано. Теплові потоки поступово збільшуються від центральної частини прогину, де вони складають 20 -- 30 мВт/м2, до периферії. Зона відносно високих значень (50 -- 60 мВт/м2) виділяється на північно-західному шельфі. Вона має широтне простягання і є частиною великої області аномальних потоків, що охоплює практично всю Скіфську плиту. Розподіл теплових потоків корелюється з тектонічною обстановкою, що свідчить не тільки про просторову, але і генетичну єдність аномалій прибережної зони моря і суші. Підвищеними потоками характеризується зона молодого вулканізму Середньогірья, а також Балканіди та деякі зони активних розломів. Передгірний прогин виділяється зниженими значеннями теплових потоків.

Зона підвищених теплових потоків уздовж борта валу Андрусова, очевидно, не являє собою єдину аномалію. Вона складається з декількох аномалій різних розмірів та інтенсивності. Максимальні значення теплових потоків (50 -- 70 мВт/м2) зареєстровані південніше Криму між Трансчорноморським і Південнокримським розломами. Східний схил підняття Андрусова характеризується низькими тепловими потоками.

Інший характер має більш диференційоване теплове поле Східної частини Чорноморської мегазападини. На фоні низьких значень теплових потоків виділяється мережа аномалій підвищених значень, які у більшості випадків займають січне положення щодо Східно-Чорноморського западини. До них належать аномалії, які розташовані на продовженні в Чорне море Аджаро-Тріалєтської зони, у районі Гудаутського підняття і тектонічних порушень на траверзі порту Туапсе. Теплові потоки в межах цих аномалій змінюються в широких межах від 50 до 100 мВт/м2.

Локальні аномалії низького теплового потоку виділяються уздовж Кримського і Кавказького узбереж. Вони відповідають ділянкам найбільш глибокого занурення фундаменту в прогинах Сорокіна, Туапсинському і Сінопському.

Приведений аналіз геотермічних режимів морських басейнів Середньоземноморського поясу свідчить про різну геодинамічну історію їхнього формування. Отриманий за геотермічними даними вік структур Східного Середземномор'я (125 млн. років) відповідає юрському-ранньокрейдовому часу розкриття Левантійського басейну. У той же час олігоценовий вік Егейського моря явно не відповідає наявним палеомагнітним даним. У цілому, глибоководні западини внутрішніх морів мають ряд загальних рис: це скорочена потужність літосфери і земної кори, сильно диференційований, але підвищений тепловий потік.

Сучасна геотермічна вивченість дозволяє розглянути лише регіональні особливості розподілу теплового поля структур обрамлення Чорноморської мегазападини. Геотермічні зони, як правило, збігаються з загальним простяганням тектонічних структур, але аномалії максимально високих значень нерідко займають січне положення. Зокрема, аномалії Передкавказзя мають субмеридіональне простягання, а структури Скіфської плити і Великого Кавказу - субширотне чи північно-західне. Це свідчить про складний і багаторазовий прояв тектоно-термальних подій на цій території. Геотермічні аномалії є неначе накладені на сформовану тектонічну структуру, що свідчить про їхній молодий вік.

Термічний режим і його зміни в процесі геологічної історії є одними з найважливіших енергетичних факторів, що контролюють інтенсивність утворення вуглеводнів. Зіставлення схеми теплових потоків і розміщення нафтогазових родовищ у розглянутому регіоні показало локалізацію останніх у зонах підвищених значень теплових потоків і багаторазової тектонічної активізації. При цьому газові родовища розташовуються в межах областей з високим тепловим потоком, а нафтові - за їхньою периферією. Зони розміщення газових родовищ у багатьох випадках оконтурюються ізолініями теплових потоків 65-70 мвт/м2.

Проведені теоретичні дослідження з метою з'ясування впливу геотермічних умов на геодинамічний режим існування газогідратів у Чорноморській мегазападині. Встановлено, що на більшій частині Чорноморської мегазападини в придонному шарі відкладів існує сприятлива термобарична обстановка для утворення і стабільного існування газогідратів на глибинах моря 600-650 м. Зі збільшенням глибини моря потужність зони гідратоутворення зростає і досягає 350-500 м біля підніжжя і у глибоководній частині. Потужність шару гідратоутворення істотно залежить від величини градієнта температури чи теплового потоку. У зонах з низьким тепловим потоком (25 - 30 мВт/м2) потужність шару гідратоутворення складає 350-400м, при збільшенні теплового потоку до 40мВт/м2 вона зменшується до 200-250 м, а при значеннях потоку 60 мВт/м2 і більш - скорочується до десятків метрів. У зонах аномально високих потоків (80-100 мВт/м2) газогідратний шар, ймовірно, цілком відсутній.